아날로그 vs 디지털
현시 세계의 온도, 습도, 소리와 같은 물리적인 양을 트랜스듀서를 이용해 전기 전자적 신호로 변환하면 원래의 물리적인 양과 유사한 연속적인 값을 얻는다. 이를 아날로그 신호라 한다. 반면 디지털 신호는 분명히 구별되는 두 레벨의 신호값만을 갖는다.
전자기기는 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환하여 사용한다.
변환의 과정은 다음과 같다.
아날로그 신호를 Sampling 한 후에, 양자화 과정을 거치면서 값들을 근사값으로 표현하게 된다. 그리고 최종적으로 01010과 같은 부호화된 값으로 변환한다. 이러한 변환 과정에서 값의 정확도는 떨어지게된다.
디지털 신호의 장점
1. 디지털 시스템은 내부와 외부 잡음에 강하다. 0이 1로, 1이 0으로 바뀔 염려가 없다.
2. 디지털 시스템은 설계가 용이하다.
3. 프로그래밍으로 전체 시스템을 제어할 수 있어서 규격이나 사양 변경에 쉽게 대응할 수 있다.
4. 정보의 이산적인 특징으로 정보를 저장하거나 가공하기 쉽다.
5. 정보 처리의 정확성과 정밀도를 높일 수 있다. (정보 자체의 정확도는 떨어지지만)
아날로그 시스템 예시 : 마이크로폰
음파가 마이크를 통해서 오디오 신호로 변환되고, 증폭기 (Linear Amplifier) 를 이용해서 증폭된 오디오 신호로 출력된다.
디지털 시스템 예시 : CD
CD 드라이브에서 디지털 데이터가 DAC (Digital to Analog Converter) 를 거치며 아날로그 음악 오디오 시그널로 변환된다.
정논리와 부논리
두 전압레벨은 두 2진 숫자인 0과 1을 나타낸다. 예를 들어, 전압으로 0V 와 5V가 있다고 할 때, Low 레벨인 0볼트를 0으로 나타내고, High 레벨인 5볼트를 1로 나타낼 수 있다. 이를 정논리, positive logic 이라 한다.
반대로 낮은 것을 1로, 높은 것을 0으로 나타내는 것을 negative logic 이라 하는데, 보통은 정논리가 많이 사용된다.
펄스파형
펄스는 전압 레벨이 Low 와 High 상태를 반복하기 때문에 디지털 시스템에서 매우 중요하다. 주기적으로 반복되는 periodic pulse 와 주기가 없는 non-periodic pulse 가 있다.
올라가는 엣지를 rigsing edge, leading edge 라 부르며 내려가는 것을 falling edge, trailing edge 라 부른다.
실제의 펄스파형은 위의 그림과 같이 진폭이 크가 올라가는 오버슈트와 같은 현상을 보인다. 이와같은 구간들은 무시할 수 있다. 진폭이 10% 에서 90%까지 증가하는 시간을 상승시간으로 정의하고, 반대로 떨어지는 시간을 하강시간이라 정의한다. 상승과 하강의 50%인 두 지점 사이의 시간 간격은 펄스 폭, pulse width 라 하며 펄스가 존속하는 시간으로 간주한다.
주기, 주파수 및 듀티사이클
주파수 (frequency) 란 주기적인 파형이 1초동안 진동한 횟수이다. 전파를 처름 발견한 독일사람 헤르츠의 이름을 따서 주파수의 단위를 Hz 라 한다.
주기 (Period)란 주기적인 파형이 1회 반복되는 데 걸리는 시간을 의미한다. 1초동안 주기적인 파형이 1번 반복하면 주파수는 1Hz 이고 주기는 1초이다. 만약 1초동안 주기적인 파형이 1000번 반복되면 주파수는 1000Hz (= 1kHz) 이며 주기는 1ms (0.001s) 가 된다.
따라서 펄스파형의 주파수와 주기는 서로 역수의 관계에 있다. (주기가 짧을수록 주파수가 높다)
주기적인 펄스파형의 주요한 특성은 듀티사이클이다. (duty cycle)
듀티사이클은 주기 T에 대한 펄스 폭 (tw) 의 비를 백분율로 정의한다.
* 펄스 폭 = 2ms, 주기 = 10ms, Duty cycle = 20%
직렬 전달 : 8bit 를 전달한다고 했을 때 총 8번의 사이클을 거쳐야 한다.
병렬 전달 : 한 사이클에 8bit 를 전달할 수 있다.
논리회로는 입력, 출력 정보를 일시적으로 기억해 입력신호의 일부분으로 사용하는 메모리의 사용 유무에 따라서 조합논리회로와 순서논리회로로 분류한다.
* 조합논리회로 : 기본 Gate 의 조합으로 구성된다. 게이트는 저항(resister), 다이오드(diode), 트랜지스터(transister)등의 소자로 구성되어 기본적인 연산을 수행한다.
* 순차논리회로 : 조합논리회로에 입력과 출력의 신호를 기억하는 플립플롭 (flip-flop) 또는 메모리를 부가한 논리회로로, 논리신호가 순차적으로 발생한다.
리모컨의 업다운 버튼은 이전에 누른 버튼에 따라서 채널 선택이 달라지기 때문에 순서논리 회로에 해당되고, 숫자 버튼은 이전 값을 기억할 필요가 없으므로 조합논리회로이다.
저장 소자
* Latch, Flip-Flop : 1bit 의 정보를 유지할 수 있는 회로.
* Register
(flip-flop 이 4개이면 4bit 레지스터이다)
* 메모리
* SRAM : Static Random Access Memory. 값이 계속 안정적으로 저장되는 메모리이다. 가격이 비싸 Cache memory 로 주로 사용된다.
* DRAM : Dynamic RAM. 값을 저장해도 조금 지나면 사라져서 refresh 를 주기적으로 해주어야 한다. 하지만 가격이 싸서 오늘날의 Main memory 는 주로 DRAM을 사용한다.