Analog-to-Digital Converter(ADC)

1. 역할

   • 아날로그 신호를 디지털 형식으로 변환
     • 임베디드 시스템을 둘러싼 세계는 대체로 아날로그
     • → 온도, 소리, 가속도 등의 센서는 대부분 아날로그 출력
     • MCU: 아날로그 신호를 디지털 형식으로 사용할 수 있도록 변환해야 함 → ADC의 역할
   • 미리 결정된 정확도로 아날로그 신호를 디지털 표현으로 변환
   • → MCU는 아날로그 입력 값을 기반으로 변환된 디지털 정보를 처리 혹은 분석

2. 동작 원리

   • 디지털 출력이 아날로그 입력에 비례하는 전자 회로

   • 입력 전압을 측정하고 측정된 크기에 비례한 이진수 출력

   • 아날로그 입력 신호는 매우 다양한 주파수 특징을 가짐

     • 온도 신호: 매우 천천히 변화

     • 소리, 진동 신호: 수백-수십 킬로 주파수의 변화

     • 비디오, 레이더: 매우 높은 주파수

     • → 다양한 신호 특성에 최적화된 유형의 ADC가 개발되어 있음

       

   • 아날로그 MUX 이용 → 한 개의 ADC가 여러 개의 아날로그 입력 채널 변환

   • 고정밀 아날로그 회로 구성, CPU와 인터페이스를 위해 복잡한 구조를 가짐

   • ADC 변환 과정

     1. 입력 채널 선택
        • 여러 입력 신호 채널 중 Input Select 활용하여 선택
     2. ADC 변환 시작
        • CPU에서 ADC 변환 시작 명령
        • Clock Input과 원하는 Resolution에 따라 일정 시간 소요
        • 변환 시 외부에서 공급하는 기준 전압(Voltage Reference) 사용
     3. ADC 변환 완료
        • 변환이 완료되면 CPU에 완료 이벤트 발생
     4. 디지털 값 읽기
        • 결과 레지스터 값을 읽어들임

          양자화, 범위, 분해능

양자화(Quantization)

• ADC는 아래 수식에 따라 아날로그 입력값 반올림 혹은 버림의 과정을 거쳐 디지털 값으로 양자화 변환
  $$
  D=\frac{V_i}{V_r}\times2^n
  $$
  $D$: 디지털 출력, $V_i$: 아날로그 입력, $V_r$: 레퍼런스 전압, $n$: 디지털 출력 비트 수
• 만약 $V_r$ 범위의 아날로그 입력 신호를 3-bit 디지털 신호로 변환한다면?
• 

범위(Range)

• ADC에서 변환 가능한 아날로그 입력 값 허용 범위가 있음
  • 허용 범위 내의 아날로그 입력만 유효
  • 범위를 벗어나는 입력이 인가되는 경우
    1. 전기적으로 허용되는 범위 내
    2. → 포화된 값(0 또는 $2^n-1$)
    3. 전기적 허용 범위를 넘어서는 경우
    4. → 복구할 수 없는 회로 손상을 입을 수 있음(주의!)

분해능(Resolution)

• 얼마나 정밀하게 아날로그 값을 근사하는지를 보여주는 지표
  • ADC: 아날로그 값을 가장 가까운 디지털 값으로 근사시키는 과정→ Resolution 지표 사용
  • → 얼마나 정밀하게 근사하는지가 중요한 지표!
• Resolution
  • $V_r$: 레퍼런스 전압(입력 범위), $n$: 디지털 출력 비트 수
  • 디지털 1비트의 정보가 아날로그 전압으로 얼마를 나타내는지를 의미
  • 고정밀도의 분해능을 얻기 위해서는
    • 입력 범위인 $V_r$이 작거나
    • 디지털 변환 단위인 비트 수 $n$이 크면 된다!
    • 대부분의 경우 $V_r$은 3.3V 혹은 5V로 고정되어 있으므로 높은 정밀도를 얻기 위해서는 비트 수를 높여야 함
    • ex. 5V일 경우
      1. 8-bit: 0.02V(0.4%)의 분해능
      2. 10-bit: 0.005V(0.1%)의 분해능
• $$
  resolution=\frac{V_r}{2^n}
  $$

Flash vs. SAR vs. SD

Flash

• 장점
  • Resolution

Successive Approximation Resister(SAR)

• the most popular architecture
  • 대부분(or all?)의 MCU에서 사용

Sigma-Delta(SD)

• Resolution이 18-24bit라면 SD일 가능성이 높음

  ADC	Pros	Main Applications
  Successive Approximation (SAR)	Good speed/resolution ratio	Data Acquisition
  Delta-sigma	High dynamic performance, inherent anti-aliasing protection	Data Acquisition, Noise & Vibration, Audio
  Dual Slope	accurate, inexpensive	Voltmeters
  Pipelined	Very fast	Oscilloscopes
  #

• SAR ADCs*

• faster than Sigma-Deltas

Pipeline ADCs

• the highest speeds and higher bandwiths
• lower resolution
• higher cost
• some latency or delay
• power-hungry

• 추가 비교 이미지*

참고한 자료
ADC Basic(원문 보기)
SAR vs. Sigma-Delta ADC(원문 보기)
기타 구글링 자료