마이크로 컴퓨터와 ADC & DAC

20150202 - 마이크로 컴퓨터와 ADC & DAC.hwp

마이크로 컴퓨터와 ADC & DAC

학습목표 - 마이크로 컴퓨터의 역사와 특징을 설명할 수 있다.

ADC와 DAC의 특징과 용도에 대하여 설명할 수 있다.

 

마이크로 컴퓨터(Micro Computer)

 

마이크로 프로세서의 역사

-4비트 마이크로 프로세서-Intel 4004(1969), 4040

-8비트 마이크로 프로세서(1970년대 중반)

- 인텔(Intel)- Intel 8008(1972년)-> Intel 8080(1973년)->Intel 8085

- 모토로라(Motorola) - MC 6800(1974년) -> MC 6802

- 자일로그(Zilog)- Z80 <- Intel 8080을 개선, Intel 8080의 명령어를 모두 포함하 고 내부 구조도 크게 향상

- MOS 테크(MOS Technology)-MCS6502 -> Apple II의 CPU(Central Process Unit)로 사용

 

-32비트 마이크로 프로세서

- Intel 80386, MC 68020, MC68030(1985년), Z80000(1986년)

- Intel 80486 -> 386PC;MC 68020 ->매킨도시 II

- Intel 80486 -> IBM PC 486, PS/2;MC 68030 -> Power Book 컴퓨터, MC 68040 -> 매킨토시 FX

- Intel 80586(Pentium, 1992년) - CISC -> P6

- IBM, 모토롤라, 애플사가 공동으로 RISC형태인 파워 PC 601을 발표 (1993sus) ->IBM의 파워 PC, 애플사의 파워 PC

 

- 마이크로 프로세서의 2대 계열

- 80계열과(펜티티엄으로 넘어감) 68계열(Apple)

 

특징

- 고집적 회로(LSI; Large Scale Itegrated Circuit) 구성으로 제품의 소형화

- 가격 저렴

- 기능의 변경이나 확장 용이

- 신뢰성 향상

 

* 은행 현금 인출기에 들어가는 CPU는 486성능. Embedded에 들어가는 OS는 PC버젼보다 가볍다.

 

응용 형태

- 컴퓨터 및 주변 부품으로 이용

- 독립된 장치의 내부 제어기로 이용-계측기, 자동차 분야

- 대형 시스템의 구성 요소로 사용-통신 시스템

 

마이크로 컴퓨터의 종류

- 슈퍼 마이크로 컴퓨터(Super microcomputer), 데스크탑 컴퓨터(desktop computer), 휴대형 랩탑 컴퓨터(portable laptop computer), 노트북 컴퓨터 (notebook computer), 팜탑 컴퓨터(palm computer)

 

마이크로 프로세서를 쓰는 이유는 데이터를 활용하는 목적한 바를 도출하려는 의도.

 

 

 

ADC(Analog to Digital Convert)

 

아날로그 : 선형, 연속적인 내용. 아날로그 신호는 주변의 간섭을 너무 많이 받는다는 단점이 있다.

 

아날로그의 단점을 보완하기 위해 등장한 것이 ADC이다.

 

디지털 : 불연속, 비선형. 간섭을 적게 받는다.

 

디지털 신호로 변환 시 연속된 자료를 잘게 쪼갤수록 데이터의 양은 증가하게 된다. 반대로 자료를 크게 분할할 시에는 본래 아날로그 자료의 정확도가 떨어지게 된다.

 

1. 디지털과 아날로그

 

1. 디지털 신호와 아날로그 신호

아날로그 신호(Analog Signal)

자연계에서 일어나는 물리적인 양은 시간에 따라 연속적으로 변화

온도, 습도, 소리 빛 등은 시간에 따라 연속적인 값을 갖는다.

 

디지털 신호(Digital Signal)

분명히 구별되는 두 레벨의 신호값(0,1 or T/F) 만을 갖는다.

 

2. 아날로그 시스템과 디지털 시스템

 

디지털 시스템

이산적인 정보를 가공하고 처리해서 최종 목적으로 하는 정보를 출력하는 모든 형태의 장치

 

아날로그 시스템

연속적인 정보를 입력받아 처리해서 연속적인 형태의 정보를 출력하는 시스템

 

디지털 시스템의 장점

 

디지털 시스템은 내,외부 잡음에 강함.

디지털 시스템은 설계하기가 용이.

디지털 시스템은 프로그래밍으로 전체 시스템을 제어할 수 있어서 규격이나 사양의 변경에 쉽게 대응할 수 있어서 기능 구현의 유연성을 높일 수 있고 개발기간을 단축시킬 수 있음.

디지털 시스템에서는 정보를 저장하거나 가공하기가 용이.

디지털 시스템에서는 정보처리의 정확성과 정밀도를 높일 수 있으며, 아날로그 시스템으로는 다루기 어려운 비선형 처리나 다중화 처리 등도 가능.

디지털 시스템은 전체 시스템 구성을 소형화, 저가격화로 할 수 있음.

-> 디지털 시스템의 많은 장점으로 인해 기존 아날로그 시스템이나 새로운 시스템의 대부분은 디지털 시스템으로 구성

 

<그림>

 

아날로그 회로와 디지털 회로의 상호 연결

 

디지털을 아날로그로 바꿀 때는 연속적인 자료가 아님으로 완벽한 아날로그(연속된 자료)가 될 수 없다.

 

2. 디지털 정보의 표현

1. 디지털 정보의 전압레벨

디지털 정보를 표현하기 위해 2진수 체계(Binary sistem)를 사용

“0”과 “1”만의 2종류의 디지트(digit)를 사용

 

** 5V 전압기준

출력 0: 0 ~ 0.4V 1: 2.7 ~ 5V

입력 0: 0 ~ 0.8V 1: 2.0 ~ 5V

 

그 중간 값에 있는 신호는 가까운 쪽으로 종속되게 된다. 이 때 잡음이 발생할 수 있다.

 

2. 디지털 정보의 표현단위

1 nibble = 4 bit

1 byte = 8 bit

1 byte = 1 character

영어는 1byte로 1문자 표현 한글은 2byte가 필요

1word : 특정 CPU에서 취급하는 명령어나 데이터의 길이에 해당하는 비트 수

 

3. 전자소자를 이용한 논리 표현

다이오드에 의한 스위칭

<그림>

쌍극성 트랜지스터에 의한 스위칭

<그림>

NMOS 트랜지스터에 의한 스위칭

 

3. 논리레벨과 펄스 파형

1. 정 논리와 부 논리

양논리 또는 부논리(Positive logic)

음논리 또는 부논리(Negative logic)

정논리와 부논리는 모두 디지털 논리 시스템에서 이용되고 있으며, 정논리가 일반적으로 많이 사용

 

정논리 : High = 1 Low = 0

 

2. 펄스(pulse) 파형

펄스파형은 low상태와 high 상태를 반복하는 전압레벨의 구성

주기 펄스(periodic pulse) & 비주기 퍼스(non-periodic pulse)로 분류

 

이상적인 펄스파형

이상적인 주기 펄스는 두 개의 에지로 구성

리딩 에지(leading edge) = 상승에지(rising edge)

트레일링 에지(trailing edge) = 하강에지(falling edge)

 

실제적인 펄스 파형

 

3. 주기, 주파스, 듀티 사이클

주파수(frequency)

주기적인 파형이 1초 동안에 진동한 횟수를 의미

단우는 전파를 처음으로 발견한 독일의 헤르츠의 이름을 따서 헤르츠(Hz)를 사용

 

주기(period)

주기적인 파형이 1회 반복하는데 걸리는 시간을 의미

ex) 1초에 1번 진동 = 1Hz

1초에 2번 진동 = 2Hz

 

주파수와 주기와의 관계는 역수이다.

 

Duty cycle = tw/T * 100(%)

 

High와 Low의 비율이 1:1일 때 50%라고 한다

 

High: Low가 6:4일때 60%이다.

 

Duty cycle이 80%이상이면 통상적으로 100%로 본다.

 

4. 디지털 직접회로

 

논리회로의 종류

조합논리회로(combinational logic circuit)

기본 게이트의 조합으로 구성되는 논리회로

ex)리모컨의 숫자

 

순서논리회로(sequential logic circuit)

조합논리회로에 플립플롭(flip-flop)또는 메모리를 부가한 논리회로.

ex)리모컨의 채널조정 상.하 버튼

 

 

1. IC 패키지

PCB(Printed Circuit Board)에 장착하는 방법에 따라 삽입 장착(through-hole mounted)형과 표면 실장(surface-mounted)형으로 구분

 

삽입 장착형 IC는 PCB보드의 구멍에 끼우는 핀을 가지고 있어 뒷면의 도체에 납땜으로 연결할 수 있으며, DIP형태를 갖는다.

 

표면 실장형 IC는 PCB표면의 금속 처리된 곳에 직접 납땜 처리

 

SMD는 DIP형태의 논리회로의 크기를 70%가량 줄이고, 무게를 90%만큼 감소, 또는 SMD는 PCD의 제조 가격을 크게 하락 시킴.

 

디지털 시스템의 장점

디지털 시스템의 소형화 및 경량화

생산가격의 저렴화

소비전력의 감소

동작속도의 고속화

디지털 시스템의 신뢰도 향상

 

2. 직접회로의 분류

 

트랜지스터의 직접도에 따른 분류

 

SSI = 100개 이하

MSI 1000개 이하

LSI 10,000개 이하

VLSI 1,000,000개 이하

ULSI 1,000,000개 이상

5. ADC와 DAC

 

아날로그-디지털 변환과정의 블록도

 

아날로그 신호 -(표본화)> -(양자화)> -(부호화)> 디지털 신호

 

1. 표본화(Sampling)

 

샤논의 표본화 정리 : 신호의 최고 주파수의 2배 이상의 빈도로 샘플링하면 샘플링된 데이터로부터 본래 데이터를 재현할 수 있다.

 

사람의 음성인 경우 1초 동안에 8000번 샘플링 필요.(2 * 4kHz= 8kHz

 

2. 양자화

펄스의 진폭 크기를 디지털 양으로 변환

이 과정에서 불가피한 양자화 잡음이 발생

양자화 잡음은 미리 정한 신호레벨의 수를 늘리거나 줄일 수 있으나, 데이터의 양이 많아지는 단점이 있다.

 

3. 부호화

부호화는 양자화한 값을 2진 디지털 부호로 변환.

일반적으로 전화 음성에서는 8비트로 부호화한다.

 

아날로그-디지털 변환과정의 예

 

<그림>

 

4. ADC와 DAC과정의 예

 

소리 MIC -> AMP -> ADC -> CD -> DAC -> AMP -> SPEAKER 소리

 

CD오디오 시스템에서 신호처리과정

 

 

* 영상신호 NTSC/PAL

 

NTSC : 29.997fps

PAL : 25fps

 

ADC의 적용 예 - 온도계