デジタルシステムにおけるADCの役割

A/Dコンバータ (ADC) は、現代の多くのデジタルシステムに不可欠な部品です。ADCは最も基本的なレベルで、時間と振幅の両方で離散的なデジタル領域と、時間と振幅の両方で連続的なアナログ世界間のリンクとして機能します。音、光、温度、圧力を含む多くの実際の現象は基本的にアナログであるため、ADCはこれらのアナログ信号をデジタル信号に変換し、デジタルシステムがそれらの信号を処理、分析、保存、または通信できるようにするために不可欠です。

ADCがデジタルシステムで実行する重要な機能の一部は次のとおりです。

デジタル信号処理 (DSP): ADCはDSPシステムの重要な部分です。フィルタリング、フーリエ解析、およびその他の信号操作のためのデジタル信号処理技術の使用は、アナログ信号をデジタル形式に変換することによって可能になります。これらの技術は、アナログ信号処理技術よりも効率的であることが多いです。

データの保存と分析: デジタル技術は、データをデジタル形式で保存して分析することをより簡単かつ効果的にします。アナログ信号はADCを使ってデジタルデータに変換され、それをメモリに保存してコンピュータで処理することができます。これは、長期間にわたって収集されたデータを評価する必要がある環境モニタリングなどのアプリケーションで特に役に立ちます。

デジタルコミュニケーション: ADCは現代の通信ネットワークにおいて重要な役割を果たします。例えば、ユーザーの会話は携帯電話のマイクによってアナログ信号としてキャプチャされます。ADCは信号をデジタル形式に変換し、デジタル通信ネットワークを介して圧縮および配信するために使用されます。

オーディオおよびビデオシステム: ADCは、マルチメディアシステムでの処理と再生のために、連続的なオーディオおよびビデオデータをデジタル形式に変換します。これにより、オーディオ効果、ビデオ編集、デジタルマルチメディアコンテンツ転送などの機能を使用することが可能になります。

制御システム: ADCはデジタル制御システムにおいてセンサ出力をデジタル形式に変換し、マイクロコントローラやプロセッサが制御の選択に情報を使用できるようにします。例えば、ADCはエンジン特性を追跡するセンサからの信号を、エンジン性能を最大化するためにエンジン管理ユニットが利用するデジタルデータに変換します。

医療機器: ADCは、生体電気信号や画像データを、心電図 (ECG) や医療用画像システムなどの医療機器でデジタル形式に変換し、分析や診断を行うために使用されます。

科学的研究: 科学研究で使用される機器で、高精度で正確なものが必要なものもADCに依存します。それらは科学者による実験データのデジタル収集を可能にし、分析、モデリング、シミュレーションに利用できます。

基本的なブロック図と説明

アナログデジタルコンバータ (ADC) として知られる電気部品は、アナログ入力信号 (しばしば電圧または電流) をデジタル表現に変換します。ADCの基本的なブロック図を見て、その動作を理解するために各要素について説明します。

基本部品

アナログ入力: デジタル形式に変換する必要があるアナログ信号です。アナログ電気信号に変換された他の物理量は、連続波、可変電圧レベル、または他の物理量の形をとることができます。

サンプルおよびホールド回路 (S/H): アナログ入力サンプリングはS/H回路によって行われます。これは、入力信号のスナップショットを定期的に取得することを示します。「ホールド」機能とは、ADCが信号を処理する必要がある限り信号の値を維持することを意味します。

アナログ・デジタルコンバータコア: これはADCの中心的な部品であり、実際の変換の実行を担当します。逐次近似レジスタ (SAR)、デルタシグマ変調、フラッシュ変換などのいくつかの変換技術があります。それぞれが特定の目的に適しており、独自の利点があります。

クロック: クロックは、S/H回路のアナログ入力のサンプリングレートを調整するタイミング信号を供給し、ADCコアの変換レートも調整します。クロック周波数は、ADCの動作範囲内にとどまりながら (ナイキスト・シャノンの標本化定理によれば) アナログ信号を正確に標本化するのに十分な高さでなければならないので、非常に重要です。

デジタル出力: アナログ入力信号はこれによりデジタルで表現されます。通常、この出力はバイナリ形式であり、ビットが連続的に出力されるシリアルデータと、すべてのビットが同時に出力されるパラレルデータのいずれかです。

制御ロジック: ADCの動作を監督します。サンプリング処理を開始し、変換を開始し、デジタル出力を転送します。制御ロジックには、キャリブレーションやエラー訂正のための機能が組み込まれている場合があります。

基準電圧 / 電流: 基準電圧または電流は、入力を比較するためにADCによって頻繁に使用されます。変換の尺度は、この基準を使用して決定されなければなりません。例えば、5Vを基準電圧とする電圧信号を変換する場合、ADCは0Vから5Vまでのすべての入力電圧を表す必要があります。

信号処理チェーンのADC

図9 : ADC処理チェーン

アナログデジタルコンバータ (ADC) は、デジタル信号処理のチェーンにおいて、アナログとデジタル領域間の重要なリンクとして機能します。信号のキャプチャ、調整、変換、デジタル処理、そして、しばしば対話や表示のためのアナログへの再変換は、信号処理チェーンの全段階です。ADCは、継続的に変動する実際の信号を、計算処理可能な離散デジタル値に変換することを可能にするため、このチェーンにおいて重要な機能を果たします。

以下では、信号処理チェーンの各段階について詳しく説明し、この状況でADCが果たす役割にハイライトを当てます。

信号の取得: これは実世界の信号が記録される初期段階であり、通常は音、光、温度などのセンサによって記録されます。アナログ信号は、測定される物理量の連続的な表現であり、センサの出力です。

信号の調整: アナログ信号をデジタル形式に変換する前に調整する必要が頻繁にあります。信号強度を高める増幅、ノイズを減らすフィルタリング、信号レベルがADCの動作範囲内にあることを保証するスケーリングなどを、すべてこのステージに含めることができます。

アナログデジタル変換 (ADC): ADCはこの重要なポイントで登場します。ADCは調整されたアナログ信号を受信し、それをデジタル表現に変換します。この手順では振幅を離散レベルに量子化し、離散時間間隔で信号をサンプリングします。ADCの分解能とサンプルレートは、デジタル表現の特質に影響を与える重要な要素です。

デジタル信号処理 (DSP): 信号がデジタル形式に変換されると、異なるデジタル信号処理方法を使用できます。フィルタリング、フーリエ解析、および信号に情報を追加したり、望ましい方法で信号を修正したりするその他の手順は、このカテゴリに入ります。

デジタルアナログ変換 (DAC): 処理された信号はアナログデバイスを制御したり、アナログディスプレイに表示したり、(オーディオアプリケーションのように) 聞くことができるようになる前に、アナログ形式に戻す必要があります。これを実現するためにデジタルアナログコンバータ (DAC) が使用されます。

アナログ出力の調整: 最後に、スピーカーやディスプレイのような最終的な位置に転送される前に、DACからのアナログ出力はフィルタリングや増幅などのコンディショニングが追加される場合があります。

ADCは、信号処理のこのチェーン全体の重要な部品です。アナログとデジタルの領域間のインタフェースを可能にし、その変換の有効性はシステム全体の動作に影響を与えます。非リニア性やノイズのようなADCの欠陥はデジタル信号処理のチェーン全体に広がり、出力の品質を低下させる可能性があります。したがって、効率的で効果的なディジタルシステムを開発するためには、信号処理チェーン内のADCの機能や動作を理解することが不可欠です。

ADCの歴史的発展

テクノロジーの発展に欠かせないアナログ・デジタルコンバータ (ADC) の歴史を理解することで、その現在の用途や将来の方向性を明らかにすることができます。

初期の開発: ADCの起源は20世紀初頭です。通信とデータ伝送の分野では、アナログ信号をデジタル形式に変換するアイデアが研究されました。電信信号の伝送は、アナログ・デジタル変換の最初の用途の一つです。

パルスコード変調: 1930年代にアレック・リーヴスが考案したパルス符号変調 (PCM) は、ADC技術の大きな向上でした。PCMはサンプリングによってアナログ信号をコードにデジタル化することを含みます。安全な音声通信は、特に第二次世界大戦中の電気通信におけるこの技術の最初のアプリケーションでした。

集積回路の時代: 現在のADCの時代は1947年のトランジスタの開発、および1950年代後半の集積回路の開発からはじまりました。これらの技術革新により、以前のADCよりもはるかに小型で高速で信頼性の高いADCを製造することが可能になりました。

ADCは1970年代から1980年代にかけて、マイクロプロセッサやデジタル信号処理 (DSP) チップの出現の結果としてコンピュータやデジタルオーディオアプリケーションで需要が高まりました。この間、フラッシュメモリ、逐次近似レジスタ (SAR)、デルタシグマなどのADCアーキテクチャが開発され、改良されました。

デルタシグマADCおよびオーディオ: オーディオアプリケーションにデルタシグマADCが使用されるようになったのは1980年代半ばであり、音楽ビジネスを一変しました。コンパクトディスク (CD) がオーディオ再生の業界標準に成長して以来、アナログオーディオ信号をデジタル形式に変換する場合、デルタシグマADCが極めて重要になりました。

分解能と速度の向上: 1990年代から2000年代にかけて、ADCの分解能とサンプルレートを向上しようとする動きが続きました。精密機器、地震データ収集、医療画像処理はすべて高分解能ADCに依存するようになりました。レーダー、電気通信、デジタルビデオアプリケーションはすべて高速ADCを必要でした。

現状と今後の展望: ADCは現代の電子機器のほぼすべてに搭載されています。パソコン、デジタルカメラ、スマートフォンなど、幅広いガジェットに不可欠です。ADCの開発が進むにつれて、特に低消費電力で高度に集積されたシステムの分野で、新しいアーキテクチャと技術が開発されています。

市場と業界の動向

ADC (アナログ・デジタルコンバータ) は、エレクトロニクス環境の重要な部品となっています。ADCは、多くの産業にデジタル技術が継続的に導入された結果、著しい成長と多様性を経験してきました。本セクションでは、ADCの作成と使用に現在影響を与えている市場と業界の動向を見ます。

IoTとウェアラブル: ADC技術の開発の背後にある主な力の1つは、モノのインターネット (IoT) です。インターネットに接続する機器の増加に伴い、低消費電力で高効率のADCへのニーズが高まっています。スマートウォッチなどのウェアラブル技術では、心拍数や体温などの物理的な値をデジタルデータに変換し、処理して評価できるようにするためにADCが必要です。

車載アプリケーション: 自動運転車や電気自動車の導入により、自動車業界は変化しています。ADCはLiDARやレーダーシステム、その他の先進運転支援システム (ADAS) でセンサデータの変換に使用されます。バッテリーセルの高精度なモニタリングには、高分解能のADCが必要であり、自動車の電化に伴い必要になっています。

5G通信: 5G技術の採用により、データの送受信方法が大幅に変わることが予想されます。5G通信に関わる大規模なデータレートと周波数範囲を管理するためには、より大きなサンプルレートとより広い帯域幅を持つADCが重要です。高速ADCの開発は、これらの仕様によって推進されています。

医療用画像: MRIや超音波などの医用画像技術の発展に伴い、高分解能ADCの実現が求められています。診断および治療計画に必要な正確で精密な画像を生成するためには、アナログ信号を高精度に変換する能力が不可欠です。

統合およびシステムオンチップ (SoC) ソリューション: システムオンチップ (SoC) ソリューションへのADCの統合は、デバイスの小型化と電力効率の重要性が高まるにつれて増加傾向にあります。この統合により、性能の向上と消費電力の削減が可能になり、バッテリー駆動のデバイスにはとって非常に重要です。

AIと機械学習: 人工知能 (AI) や機械学習 (ML) を使用するアプリケーションは、大量のデータ処理が必要です。アナログセンサデータのAIアルゴリズム用のデジタルフォーマットへの変換は、ADCに大きく依存しています。より良い変換率をもつADCの開発は、音声認識や画像処理のようなアプリケーションにおけるリアルタイム処理の需要によって推進されます。