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1. 초전형 적외선 센서 회로 설계
1.1. 이론적 배경
초전형(Pyroelectric) 적외선 센서 회로 설계를 위한 이론적 배경은 다음과 같다.
신호및시스템 과목에서 배운 전달함수 개념을 통해 High-Pass Filter를 저항과 커패시터로 직접 설계할 수 있어야 한다. 3dB-frequency가 가지는 의미와 구하는 방법을 정확히 알고 소자의 값들을 직접 구할 수 있는 능력이 필요하다. 또한 기초전자회로의 Op-amp가 어떻게 신호를 증폭시키는지 정확히 알고 weighted summer의 구조와 Gain을 구하는 방법을 숙지하여 직접 저항을 설계할 수 있는 능력이 필요하다. 마지막으로 이론 교재를 통해 접촉식 초전형 적외선 센서 회로를 미리 숙지하여 센서로 들어온 신호의 필터링과 Op-Amp의 증폭과정을 거쳐 LED로 인체의 유, 무를 확인할 수 있다는 원리를 파악해야 한다. 이러한 이론적 배경을 바탕으로 실습을 진행할 수 있다.
1.2. 실습 목적
초전형 적외선 센서 회로 설계 실습의 목적은 초전형 적외선 센서, LED, Op-Amp의 원리를 이해하고, 센서가 인체의 움직임을 감지하였을 때 발생하는 전압의 변화를 검출할 수 있는 초전형 센서 회로를 설계하는 것이다."
1.3. 실습 준비 사항
실습 준비 사항은 다음과 같다"
실습 준비물로는 적외선 센서 RE200B, Op-Amp UA741CN, LED 등의 부품과 10nF, 10uF 커패시터, 100kΩ, 1MΩ 저항, 10kΩ, 1MΩ 가변저항이 필요하다. 사용 장비로는 PSpice Lite, MATLAB, 오실로스코프, 브레드보드, 파워서플라이, 함수발생기 등이 있다"실습을 위해서는 신호및시스템 과목에서 배운 전달함수 개념을 통해 High-Pass Filter를 설계할 수 있는 능력, 기초전자회로의 Op-amp가 신호를 증폭시키는 원리를 이해하고 weighted summer의 구조와 Gain을 구하는 방법을 숙지하는 것이 필요하다. 또한 접촉식 초전형 적외선 센서 회로의 동작 원리를 사전에 파악하여 센서로부터 들어오는 신호의 필터링과 Op-Amp의 증폭 과정을 거쳐 LED로 인체의 유무를 확인할 수 있는 회로를 설계할 수 있어야 한다"
1.4. 실습 계획
1.4.1. High-Pass 필터 설계
High-Pass 필터 설계는 초전형 적외선 센서 회로에 있어 매우 중요한 부분이다. High-Pass 필터는 저주파 영역의 신호를 차단하고 고주파 영역의 신호만을 전달하는 필터로, 저항과 커패시터를 이용하여 설계할 수 있다. 실습에서는 신호 및 시스템 과목에서 배운 전달함수 개념을 활용하여 High-Pass 필터를 설계한다.
먼저, 초전형 적외선 센서(RE200B)와 증폭기 사이에 신호를 전달하는 High-Pass 필터를 설계한다. High-Pass 필터의 3dB 주파수를 5Hz로 설정하기 위해, 저항값 R1을 계산한다. 전달함수를 통해 설계한 High-Pass 필터가 실제로 High-Pass 특성을 가지는지, 그리고 3dB 주파수가 5Hz인지를 PSpice의 AC sweep, dB Magnitude of Voltage Marker, Measurement 기능을 이용하여 확인한다. 이를 통해 설계한 High-Pass 필터가 실습 조건을 만족함을 검증할 수 있다.
High-Pass 필터 설계의 과정은 다음과 같다. 먼저, 전달함수를 구한다. High-Pass 필터의 전달함수는 다음과 같이 표현할 수 있다.
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