A/D 컨버터(analog-digital converter)는 다음 그림과 같이 연속된 아날로그 입력을 불연속의 디지털 출력으로 변환하는 회로이다.

이때에 중요한 것은 어느 범위내의 아날로그 입력(FSR - Full Scale Range)을 몇 비트의 디지털 값(N - 비트수)으로 변환하는가 라는 점이다. 즉 A/D변환의 분해능이다. A/D컨버터의 분해능이란, 디지털 출력의 1비트에 대응하는 아날로그 입력의 변화량, 즉 위 그림에서의 1스텝에 해당하는 아날로그 전압의 최소 단위를 말한다. 다시 한번 알기 쉽게 그림으로 설명하자면,

아날로그 입력이 가해진 다음 디지털 출력값이 얻어질 때까지는 어떠한 변환 시간이 필요하다. 디지털 출력의 스텝수가 많아질수록 변환 시간은 길게 걸린다. 단위시간당 A/D변환 횟수를 변환레이트 라고 부르는데 분해능을 높게 할수록, 즉 스텝수가 많아질수록 이 변환레이트는 저하된다. A/D컨버터를 구매할 때 중요한 스펙이 되겠다.

A/D 컨버터를 절약하기 위해 복수개의 아날로그 입력을 하나의 A/D 컨버터에 가하는 경우가 있다. 단, 이것에는 ‘아날로그 멀티플렉서’가 필요한데 ‘아날로그 멀티플렉서’란 몇 개의 인가된 아날로그 입력가운데서 하나를 선택하여 출력하는 선택회로를 말한다. 그리고 선택된 아날로그 입력전압은 A/D변환이 종료할 때까지의 시간, 그 전압을 일정하게 유지하지 않으면 안된다. 이를 위해 시시각각 변환되어가는 아날로그 전압의 어느 순간 값을 샘플링(표본화)하여 이것을 일정 시간 홀드(유지)하는 회로가 ‘샘플 홀드 회로’ 이다. 이렇게 해서 변환시간 중에는 일정한 전압으로 유지한 아날로그 입력을 다음의 AD 컨버터에 가하는 것이다.

물론 아날로그 단일 입력의 경우 멀티플렉서는 필요 없고 또한 샘플 홀드 회로가 필요 없는 적분형이나 병렬 AD 컨버터도 있다.

축차비교형 A/D 컨버터 (Successive-Approximation A/D converter)

SAR 방식이라고 편히 부르기도 한다. D/A + 비교기 로 구성되었다고 생각하면 되는데, 샘플홀드회로 와 콤퍼레이터, 링카운터와 래치 레지스터, DA컨버터로 구성되어있다.

클럭입력 1에서 링카운터의 MSB(최상위 비트)를 1로 세트하면 즉시 래치 레지스터의 MSB에 입력되고 DA컨버터에 전달된다. 그런 다음 샘플 홀드된 아날로그 입력전압과 DA컨버터의 출력을 비교하여 래치 레지스터의 MSB를 1로 set할 것인지 0으로 set할 것인지 결정한다. 래치 레지스터의 MSB를 한 비트씩 쉬프트(MSB-1 Bit)하며 이 과정을 반복하며 마지막 LSB(최하위 비트)까지 비교해 나가는 것이다. 아날로그 입력전압이 DA컨버터의 출력전압보다 커지면 모든 동작은 종료되고 디지털 출력값이 반환된다. (자세한 그림 및 설명은 성안당 ‘AVR ATmega128 마이크로컨트롤러’의 318페이지를 참고.)

따라서 모두 비교하기 위해서는 bit수만큼의 clock이 필요하다. 즉 8bit라면 8clock(=8번 비교)과정을 통해 변환이 되는 것이다.

축차 근사형 AD컨버터의 특징은 다음과 같다.

① 변환시간은 디지털 출력의 비트수로 결정되고 아날로그 입력전압의 크기와는 관계없이 일정 하다.

② AD변환의 타이밍을 외부의 클럭과 동기시킬 수 있으므로 마이컴과 조합한 시스템에서

사용하기 간편하다.

③ 변환중에서 아날로그 입력 전압은 일정한 전압으로 유지해 두지 않으면 안되기 때문에

샘플 홀드 회로가 필요하다.

AVR ATmega128의 ADC (아날로그 디지털 변환기)

- 10비트 분해능

- 0.5 LSB Integral Non-linearity (적분 비선형성)

- 2 LSB 정확도

- 13 ~ 260usec 변환시간 (50KHz ~ 200KHz)

- 15kSPS의 최대 분해능

- 8채널의 멀티플렉스된 단일 입력

- 7채널의 차동 입력

- 10배 또는 200배의 증폭률을 가진 2 채널의 차동입력

- ADC결과 값의 좌정렬

- 0~ VCC ADC 입력 전압 범위

- 선택 가능한 2.56V의 ADC레퍼런스 전압

- Free running 또는 Single Conversion Mode

- ADC 변환 완료 인터럽트

- Sleep Mode Noise Canceler

[출처] 김중일(본인)