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ADC 구조에 따라 변환 방식이 달라진다
ADC는 센서와 회로에서 들어오는 연속적인 전압을 MCU가 처리할 수 있는 디지털 코드로 바꾼다. 결과값은 전압 자체가 아니라 기준전압 Vref에 대한 입력 전압의 비율을 정해진 해상도로 표현한 숫자다.
ADC에는 SAR, Sigma-Delta, Flash 등 여러 구조가 있다. Sigma-Delta는 고해상도 정밀 측정에, Flash는 매우 빠른 변환에 쓰이지만 회로 특성과 용도가 다르다. MCU 내장 ADC에서 자주 만나는 방식은 SAR이며, 여기서 설명하는 Sampling Time도 SAR ADC의 sample-and-hold 동작을 기준으로 한다.
Sampling Time은 내부 커패시터를 충전하는 시간이다
SAR ADC는 변환 전에 입력을 내부 sample-and-hold 커패시터에 담는다. Sampling Time 동안 스위치가 연결되고, 커패시터 전압이 입력 전압을 따라간 뒤 hold와 conversion 단계로 넘어간다. 한 번의 변환 시간에는 이 획득 구간과 SAR 비교에 필요한 conversion time이 함께 들어간다.
Sampling Time이 너무 짧으면 커패시터가 목표 전압까지 충분히 충전되지 않아 settling error가 남는다. 설정상 변환 횟수는 늘어도 측정값이 요구 정확도를 벗어날 수 있으므로, 짧은 값이 곧 좋은 설정을 뜻하지는 않는다.
해상도와 변환 시간, 샘플링 속도는 다른 값이다
Resolution은 결과를 몇 비트로 표현하는지, Sampling Time은 입력을 획득하는 시간, Conversion Time은 디지털 코드를 결정하는 시간이다. Sampling Rate는 실제로 1초 동안 얻는 샘플 수를 가리킨다. 이름이 비슷해도 서로 대신할 수 없는 설정과 성능 지표다.
Sampling cycle을 늘리면 커패시터 충전 여유는 커지지만 처리량은 낮아질 수 있다. 여러 채널을 빠르게 스캔하면 채널마다 확보되는 시간과 전체 변환 순서도 함께 봐야 한다. 비트 수나 ADC clock 하나만으로 실제 샘플 속도를 판단하기 어려운 이유다.
입력 조건을 보고 정확도와 속도를 맞춘다
센서의 소스 임피던스가 크면 내부 커패시터 충전에 더 오래 걸린다. ADC 앞단의 RC 필터도 시간상수를 만들며, 전압이 다른 여러 채널을 연속으로 스캔할 때는 직전 채널의 영향이 남을 수 있다. 이런 조건에서는 더 긴 Sampling Time이 필요할 수 있다.
설정할 때는 센서 출력 임피던스, RC 필터, Vref 안정성, 채널 수와 필요한 샘플 속도를 함께 적는다. 데이터시트에서 선택 가능한 sampling cycle과 입력 조건을 확인한 뒤 후보 값을 바꿔 가며 실제 ADC 코드가 안정되는지 측정해 보자. 필요한 정확도를 만족하는 범위에서 처리량을 비교해야 속도와 오차 사이의 균형을 잡을 수 있다.
