본문내용
1. 실험 1. 오실로스코프와 신호 발생기
실험의 목적은 오실로스코프와 신호 발생기의 원리와 사용법을 익히고, 오실로스코프를 이용하여 크기가 시간에 따라 변화하는 다양한 신호의 측정 방법을 익히는 것이다.
첫 번째 실험에서는 신호 발생기를 설정하여 1kHz의 정현파를 출력하고, 멀티미터를 이용하여 출력 전압을 5V로 맞춘다. 멀티미터의 직류 전압 측정모드에서 출력 전압은 약 -0.11V로 나타났는데, 이는 멀티미터가 교류 전압을 측정할 때 평균값을 표시하기 때문이다.
두 번째 실험에서는 진폭은 동일하게 유지하고, 신호 발생기의 주파수를 10Hz부터 1MHz까지 변화시켜 멀티미터로 측정하였다. 주파수가 10kHz 이상에서는 멀티미터의 주파수 측정 한계로 인해 정확한 값이 표시되지 않았다.
세 번째 실험에서는 신호 발생기의 직류 오프셋을 변화시키며 멀티미터로 교류 및 직류 측정을 수행하였다. 교류 측정에서는 직류 오프셋 값의 영향을 받지 않았지만, 직류 측정에서는 직류 오프셋 값이 그대로 표시되었다. 또한, 주파수를 43mHz로 설정하여 직류 측정을 하였더니 직류 오프셋 값과 유사한 결과가 나왔다.
네 번째 실험에서는 신호 발생기와 오실로스코프를 연결하고, 앞선 실험들을 오실로스코프로 반복 수행하였다. 오실로스코프로 측정하면 멀티미터와 달리 실효값이 아닌 실제 피크-피크 전압이 나타났다. 또한, 오실로스코프는 주파수가 높아져도 파형을 정확하게 확인할 수 있었다.
다음으로, 멀티미터와 오실로스코프로 측정된 전압 값의 의미를 설명하였다. 멀티미터의 직류 모드는 DC 성분만 측정하고, 교류 모드는 RMS 값을 측정한다. 반면, 오실로스코프는 DC 성분과 AC 성분을 함께 측정한다.
마지막으로, 오실로스코프의 장단점을 살펴보았다. 오실로스코프의 장점은 눈으로 직접 파형을 관찰할 수 있고, 고주파 신호도 측정할 수 있다는 것이다. 단점은 정확한 수치를 읽기 힘들고, 주파수가 낮으면 트리거링이 어렵다는 것이다.
1.1. 목적
오실로스코프와 신호 발생기의 원리와 그 사용법을 익숙하게 하고, 오실로스코프를 이용하여 크기가 시간에 따라 변화하는 다양한 신호의 측정방법을 익히는 것이 실험 1의 목적이다.
신호 발생기를 통해 직류 오프셋이 없는 최소 진폭이 1kHz의 정현파를 출력하도록 설정하였다. 멀티미터를 교류전압 측정모드에 놓고 신호 발생기의 진폭 조절을 통해 출력전압을 5V로 맞추었다. 이때 멀티미터를 직류전압 측정모드로 전환하여 측정한 결과, 약 -0.11V의 직류 오프셋이 존재하였다. 이는 멀티미터가 교류 신호의 평균값인 0V를 측정하였기 때문이다.
다음으로 신호 발생기의 주파수를 10Hz, 100Hz, 10kHz, 100kHz, 1MHz로 변화시키며 교류전압을 측정한 결과, 100kHz 이상의 높은 주파수에서는 멀티미터의 측정 한계로 인해 정확한 값을 얻지 못하였다. 이는 멀티미터의 주파수 측정 한계 때문인 것으로 분석할 수 있다.
이어서 신호 발생기의 직류 오프셋을 변화시키며 교류 및 직류 전압을 측정하였다. 교류 측정모드에서는 직류 오프셋에 관계없이 일정한 전압이 측정되었지만, 직류 측정모드에서는 직류 오프셋 값과 유사한 결과가 나타났다. 이는 교류 신호의 평균값이 직류 오프셋과 같기 때문이다.
마지막으로 주파수를 최소로 낮춰 직류 측정모드에서 신호 발생기 출력을 측정한 결과, 직류 오프셋 값과 유사한 결과가 나왔다. 이를 통해 직류 측정모드에서는 주파수에 관계없이 직류 성분만 측정됨을 알 수 있다.
오실로스코프를 활용한 실험에서는 멀티미터와 달리 교류 신호의 첨두치 전압을 정확히 관측할 수 있었다. 또한 직류 오프셋 변화에 따른 파형의 변화도 관찰할 수 있었다.
멀티미터와 오실로스코프의 측정 방식의 차이를 살펴보면, 멀티미터의 경우 DC 모드에서는 교류 신호의 평균값을, AC 모드에서는 실효값을 측정하는 반면, 오실로스코프는 DC 모드에서 교류 신호와 직류 성분의 합을, AC 모드에서는 교류 성분만을 관측할 수 있다. 따라서 오실로스코프는 파형을 직접 관찰할 수 있다는 장점이 있지만, 정확한 수치 측정이 어렵다는 단점이 있다.
1.2. 실험 내용
1.2.1. 실험 1
신호 발생기를 직류 오프셋이 없는 최소 진폭이 1kHz의 정현파를 출력하도록 설정한다. 멀티미터를 교류전압 측정에 놓고 신호 발생기의 진폭 손잡이를 서서히 돌리면서 출력에서 나오는 전압을 측정하여 멀티미터 표시 전압이 5V가 되도록 조정한다. 이때, 멀티미터를 직류전압 측정모드로 바꾸고 같은 전원의 전압을 측정하면 -0.11V가 나온다.
멀티미터의 직류 전압 측정모드로 교류전압을 측정할 시 평균값이 나오게 되어있으며, 신호발생기로 만든 신호가 교류 전압이므로 평균값이 거의 0이기 때문이다.
1.2.2. 실험 2
진폭은 실험1의 경우와 동일하게 두고, 신호 발생기의 주파수를 10Hz, 100Hz, 10kHz, 100kHz, 1MHz 로 멀티미터로 교류전압을 측정하였다. 멀티미터는 주파수에 관계없이 동일한 측정값을 나타내지 않는다.
10Hz와 100Hz까지는 주파수에 관계없이 전압 측정값이 5.02V로 잘 나왔으나, 10kHz 이상부터 측정값이 다르게 나왔다. 10kHz에서는 5.38V, 100kHz에서는 4.33V, 1MHz에서는 0.02V로 나왔다.
이는 멀티미터가 측정할 수 있는 주파수의 한계가 400Hz 정도이기 때문이다. 따라서 주파수가 높아질수록 멀티미터의 측정값이 정확하지 않게 나온 것이다. 이러한 한계 때문에 고주파 신호를 측정하기 위해서는 디지털 전압계(DVM)를 사용해야 한다. 하지만 DVM 기구 역시 1kHz 까지밖에 측정할 수 없다.
1.2.3. 실험 3
게이트 특성
논리게이트 입출력의 전기적 특성을 실험을 통해 알아보고 이를 이용하여 논리식을 조합한 논리회로를 구현할 수 있다. [그림 4.11(a)]와 [그림 4.11(b)] 회로를 구성하고 가변저항을 변화시키면서 입력전압 Vi와 가변저항값을 측정하여 이를 바탕으로 전류 Ii를 계산할 수 있다. 이를 [그림 4.12]에 나타내면 TTL 게이트 입력의 전류-전압 특성을 확인할 수 있다.
입력전압이 서서히 증가하다가 4.5V 이상일 때 전류가 급격히 상승하는 것을 관찰할 수 있다. 가변저항값이 감소할수록 특성곡선의 기울기가 증가하는데, 이는 곡선의 기울기가 저항의 역수이기 때문이다. 또한 그래프가 지수 형태를 띄고 있음을 확인할 수 있다.
다음으로 [그림 4.13] 회로를 구성하고 가변저항을 변화시키면서 출력 전류-전압 특성을 관찰할 수 있다. 그 결과를 [그림 4.14]에 나타내면 3~3.5V 부근에서 Vo와 IoL의 관계가 선형적으로 증가하는 곡선을 얻을 수 있다. 이를 통해 'Vo ≥ (VOL)min ≒ 2.7V'를 만족해야 출력이 high 상태임을 알 수 있다.
이번에는 입력이 low, 출력이 high로 걸어서 측정한 결과를 확인한다. 그 결과 Vo가 증가할수록 Iol도 증가하는 모습을 보이며, 선형적인 부분의 시작점이 더 커지고 기울기가 감소한 형태의 곡선이 나타났다. 이 경우 'Vo ≥ (VOL)min ≒ 3V'를 만족해야 출력이 high 상태임을 알 수 있다.
마지막으로 [그림 4.15] 회로를 구성하여 Vo와 IOH의 관계를 관찰한다. 약 3.5V 부근에서 IOH가 0에 접근하는 것을 확인할 수 있다. 이는 IOH = Vo / R의 관계에 따른 것으로, ...
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