A/D, D/A 변환

130회 2교시

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

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R-2R DAC (R2R 디지털 아날로그 컨버터) : 네이버 블로그 (naver.com)

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컴퓨터를 이용한 프로세스 제어 시스템에서는 아날로그 신호와 디지털 신호 간의 변환이 필요합니다. 이 변환을 수행하는 장치가 A/D 변환기와 D/A 변환기입니다.

1. 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.
2. 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:

1. 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.
2. 오프셋 오차 (Offset Error): 변환 결과가 디지털 값에서 일정한 양으로 벗어난 경우를 말합니다³.
3. 이득 오차 (Gain Error): 변환 결과가 디지털 값에서 일정한 비율로 벗어난 경우를 말합니다³.
4. 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.

https://www.monolithicpower.com/en/analog-to-digital-converters/introduction-to-adcs/fundamental-concepts

[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!