[논리회로] 디지털, 아날로그

디지털과 아날로그

아날로그 신호

자연계에서 일어나는 물리적인 양같이 시간에 따라 연속적으로 변화하는 신호

• 온도, 습도, 소리, 빛 등 시간에 다라 연속적인 값을 갖는 것

디지털 신호

분명히 구분되는 두 레벨의 신호값을 갖는 신호

• High, Low

디지털 시스템과 아날로그 시스템

1. 디지털 시스템: 이산적인 정보를 입력받아 이산적인 형태의 정보를 출력하는 시스템
2. 아날로그 시스템: 연속적인 정보를 입력받아 연속적인 형태의 정보를 출력하는 시스템

디지털 시스템의 장점

1. 내, 외부 잡음에 강하다 = 잡음 여유도
2. 설계하기 쉽다.
3. 프로그래밍으로 전체 시스템을 제어할 수 있어 규격이나 사양 변경에 쉽게 대응 가능
4. 디지털 정보의 이산적 특징 때문에 정보를 저장하거나 가공하기 쉽다.
5. 정보 처리의 정확성과 정밀도를 높일 수 있다.
6. 전체 시스템 구성을 소형화, 저가격화할 수 있다.

이러한 장점들로 인해 기존 아날로그 시스템이나 새로운 시스템의 대부분을 디지털 시스템으로 구성하고 있다.

디지털 정보

전압 레벨

• 디지털 정보 표현을 위해 2진수 체계 사용
• 0, 1 2종류의 digit 사용
  • 0 = OFF, 1 = ON
  • 잡음 여유도: 입력과 출력의 Low, High 전압범위 조건이 다르다.
• 실제로는 IC 설계 및 제조시 사용되는 반도체 공정에 따라 다양한 특성이 존재한다.

표현 단위

• 4bit = 1 nibble
• 8bit = 1 byte
• 1 word: 특정 CPU에서 취급하는 명령어나 데이터 길이의 해당하는 비트 수
• MSB/LSB: 최상위 비트와 최하위 비트

펄스 파형

Low상태와 High 상태를 반복하는 전압레벨로 구성되는 파형

• 주기 펄스와 비주기 펄스로 분류

이상적인 펄스 파형

두 개의 edge로 구성된다.

• 상승 edge
• 하강 edge

실제 펄스 파형

• 상승 시간: 전압이 10%에서 90%로 올라가는 시간: tr
• 하강 시간: 전압이 90%에서 10%로 내려가는 시간: tf
• 펄스 폭: 전압이 High인 시간: tw

주기와 주파수, 듀티 사이클

1. 주파수: 주기적인 파형이 1초동안 진동한 횟수
   • 단위는 헤르츠(Hz)

2. 주기: 주기적인 파형이 1회 반복되는데 걸리는 시간

3. 듀티 사이클: 하나의 주기에서 펄스가 on인 시간의 비율
   • 일반적인 클록 듀티비는 50%
   • (tw / T) * 100 [%]

디지털 집적회로

IC 패키지

PCB에 장착하는 방법에 따라 삽입 장착과 표면 실장형으로 구분

1. 삽입 장착형 IC: PCB 보드의 구멍에 끼우는 핀을 가지고 있어 뒷면 도체에 납땜으로 연결
   • DIP 형태
2. 표면 실장형 IC: PCB 표면의 금속 처리된 곳에 직접 납땜 처리
   • 논리회로의 크기 70%, 무게 90% 줄인다.
   • 제조 가격을 하락시켜 대량 생산 시 사용하는 방식

※ PCB: 미리 회로를 인쇄하고 부품을 장착, 납땜하여 회로를 구성하는 인쇄회로기판

집적회로 분류

1. 소규모 집적회로(SSI): 소자 수 100개 이하
2. 중규모(MSI): 100~1,000개 이하
3. 대규모(LSI): 1,000 ~ 10,000개 이하
4. 초대규모(VLSI): 100,000 ~ 1,000,000개
5. 극초대규모(ULSI): 1,000,000개 이상

반도체 생산공정이 미세화됨에 따라 단위 면적당 집적되는 회로수 증가

ADC와 DAC

아날로그-디지털 변환과정

아날로그 신호 입력

1. 표본화
   • 신호의 최고 주파수의 2배 이상의 빈도로 샘플링하여 샘플링된 데이터로부터 본래 데이터 제현
2. 양자화
   • 펄스의 진폭 크기를 디지털 양으로 변환
   • 불가피하게 양자화 잡음 발생
   • 양자화 잡음은 미리 정한 신호레벨 수를 늘려 줄일 수 있으나 데이터 양이 많아지는 단점
3. 부호화
   • 양자화한 값을 2진 디지털 부호로 변환

디지털 신호로 변환 완료

제어시스템 개발 절차

소규모 시스템

1. 표준 IC를 이용하여 설계
   • 간결화: 불 대수식, 카르노 맵, 알고리즘
2. Schematic capture Tool을 이용해 회로 설계 및 simulation
3. Breadboard를 이용한 동작 확인
4. 만능 PCB또는 전용 PCB를 이용한 구현

대규모 시스템

• 방법
  1. PLD IC + 전용 PCB를 이용한 구현: 동작 속도에 민감한 경우 사용
  2. 마이크로컨트롤러 + 전용 PCB: 동작속도에 둔감한 경우
• PLD 이용시 절차
  1. 규모에 맞는 PLD 종류 선택
  2. Schematic Tool또는 HDL을 이용해 설계
  3. PLD를 이용한 전용 IC 제작
  4. PCB 제작 및 평가
• 마이크로컨트롤러 이용
  1. 규모에 맞는 마이크로컨트롤러 선택
  2. 개발 보드 선정
  3. 통합개발환경 구축, 개발, 평가
  4. PCB 제작 및 평가