アナログとデジタルとは

THEME 08 デバイスと回路 · 信号の基礎Analog and Digital

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アナログとデジタルとは、量の変わり方が連続か、飛び飛びかという区分です。 身の回りの信号はほとんどがアナログなのに、マイコンは再現性に優れるデジタル信号で演算するため、入口と出口に変換回路が入ります。

アナログは時間と量の両方で連続し、デジタルは両方で離散する

温度も音も明るさも、少しずつ途切れなく変化します。こうした自然界の現象はアナログ量で、大きさが時間の面でも量の面でも連続しています。デジタル量は等間隔で不連続な量で、時間の面でも量の面でも離散します。波形にすると、アナログ信号は中間の値を無限に持ち、グラフでは1本の滑らかな線になります¹。デジタル信号が取る値は0と1の2つに限られ、その間を飛び越します。

連続か飛び飛びかは、時間と量の両方で決まります

アナログ量はどの時刻のどの高さでも値を取ります。デジタル量が値を取るのは決まった時刻と決まった高さの交点に限られるため、元の波との間に差が生じます。

デジタル回路は小さく作れて、電流が少なく、劣化に強い

デジタル回路は、アナログ回路より小型化と低消費電力を実現し、信号も劣化に強くなります¹。アナログ信号は中間の値を持つため、それを作る素子のわずかなばらつきで信号が崩れる恐れがあります。影響を抑えるには素子のサイズをある程度大きく保つ必要があり、小型化に不利です。中間の電圧を出し続けるには電流を流し続ける必要もあり、消費電流を下げようとすると回路の規模が膨らみます。

デジタル信号は最大値か最小値の2値で足り、素子のオンとオフで作れます。素子に多少のばらつきがあっても支障が出にくいので小型化でき、オンとオフで済むぶん消費電流も下げられます。

しきい値で判別するので、同じ幅のずれを吸収する

アナログ信号は1と0の間に0.3や0.75といった値を取ります。0.75を保存して数年後に0.70として読み出されれば、その差がそのまま失われます。0.3を送って0.4で届く場合も同じです。

デジタル信号は1か0で、しきい値は0.5付近にあり、そこ以上を1、そこ未満を0と判別します。1を保存して0.9になってもしきい値より上なので1と読まれ、0を送って0.1で届いてもしきい値より下なので0と読まれます。保存でも通信でも、ずれの幅が同じなのに、デジタル側の読み取り結果は同一のままです。

しきい値の有無で、同じ幅のずれの意味が入れ替わります

ずれの幅は両者で同じです。アナログ信号は値そのものが情報なので差がそのまま損失になり、デジタル信号はしきい値の上下だけを判別するため、読み取り結果が保たれます。

入口にA/D変換、出口にD/A変換が入る

マイコンは内部の演算を再現性に優れるデジタル信号で行い、身の回りの信号はほとんどがアナログ信号です。そのため、マイコンへ入力するときはA/D変換で信号をデジタルへ直してから演算し、結果をアナログ信号として出力する場合はD/A変換を行います。この2つの変換がマイコンの主要な機能です。

A/Dコンバータは、自然界の現象から来るアナログ信号をデジタル信号へ変換する回路で²、標本化・量子化・符号化という一連のステップで動きます。D/Aコンバータは逆向きで、デジタル量をアナログ量へ変換します³。

温度が上がったらファンを回すには、まず温度をマイコンへ取り込みます。取り込みでは、どこからどこまでを変換するかにあたる基準電圧と、その範囲を何分割するかにあたる分解能が働きます。分解能が10ビットなら基準電圧が1024分割され、その1目盛りが1LSBになります⁴。

A/Dコンバータは、細かさ優先と速さ優先の系列が並ぶ

ルネサスは、実世界のアナログ信号をデジタルデータへ変換する製品群として、高精度のSAR型およびΔΣ型のA/Dコンバータと、500MSPS対応の高速A/Dコンバータ⁵を揃えています。細かさを優先する系列と速さを優先する系列が別々に並び、アナログからデジタルへ渡す方法が用途ごとに複数あることを読み取れます。

音のデジタル化を代表するのがPCM

パルス符号変調（PCM）は、アナログ信号を一定の周期で標本化して2進数へ変換し、パルス列のデジタル信号にする方式です⁶。音声などのアナログ信号をデジタル信号に直して送るときに用い、アナログ・デジタル変換とも呼ばれます。用途はCDやPCMレコーダー、Blu-rayで、連続した音が円盤の上で0と1の並びになるのは、この変換を経るためです。

よくある質問（FAQ）

アナログとデジタルとは何ですか？

量の変わり方の区分です。アナログ量は大きさが連続している量で、時間の面でも量の面でも連続しています。デジタル量は等間隔で不連続な量で、時間の面でも量の面でも離散します。

アナログ信号とデジタル信号は波形でどのように異なりますか？

アナログ信号は中間の値を無限に持ち、グラフでは1本の滑らかな線になります。デジタル信号が取る値は0と1の2つに限られます。

身の回りの信号はどちらにあたりますか？

ほとんどがアナログ信号です。温度や音のように、少しずつ途切れなく変化する量がこれにあたります。

それでもデジタル回路が選ばれるのはなぜですか？

アナログ回路より小型化しやすく、消費電流も下げやすく、信号が劣化に強いという3つの理由です。デジタル信号は最大値と最小値の2値で足りるため素子のオンとオフで作れ、素子に多少のばらつきがあっても支障が出にくくなります。

劣化に強いとはどういう意味ですか？

しきい値で読み取るという意味です。アナログ信号で0.75を保存すると、数年後に0.70として読み出される場合があります。デジタル信号のしきい値は0.5付近にあり、そこ以上を1、そこ未満を0と判別するため、1が0.9へずれても1と読まれ、同じ幅のずれでも読み取り結果は同一のままです。

アナログとデジタルはどこで行き来しますか？

変換回路です。マイコンへ入力するときにA/D変換でデジタル信号へ直し、結果をアナログ信号として出力する場合にD/A変換を行います。入口をA/Dコンバータ、出口をD/Aコンバータが受け持ちます。

音楽CDのデジタル化はどの方式ですか？

アナログ信号を一定の周期で標本化して2進数へ変換し、パルス列にするパルス符号変調（PCM）です。アナログ・デジタル変換とも呼ばれ、CDやPCMレコーダー、Blu-rayで使われます。

比較・違いを学ぶ

サンプリングとは── アナログをデジタルへ渡す最初の段で、切り出す間隔を決めます
ADC（A/Dコンバータ）とは── アナログ信号をデジタル信号へ変換する回路そのものです
DAC（D/Aコンバータ）とは── 逆向きに、デジタル量をアナログ量へ変換します

出典

6件を表示

1
ローム：マイコン基礎編アナログ信号とデジタル信号／デジタル信号が必要な理由rohm.co.jp a b
2
ローム：A/Dコンバータとは？rohm.co.jp ↩
3
ローム：D/Aコンバータとは？rohm.co.jp ↩
4
ローム：マイコン基礎編 A/Dコンバータrohm.co.jp ↩
5
ルネサス：データコンバータrenesas.com ↩
6
キーエンス：パルス信号とは？keyence.co.jp ↩