What I Learned

이번 주에는 디지털과 아날로그의 차이, 디지털 정보의 표현 방식, 논리 레벨과 펄스 파형, 그리고 ADC와 DAC의 개념을 중심으로 학습했다.

1) 디지털 정보의 표현

  • 시스템에서 사용하는 정보는 신호로 표현되며, 전기 신호는 일반적으로 전압 또는 전류로 나타난다.
  • 디지털 정보는 2진수(binary system)를 사용하며, 0과 1 두 가지 값으로 상태를 표현한다.
  • 여기서 digit는 숫자를 구성하는 기본 문자 또는 기호를 뜻한다.

디지털 회로에서는 단순히 0과 1이라는 한 점으로 판단하는 것이 아니라, 각 값을 의미하는 전압 범위를 기준으로 신호를 해석한다. 이때 출력 신호의 진폭 범위가 더 좁은데, 출력 신호의 진폭 범위가 더 좁아질 수 있는 이유는 신호 전달 과정에서 에너지 손실이 발생하기 때문이다.

2) 디지털 정보의 표현 단위

단위 의미
비트(bit) 2진수의 기본 단위. 0 또는 1 하나의 정보
니블(nibble) 4비트
바이트(byte) 8비트. 컴퓨터 작업의 기본 단위로 자주 사용
워드(word) 특정 CPU가 한 번에 처리하는 데이터 또는 명령 길이
  • 영문 1글자는 일반적으로 1바이트로 표현된다(1character).
  • 한글은 인코딩 방식에 따라 다르지만, 학습 맥락에서는 2바이트로 설명된다.
  • 64bit 컴퓨터의 1워드는 64비트(8바이트)로 이해할 수 있다.
  • word의 가장 왼쪽 비트는 MSB(Most Significant Bit), 가장 오른쪽 비트는 LSB(Least Significant Bit)라고 한다.

3) 진수 단위 체계

  • SI(10진) 단위 체계는 10^3 단위 증가를 기준으로 한다. 예: kilo ~ yotta
  • IEC(2진) 단위 체계는 2진 기반 저장 단위를 표현한다. 예: kibi ~ yobi
  • 두 체계는 같은 접두어처럼 보여도 실제 크기 차이가 있으며, 학습 내용 기준으로 약 2.4% 차이가 난다.

4) 전자소자를 이용한 논리 표현

  • 다이오드 스위칭
  • 바이폴라 트랜지스터 스위칭
  • NMOS 트랜지스터 스위칭

소자와 칩에 따라 스위칭 형태와 회로 개형은 달라질 수 있지만, 공통적으로 On/Off 상태를 이용해 논리를 표현한다는 점은 같다.

5) 논리 레벨과 펄스 파형

  • 펄스 신호는 시간이 흐르면서 변화하므로 그래프에서 완전한 수직선이 아니라 경사진 형태로 나타난다.
  • 상승 구간은 상승시간, 하강 구간은 하강시간으로 부른다.
  • 상승 또는 하강 구간의 중간 지점을 기준으로 측정한 폭을 펄스 폭이라 한다.
항목 의미
주파수 1초 동안 반복되는 진동 횟수
주기 한 번 진동하는 데 걸리는 시간
듀티 사이클 펄스 폭을 주기로 나눈 값의 백분율

주파수와 주기는 서로 역수 관계다.

6) 논리회로의 구분

  1. 조합논리회로
    • 기본 게이트(AND, OR, NOT)의 조합으로 구성된다.
    • 현재 입력값에 따라 출력이 결정된다.
  2. 순서논리회로
    • 조합논리회로에 플립플롭 또는 메모리 요소가 추가된 형태다.
    • 이전 상태를 저장하고, 그 값이 이후 입력과 출력에 영향을 준다.

7) 디지털 집적회로

IC 패키지

  • 삽입 장착형: DIP(Dual-in-line Package)
  • 표면 실장형: SMD(Surface-Mount Device)

PCB에 장착하는 방식에 따라 구분되며, 학습 내용 기준으로 SMD는 DIP보다 크기와 무게를 줄이고 제조 비용을 낮추는 장점이 있다.

디지털 시스템의 장점

  • 소형화 및 경량화
  • 생산 단가 하락
  • 소비 전력 감소
  • 동작 속도 증가
  • 시스템 신뢰도 향상

집적회로 분류

분류 소자 수 기준
SSI 100개 이하
MSI 100 ~ 1,000개
LSI 1,000 ~ 10,000개
VLSI 10,000 ~ 1,000,000개
ULSI 1,000,000개 이상

8) ADC와 DAC

  • ADC(Analog to Digital Converter): 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환
  • DAC(Digital to Analog Converter): 디지털 신호를 아날로그 신호로 변환

9) 아날로그에서 디지털로 변환되는 과정

핵심 과정은 다음 세 단계로 정리할 수 있다.

표본화(Sampling) -> 양자화(Quantization) -> 부호화(Coding)

표본화

  • 아날로그 신호를 일정한 시간 간격으로 추출하는 과정이다.
  • 샘플링한 값들을 통해 원래 신호를 근사적으로 표현한다.
  • 샤논의 표본화 정리에 따르면, 신호의 최고 주파수의 2배 이상으로 샘플링하면 원래 데이터를 재현할 수 있다.
  • 예시로 사람 음성 대역이 4kHz라면 8kHz 이상으로 샘플링해야 한다.

양자화

  • 샘플링한 아날로그 값을 디지털 단계값으로 변환하는 과정이다.
  • 이 과정에서는 대표값을 선택해야 하므로 양자화 잡음이 발생한다.
  • 더 많은 신호 레벨을 사용하면 정밀도는 높아질 수 있지만, 처리 부담도 증가한다.

부호화

  • 양자화된 값을 이진 디지털 부호로 변환하는 과정이다.

오디오 시스템 예시

소리 -> 마이크 -> 앰프 -> ADC -> CD 제조 -> DAC -> 앰프 -> 스피커 -> 소리

샤논의 표본화 정리를 만족하면 디지털로 변환한 후에도 원래 신호를 근사적으로 복원할 수 있다.

Key Concepts

  • 디지털과 아날로그 신호의 표현 방식 차이
  • 비트, 바이트, 워드와 같은 디지털 정보 단위
  • 논리 레벨, 펄스 폭, 주기, 주파수, 듀티 사이클
  • 조합논리회로와 순서논리회로의 차이
  • ADC, DAC와 표본화-양자화-부호화 과정

p.s.

이후에는 논리 게이트, 진리표, 조합논리회로 설계와 연결해 디지털논리회로 내용을 더 구체적으로 확장할 예정이다.

References

  • 강의교안(비공개)