AD変換は何故必要なのか？

私たちが五感で感じる事ができる温度・音声・光などは、有り／無しではなく、常に連続してアナログ的に変化します。
これらを計測するためにはセンサーを使用します。
各種センサーはアナログ的に変化する温度・音量・光量などをアナログの電気信号に変換します。
計測した情報を元に、何かしらの制御を行う場合には電気回路の頭脳であるCPUが必要になりますが、CPU自体はデジタル信号のみ処理できるので、センサーからアナログ信号が入力されても処理できません。

このミスマッチを解消するためにAD変換回路を挿入します。
Aはアナログ、Dはデジタルを指し、名の通りアナログ電圧をデジタルデータに変換する回路になります。

• 実際には、センサーとAD変換回路の間に電圧調整のアンプやフィルターといったAFE(アナログフロントエンド）回路が挿入されるケースが多いですが、今回はADコンバーターの説明になりますので、省略します。

エアコンの自動運転を例に考えてみましょう。
下の図は1日の気温変化を示しています。20℃以上は冷房、10～20℃は停止、10℃以下は暖房にするという仕様で考えます。

上記をサーミスタなどのセンサーを用いて、電圧情報に変換します。

これではCPUが処理できないため、"0" or "1"で表されたデジタルデータに変換します。

無事にデジタルデータに変換できたので、CPUで暑い・寒いの判断ができ、冷房ON/OFF・暖房ON/OFFの命令を出すことが可能になります。

ただし、もともとの仕様は冷房・停止・暖房の3つの状態を想定していましたが、デジタルデータへの変換で"0" or "1"の2つの状態しか表現できなくなり、停止状態の仕様が消えてしまいました。

このままでは想定していた仕様を満足できないため、ADコンバーターでは以下の技術を組み合わせて、元のアナログデータをできる限り再現しながらデジタルデータに変換しています。

• 一定周期で切り出す【標本化】
• 電圧を一定の範囲ごとにデジタルデータに変換する【量子化】

これらの詳細については、時間のアナログ⇒デジタル変換？標本化について知ろう！の記事で紹介します。