능동 필터 실험 결과 보고서

본 내용은 " A+ 받은 능동 필터 결과레포트 " 의 원문 자료에서 일부 인용된 것입니다. 2023.12.27

문서 내 토픽

• 1. 1차 저역 통과 필터(1st Order Low Pass Filter)

  1차 저역 통과 필터는 OP앰프를 이용하여 구성된 회로로, 차단주파수 이하의 신호는 통과시키고 그 이상의 신호는 감쇠시킨다. 실험에서 차단주파수 159Hz에서 입력전압 1.017V에 대해 출력전압 1.440V를 측정하였으며, 이론값 1.414V와의 오차율은 약 1.839%로 매우 정확한 결과를 얻었다. 전압이득은 2배이며, 차단주파수에서의 전달함수 크기는 1.414배가 된다.

• 2. 2차 고역 통과 필터(2nd Order High Pass Filter)

  2차 고역 통과 필터는 OP앰프의 비반전 입력단자로 입력신호가 들어오는 구조로, 차단주파수 이상의 신호는 통과시키고 그 이하의 신호는 감쇠시킨다. 실험에서 차단주파수 112Hz에서 입력전압 0.950V에 대해 출력전압 0.672V를 측정하였으며, 이론값 0.707V와의 오차율은 약 4.950%로 준수한 결과를 얻었다.

• 3. OP앰프(Operational Amplifier)

  KIA4558P OP앰프는 실험에서 능동 필터 회로의 핵심 소자로 사용되었다. OP앰프의 특성상 입력단자로 흐르는 전류가 없으므로 반전 입력단자와 비반전 입력단자의 전위차가 0이다. 이를 이용하여 전압이득을 결정하고 필터의 특성을 구현한다.

• 4. 전달함수 및 주파수 응답(Transfer Function and Frequency Response)

  필터 회로의 전달함수는 입력전압에 대한 출력전압의 비로 표현되며, 차단주파수에서의 전달함수 크기를 통해 필터의 성능을 평가한다. 1차 저역 통과 필터의 경우 차단주파수에서 1.414배, 2차 고역 통과 필터의 경우 0.707배의 전달함수 크기를 갖는다.

Easy AI와 토픽 톺아보기

• 1. 1차 저역 통과 필터(1st Order Low Pass Filter)

  1차 저역 통과 필터는 신호 처리에서 가장 기본적이면서도 실용적인 필터입니다. RC 회로로 간단하게 구현할 수 있으며, -20dB/decade의 일정한 감쇠율을 제공합니다. 이 필터는 노이즈 제거, 신호 평활화, 그리고 고주파 성분 억제에 매우 효과적입니다. 특히 아날로그 신호 처리에서 ADC 전단에 널리 사용되며, 설계가 간단하고 안정성이 우수합니다. 다만 위상 지연이 발생하므로 실시간 제어 시스템에서는 이를 고려해야 합니다. 전자 회로 설계의 기초를 이루는 중요한 요소입니다.

• 2. 2차 고역 통과 필터(2nd Order High Pass Filter)

  2차 고역 통과 필터는 1차 필터보다 더 가파른 감쇠 특성을 제공하여 저주파 성분을 더 효과적으로 제거합니다. -40dB/decade의 감쇠율로 더 선택적인 필터링이 가능하며, 공진 특성을 조절하여 다양한 응답 특성을 구현할 수 있습니다. 오디오 처리, 진동 분석, 그리고 고주파 신호 추출에 유용합니다. 다만 설계 복잡도가 증가하고 안정성 관리가 필요하며, 공진 주파수 근처에서 위상 변화가 급격합니다. 적절한 댐핑 계수 선택이 성능을 좌우하는 중요한 요소입니다.

• 3. OP앰프(Operational Amplifier)

  OP앰프는 현대 아날로그 전자 회로의 핵심 소자로, 높은 이득, 넓은 대역폭, 그리고 다양한 구성이 가능한 다목적 증폭기입니다. 피드백 회로를 통해 증폭기, 적분기, 미분기, 비교기 등 다양한 기능을 구현할 수 있습니다. 가격이 저렴하고 신뢰성이 높으며, 설계 유연성이 뛰어납니다. 다만 실제 OP앰프는 유한한 이득, 슬루율 제한, 오프셋 전압 등의 비이상적 특성을 가지므로 이를 고려한 설계가 필수입니다. 필터, 센서 신호 처리, 제어 시스템 등 거의 모든 아날로그 회로에 사용되는 필수 소자입니다.

• 4. 전달함수 및 주파수 응답(Transfer Function and Frequency Response)

  전달함수는 선형 시스템의 입출력 관계를 수학적으로 표현하는 강력한 도구로, 시스템 분석과 설계의 기초입니다. 라플라스 변환을 통해 복잡한 미분방정식을 대수식으로 변환하여 해석을 단순화합니다. 주파수 응답은 시스템이 다양한 주파수의 신호에 어떻게 반응하는지 보여주며, 보드 선도와 나이퀴스트 선도로 시각화됩니다. 이를 통해 필터의 특성, 안정성, 그리고 성능을 직관적으로 이해할 수 있습니다. 제어 시스템 설계, 신호 처리, 회로 해석 등 공학 전반에서 필수적인 개념이며, 이론과 실제 응용을 연결하는 중요한 다리 역할을 합니다.