LPF와 HPF 설계 실습

본 내용은 " [A+예비보고서] 설계실습 9. LPF와 HPF 설계 " 의 원문 자료에서 일부 인용된 것입니다. 2025.02.04

문서 내 토픽

• 1. 저주파 통과 필터(LPF) 설계

  RC 필터를 이용한 저주파 통과 필터 설계로, 차단 주파수 15.92kHz를 기준으로 설계된다. 커패시터 10nF를 사용하여 저항값을 계산하며, 10kHz에서 -32.17°의 위상차를 갖는다. 차단 주파수보다 낮은 주파수에서는 신호 변화가 거의 없고, 높은 주파수에서 세밀한 실험이 필요하다.

• 2. 고주파 통과 필터(HPF) 설계

  RL 필터를 이용한 고주파 통과 필터 설계로, 차단 주파수 15.92kHz를 기준으로 설계된다. 인덕터 10mH를 사용하여 저항값을 계산하며, 10kHz에서 57.83°의 위상차를 갖는다. 차단 주파수보다 높은 주파수에서는 신호 변화가 거의 없고, 낮은 주파수에서 세밀한 실험이 필요하다.

• 3. 주파수 응답 측정

  오실로스코프를 이용하여 입력 및 출력 신호의 주파수 응답을 측정한다. XY 모드를 사용하여 입력과 출력의 위상 관계를 타원 형태로 관찰하며, 다양한 주파수에서 신호의 진폭과 위상 변화를 기록한다.

• 4. 실험 장비 및 측정 방법

  함수 발생기, 오실로스코프, 멀티미터 등의 계측기를 사용하여 필터 회로를 설계하고 측정한다. 오실로스코프의 트리거 모드는 Auto, 소스는 Ch1, 커플링은 AC로 설정하며, 입력 신호는 1V(피크-피크 2V)의 정현파를 사용한다.

Easy AI와 토픽 톺아보기

• 1. 저주파 통과 필터(LPF) 설계

  저주파 통과 필터는 신호 처리에서 매우 중요한 역할을 합니다. LPF 설계 시 차단 주파수, 필터 차수, 롤오프 특성 등을 신중하게 고려해야 합니다. 수동 소자(R, L, C)를 이용한 아날로그 필터 설계는 이론적 이해를 높이는 데 효과적이며, 능동 필터를 사용하면 더 정밀한 특성 제어가 가능합니다. 실제 응용에서는 노이즈 제거, 신호 평활화, 앨리어싱 방지 등 다양한 목적으로 활용됩니다. 설계 과정에서 주파수 응답, 위상 특성, 안정성을 종합적으로 검토하는 것이 중요합니다.

• 2. 고주파 통과 필터(HPF) 설계

  고주파 통과 필터는 저주파 성분을 제거하고 고주파 신호를 추출하는 데 필수적입니다. HPF 설계에서는 차단 주파수 설정이 매우 중요하며, 필터 차수에 따라 감쇠 특성이 달라집니다. 오디오 처리, 의료 기기, 통신 시스템 등 다양한 분야에서 활용됩니다. LPF와 달리 저주파 성분의 완전한 제거가 어려울 수 있으므로, 설계 단계에서 충분한 마진을 고려해야 합니다. 능동 필터를 사용하면 임피던스 특성을 개선하고 더 가파른 롤오프를 구현할 수 있습니다.

• 3. 주파수 응답 측정

  주파수 응답 측정은 필터 성능을 검증하는 가장 직접적인 방법입니다. 스펙트럼 분석기, 함수 발생기, 오실로스코프 등을 활용하여 진폭 응답과 위상 응답을 측정할 수 있습니다. 보드 선도(Bode plot)를 통해 필터의 특성을 시각화하면 설계 목표 달성 여부를 명확하게 판단할 수 있습니다. 측정 시 신호 대 잡음비, 임피던스 매칭, 케이블 영향 등 여러 요소를 고려해야 정확한 결과를 얻을 수 있습니다. 실제 측정값과 이론값의 편차를 분석하는 것도 중요합니다.

• 4. 실험 장비 및 측정 방법

  필터 실험에 필요한 기본 장비로는 함수 발생기, 오실로스코프, 멀티미터, 스펙트럼 분석기 등이 있습니다. 정확한 측정을 위해서는 장비의 대역폭, 샘플링 레이트, 임피던스 특성을 충분히 이해해야 합니다. 측정 방법으로는 스윕 신호를 이용한 주파수 응답 측정, 임펄스 응답 측정, 계단 응답 측정 등이 있으며, 각 방법은 서로 다른 정보를 제공합니다. 측정 환경의 전자기 간섭을 최소화하고, 적절한 접지와 차폐를 통해 신뢰성 있는 데이터를 확보하는 것이 필수적입니다.