디지털 신호(Digital Signal)
디지털 신호(Digital Signal)는 이산적인(불연속적인) 값을 가지는 신호로, 보통 0과 1 (LOW/HIGH) 두 가지 상태만 존재한다.
1️⃣ 두 가지 상태만 존재 → 0 (LOW) 또는 1 (HIGH)
2️⃣ 명확한 구분 가능 → 전압이 특정 기준 이상이면 HIGH, 이하면 LOW
3️⃣ 노이즈에 강함 → 신호가 약간 흔들려도 0과 1을 명확하게 구분할 수 있음
4️⃣ 컴퓨터 및 전자기기에서 사용 → 디지털 회로(아두이노, 컴퓨터, 마이크로컨트롤러)에서 쉽게 처리 가능
아날로그 신호(Analog Signal)
아날로그 신호(Analog Signal)는 연속적인 값을 가지는 신호다. 자연에서 발생하는 대부분의 신호(온도, 소리, 밝기 등)는 아날로그 신호인데, 이는 특정 범위 내에서 무한한 값을 가질 수 있다.
1️⃣ 연속적인 값을 가짐 → 특정 범위 내에서 무한한 값을 가질 수 있음
2️⃣ 세밀한 변화 표현 가능 → 작은 변화도 감지할 수 있음
3️⃣ 노이즈에 취약 → 환경적인 영향을 많이 받아 신호 변형이 생길 수 있음
4️⃣ 센서 데이터 측정에 주로 사용 → 온도 센서, 조도 센서 등
디지털 vs 아날로그
✅ 디지털 신호
✔ 특징
- 정보의 저장과 전달이 용이함
- 변형 없이 신호 전달 가능 (노이즈 영향 적음)
- 데이터 압축이 가능하여 효율적이다.
✅ 아날로그 신호
✔ 특징
- 연속적인 신호로 세밀한 표현 가능
- 원본과 동일한 정보 유지
- 자연 신호(소리, 빛, 온도 등)와 유사함
디지털 vs 아날로그 단점 비교
✔ 디지털
- 원본 정보를 완벽하게 기록 및 재생할 수 없음 (압축, 변환 과정에서 손실 발생)
✔ 아날로그
- 신호가 전달될 때 변형될 수 있으며, 복원이 어려움
- 잡음(노이즈)의 영향을 쉽게 받음
- 데이터 용량이 커서 처리 및 저장이 어려움
아날로그 입력
ADC(Analog-to-Digital Converter)
- ADC는 아날로그 데이터를 디지털로 변환하는 장치
- 아두이노의
analogRead()는 10비트 (0 ~ 1023) 값을 반환 - 레퍼런스 전압을 기준으로 값을 변환하며, 비트 수가 높을수록 정밀함
- 아날로그 신호를 샘플링 → 양자화 → 부호화 과정을 통해 디지털 신호로 반환
샘플링(Sampling)
샘플링은 연속적인 아날로그 신호를 일정한 간격으로 측정(추출)하여 디지털 데이터로 변환하는 과정이다.
✅ 필요한 이유
ADC(아날로그 - 디지털 변환기)는 아날로그 신호를 디지털 값으로 변환하는데, 이때 아날로그 신호를 연속적으로 측정할 수 없기 때문에 일정한 시간 간격으로 데이터를 가져와야 한다.
양자화(Quantization)
양자화는 샘플링된 아날로그 값을 가장 가까운 디지털 값으로 변환하는 과정이다.
✅ 필요한 이유
샘플링을 통해 아날로그 값을 가져왔다고 해도,
컴퓨터는 무한한 값이 아니라 제한된 정수 값으로만 데이터를 저장할 수 있다.
그래서 가장 가까운 디지털 값(이산적인 값)으로 반올림하는 과정이 필요하고, 이를 양자화(Quantization)라고 한다.
부호화(Encoding)
부호화는 양자화된 디지털 데이터를 특정 형식(코드)으로 변환하는 과정이다.
✅ 필요한 이유
양자화된 숫자 데이터를 컴퓨터나 통신 시스템이 쉽게 처리하고 저장할 수 있도록 변환해야한다.
이를 위해 이진수(Binary) 형태로 변환하는 과정이 부호화(Encoding)이다.
아날로그 출력
아날로그 출력은 연속적인 값을 가지는 신호를 출력하는 것이다.
하지만 아두이노는 진짜 아날로그 출력을 직접 생성하지 못한다.
대신, PWM(Pulse Width modulation, 펄스 폭 변조) 방식으로 아날로그 출력을 흉내내는 방법을 사용한다.
아두이노에서 디지털 핀 번호 앞에
~기호가 있는 핀(3, 5, 6, 9, 10, 11)은 PWM 기능을 지원하는 핀이다. (총 6개)
PWM(펄스 폭 변조) 방식
PWM은 디지털 신호(0과 1)만을 사용해 아날로그 효과를 내는 방식이다.
HIGH(5V)와 LOW(0V)를 아주 빠르게 반복하며, HIGH의 비율(듀티 사이클, Duty Cycle)을 조절해 평균 전압을 조정한다.
Duty Cycle : 한 주기 내에서 HIGH가 차지하는 비율
📌 마무리
오늘은 아두이노의 아날로그 입출력에 대해서 공부했다.
LED를 이용해 불을 켜고 끄는 실습을 할 때, 아두이노는 디지털 신호만 출력할 수 있으므로 무드등처럼 서서히 밝아지는 효과는 불가능할 것이라고 생각했다.
하지만, 오늘 ADC(아날로그 입력)와 PWM(아날로그 출력 방식)을 배우면서 이러한 효과를 충분히 구현할 수 있겠다는 생각이 들었다.
