A/D 컨버터

A/D 컨버터란?

A/D 컨버터 (Analog-Digital Converter)란 아날로그 전압을 디지털 신호로 변환하는 회로입니다. 예를 들어 온도 상승을 검출하여 팬을 동작시키는 처리를 마이컴에서 실행시키고자 하는 경우, 일단 온도를 마이컴에 입력할 필요가 있습니다. 그러나, 생활 주변의 신호는 대부분 아날로그 신호인 반면 마이컴이 취급하는 신호는 디지털 신호이기 때문에, 이러한 아날로그 신호를 마이컴에 입력하여 디지털 신호로 변환하기 위해 A/D 컨버터가 사용됩니다.

아날로그 신호가 가질 수 있는 범위는 무한대입니다. 이러한 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환할 때, 중요한 요소가 있습니다. 아날로그 신호를 어디에서 어디까지 디지털 신호로 변환할 것인지를 정하는 기준과 몇 분할로 변환할 것인지를 정하는 분해능입니다.
기준은 플러스의 레퍼런스 전압 (+VREF 전압)과 마이너스의 레퍼런스 전압 (-VREF 전압)이 있으며, A/D 컨버터는 그 범위 내에서의 아날로그 입력이 가능합니다. 일반적인 마이컴에 탑재된 A/D 컨버터는 -VREF 전압=0V가 많기 때문에 0~VREF의 전압 범위로 표기합니다.
분해능이란 A/D 변환 시에 어디까지 아날로그 신호를 정밀하게 식별할 수 있는지를 나타내는 능력입니다. 분해능이 10bit일 경우 2^10=1024, 즉 VREF 전압을 1024개로 분할한 아날로그 신호를 식별할 수 있습니다. 여기에서 최소 분해능 폭 VREF 전압/1024를 1LSB라고 합니다.
이러한 분해능은 8bit나 10bit, 12bit, 16bit 등이 있으며, 숫자가 클수록 아날로그 신호를 정밀하게 식별할 수 있습니다. 분해능은 출력되는 디지털 신호의 수에 따라 결정됩니다. 예를 들어 8bit A/D 컨버터의 경우, 출력되는 디지털 신호는 8개입니다. 그리고, VREF 전압이 2의 8승으로 256분할됩니다.

순차 비교형 A/D 컨버터의 원리

마이컴에 가장 많이 사용되는 A/D 컨버터인 순차 비교형 A/D 컨버터의 원리에 대해 설명하겠습니다.
아날로그 신호를 디지털 신호로 변환할 때, 입력된 아날로그 신호가 일정 기준보다 큰지 작은지의 비교를 반복하여 실행합니다. 일정 기준을 생성하는 회로에 저항 래더 (Resistor Ladder)를 사용하는 경우에 대해 알아보겠습니다.
아래 그림의 회로에서 Vin 전압에 1/4VREF 전압이 입력되었다고 가정해보겠습니다. 기준으로서 저항 래더의 1/2VREF 전압을 사용하면 비교 회로에는 1/4VREF 전압과 1/2VREF 전압이 입력됩니다. 이는 1/4VREF 전압과 1/2VREF 전압 중 어느쪽이 큰지 비교하는 것을 의미하며, 당연히 1/2VREF 전압이 크다는 결과를 얻게 됩니다. Vin 전압이 기준에 비해 작은 경우 비교 회로는 0을 출력한다고 가정하면, 이 경우의 비교 회로는 0을 출력합니다. 이것으로 아날로그 신호 1/4VREF 전압이 디지털 신호 0으로 변환된 것이므로, 1bit A/D 변환되었음을 의미합니다.
이 결과는 본질적으로 Vin 전압이 1/2VREF 전압보다 위인지, 1/2VREF 전압보다 아래인지를 확인한 것입니다.

아래 그림에서 Vin 전압에 9/16VREF 전압이 입력된 경우를 예로 들어 3bit A/D 변환에 대해 생각해보겠습니다.
먼저 중간 값 4/8VREF 전압과 9/16VREF 전압을 비교합니다. 그 결과, 9/16VREF 전압 쪽이 크다는 결과를 얻을 수 있습니다. 따라서, 비교 회로의 출력은 1이 출력됩니다.

이 결과는 본질적으로 9/16VREF 전압은 4/8VREF 전압보다 위에 있다는 것을 나타냅니다. 따라서 Vin 전압의 범위를 특정할 수 있습니다.

다음은 6/8VREF 전압과 9/16VREF 전압을 비교합니다. 그 결과 6/8VREF 전압 쪽이 크다는 결과를 얻을 수 있어, 비교 회로의 출력은 0이 출력됩니다.
9/16VREF 전압은 6/8VREF 전압보다 작다는 것을 알 수 있으며, Vin 전압의 범위를 특정할 수 있습니다.

마지막으로 5/8VREF 전압과 9/16VREF 전압을 비교합니다. 그 결과 5/8VREF 전압 쪽이 크다는 결과를 얻을 수 있어, 비교 회로의 출력은 0이 출력됩니다.
이는 아날로그 신호 9/16VREF 전압을 디지털 신호로 변환하면 100이 되는 것을 의미하며, 3bit A/D 변환되었음을 의미합니다.

이러한 동작을 모식적으로는 아래 그림과 같이 나타낼 수 있습니다. 서서히 한번씩 순차적으로 콤퍼레이터에서 비교하여 Vin 전압이 존재한다고 여겨지는 범위를 좁혀나갑니다.
이와 같이 순차적으로 비교하는 타입의 A/D 컨버터를 순차 비교형 A/D 컨버터라고 합니다.