Analog-to-Digital Converter - ADC

정의

설명

원리

1. 📄
   Sampling
연속 신호를 특정 주기마다 측정한다.
샘플링
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Frequency - Hz (주파수) fs가 신호의 최고 주파수 2배 (
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Nyquist Theorem (나이퀴스트 이론) 기준) 이상이어야 원 신호를 재구성할 수 있다.

2. 📄
   Quantization (양자화)
ADC는 아날로그 값을 무한정 표현할 수 없으므로,
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Bit Depth에 따라 일정한 계단값 중 가장 가까운 값으로 반올림한다.
이 과정에서 양자화 노이즈가 발생한다.

3. 코딩(Coding)
양자화된 값은 이진수로 변환되어 디지털 신호 처리 시스템으로 전달된다.

4. 비트수와 해상도
비트가 많을수록 작은 변화까지 표현 가능하며, 다이나믹 레인지가 증가한다.

5. 📄
   Signal-to-Noise Ratio - SNR (신호 대 잡음비) 및
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   Effective Number of Bits - ENOB
ADC의 실제 성능은 이론 비트수보다 낮을 수 있으며, 노이즈, 왜곡을 고려한 실효 비트수(ENOB)로 평가한다.

구조

샘플링

x[n] = x(t) | t = n / f_s

양자화

Q(x) = round( x / Δ ) · Δ

계단 크기

Δ = V_range / 2^N

이상적 SNR

SNR ≈ 6.02N + 1.76 (dB)

ENOB

ENOB = (SNR_measured − 1.76) / 6.02

예시

오디오 인터페이스

• 24-bit ADC는 약 144dB의 이론적 DR을 제공하지만, 실제 ENOB는 20 - 22 bit 수준이다.

• 마이크 프리앰프의
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  Gain 설정에 따라 ADC 입력 SNR이 크게 달라진다.

센서, 로봇

• 가속도, 온도, 광 센서는 ADC를 통해 측정값을 MCU로 전달한다.

• 해상도 부족 시 미세한 물리 변화가 사라지거나 노이즈에 묻힌다.

통신, RF

• 고속 ADC는 무선 수신 단계에서 IF/Baseband 신호를 디지털로 변환해 DSP 처리의 기반이 된다.\

의료 장비

• ECG, EEG 등 생체 신호는 매우 미세하므로 고 SNR ADC가 필수다.

임베디드 시스템

• 마이크로 컨트롤러 내부 ADC는 비용, 전력 효율이 좋아 IoT 기기에서 널리 사용된다.