Chapter 01: 들어가기

1. 전압과 전위차

그림1<수압과 수위>

전압은 일반적으로 수압을 통해 설명하기도 한다. A,B에서 A가B에 비하여 수위가 높다는 것은 모두가 공감할 것이다. 이때 수위차가 존재하기때문에 수압을 동반하며 물의 흐름이 생성된다.

전압도 똑같은 방식으로 설명한다. 높은 전위에서 낮은 전위, 즉 전위차로 인하여 전압을 동반하게되며 전류가 흐르게 된다. 이때 전압을 측정하기 위해서 두 지점의 전위차를 알아야한다. 전위차를 알기위해 전위를 알아야하며 이때 전위의 기준점이 필요하게 된다. 기준전위는 공학작들이 우리가 어디서든 볼수있는 땅과 전지를 통하여 전압을 측정하기 시작하였다. 이때 기준전위를 0V라 한다. 이를 통하여 우리는 전위를 측정할수 있게 되었으며 전압을 측정하게 되었다.

전위는 대지접지를 통하여 측정하기때문에 절대적인 값이라는 특징을 가지는 반면 전압은 두 지점의 전위차이기 때문에 두지점의 전위에 절대적으로 의존한다. 따라서 전압은 상대적이라는 특성을 가진다.

다음 예시를 살펴보자.

Q. 1V, -1V의 전류가 흐름을 설명해보아라

두지점의 전위는 1V, -1V이다. 이때 전위차가 존재하므로 전압이 존재하며 이를 통해 전류가 흐르게 된다. 전류는 전위가 높은 곳에서 낮은 곳으로 흐르므로 1V에서 -1V로 전류가 흐른다. 

하지만 꼭 한 전위가 양이고 음이어야 하는 것은 아니다.

Q. 1V, 5V의 전류가 흐름을 설명해보아라

두지점의 전위는 1V, 5V이다. 이때 전위차가 존재하므로 전압이 존재하며 이를 통해 전류가 흐르게 된다. 전류는 전위가 높은 곳에서 낮은 곳으로 흐르므로 5V에서 1V로 전류가 흐른다.

이를 통하여 전압과 전위에 대하여 알아보았다.

위의 그림1에서 일반적으로 물의 흐름을 방해하는것을 저항, 물의 흐름을 전류로 비유한다.

2. 디지털과 아날로그

간단히 말하자면 디지털은 이산적이고 아날로그는 연속적이다.

디지털과 아날로그라는 개념이 필요할까?

우리는 상식적으로 컴퓨터는 0과1만을 읽는다고 알고있다. 

이에 관련하여 더 자세히 알아보자.

그림2<디지털 시스템의 전압레벨>

왜 0과1만을 사용할까? 

0,1,2,3,...모두 전압레벨을 구간별로 나누어서 사용하면안될까? 정답은 안된다이다. 왜냐하면 전압레벨을 잘게 쪼갤수록 잡음에 매우 취약해지고 오류가 날 확률이 매우 높아진다. 따라서 우리는 0과 1만을 사용하기로 한다. 

그림2와 같이 출력신호에서 0~0.4V일때 Low, 2.7~5V일때 HIGH레벨이다. 입력신호에서 0~0.8V일때 Low, 2~5V일때 High레벨이다. 이때 특이한 점이 있다. 왜 입력신호와 출력신호에서 High,Low의 전압레벨이 다를까? 그것은 바로 잡음 때문이다. 데이터를 전송할때 불가피하게 잡음의 영향을 받는다. 이때 입력신호의 전압레벨을 크게 잡아 적은 양의 잡음에 안정적으로 대응 할수있다. 아래 그림3을 참조하자.

그림3<잡음여유도>

여기서 0과 1은 모두 이산적이다. 즉 컴퓨터가 다룰수 있는 정보는 이산적인 값만이 가능하다. 하지만 우리 자연은 모두 연속적이다. 시간, 공기의 흐름, 속도..등 모두 연속적으로 변화한다. 따라서 자연에 있는 아날로그 데이터들을 컴퓨터로 처리하기위해 디지털 데이터로 변환이 필요하다. 아날로그 데이터를 디지털 데이터로 바꿔주는 ADC(analog-to-digital converter)가 필요하다. 반대로 컴퓨터가 디지털 데이터로 결과를 출력했을때 이러한 데이터를 사람이 볼수있도록 시각화를 시켜야할 필요가 있다. 이때 디지털 데이터를 아날로그 데이터로 바꿔주는 DAC(digital-to-analog conveter)이 필요하다.

3. 디지털 정보의 단위

정보의 최소 단위는 0또는 1중 하나를 표현할 수 있는 bit(비트)이다.

1byte = 8bit       1niddle = 4bit 

다음은 IEC단위와 SI단위를 비교한 것이다. 혼용하여 사용하지 않도록 주의한다.

4. 펄스 파형