AD変換(Analog-to-Digital Conversion)とは
AD変換とは、アナログ信号をデジタル信号に変換する技術のことで、英名ではAnalog-to-Digital Conversionと呼ばれています。音声や温度、光などの連続的に変化するアナログ信号を、コンピュータで処理可能な離散的な数値データに変換するプロセスであり、現代の電子機器において必要不可欠な技術です。
AD変換は、マイクロコントローラやセンサーシステムにおいて広く利用されており、IoT機器やスマートフォンなどあらゆるデジタル機器の基盤となっています。変換プロセスでは、サンプリング周波数と量子化ビット数という2つの重要なパラメータによって、変換後のデジタル信号の品質と精度が決定されます。
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AD変換におけるサンプリング処理の仕組み
サンプリング処理では、連続的なアナログ信号を一定の時間間隔で測定し、離散的なデータポイントとして取得する操作を実行します。サンプリング周波数が高いほど元の信号を正確に再現できますが、ナイキストの定理により元信号の最高周波数の2倍以上のサンプリング周波数が必要とされています。
| サンプリング周波数 | 用途例 |
|---|---|
| 8kHz | 電話音声 |
| 44.1kHz | CD音質 |
| 192kHz | 高音質オーディオ |
サンプリング後のデータは量子化と呼ばれる処理によって、測定値を最も近い離散的なデジタル値に丸められて符号化されます。量子化ビット数が多いほど細かい段階で信号を表現でき、8ビットでは256段階、16ビットでは65536段階の分解能を実現できます。
AD変換器の主要な方式と特性
逐次比較型AD変換器は、基準電圧と入力信号を比較しながらビット単位で値を決定していく方式で、中速度かつ低コストという特徴があります。マイコンに内蔵されるADコンバータの多くがこの方式を採用しており、産業機器や家電製品などの一般的なアプリケーションで広く使用されています。
| 変換方式 | 変換速度 | 精度 |
|---|---|---|
| 逐次比較型 | 中速(μs単位) | 8～16ビット |
| 並列比較型 | 高速(ns単位) | 6～8ビット |
| デルタシグマ型 | 低速(ms単位) | 16～24ビット |
デルタシグマ型AD変換器は、オーバーサンプリングとノイズシェーピング技術により、非常に高い精度を実現する方式となっています。音響機器や高精度センサーなどで採用されており、24ビットの分解能で微細な信号変化を捉えることが可能です。
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