[논리 회로] 1장. 들어가기

본 내용은 2024년 1학기 '컴퓨터논리개론' 수업을 들으며 노션에다가 정리한 글을 옮겨온 포스트입니다.
제 공부를 위해 작성한 거라서 제가 알아보기 편하게  정리했습니다. 여러분들도 자유자재로 열람 가능하지만 간혹 이해하기 힘든 부분이 있을 수도 있다는 점 양해 부탁드립니다!

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1. 디지털과 아날로그

• 아날로그 신호 현실 세계의 물리적인 양은 시간에 따라 연속적으로 변하는데, 이렇게 연속적인 값을 가지는 전자, 전기적 신호.
• 디지털 신호 분명히 구별되는 두 레벨의 신호 값만 가지는 신호.

일상 생활에서 사용하는 전자기기는 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환해서 사용함!

전기, 전자 회로

• 아날로그 시스템: 연속적인 정보를 입력받아 처리하여 연속적인 형태의 정보를 출력하는 시스템. 과거 대부분의 전자 시스템이 아날로그 시스템이었다.
• 디지털 시스템: 이산적인 정보를 가공, 처리하여 최종적으로 이산적인 정보를 출력하는 모든 형태의 장치

과거 대부분의 장치가 아날로그였지만, 지금은 거의 다 디지털화되었다.

그래서 연속적으로 변하는 다양한 정보를 이산적인 정보로 변환하기 위해 아날로그-디지털 변환기(ADC)를 사용함!!

디지털 시스템의 장점

• 내부와 외부 잡음에 강하다.
• 설계가 용이하다.
• 프로그래밍으로 전체 시스템을 제어할 수 있어서 규격이나 사양 변경에 쉽게 대응할 수 있다.
• 디지털 정보의 이산적인 특징 때문에 정보를 저장하거나 가공하기 쉽다.
• 정보 처리의 정확성과 정밀도를 높일 수 있으며, 비선형 처리나 병렬 처리도 가능하다.
• 전체 시스템 구성을 소형화하고 저렴한 가격에 구성할 수 있다.

그런데 디지털으로 처리해도, 결국 보여주는 건 아날로그로 보여줘야 함. → 이 때 사용되는 장치가 디지털-아날로그 변환기(DAC)임!

2. 디지털 정보의 표현

시스템에서 사용하는 정보를 신호라고 한다. 디지털 정보를 표현하는 데에는 2진수 체계를 사용하며, 0과 1 두 digit만 사용함!

디지털 정보에서는 입출력 신호의 전압에 따라 0과 1을 구분한다.

왜 입력 신호의 범위가 더 크냐면, 신호 전송 과정 중에 발생하는 잡음에 대해 좀 더 강하도록 하기 위해서!

디지털 정보의 표현 단위

• bit: 0과 1만 표현할 수 있는 간단한 2진수 단위
• nibble: 4비트
• byte: 8비트 ← character이라고도 부른다. 근데 사실 알파벳은 7비트만으로도 충분함 ㅋㅋ

Word 단위

특정 CPU에서 취급하는 명령어나 데이터의 길이에 해당하는 비트 수

처음에는 SI를 주로 썼는데, 이거는 10진 단위라서 오차가 발생할 수밖에 없다… 그래서 IEC를 사용해야 함…

 

 

 

전자소자를 이용한 논리표현

디지털 정보는 0/1이나 Low/High 뿐 아니라, 바이오드나 트랜지스터의 off/on, 전기 스위치의 open/clos, 논리학의 false/true 등 여러 가지 표현이 가능하다!

 

3. 논리 레벨과 펄스 파형

정논리와 부논리

• 정논리: 두 전압 레벨에서 0V인 Low 레벨을 0으로 나타내고 +5V인 High 레벨을 1로 나타내는 것.
• 부논리: 두 전압 레벨에서 0V인 Low 레벨을 1으로 나타내고 +5V인 High 레벨을 0로 나타내는 것.

펄스 파형

디지털 시스템에서 사용하는 대부분의 파형은 일련의 펄스로 구성되어 있음.

펄스는 전압 레벨이 일반적으로 Low 상태와 High 상태를 반복하는데, 일정한 구간마다 파형이 만복된다면 주기 펄스, 주기가 없는 파형이라면 비주기 펄스라고 한다.

근데 이건 실제 펄스의 에지를 단순화시켜서 직각으로 나타낸 거고, 실제는 아래와 같다.

아 참고로 상승시간/하강시간은 10%~90% 구간이고, 펄스 폭은 상승과 하강의 50% 구간부터임.

주기, 주파수 및 듀티 사이클

• 주파수: 주기적인 파형이 1초 동안에 진동한 횟수. Hz 단위를 사용한다.
• 주기: 주기적인 파형이 1회 반복되는 데 걸리는 시간.

→ 주파수와 주기는 서로 역수 관계!! 𝑇=1𝑓,𝑓=1𝑇T=f1​,f=T1​

듀티 사이클

주기 T에 대한 펄스 폭(𝑡𝑤tw​)의 비를 백분율로 정의한 것.

 

 

 

4. 디지털 집적 회로

디지털 회로(논리회로) : 디지털 정보를 처리하는 디지털 시스템의 하드웨어

• 조합논리회로: 기본 게이트의 조합으로 구성되는 논리회로 이전의 정보를 기억하지 않고, 기본적인 연산을 수행.
• 순서논리회로: 조합논리회로에 입력과 출력의 신호를 기억하는 플립플롣 노는 메모리를 부가한 논리회로 이전의 정보를 기억하여 논리 신호가 순차적으로 발생.

리모콘 예시) 채널 선택 버튼: 조합논리회로 / 채널 업,다운 버튼: 순서논리회로

옛날의 논리회로는 저항, 다이오드, 트랜지스터 등 부피가 큰 개별 부품으로 구성되었으나 요즘에는 집적 회로(IC) 기술의 발전으로 여러 트랜지스터를 하나의 칩에 통합해서 사용!

IC패키지

PCB에 장착하는 방법에 따라 삽입 장착형과 표면 실장형으로 구분한다.

• 삽입 장착형 IC PCB 보드의 구멍에 끼우는 핀을 가지고 있어, 뒷면의 도체에 납땜으로 연결 가능. 대부분 DIP 형태로, 과거에 많이 씀.
• 표면 실장형 IC (SMD) SOP(SOIC), QFP, PLCC 형태 등.

또한 집적 회로 기술이 개발된 이래, IC 제조 기술은 눈부시게 발전했고 아래의 장점을 갖추게 되었다.

• 디지털 시스템의 소형화 및 경량화
• 생산 가격의 저렴화
• 소비 전력의 감소
• 동작 속도의 고속화
• 디지털 시스템의 신뢰도 향상
• 상품의 다양화

집적 회로의 분류

집적 회로는 집적되는 트랜지스터의 수에 따라 5가지로 분류한다.

 

5. ADC와 DAC

디지털 회로를 이용한 신호 처리는 아날로그 회로에 비해 잡음의 영향을 덜 받고 더 정확하며, 정보를 저장할 수 있고 대규모 IC화가 용이함 → 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환하여 처리하는 것이 유리함!!
중요할 듯!!!!!

1) 표본화

아날로그 신호를 일정한 간격으로 표본화한다.

샤논의 표본화정리: 신호의 최고 주파수의 2배 이상의 빈도로 샘플링해야 본래의 데이터를 재현할 수 있다!!

음성의 주파수는 30~3400Hz라서 음성 대역폭은 3KHz가 됨. 여기서 채널끼리의 간섭을 피하기 위한 보호 밴드를 포함하면 4KHz. → 8KHz, 즉 1초동안 8,000번 표본화하면 됨!

표본화하는 순간 아날로그 신호의 진폭과 같은 크기의 진폭을 가지는 펄스를 얻게 된다.

2) 양자화

표본화해서 얻은 펄스의 진폭 크기를 디지털 양으로 변환한다. → 아날로그 신호의 진폭을 양자화 레벨의 숫자로 나누어, 각 간격에서 뽑아낸 표본값을 미리 정해진 값에서 가장 가까운 값으로 변환하는 것.

이 과정에서 불가피하게 양자화 잡음이 발생할 수 있다! 아날로그로 2.8인데 양자화해서 3 되면 0.2가 잡음이 존재하는 것… → 물론 신호 레벨의 수를 늘리면 줄일 수 있지만, 데이터의 양이 많아진다…

3) 부호화

양자화한 값을 2진 디지털 부호로 변환한다. 여기서는 4비트로 부호화했지만, 일반적으로는 8비트로 부호화함.

 

 

여기까지가 ADC이고, 아날로그 신호를 디지털 기기가 받을 수 있도록 디지털 신호로 변환해주는 과정임. 그렇게 디지털 기기에서 처리가 끝나면, 그 결과를 우리가 쉽게 볼 수 있도록 아날로그 신호로 또 변환해 줘야 하는데 그 때 DAC가 사용된다!