130회 2교시
컴퓨터를 이용한 프로세스 제어 시스템에서 필요한 A/D(아날로그/디지털)변환기와 D/A(디지털/아날로그) 변환기의 동작원리를 설명하시오.




https://slidesplayer.org/slide/14131060/
R-2R DAC (R2R 디지털 아날로그 컨버터) : 네이버 블로그 (naver.com)
https://electriceng.tistory.com/337
http://preview.hanbit.co.kr/4144/sample.pdf


컴퓨터를 이용한 프로세스 제어 시스템에서는 아날로그 신호와 디지털 신호 간의 변환이 필요합니다. 이 변환을 수행하는 장치가 A/D 변환기와 D/A 변환기입니다.
- A/D 변환기 (아날로그/디지털 변환기): A/D 변환기는 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환하는 장치입니다. 이 변환 과정은 아래와 같은 단계를 포함합니다:
- 표본화(Sampling): 연속된 아날로그 신호의 진폭을 이산적인 주기로 추출합니다.
- 양자화(Quantization): 이산적인 주기로 추출된 진폭치를 이산적인 진폭치에 근접시킵니다.
- 부호화(Coding): 이산적인 진폭치를 ‘0’과 ‘1’의 2가지 값으로 나타내는 부호로 변환합니다.
- D/A 변환기 (디지털/아날로그 변환기): D/A 변환기는 디지털 신호를 아날로그 신호로 변환하는 장치입니다. 이 변환 과정은 아래와 같은 단계를 포함합니다:
- 디코딩(Decoding): 디지털 신호를 이산적인 진폭치로 변환합니다.
- 보간(Interpolation): 이산적인 진폭치를 연속적인 아날로그 신호로 변환합니다.
이러한 변환 과정을 통해 컴퓨터는 아날로그 신호를 처리하고, 아날로그 장치는 디지털 신호를 처리할 수 있습니다. 이는 컴퓨터를 이용한 프로세스 제어 시스템에서 중요한 역할을 합니다.
ADC(Analog-to-Digital Converter) 변환 시 발생되는 오차의 종류에 대하여 설명하시오


아날로그-디지털 변환기(ADC)의 변환 과정에서는 여러 가지 오차가 발생할 수 있습니다. 주요 오차 유형은 다음과 같습니다12:
- 양자화 오차 (Quantization Error): 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환할 때 발생하는 오차입니다. 이는 아날로그 신호를 일정한 단계로 나누는 양자화 과정에서 발생하며, 이 과정에서 아날로그 신호의 연속성이 손실되어 발생하는 오차를 말합니다12.
- 오프셋 오차 (Offset Error): 변환 결과가 디지털 값에서 일정한 양으로 벗어난 경우를 말합니다3.
- 이득 오차 (Gain Error): 변환 결과가 디지털 값에서 일정한 비율로 벗어난 경우를 말합니다3.
- 비선형성 오차 (Non-linearity Error): ADC의 출력이 입력에 대해 선형적이지 않을 때 발생하는 오차입니다12.
이러한 오차들은 ADC의 성능을 크게 영향을 미치며, 이를 최소화하는 것이 중요합니다12.
[ATmega128] #10 ADC(AnalogDigitalConvert) : 네이버 블로그 (naver.com)
ADC(Analog-to-Digital Converter)의 다양한 방식과 그 장단점, 동작 방식을 간단히 정리해볼게요:
1. V/F 변환기 (Voltage-to-Frequency Converter)
- 동작 방식: 입력 전압을 주파수로 변환한 뒤, 이를 디지털 신호로 변환합니다.
- 장점:
- 간단한 설계.
- 노이즈에 강함.
- 단점:
- 속도가 느림.
- 고해상도 구현이 어려움.
2. R/F 변환기 (Resistance-to-Frequency Converter)
- 동작 방식: 저항값을 주파수로 변환하여 디지털 신호로 변환합니다.
- 장점:
- 온도 변화에 민감한 저항 센서와 잘 호환됨.
- 단점:
- 정확도가 저하될 수 있음.
- 특정 응용에 제한적.
3. PWM 방식 (Pulse Width Modulation)
- 동작 방식: 아날로그 신호를 펄스 폭으로 변환한 뒤, 이를 디지털로 변환합니다.
- 장점:
- 간단한 구현.
- 저전력 소비.
- 단점:
- 고속 신호 처리에 부적합.
- 정확도 제한.
4. 연속근사 레지스터 (SAR, Successive Approximation Register)
- 동작 방식: 입력 신호를 이진 검색 알고리즘을 통해 디지털 값으로 변환합니다.
- 장점:
- 빠른 변환 속도.
- 고해상도 가능.
- 저전력 소비.
- 단점:
- 설계 복잡성.
- 고속 신호 처리에서 제한적.
이 방식들은 각각의 특성과 응용 분야에 따라 선택됩니다. 예를 들어, SAR ADC는 고속, 고정밀 계측에 적합하며, PWM 방식은 간단한 제어 시스템에서 유용합니다. 추가로 궁금한 점이 있다면 알려주세요!
“`htmlA/D, D/A 변환
1. A/D Converter 주요 특성
이미지에서는 Analog-to-Digital Converter의 주요 특성을 다음과 같이 정리한다.
| 항목 | 이미지 내용 |
|---|---|
| 분해능 | 디지털 값을 얼마나 세밀하게 구분하는가 |
| 변환 속도 | A/D 변환에 필요한 속도 |
| 선형성 | 입력과 출력의 선형 관계 |
| 누락 코드 여부 | 변환 과정에서 특정 Digital Code의 누락 여부 |
| 기타 | 안정성, 가격 등 |
2. ADC 변환 방식
① 전압 / 주파수 변환 방식
입력전압에 비례하는 주파수로 변환하고, 일정 시간 동안의 Pulse 수를 계수하여 Digital 값으로 변환한다.
Vin
│
▼
[ V/F Converter ]
│
▼
Pulse Frequency
│
▼
[ Counter ]
│
▼
Digital Output
② PWM 방식
입력전압에 따라 Pulse의 Duty Cycle을 변화시키는 방식으로 필기에 정리되어 있다.
③ 저항 / 주파수 변환 방식
센서 저항값을 주파수로 변환하고 주파수를 계수하여 Digital 값으로 변환한다.
④ 연속근사 변환기
Successive Approximation 방식을 사용하며, Sample & Hold가 필요하다고 기록되어 있다.
3. Sampling
연속적인 Analog 신호에서 일정한 시간간격으로 값을 취한다.
Amplitude
↑
│ ╭──╮
│ ╭─╯ ╰─╮
│ ╭──╯ ╰──╮
│ ╭─╯ ╰─╮
────┼─●────●────●────●────●────→ t
│
│ Ts Ts Ts Ts
Sampling Interval
4. Quantization
Sampling한 Analog 값을 일정한 Digital Level 중 가장 가까운 값으로 배정한다.
Level
11 ──────────●
│ \
10 ──────●───┘ ●────
│
01 ──●───┘ ●
│
00 ──┴────────────────────────→ t
각 Sampling 값을
00, 01, 10, 11 중 하나로 표현
예를 들어 2 bit를 사용하면
이므로
의 4개 Digital Code로 나눈다.
5. A/D 변환 과정
Analog Signal
│
▼
[ Sampling ]
│
▼
[ Quantization ]
│
▼
[ Coding ]
│
▼
Digital Signal
6. D/A Converter
이미지에서는 Digital 값을 연속적인 Analog 신호로 변환하는 장치로 정리한다.
Digital Code
│
▼
[ D/A Converter ]
│
▼
Analog Voltage
7. 가중저항 사다리 D/A Converter
4 bit Weighted-Resistor Ladder는 각 bit에 서로 다른 가중치를 갖는 저항을 연결한다.
A (LSB) ──[ 8R ]──┐
│
B ──[ 4R ]──┤
├────●────(-) OP AMP
C ──[ 2R ]──┤ │
│ │
D (MSB) ──[ R ]──┘ [Rf]
│
└────────── Vo
(+) 입력 = GND
각 Digital Input은 0 또는 기준전압 Vr이다.
입력전류의 합은 이미지에서 다음 형태로 표시한다.
Ideal OP Amp에서
이므로 출력은
8. 필기 D/A 가중저항 회로
A ──[ R ]────┐
│
B ──[ R/2 ]───┼──────●────(-)
│ │ \
C ──[ R/4 ]───┘ [Rf] \____ Vo
│ /
└───────/
(+)
│
GND
필기에서는 각 입력 A, B, C가 0 V 또는 +V가 인가되는 경우를 가정한다.
9. 유선 Digital 통신 시스템
이미지의 유선 Digital 통신 시스템 구성은 다음과 같다.
Voice
│
▼
[Transducer]
[Microphone]
│
▼
[ ADC ]
│
▼
[ Source Coding ]
│
▼
[ Error Correction Coding ]
│
▼
[ Line Coding ]
│
▼
================= Wire =================
│
▼
[ ADC ]
│
▼
[ Error Correction Decoding ]
│
▼
[ Source Decoding ]
│
▼
[ DAC ]
│
▼
[Transducer]
[Speaker]
10. 무선 Digital 통신 시스템
무선 시스템에서는 Line Coding 대신 Pulse Shaping과 반송파 변조 과정이 포함되어 있다.
Voice
│
▼
[Microphone]
│
▼
[ ADC ]
│
▼
[ Source Coding ]
│
▼
[ Error Correction Coding ]
│
▼
[ Pulse Shaping ]
│
▼
(×) ◄── cosωc t
│
▼
Antenna
))) Wireless Channel (((
Antenna
│
▼
(×) ◄── cosωc t
│
▼
[ ADC ]
│
▼
[ Error Correction Decoding ]
│
▼
[ Source Decoding ]
│
▼
[ DAC ]
│
▼
[Speaker]
11. ADC 변환오차 — Quantization Error
Analog 신호를 유한한 Digital Level로 변환하면서 실제값과 양자화된 값 사이의 차이가 발생한다.
Digital Level
100 ─────────────────
●
011 ─────●──────●────
/ \
010 ──● ●──
↑
Analog Input
Continuous Value
↓
Nearest Digital Level
이미지에서는 해결방법으로
- ADC 분해능을 높인다.
- 더 세밀한 양자화를 적용한다.
12. ADC 변환오차 — Offset Error
실제 변환 특성이 Ideal 특성과 평행하지만 일정한 Offset만큼 이동한 경우이다.
Output
↑
│ / Actual
│ /
│ /
│ / Ideal
│ /
│____/________________→ Input
← Offset →
13. ADC 변환오차 — Gain Error
Ideal 특성과 실제 특성의 기울기가 다른 경우이다.
Output
↑
│ / Actual
│ /
│ /
│ /
│ / Ideal
│ /
│____/________________→ Input
14. ADC 변환오차 — Linearity Error
출력 특성이 이상적인 직선에서 벗어나 비선형적으로 나타나는 오차이다.
Output
↑
│ __
│ __/
│ ___/
│ __/
│ __/
│___/______________________→ Input
Nonlinear Output
15. ADC 오차 이미지 정리
| 오차 | 이미지 내용 |
|---|---|
| Quantization Error | 연속 입력을 제한된 Digital Level로 바꾸면서 발생 |
| Offset Error | 이상적인 변환 특성에서 일정한 양만큼 이동 |
| Gain Error | 입력-출력 변환 특성의 기울기가 달라짐 |
| Linearity Error | 입력-출력 관계가 직선에서 벗어남 |
16. 이미지 핵심 내용
D/A : Digital Code → 가중치 합산 → Analog Output
Weighted-Resistor DAC : Vo ∝ -(A + 2B + 4C + 8D)
ADC Error : Quantization · Offset · Gain · Linearity