KR20090017802A - 고정자들의 배치를 이용한 ａｄ 컨버터 및 ａｄ 변환방법 - Google Patents

고정자들의 배치를 이용한 ａｄ 컨버터 및 ａｄ 변환방법 Download PDF

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Abstract

AD 컨버터 및 AD 변환방법이 제공된다. 본 AD 컨버터에 따르면, 적어도 하나의 고정자들, 입력전압에 따라 움직이는 적어도 하나의 액추에이터들을 포함하고, 고정자들의 배치 및 액추에이터들의 위치에 따라 고정자들 각각의 출력값이 결정되게 된다. 이에 따라, 보다 낮은 전력을 소모하면서 고 분해능과 고 스피드를 구현할 수 있는 AD 컨버터를 제공할 수 있게 된다
Figure P1020070082251
고정자, 액추에이터, AD 컨버터, 레이저, 빗살구조, 2진 코드

Description

고정자들의 배치를 이용한 ＡＤ 컨버터 및 ＡＤ 변환방법{AD converter using arrangement of stators and AD converting method}
본 발명은 AD 컨버터 및 AD 변환방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 MEMS(Micro Electro Mechanical Systems) 기술에 의해 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환시키는 병렬 타입의 AD 컨버터 및 AD 변환방법에 관한 것이다.
자연계의 여러 가지 신호는 대부분 시간에 따라 아날로그적(연속적)으로 변화한다. 자연계의 현상을 이해하기 위해서는, 이러한 신호들을 시간에 따라 그 크기를 알아내야 할 필요가 있다. 또한 그 값들을 컴퓨터를 통해 처리하고 분석하기도 한다. 이러한 아날로그 신호를 컴퓨터에서 처리 및 분석하기 위해서는, 아날로그 신호를 컴퓨터에서 처리할 수 있는 디지털 값으로 변환해 주는 장치가 필요하며, 그것이 AD(Analog to Digital) 컨버터이다.
또한, AD 컨버터는 MEMS(Micro Electro Mechanical Systems) 기술에 의해 제조될 수도 있다. MEMS란 마이크로 시스템, 마이크로 머신, 마이크로 메카트로닉스 등의 동의어로서 혼용되고 있으며 번역하면 초소형 시스템이나 초소형 기계를 의미한다. 즉, 초소형 정밀기계 기술을 통해 기계소자를 개발하는 것을 말한다. MEMS 기술을 이용하면 AD 컨버터를 소형화할 수 있게 된다.
AD 컨버터에는 병렬 비교기형, 단경사형, 쌍경사형, 축차근사형 등의 종류가 있다. 이 중에서 병렬 비교기형 AD컨버터는 OP엠프를 비교기로 사용하고, 이들의 출력 신호를 인코딩하여 2진수 형태의 디지털 출력값으로 내보내는 방식이다. 비교기의 출력은 기준 전압보다 입력전압이 높으면 논리값 1에 해당되는 전압을 내보낸다.
이와 같은 병렬 비교기형 AD 컨버터는 기준전압을 세팅하기 위한 복수개의 저항, 각 기준전압마다 전압비교를 위한 복수개의 비교기 및 디지털 신호 출력을 위한 인코더로 구성된다.
하지만, 복수개의 저항과 복수개의 비교기를 이용하여 AD 컨버터를 구성하는 경우, 저항 및 비교기에서 많은 전력이 소모된다. 또한, 고 분해능(high resolution) 및 고 스피드(high speed)를 구현하기 위해서는 더욱 많은 저항 및 비교기를 필요로 하기 때문에, 더욱 많은 전력이 소모된다. 특히, n비트의 AD 컨버터를 구현하기 위해서는 2n개의 저항 및 2n-1개의 비교기가 필요하게 되어, 높은 비트수의 AD 컨버터를 구현할수록 전력소모는 기하급수적으로 증가하게 된다.
AD 컨버터는 낮은 전력을 소모하는 것이 바람직하다. 따라서, 보다 낮은 전력을 소모하면서 고 분해능과 고 스피드를 구현할 수 있는 AD 컨버터를 제공하기 위한 방안이 요청된다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은, 보다 낮은 전력을 소모하면서 고 분해능과 고 스피드를 구현할 수 있는 AD 컨버터를 제공하기 위한 방안으로, 고정자(stator)들의 배치에 따라 출력 값이 결정되는 AD 컨버터 및 AD 변환방법을 제공함에 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른, AD(Analog to Digital) 컨버터는, 적어도 하나의 고정자들; 입력전압에 따라 움직이는 적어도 하나의 액추에이터(actuator)들; 및 상기 고정자들의 배치 및 상기 액추에이터들의 위치에 따라 상기 입력전압에 따른 디지털 출력값을 결정하는 디지털 신호 생성부;를 포함한다.
그리고, 상기 고정자들 각각은, 상기 액추에이터들 중 어느 하나와 겹쳐진 경우 논리값 1에 해당되는 전압을 출력하고, 상기 액추에이터들 중 어느 하나도 겹쳐지지 않은 경우 논리값 0에 해당되는 전압을 출력하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 고정자들은, 상기 액추에이터들 중 어느 하나에 의해 형성되는 캐패시턴스(capacitance)값에 따른 전압을 출력하는 것이 바람직하다.
그리고, 상기 액추에이터들은 광원을 포함하고, 상기 고정자들은, 광검출부를 포함하며, 상기 액추에이터들의 광원에서 출력되는 빛이 검출되는지 여부에 따른 전압을 출력하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 액추에이터들은, 입력전압의 크기에 따라 선형적으로 움직이는 것이 바람직하다.
그리고, 상기 AD 컨버터는, 정전기력, 피에조(piezo), 열(thermal), 자기력(magnetic) 중 적어도 하나에 의해 상기 액추에에터를 움직이게 하는 적어도 하나의 힘 작용부;를 더 포함하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 AD 컨버터는, 고정된 빗살(comb) 구조의 제1 힘작용부; 및 상기 액추에이터들과 연결되고 입력전압이 인가되며 움직일 수 있는 빗살 구조의 제2 힘작용부;를 더 포함하고, 상기 액추에이터들은, 상기 제1 힘작용부와 상기 제2 힘작용부 사이에 가해지는 힘에 의해 움직이는 것이 바람직하다.
그리고, 상기 고정자들은, 상기 디지털 출력값의 비트 수와 동일한 수의 행을 이루어 배치되는 것이 바람직하다.
또한, 상기 고정자들은, 같은 행에 배치된 고정자들끼리는 크기가 같고, 한 비트 상위인 행에 배치된 고정자들 크기의 절반인 것이 바람직하다.
그리고, 상기 고정자들은, 총 n개의 행을 이루고 배치되어 있다면, n개의 행 중 i번째 행(i는 1과 n 사이의 정수)에 배치된 고정자들의 개수는 2i-1개인 것이 바람직하다.
또한, 상기 디지털 신호 생성부는, 2진수 코드값에 해당되는 디지털 출력값을 출력하는 것이 바람직하다.
그리고, 상기 고정자들은, 총 n개의 행을 이루고 배치되어 있다면, n개의 행 중 첫번째 행은 1개의 고정자가 배치되고, n개의 행 중 j번째 행(j는 2와 n 사이의 정수)에 배치된 고정자들의 개수는 2j-2개인 것이 바람직하다.
또한, 상기 액추에이터들의 크기는, 같은 행에 배치된 고정자의 크기와 같고, 상기 디지털 신호 생성부는, 그레이 코드값에 해당되는 디지털 출력값을 출력하는 것이 바람직하다.
그리고, 상기 액추에이터들의 크기는, 같은 행에 배치된 고정자의 크기와 같은 것이 바람직하다.
또한, 상기 AD 컨버터는, 병렬형 AD 컨버터인 것이 바람직하다.
한편, 본 발명에 따른, AD 컨버터는, 적어도 하나의 고정자들; 및 입력전압에 따라 발광하는 적어도 하나의 광원들;을 포함하고, 상기 고정자들의 배치 및 상기 광원들의 발광 위치에 따라 상기 입력전압에 따른 디지털 출력값을 결정하는 디지털 신호 생성부;를 포함한다.
그리고, 상기 고정자들은, 광검출부를 포함하고, 상기 광원들에서 출력되는 빛이 검출되는지 여부에 따른 전압을 출력하는 것이 바람직하다.
한편, 본 발명에 따른, AD 컨버터는, 적어도 하나의 고정자들; 입력전압이 인가되는 입력부; 및 상기 고정자들의 배치 및 상기 입력부의 입력전압에 따라 디지털 출력값을 결정하는 디지털 신호 생성부;를 포함한다.
한편, 본 발명에 따른, AD 변환방법은, 적어도 하나의 고정자들을 마련하는 단계; 입력전압이 인가되는 단계; 및 상기 고정자들의 배치 및 상기 입력전압에 따라 디지털 출력값을 결정하는 단계;를 포함한다.
그리고, 상기 AD 변환방법은, 상기 입력전압에 따라 적어도 하나의 액추에이터(actuator)를 이동시키는 단계; 를 더 포함하고, 상기 결정단계는, 상기 적어도 하나의 고정자들의 배치 및 상기 적어도 하나의 액추에이터들의 위치에 따라 상기 입력전압에 따른 디지털 출력값을 결정하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 AD 변환방법은, 상기 고정자들이, 상기 액추에이터들 중 어느 하나와 겹쳐진 경우 논리값 1에 해당되는 전압을 출력하고, 상기 적어도 하나의 액추에이터들 중 어느 하나도 겹쳐지지 않은 경우 논리값 0에 해당되는 전압을 출력하는 단계;를 더 포함하는 것이 바람직하다.
그리고, 상기 AD 변환방법은, 상기 고정자들이, 상기 액추에이터들 중 어느 하나에 의해 형성되는 캐패시턴스(capacitance) 값에 따른 전압을 출력하는 단계;를 더 포함하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 AD 변환방법은, 상기 입력전압에 따라 발광하는 적어도 하나의 광원들을 마련하는 단계; 를 더 포함하고, 상기 결정단계는, 상기 고정자들의 배치 및 상기 광원들의 발광 위치에 따라 상기 입력전압에 따른 디지털 출력값을 결정하는 것이 바람직하다.
이상 설명한 바와 같이, 본 발명에 따르면, 고정자(stator)들의 배치에 따라 출력 값이 결정되는 AD 컨버터 및 AD 변환방법을 제공할 수 있게 되어, 보다 낮은 전력을 소모하면서 고 분해능과 고 스피드를 구현할 수 있는 AD 컨버터를 제공할 수 있게 된다.
특히, 저항을 사용하지 않고, n개의 비교기를 이용하여 n비트 AD 컨버터를 구현할 수 있게 되므로, 보다 낮은 전력을 소모하면서 고 분해능의 AD 컨버터를 구현할 수 있게 된다.
그리고, 액추에이터와 고정자만을 이용하며 추가적인 캘리브레이션 과정없이 바로 디지털 값을 출력하는 AD 컨버터를 구현할 수 있게 되므로, AD 컨버터를 소형화하고 구성을 단순하게 할 수 있다.
또한, 빗살(comb) 구조를 이용하므로, 높은 선형성을 가진 AD 컨버터를 구현할 수 있게 된다.
이하에서는 도면을 참조하여 본 발명을 보다 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른, AD 컨버터의 구조를 도시한 도면이다. 도 1은 4비트의 디지털 출력값을 가진 4비트 AD 컨버터를 도시하고 있다.
도 1에 도시된 바와 같이, 4비트 AD 컨버터는 4개의 액추에이터들(101 내지 104), 15개의 고정자들(111 내지 148), 디지털 신호 생성부(150), 제1 힘작용부(170) 및 제2 힘작용부(180)를 구비한다. 그리고, 디지털 신호 생성부(150)는 4개의 비교기들(151 내지 154), 기준전압부(160)를 포함한다.
액추에이터들(101 내지 104)은 일정한 크기의 직사각형 형태를 가진 도체판인 것이 일반적이다. 하지만, 다양한 크기의 직사각형이 아닌 다른 형태가 될 수도 있으며, 도체판이 아니더라도 다른 물질로 구성될 수도 있다. 또한, 액추에이터들(101 내지 104)은 고정자들(111 내지 148)이 위치를 확인할 수 있도록 광원을 구 비할 수도 있다.
액추에이터의 개수는 AD 컨버터의 비트 수와 같다. 즉, 4비트 AD 컨버터는 총 4개의 액추에이터들(101 내지 104)이 필요하다. 따라서, 본 실시예에서는 제1 액추에이터(101), 제2 액추에이터(102), 제3 액추에이터(103) 및 제4 액추에이터(104)를 구비하고 있으며, 이하에서는 A1(101), A2(102), A3(103) 및 A4(104)로 표기한다. 또한, 도 1에 도시된 바와 같이, A1(101)은 최상위비트를 측정하는데 이용되고, A4(104)는 최하위비트를 측정하는데 사용된다.
액추에이터들(101 내지 104)은 제2 힘작용부(180)에 연결되어 있으며, 아날로그 입력전압이 높을수록 많이 움직인다.
액추에이터들(101 내지 104)은 위치가 이동되면서 해당 위치에 고정자들(111 내지 148)의 배치 여부를 판단하는데 이용된다. 예를 들어, 도체판인 액추에이터와 고정자가 서로 같은 위치에 있는 경우, 캐패시턴스가 증가하게 되므로 같은 위치에 있는지 여부를 판단할 수 있게 된다. 또한, 광원이 구비된 액추에이터가 고정자와 같은 위치에 있는 경우, 고정자가 빛을 검출하여 같은 위치에 있는지 여부를 판단할 수도 있다.
한편, 고정자들(111 내지 148)은 각각 정해진 크기를 가지는 직사각형 형태의 도체판인 것이 일반적이다. 하지만, 고정자들(111 내지 148)은 다양한 크기의 직사각형이 아닌 다른 형태가 될 수도 있으며, 도체판이 아니더라도 다른 물질로 구성될 수도 있다. 또한, 고정자들(111 내지 148)은 액추에이터들(101 내지 104)의 위치를 확인할 수 있도록 광검출부를 구비할 수도 있다.
n비트의 AD 컨버터를 구현하기 위해서는 2n-1개의 고정자들이 필요하다. 따라서, 도 1에 도시된 바와 같이, 4비트의 AD 컨버터를 구현하기 위해서는 총 15개의 고정자들(111 내지 148)이 필요하게 된다. 하지만, 디지털 출력값을 그레이(gray) 코드값으로 하면, 이보다 적은 개수인 2n- 1개의 고정자들로 AD 컨버터를 구현할 수도 있다.
그리고 고정자들(111 내지 148)은 행을 이루고 배치될 수 있다. 고정자들(111 내지 148)이 배치된 행의 개수는 디지털 출력값의 비트 수를 나타낸다. 그리고, 한 행에 배치되는 고정자들의 개수는 그 행이 나타내는 비트에 따라 달라진다. 예를 들어, n비트 AD 컨버터에서 i번째 비트를 출력하는 행의 고정자의 개수는 2i-1개이다. 따라서, 본 실시예에서는 4비트 AD 컨버터이므로, 최상위 비트를 나타내는 행은 1개, 두번째 비트를 나타내는 행은 2개, 세번째 비트를 나타내는 행은 4개, 최하위인 네번째 비트를 나타내는 행은 8개의 고정자가 배치된다. 하지만, 그레이 코드값으로 출력하도록 구현한 경우에는, AD 컨버터는 이보다 적은 개수의 고정자를 이용하여 구현될 수도 있다.
같은 행의 고정자들은 전기적으로 서로 연결되어 있다. 따라서, 같은 행의 고정자들 중 어느 하나라도 액추에이터와 겹쳐진 경우, 그 행의 출력값은 논리값 1에 해당되는 전압이 된다.
디지털 신호 생성부(150)는 고정자들(111 내지 148)의 배치 및 액추에이터들(101 내지 104)의 위치에 따라 입력전압에 따른 디지털 출력값을 결정한다.
비교기들(151 내지 154)은 고정자의 출력값과 기준전압부(160)에서 출력되는 기준전압을 비교한다. 그리고, 고정자의 출력값이 기준전압보다 높은 경우 논리값 '1'에 해당되는 전압을 출력하고, 고정자의 출력값이 기준전압보다 낮은 경우 논리값 '0'에 해당되는 전압을 출력한다.
비교기는 AD 컨버터의 비트수만큼 필요하다. 즉, n 비트 AD 컨버터는 n개의 비교기를 필요로 한다. 따라서, 본 실시예에서는 4비트 AD 컨버터이므로 총 4개의 비교기들(151 내지 154)이 구비되어 있다.
기준전압부(160)는 비교기들(151 내지 154)이 비교의 기준으로 이용하는 기준전압을 출력한다.
제1 힘작용부(170) 및 제2 힘작용부(180)는 둘 사이에 가해지는 힘에 의해 액추에이터(101 내지 104)의 움직임을 결정한다. 제1 힘작용부(170)는 고정되어 있으며 빗살구조(comb)를 가지고 있다. 그리고, 제2 힘작용부(180)는 액추에이터들(101 내지 104)과 연결되어 있고, 아날로그 입력전압이 인가되며, 인가된 입력전압에 따라 움직이게 된다. 그리고, 제2 힘작용부(180)는 빗살구조를 가지고 있으며, 제1 힘작용부(170)와 서로 맞물려 있다.
제1 힘작용부(170)는 접지된 상태에 있거나 일정한 전압이 가해진다. 그리고 제2 힘작용부(180)는 아날로그 입력전압이 가해진다. 따라서, 제1 힘작용부(170)와 제2 힘작용부(180) 사이에는 전위차가 발생하게 되며, 이로 인한 정전력이 작용하게 된다. 이 힘에 의해 제2 힘작용부(180)가 움직이게 되며, 연결되어 있는 액추에이터들(101 내지 104)도 함께 움직이게 된다. 또한, 이러한 빗살구조를 가진 제2 힘작용부(180)는 인가되는 입력전압의 크기에 따라 선형적으로 이동하게 된다.
또한, 본 실시예에서는 제1 힘작용부(170)와 제2 힘작용부(180)가 빗살구조를 가진 것으로 설명하였으나, 이는 일 예에 불과하며 다른 형태를 가진 힘작용부에 의해 액추에이터들(101 내지 104)이 이동될 수도 있다.
이하에서는, 도 2를 참고하여 AD 변환방법에 대하여 설명한다. 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른, AD 변환방법의 설명에 제공되는 흐름도이다.
일단, 적어도 하나의 고정자들을 배치한다(S210). 고정자들의 개수는 AD 컨버터의 비트 수에 따라 결정된다. 본 실시예에서는 4비트 컨버터를 구현하기 위해 총 15개의 고정자들(111 내지 148)을 배치한다. 또한, 상기 설명한 바와 같이, 고정자들(111 내지 148)은 행과 열을 이루도록 배치될 수도 있다.
그 후에, 액추에이터들(101 내지 104)는 아날로그 입력전압에 따라 이동된다(S220). 제1 힘작용부(170) 및 제2 힘작용부(180)에는 아날로그 입력전압의 크기에 따라 선형적으로 힘이 작용하게 된다. 따라서, 제2 힘작용부(180)가 이동하게 되며, 연결된 액추에이터들(101 내지 104)도 특정 위치로 이동하게 된다.
그 다음으로, 이동된 액추에이터들(101 내지 104)의 위치와 고정자들(111 내지 148)의 배치에 따라 고정자들 각각의 출력값이 결정된다(S230). 입력전압에 의해 이동된 액추에이터들(101 내지 104)의 위치에 따라, 고정자들(111 내지 148)은 액추에이터들(101 내지 104) 중 어느 하나와 겹쳐진 경우 논리값 1에 해당되는 전압을 출력하고, 액추에이터들(101 내지 104) 중 어느 하나에도 겹쳐지지 않은 경우 논리값 0에 해당되는 전압을 출력하게 된다.
액추에이터와 고정자가 겹쳐졌는지 여부는, 캐패시턴스(capacitance)값에 따라 판단할 수 있다. 액추에이터와 고정자가 공유하는 면적이 커질수록, 액추에이터와 고정자 사이의 캐패시턴스는 커지게 된다. 따라서 액추에이터와 고정자가 공유하는 면적이 커질수록, 고정자의 출력값도 커지게 된다. 그러므로, 액추에이터와 고정자가 완전히 겹쳐진 경우에 캐패시턴스는 가장 큰 값을 가지게 되며 출력값도 가장 커지게 된다. 즉, 비교기에서는 고정자의 출력값이 기준전압 이상이 되는지 여부를 판단하여, 액추에이터와 고정자가 임계치 이상 겹쳐졌는지 여부를 판단할 수 있게 된다.
또한, 캐패시턴스를 측정하는 방법 이외에도 다른 방법에 의해 액추에이터와 고정자가 겹쳐졌는지 여부를 판단할 수 있다. 예를 들어, 액추에이터들(101 내지 104)이 광원을 포함하고, 고정자들(111 내지 148)은 광검출부를 포함하고 있다고 가정한다. 그러면 고정자의 광검출부를 통해 액추에이터의 광원에서 나오는 빛이 검출된 경우, 액추에이터와 고정자가 서로 겹쳐졌다는 것을 확인할 수 있게 된다.
디지털 신호 생성부(150)는 비교기들(151 내지 154)을 통해 고정자들(111 내지 148)의 출력값과 기준전압을 비교하여 디지털 출력값을 출력하게 된다(S240). 즉, 각 비교기는 같은 행에 배치된 고정자들 중 적어도 하나가 액추에이터와 겹쳐진 경우 논리값 '1'에 해당되는 전압을 출력하고, 같은 행에 배치된 고정자들과 액추에이터가 겹쳐지지 않은 경우 논리값 '0'에 해당되는 전압을 출력한다.
이와 같은 과정을 거쳐, AD 컨버터는 아날로그 입력전압을 디지털 출력값으로 변환하게 된다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른, AD 컨버터의 출력값을 정리한 표이다. 도 3에 도시된 바와 같이, 상기 과정을 통해 출력되는 디지털 출력값은 4자리의 2진수 코드 형태를 가진다. 이와 같이 본 실시예에 따른, 4비트 AD 컨버터는 10진수 값인 0 내지 15를 디지털 출력값으로 얻을 수 있게 된다.
또한, 도 3에서는 2진수 코드 형태로 디지털 출력값이 표시되었지만, 이외에 다른 방식으로 출력되도록 AD 컨버터를 구현할 수도 있다. 예를 들어, 그레이(gray) 코드값 형태로 출력되도록 AD 컨버터를 구현할 수도 있다.
이하에서 설명되는 도면에 대해서는, 표시되지 않은 도면부호이더라도 도 1에서의 도면부호를 그대로 차용하여 설명한다.
이하에서는, 도 4 내지 도 6을 참고하여 본 실시예에 따른 AD 컨버터의 작동 예에 대해 상세히 설명한다.
본 실시예에서는 제1 액추에이터(101), 제2 액추에이터(102), 제3 액추에이터(103) 및 제4 액추에이터(104)를 구비하고 있으며, 이하에서는 A1(101), A2(102), A3(103) 및 A4(104)로 표기한다.
또한, 각 고정자에 대해, 이하에서는 다음과 같이 명칭을 부여하여 설명한다. 최상위 비트를 나타내는 행을 1행으로 하고, 최하위 비트를 나타내는 행을 4행으로 순차적으로 행번호를 부여한다. 그리고, 같은 행에서는 왼쪽부터 차례로 열 번호를 부여한다. 그리고 이와 같은 행렬번호를 이용하여 각 고정자에 일련번호를 부여하여 설명하도록 한다. 예를 들어, 1행 1열에 배치된 고정자(111)는 S11로 명명하고, 2행 1열에 배치된 고정자(121)는 S21로 명명한다. 같은 방법으로 2행 2열 에 배치된 고정자(122)는 S22, 3행 1열에 배치된 고정자(131)는 S31, 3행 2열에 배치된 고정자(132)는 S32, 3행 3열에 배치된 고정자(133)는 S33, 3행 4열에 배치된 고정자(134)는 S34로 명명한다. 마찬가지로, 4행에 배치된 고정자들(141 내지 148)은 각각 좌측부터 S41 내지 S48로 명명한다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른, 10진수값 '3'을 출력하는 상태에 해당되는 AD 컨버터를 도시한 도면이다. 도 4에 도시된 바와 같이, 액추에이터들(101 내지 104)은 입력전압에 의해 이동되어 있다. 현 위치에서 A1(101), A2(102)는 고정자와 겹쳐져 있지 않으므로, 1번째 비트와 2번째 비트는 논리값 0이 된다. 그리고, A3(103)은 S31(131)과 겹쳐져 있고 A4(104)는 S42(142)와 겹쳐져 있으므로, 3번째 비트와 4번째 비트는 논리값 1이 된다. 따라서, 도 4의 경우 디지털 출력값은 '0011'이 되며 10진수로 환산하면 '3'이 된다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른, 10진수값 '7'을 출력하는 상태에 해당되는 AD 컨버터를 도시한 도면이다. 도 5에 도시된 바와 같이, 액추에이터들(101 내지 104)은 입력전압에 의해 이동되어 있다. 현 위치에서 A1(101)은 고정자와 겹쳐져 있지 않으므로, 1번째 비트는 논리값 0이 된다. 그리고, A2(102)는 S21(121)과 겹쳐져 있고 A3(103)은 S32(132)와 겹쳐져 있고 A4(102)는 S44(144)와 겹쳐져 있으므로, 2번째 비트, 3번째 비트 및 4번째 비트는 논리값 1이 된다. 따라서, 도 5의 경우 디지털 출력값은 '0111'이 되며 10진수로 환산하면 '7'이 된다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른, 10진수값 '11'을 출력하는 상태에 해당되는 AD 컨버터를 도시한 도면이다. 도 6에 도시된 바와 같이, 액추에이터들(101 내지 104)은 입력전압에 의해 이동되어 있다. 현 위치에서 A2(102)는 고정자와 겹쳐져 있지 않으므로, 2번째 비트는 논리값 0이 된다. 그리고, A1(101)은 S11(111)과 겹쳐져 있고 A3(103)은 S33(133)와 겹쳐져 있고 A4(102)는 S46(146)과 겹쳐져 있으므로, 1번째 비트, 3번째 비트 및 4번째 비트는 논리값 1이 된다. 따라서, 도 6의 경우 디지털 출력값은 '1011'이 되며 10진수로 환산하면 '11'이 된다.
지금까지, 본 실시예에 따른 AD 컨버터의 작동 예에 대해 상세히 설명하였다.
본 실시예에서는 액추에이터들(101 내지 104)이 모두 같은 크기를 가지는 것으로 상정하여 설명하였으나, 액추에이터들은 서로 다른 크기를 가질 수도 있다. 예를 들어, 각 액추에이터의 크기가 같은 행에 위치한 고정자의 크기와 같도록 구현할 수 있다. 이하에서 이와 같은 실시예에 대해 도 7을 참고하여 상세히 설명한다.
도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른, 액추에이터의 크기가 같은 행에 위치한 고정자의 크기와 같은 AD 컨버터의 구조를 도시한 도면이다. 캐패시턴스는 두 도체판이 공유하는 단면적의 넓이가 클수록 커진다. 따라서, 액추에이터의 크기가 작으면 캐패시턴스가 작아지므로, 액추에이터와 고정자가 겹쳐졌는지 여부를 판단하는 감도도 줄어들게 된다. 즉, 액추에이터의 크기가 클수록 감도가 좋아지므로 가능한 크게 만드는 것이 좋다. 그러므로, 각 액추에이터의 크기가 같은 행의 고정자의 크기와 같게하여, 액추에이터의 크기를 최대화할 수 있다.
도 7에 도시된 바와 같이, 액추에이터의 크기를 같은 행의 고정자의 크기와 같도록 구현할 수 있다. 그리고, 액추에이터가 고정자와 절반 이상 겹쳐진 경우 고정자는 논리값 '1'에 해당되는 전압을 출력하게 되며, 액추에이터가 고정자와 절반 미만 겹쳐진 경우 고정자는 논리값 '0'에 해당되는 전압을 출력하게 된다. 따라서, 각 비교기들에 입력되는 기준전압은 각 행의 액추에이터와 고정자가 절반 겹쳐졌을 때 출력되는 전압과 같게 된다. 즉, 각 행마다 서로 다른 기준전압이 인가된다.
예를 들어, 1행에는 A1(101)이 절반 겹쳐진 경우 출력되는 전압인 기준전압1이 제1 비교기(151)에 인가된다. 또한, 2행에는 A2(102)가 절반 겹쳐진 경우 출력되는 전압인 기준전압2가 제2 비교기(152)에 인가된다. 3행에는 A3(103)이 절반 겹쳐진 경우 출력되는 전압인 기준전압3이 제3 비교기(153)에 인가된다. 그리고, 4행에는 A4(102)가 절반 겹쳐진 경우 출력되는 전압인 기준전압4가 제4 비교기(154)에 인가된다.
이와 같은 방법에 의해서도 AD 컨버터를 구현할 수 있다.
이하에서는, 도 8을 참고하여 그레이(gray) 코드값을 출력하는 AD 컨버터에 대하여 설명한다. 도 8은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른, 그레이 코드를 출력하는 AD 컨버터의 구조를 도시한 도면이다.
도 8에 도시된 바와 같이, 본 실시예에 따른 AD 컨버터는 도 7의 경우와 유사한 형태를 가진다. 즉, 액추에이터들(101 내지 104)은 같은 행의 고정자들(811 내지 844)과 같은 크기를 가진다. 그리고, 비교기들(151 내지 154)에 가해지는 기준전압은 각 행의 액추에이터와 고정자가 절반 겹쳐졌을 때 고정자에서 출력되는 전압과 같게 된다. 즉, 액추에이터와 고정자가 절반이상 겹쳐진 경우 고정자는 논 리값 '1'에 해당되는 전압을 출력하고, 액추에이터와 고정자가 절반미만 겹쳐진 경우 고정자는 논리값 '0'에 해당하는 전압을 출력하게 된다. 따라서, 비교기들(151 내지 154)에는 각각 서로 다른 기준전압이 가해진다. 이와 같은 점들은 도 7의 실시예와 동일한 특성들이다.
하지만, 도 7에서와 달리, 도 8에 따른 AD 컨버터는 8개의 고정자(811 내지 844)를 구비한다. 따라서, 2진수 코드를 출력하는 AD 컨버터(2n-1개의 고정자 필요)에 비해, 그레이 코드를 출력하는 AD 컨버터(2n-1개의 고정자 필요)는 더 적은 개수의 고정자들로 구현할 수 있다는 장점이 있다.
보다 상세하게는, 그레이 코드를 출력하는 AD 컨버터의 고정자들은, 총 n개의 행을 이루고 배치되어 있다면, n개의 행 중 첫번째 행은 1개의 고정자가 배치되고, n개의 행 중 j번째 행(j는 2와 n 사이의 정수)에 배치된 고정자들의 개수는 2j-2개이다. 따라서, 그레이 코드를 출력하는 n비트 AD 컨버터는 총 2n-1개의 고정자가 필요하게 된다.
도 7에 도시된 표를 참고하면, 그레이 코드의 출력 값을 확인할 수 있다. 2진수 코드와 달리, 그레이 코드는 다음 코드값으로 넘어갈 때 한개의 비트만 변화한다. 예를 들면, '0001'의 다음 그레이 코드값은 '0011'이다. 즉, 3번째 비트값만이 0에서 1로 변한 것이다. 그리고, '0011'의 다음 그레이 코드값은 '0010'이다. 이는, 4번째 비트값만이 1에서 0으로 변화한 것이다. 또한, '0010'의 다음 그레이 코드값은 '0110'이다. 이는, 2번째 비트값만이 0에서 1로 변화한 것이다.
2진수 코드와 달리, 그레이 코드는 다음 값으로 넘어갈 때 항상 한개의 비트만 변화하므로 오류를 최소화할 수 있게 된다. 또한, 고정자의 총 개수를 줄일 수 있으므로 구조를 간단히 할 수 있다. 하지만, 그레이 코드값에 대응되는 10진수 값들이 순서가 섞여 있으므로, 이를 순차적으로 재정렬하는 단계를 더 거쳐야 한다는 단점이 있다.
상기 확인한 바와 같이, 본 실시예에 따르면 AD 컨버터가 그레이 코드를 출력하도록 구현할 수도 있다.
이하에서는, 도 9를 참고하여, 액추에이터에는 광원이 구비되고, 고정자에는 광검출부가 구비된 AD 컨버터에 대해 설명한다. 도 9는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른, 광원을 포함하는 액추에이터를 이용한 AD 컨버터의 구조를 도시한 도면이다.
도 9에 도시된 바와 같이, 본 실시예에 따른 AD 컨버터는 도 1에 도시된 AD 컨버터와 유사한 형태를 가진다. 하지만, 본 실시예에 따른 AD 컨버터는, 액추에이터들(101 내지 104)에 광원이 구비되어 있다. 그리고 고정자들(111 내지 148)에는 광검출부가 구비되어 있다. 광검출부는 CCD(charge coupled device)를 포함할 수도 있다.
CCD에 빛이 쬐어지면 일정한 전압이 발생한다. 따라서, 고정자들(111 내지 148)은 액추에이터에 구비된 광원에서 발생한 빛을 광검출부를 통해 검출함으로써, 액추에이터의 위치를 판단할 수 있게 된다. 그리고, 고정자는 액추에이터가 발생시 킨 빛을 검출한 경우 논리값 '1'에 해당되는 전압을 출력하고, 액추에이터가 발생시킨 빛을 검출하지 못한 경우 논리값 '0'에 해당되는 전압을 출력하게 된다.
예를 들면, 도 9에 따르면, S11(111), S33(133), S46(146)은 각각 A1(101), A3(103), A4(102)에서 발생시킨 빛을 검출할 수 있으므로, 1, 3, 4 번째 비트는 논리값 '1'에 해당된다. 하지만, 2번째 행의 고정자들인 S21(121) 및 S22(122)는 A2(102)에서 발생시킨 빛을 검출할 수 없으므로, 2번째 비트는 논리값 '0'이 된다. 따라서, 이 경우 출력값은 '1011'이 되고 10진수 '12'에 해당된다.
이와 같이, 액추에이터에 광원을 구비하고 고정자에 광검출부를 구비함으로써, AD 컨버터를 구현할 수도 있다.
본 실시예에서는, 제1 힘작용부(170) 및 제2 힘작용부(180)가 빗살(comb) 구조인 것으로 상정하여 설명하였으나, 이외에 다른 구조에 의해 구현될 수도 있다. 예를 들어, 평행판 구조를 통해서도 상호 간에 힘이 작용하여 움직일 수 있도록 구현할 수도 있다.
또한, 본 실시예에서는, 제1 힘작용부(170) 및 제2 힘작용부(180)가 정전기력에 의해 움직이는 것으로 상정하여 설명하였으나, 이외에 다른 힘에 의해 구현될 수도 있다. 예를 들면, 피에조(piezo), 열(thermal), 자기력(magnetic) 등에 의해 구현할 수도 있다.
이하에서는, 액추에이터가 없이 광원세트만을 이용하여 AD 컨버터를 구현하는 방법에 대해 설명한다. 도 10은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른, 입력전압에 따라 빛을 출력하는 광원세트를 이용한 AD 컨버터의 구조를 도시한 도면이다.
도 10에 도시된 바와 같이, 본 실시예에 따른 AD 컨버터는 액추에이터를 포함하지 않는다. 대신 광원세트(1000)를 구비하고 있다. 그리고, 아날로그 입력전압은 광원세트(1000)에 인가된다. 또한, 고정자들(111 내지 148)은 광검출부를 구비하고 있다.
본 실시예에 따른, 광원세트(1000)는 4비트 AD 컨버터를 구현하기 위해 15개의 광원을 구비하고 있으며, 각각 1V 내지 15V에서 작동한다. 즉, 1번째 광원은 1V에서 빛을 발생시키고, 2번째 광원은 2V에서 빛을 발생시킨다. 이와 같이, 15개의 광원은 순차적으로 1V에서 15V까지의 작동 전압을 가지게 된다. 이같은 특성을 가지는 광원으로는 하이브리드 레이저 광원(Hybrid laser source)을 예로 들 수 있다.
이와 같이, 아날로그 입력전압으로 가해지면, 해당 전압에서 작동하는 광원에서 빛을 발생시킨다. 그리고, 고정자들(111 내지 148)이 이루고 있는 행렬에서 특정 열에 빛이 쬐어지게 된다. 고정자들(111 내지 148)에는 광검출부가 구비되어 있으므로, 빛이 쬐어진 고정자들은 논리값 '1'에 해당되는 전압을 출력하고, 빛이 쬐어지지 않은 고정자들은 논리값 '0'에 해당되는 전압을 출력하게 된다.
도 10을 예로 들면, 아날로그 입력전압이 11V이므로, 11V에서 작동되는 11번째 광원에서 빛이 발생한다. 11번째 광원에서 발생된 빛은, 고정자들(111 내지 148) 중에서 S11(111), S31(131) 및 S46(146)에 쬐어지게 된다. 따라서, 1,3,4번째 행의 출력값은 논리값 '1'이 되고, 2번째 행의 출력값은 논리값 '0'이 된다. 즉, 디지털 출력값은 '1011'이 되고 10진수 값 11에 해당되게 된다.
이와 같이, 액추에이터 대신 광원세트(1000)를 이용하여 AD 컨버터를 구현할 수도 있다.
도 11은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른, 3비트 AD 컨버터의 구조를 도시한 도면이다. 도 11의 3비트 AD 컨버터의 구조는 도 1의 4비트 AD 컨버터의 구조와 거의 유사하다. 따라서, 동일한 부분에 대한 설명은 생략하도록 한다.
반면, 도 11에 도시된 바와 같이, 3비트 AD 컨버터는 액추에이터가 A1, A2, A3로 3를 구비한다. 그리고, 비교기도 총 3개(151,152,153)를 구비한다. 또한, 고정자는 S11 내지 S34로 3개의 행을 이루고 총 7개를 구비한다.
이와 같이, 3비트의 AD 컨버터를 구현할 수도 있다.
본 실시예에서는 AD 컨버터가 3비트 또는 4비트인 것으로 상정하여 설명하였으나, 이외에 다른 비트수를 가진 AD 컨버터에도 적용될 수 있다. 예를 들어, n비트 AD 컨버터의 경우, 액추에이터 n개, 고정자 2n-1개, 비교기 n개를 구비한 형태로 구현할 수 있다. 또한, 도 8의 그레이 코드를 출력하는 AD 컨버터는 고정자의 개수가 더 적게 필요하게 된다. 그리고, 도 10의 경우, n비트 AD 컨버터는 2n-1개의 광원을 포함하는 광원세트를 필요로 하게 된다.
또한, 이상에서는 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 도시하고 설명하였지만, 본 발명은 상술한 특정의 실시예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진자에 의해 다양한 변형실시가 가능한 것은 물론이고, 이러한 변형실시들은 본 발명의 기술적 사상이나 전망으로부터 개별적으로 이해되어져서는 안될 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른, AD 컨버터의 구조를 도시한 도면,
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른, AD 변환방법의 설명에 제공되는 흐름도,
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른, AD 컨버터의 출력값을 정리한 표,
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른, 10진수값 '3'을 출력하는 상태에 해당되는 AD 컨버터를 도시한 도면,
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른, 10진수값 '7'을 출력하는 상태에 해당되는 AD 컨버터를 도시한 도면,
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른, 10진수값 '11'을 출력하는 상태에 해당되는 AD 컨버터를 도시한 도면,
도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른, 액추에이터의 크기가 같은 행에 위치한 고정자의 크기와 같은 AD 컨버터의 구조를 도시한 도면,
도 8은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른, 그레이 코드를 출력하는 AD 컨버터의 구조를 도시한 도면,
도 9는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른, 광원을 포함하는 액추에이터를 이용한 AD 컨버터의 구조를 도시한 도면,
도 10은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른, 입력전압에 따라 빛을 출력하는 광원세트를 이용한 AD 컨버터의 구조를 도시한 도면,
도 11은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른, 3비트 AD 컨버터의 구조를 도시 한 도면이다.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *
101 내지 104 : 제1 액추에이터(A1) 내지 제4 액추에이터(A4)
111 내지 148 : 고정자들
150 : 디지털 신호 생성부
151 내지 154 : 제1 비교기 내지 제4 비교기
170 : 제1 힘작용부 180 : 제2 힘작용부

Claims (23)

  1. 적어도 하나의 고정자들;
    입력전압에 따라 움직이는 적어도 하나의 액추에이터(actuator)들; 및
    상기 고정자들의 배치 및 상기 액추에이터들의 위치에 따라 상기 입력전압에 따른 디지털 출력값을 결정하는 디지털 신호 생성부;를 포함하는 AD(Analog to Digital) 컨버터.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 고정자들 각각은,
    상기 액추에이터들 중 어느 하나와 겹쳐진 경우 논리값 1에 해당되는 전압을 출력하고, 상기 액추에이터들 중 어느 하나도 겹쳐지지 않은 경우 논리값 0에 해당되는 전압을 출력하는 것을 특징으로 하는 AD 컨버터.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 고정자들은,
    상기 액추에이터들 중 어느 하나에 의해 형성되는 캐패시턴스(capacitance)값에 따른 전압을 출력하는 것을 특징으로 하는 AD 컨버터.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 액추에이터들은 광원을 포함하고,
    상기 고정자들은, 광검출부를 포함하며, 상기 액추에이터들의 광원에서 출력되는 빛이 검출되는지 여부에 따른 전압을 출력하는 것을 특징으로 하는 AD 컨버터.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 액추에이터들은,
    입력전압의 크기에 따라 선형적으로 움직이는 것을 특징으로 하는 AD 컨버터
  6. 제 1항에 있어서,
    정전기력, 피에조(piezo), 열(thermal), 자기력(magnetic) 중 적어도 하나에 의해 상기 액추에에터를 움직이게 하는 적어도 하나의 힘 작용부;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 AD 컨버터.
  7. 제 1항에 있어서,
    고정된 빗살(comb) 구조의 제1 힘작용부; 및
    상기 액추에이터들과 연결되고 입력전압이 인가되며 움직일 수 있는 빗살 구조의 제2 힘작용부;를 더 포함하고,
    상기 액추에이터들은, 상기 제1 힘작용부와 상기 제2 힘작용부 사이에 가해지는 힘에 의해 움직이는 것을 특징으로 하는 AD 컨버터.
  8. 제 1항에 있어서,
    상기 고정자들은,
    상기 디지털 출력값의 비트 수와 동일한 수의 행을 이루어 배치되는 것을 특징으로 하는 AD 컨버터.
  9. 제 8항에 있어서,
    상기 고정자들은,
    같은 행에 배치된 고정자들끼리는 크기가 같고, 한 비트 상위인 행에 배치된 고정자들 크기의 절반인 것을 특징으로 하는 AD 컨버터.
  10. 제 8항에 있어서,
    상기 고정자들은,
    총 n개의 행을 이루고 배치되어 있다면, n개의 행 중 i번째 행(i는 1과 n 사이의 정수)에 배치된 고정자들의 개수는 2i-1개인 것을 특징으로 하는 AD 컨버터.
  11. 제 10항에 있어서,
    상기 디지털 신호 생성부는,
    2진수 코드값에 해당되는 디지털 출력값을 출력하는 것을 특징으로 하는 AD 컨버터.
  12. 제 8항에 있어서,
    상기 고정자들은,
    총 n개의 행을 이루고 배치되어 있다면, n개의 행 중 첫번째 행은 1개의 고정자가 배치되고, n개의 행 중 j번째 행(j는 2와 n 사이의 정수)에 배치된 고정자들의 개수는 2j-2개인 것을 특징으로 하는 AD 컨버터.
  13. 제 12항에 있어서,
    상기 액추에이터들의 크기는, 같은 행에 배치된 고정자의 크기와 같고,
    상기 디지털 신호 생성부는,
    그레이 코드값에 해당되는 디지털 출력값을 출력하는 것을 특징으로 하는 AD 컨버터.
  14. 제 8항에 있어서,
    상기 액추에이터들의 크기는,
    같은 행에 배치된 고정자의 크기와 같은 것을 특징으로 하는 AD 컨버터.
  15. 제 1항에 있어서,
    상기 AD 컨버터는,
    병렬형 AD 컨버터인 것을 특징으로 하는 AD 컨버터.
  16. 적어도 하나의 고정자들; 및
    입력전압에 따라 발광하는 적어도 하나의 광원들;을 포함하고,
    상기 고정자들의 배치 및 상기 광원들의 발광 위치에 따라 상기 입력전압에 따른 디지털 출력값을 결정하는 디지털 신호 생성부;를 포함하는 AD(Analog to Digital) 컨버터.
  17. 제 16항에 있어서,
    상기 고정자들은, 광검출부를 포함하고, 상기 광원들에서 출력되는 빛이 검출되는지 여부에 따른 전압을 출력하는 것을 특징으로 하는 AD 컨버터.
  18. 적어도 하나의 고정자들;
    입력전압이 인가되는 입력부; 및
    상기 고정자들의 배치 및 상기 입력부의 입력전압에 따라 디지털 출력값을 결정하는 디지털 신호 생성부;를 포함하는 AD(Analog to Digital) 컨버터.
  19. 적어도 하나의 고정자들을 마련하는 단계;
    입력전압이 인가되는 단계; 및
    상기 고정자들의 배치 및 상기 입력전압에 따라 디지털 출력값을 결정하는 단계;를 포함하는 AD(Analog to Digital) 변환방법.
  20. 제 19항에 있어서,
    상기 입력전압에 따라 적어도 하나의 액추에이터(actuator)를 이동시키는 단계; 를 더 포함하고,
    상기 결정단계는,
    상기 적어도 하나의 고정자들의 배치 및 상기 적어도 하나의 액추에이터들의 위치에 따라 상기 입력전압에 따른 디지털 출력값을 결정하는 것을 특징으로 하는 AD(Analog to Digital) 변환방법.
  21. 제 20항에 있어서,
    상기 고정자들이, 상기 액추에이터들 중 어느 하나와 겹쳐진 경우 논리값 1에 해당되는 전압을 출력하고, 상기 적어도 하나의 액추에이터들 중 어느 하나도 겹쳐지지 않은 경우 논리값 0에 해당되는 전압을 출력하는 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 AD 변환방법.
  22. 제 20항에 있어서,
    상기 고정자들이, 상기 액추에이터들 중 어느 하나에 의해 형성되는 캐패시턴스(capacitance) 값에 따른 전압을 출력하는 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 AD 변환방법.
  23. 제 19항에 있어서,
    상기 입력전압에 따라 발광하는 적어도 하나의 광원들을 마련하는 단계; 를 더 포함하고,
    상기 결정단계는,
    상기 고정자들의 배치 및 상기 광원들의 발광 위치에 따라 상기 입력전압에 따른 디지털 출력값을 결정하는 것을 특징으로 하는 AD 변환방법.
KR1020070082251A 2007-08-16 2007-08-16 고정자들의 배치를 이용한 ａｄ 컨버터 및 ａｄ 변환방법 KR101413035B1 (ko)

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