ADC/DAC 컨버터: 아날로그와 디지털 세상 연결하기 > 임베디드 시스템 및 펌웨어 개발

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지난 시간에는 타이머/카운터 사용법을 통해 로봇의 정밀한 시간 제어와 이벤트 처리의 중요성을 알아보았습니다. 로봇의 '뇌'인 MCU는 기본적으로 디지털 신호(0과 1)만을 이해하고 처리할 수 있습니다. 하지만 실제 세상은 온도, 압력, 소리, 빛의 밝기, 가스 농도 등 무한한 값을 가지는 아날로그 신호로 가득합니다. 로봇이 이 아날로그 신호를 감지하고 반응하려면, 이를 MCU가 이해할 수 있는 디지털 신호로 변환해야 합니다. 반대로, MCU가 디지털 값으로 계산한 제어 명령을 외부의 아날로그 장치(예: 아날로그 출력 모터 드라이버, 오디오 앰프)에 전달하려면 디지털 신호를 아날로그 신호로 변환해야 합니다.

이러한 아날로그와 디지털 세상 사이의 다리 역할을 하는 핵심 하드웨어 주변장치가 바로 **ADC(Analog-to-Digital Converter, 아날로그-디지털 변환기)**와 **DAC(Digital-to-Analog Converter, 디지털-아날로그 변환기)**입니다. ADC/DAC 컨버터는 로봇이 아날로그 센서를 통해 외부 환경을 인지하고, 아날로그 액추에이터를 통해 세밀하게 반응하는 데 필수적인 구성 요소입니다. 이 설명을 통해 ADC/DAC 컨버터가 무엇이며, 어떻게 아날로그와 디지털 세상을 연결하는지, 그 기본 원리와 사용법, 그리고 로봇 개발에서의 활용은 무엇인지 자세히 파헤쳐 보겠습니다. 

로봇이 "주변의 온도 센서(아날로그 출력)에서 현재 온도를 읽어 들이고, 이 값에 따라 로봇 내부의 팬 속도(아날로그 제어)를 조절하여 온도를 일정하게 유지하는" 것과 같은 상황이라면, ADC는 온도 센서의 아날로그 신호를 디지털로 변환하고, DAC는 MCU의 디지털 제어 값을 팬의 아날로그 제어 신호로 변환하여 아날로그와 디지털 세상을 연결합니다.

1. ADC (Analog-to-Digital Converter): 아날로그를 디지털로

ADC는 "아날로그 전기 신호(전압 또는 전류)를 MCU가 이해하고 처리할 수 있는 이산적인 디지털 값(바이너리 코드)으로 변환하는 장치"입니다. 

변환 과정: ADC는 아날로그 신호를 **샘플링(Sampling) -> 양자화(Quantization) -> 부호화(Encoding)**의 세 단계를 거쳐 디지털 값으로 변환합니다.

샘플링: 연속적인 아날로그 신호를 일정한 시간 간격으로 이산적인 샘플 값으로 추출합니다. (샘플링 주파수)

양자화: 샘플 값을 미리 정의된 유한한 값(디지털 레벨) 중 가장 가까운 값으로 반올림 또는 버림하여 매핑합니다. (해상도)

부호화: 양자화된 값을 이진 코드(디지털 값)로 표현합니다.

ADC의 주요 특성:

해상도 (Resolution): 아날로그 신호를 몇 개의 이산적인 레벨로 나눌 수 있는지를 나타냅니다 (8비트, 10비트, 12비트, 16비트 등). 비트 수가 높을수록 더 세밀하게 아날로그 신호를 표현할 수 있습니다. (예: 10비트 ADC는 기준 전압을 1024단계로 나눕니다.)

샘플링 속도 (Sampling Rate): 초당 몇 번의 아날로그 값을 디지털로 변환하는지를 나타냅니다 (SPS, Samples Per Second). 실시간성이 중요한 고속 센서(오디오, 비디오)에서는 높은 샘플링 속도가 필요합니다.

입력 전압 범위 (Input Voltage Range): ADC가 변환할 수 있는 아날로그 전압의 최대/최소 범위(예: 0V ~ 3.3V, 0V ~ 5V).

2. DAC (Digital-to-Analog Converter): 디지털을 아날로그로

DAC는 "MCU가 생성한 디지털 값(바이너리 코드)을 외부 아날로그 장치가 이해하고 반응할 수 있는 연속적인 아날로그 전기 신호(전압 또는 전류)로 변환하는 장치"입니다. 

변환 과정: 디지털 값을 입력받아 아날로그 출력 전압 또는 전류로 변환합니다. 일반적으로 R-2R 사다리 네트워크나 PWM(Pulse Width Modulation) 방식 등을 사용하여 구현됩니다.

DAC의 주요 특성:

해상도 (Resolution): 디지털 입력 값의 비트 수와, 이 비트 수에 따라 아날로그 출력을 몇 개의 레벨로 만들 수 있는지를 나타냅니다.

변환 속도 (Conversion Speed): 디지털 입력 값이 아날로그 출력으로 변환되는 데 걸리는 시간.

3. ADC/DAC 컨버터의 사용법 (일반적인 MCU 레지스터 설정 예시)

대부분의 MCU는 여러 채널의 ADC를 내장하고 있으며, 일부 MCU에는 DAC도 내장되어 있습니다. (STM32 HAL 라이브러리 사용 시 CubeMX 등으로 자동 설정 가능)

3.1. ADC 사용 단계:

클럭 설정: ADC 모듈에 클럭을 인가하고 주파수를 설정합니다.

레퍼런스 전압 (Reference Voltage) 설정: ADC가 아날로그 입력 신호를 디지털로 변환하는 기준이 되는 전압(Vref)을 설정합니다. (예: Vcc, 내부 레퍼런스 전압)

채널 설정: 어떤 ADC 핀(채널)을 사용할지 설정합니다. 대부분의 ADC 핀은 GPIO 핀과 멀티플렉싱되어 있습니다.

변환 모드 설정:

단일 변환 (Single Conversion): 한 번만 변환하고 멈춥니다.

연속 변환 (Continuous Conversion): 계속해서 반복적으로 변환합니다.

스캔 모드 (Scan Mode): 여러 채널을 순차적으로 변환합니다.

샘플링 시간 설정: 각 채널을 샘플링하는 데 걸리는 시간을 설정합니다. (빠를수록 노이즈 취약)

인터럽트/DMA 설정: ADC 변환 완료 시 인터럽트를 발생시키거나, DMA(Direct Memory Access)를 사용하여 변환된 데이터를 메모리로 직접 전송하도록 설정합니다.

변환 시작 및 데이터 읽기: ADC 변환을 시작하고, 변환이 완료되면 결과 레지스터에서 디지털 값을 읽어들입니다.

3.2. DAC 사용 단계:

클럭 설정: DAC 모듈에 클럭을 인가합니다.

채널 설정: 어떤 DAC 핀(채널)을 사용할지 설정합니다.

디지털 값 쓰기: MCU에서 계산된 디지털 값을 DAC 데이터 레지스터에 기록합니다. DAC는 이 디지털 값에 해당하는 아날로그 전압 또는 전류를 출력 핀으로 내보냅니다.

옵션: 타이머와 연동하여 주기적인 아날로그 파형을 생성할 수도 있습니다.

4. 로봇 개발에서 ADC/DAC 컨버터의 중요성: 아날로그와 디지털 세상 연결하기

ADC/DAC 컨버터는 로봇이 실제 아날로그 세상과 상호작용하는 데 필수적인 다리 역할을 합니다.

4.1. 아날로그 센서 데이터 수집 (ADC):

거리 센서: 초음파, 적외선 등 아날로그 출력 거리 센서의 전압 값을 디지털로 변환하여 로봇과 장애물 간의 거리를 파악합니다.

온도/습도 센서: 주변 환경의 아날로그 온도/습도 값을 디지털로 변환하여 로봇의 환경 인지에 활용합니다.

조도 센서: 주변의 밝기(빛의 강도)를 아날로그 전압으로 감지하고 디지털로 변환하여 로봇의 움직임이나 디스플레이 밝기를 조절합니다.

힘/압력 센서: 로봇 팔 그리퍼의 압력, 지면에 가해지는 힘 등을 아날로그 값으로 측정하고 디지털로 변환하여 섬세한 제어나 접촉 감지에 활용합니다.

배터리 전압 모니터링: 로봇의 배터리 잔량을 아날로그 전압으로 측정하여 디지털로 변환하고, 배터리 소모량을 모니터링합니다.

4.2. 아날로그 액추에이터 제어 (DAC):

정밀 모터 제어: PWM을 통한 DC 모터 속도 제어뿐만 아니라, 아날로그 입력으로 구동되는 모터 드라이버나 서보 모터에 DAC 출력 전압으로 직접 속도나 위치를 제어합니다.

오디오 출력: 디지털로 생성된 오디오 신호를 DAC를 통해 아날로그 음성으로 변환하여 로봇의 음성 안내나 효과음을 재생합니다.

아날로그 밸브/유량 제어: 액체나 기체의 흐름을 정밀하게 제어하는 아날로그 밸브를 DAC 출력으로 조절합니다.

LED 밝기 제어: PWM 대신 DAC를 통해 더욱 세밀하고 선형적인 LED 밝기 제어를 구현할 수 있습니다.

4.3. 피드백 제어 시스템 구현:

**아날로그 입력(센서) -> 디지털 변환(ADC) -> 디지털 제어 알고리즘(MCU) -> 아날로그 변환(DAC) -> 아날로그 출력(액추에이터)**이라는 루프를 통해 로봇의 피드백 제어 시스템을 구현합니다. (예: 로봇 팔에 가해지는 힘을 ADC로 측정하고, 이 정보를 바탕으로 DAC를 통해 모터 토크를 조절하여 힘 제어를 수행)

5. ADC/DAC 선택 시 고려사항

해상도: 로봇의 센싱 정밀도나 제어 정밀도가 얼마나 필요한지에 따라 ADC/DAC의 비트 수를 선택합니다. (더 높은 비트 수 = 더 높은 정밀도 = 더 높은 비용/복잡성)

샘플링/변환 속도: 로봇의 실시간 요구 사항(예: 고속 모터 제어, 오디오 처리)에 따라 필요한 변환 속도를 고려합니다.

채널 수: 로봇에 연결될 아날로그 센서나 액추에이터의 개수에 따라 필요한 채널 수를 고려합니다.

입력/출력 전압 범위: 센서/액추에이터의 작동 전압 범위와 호환되는 ADC/DAC를 선택합니다.

노이즈 특성: 민감한 아날로그 신호를 다룰 때는 ADC/DAC의 노이즈 성능도 중요합니다.

ADC(아날로그-디지털 변환기)와 DAC(디지털-아날로그 변환기)는 "MCU와 외부 아날로그 장치 사이에서 아날로그와 디지털 신호를 상호 변환하여 연결하는 핵심 장치"입니다. ADC는 아날로그 센서 데이터를 디지털로 변환하여 MCU가 이해하도록 돕고, DAC는 MCU의 디지털 제어 값을 아날로그 신호로 변환하여 외부 액추에이터가 반응하도록 돕습니다.

ADC/DAC 컨버터의 기본 원리와 사용법을 완벽하게 이해하고 로봇 시스템에 적용하는 것은 로봇이 아날로그 센서를 통해 외부 환경을 정밀하게 인지하고, 아날로그 액추에이터를 통해 세밀하게 반응하는 능력을 구현하여 로봇의 지능적인 행동 범위를 확장하는 데 필수적인 역량이 될 것입니다. 로봇에게 '아날로그 세상과 소통하는 능력'을 선물하여 더욱 강력하고 정밀하게 작동하는 자율 로봇 시스템을 만들어가시기를 응원합니다!