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(A+) 전자공학과 마이크로프로세서 자동 먹이 급여기 텀프로젝트 보고서

Term Project 보고서 및 제안서자동 먹이 급여기목차1. 주제, 팀원, 역할 분담2. 동기 및 목적3. Block Diagram4. Flow Chart5. 사용한 부품6. 관련 이론7. 전체 회로도8. 작품 제작 과정9. 코드10. 결론 및 고찰11. 참고문헌1. 주제, 팀원, 역할 분담주제: 자동 먹이 배급기구분이름학번역할 분담팀장팀원팀원팀원2. 동기 및 목적애완동물을 기르는 가정의 비율도 해가 거듭할수록 증가하고 있으며, 그만큼 애완동물에 관심을 갖는 사람도 많아졌고, 관련 영상도 많아졌다. 팀원 모두가 애완동물을 좋아하기도 하여 관련 영상을 자주 찾아보곤 하는데, 매일 규칙적인 시간에 사료를 주기 힘든 직장인의 고민에 대한 대책 방안으로 자동먹이급여기의 사용 후기, 장단점 및 애완동물의 반응을 다룬 영상을 접하게 되었다. 이 급여기 시스템이 어떻게 작동하는지 궁금증을 갖게 되었고 프로젝트를 통해 직접 제작하여 궁금증을 해소하고자 자동먹이 배급기 주제를 선정하게 되었다.자동먹이급여기를 통하여 ATmega128에서 지원되는 많은 기능들을 구현해보고 싶고 수업에서 학습한 부분들을 응용할 수 있다고 생각하여 선택하였다.자동먹이급여기는 애완동물의 식사를 자동으로 관리함으로써 규칙적인 식사시간이 유지되도록 하여 애완동물과 주인의 편의성과 안정성을 제공한다.3. Block Diagram전원을 넣어주면 LCD에 불이 들어오며 남은 먹이의 양과 Timer시간이 LCD에 표시된다. 버튼 2와 3을 이용하여 시간을 늘리거나 줄일 수 있고, 버튼1을 눌러 주면 타이머가 카운트다운을 시작하게 된다. 타이머가 0분 0초가 되면 서보모터가 90도 각도로 회전하게 되어 모터로 막혀있던 사료 배출구에서 사료가 떨어지는 방식으로 구성하였다. 또한, 초음파 센서를 이용하여 센서와 먹이사이의 거리를 cm 단위로 측정하여 먹이가 얼마나 남아있는지 확인할 수 있게 하였다.4. Flow Chart- Servo motor & Timer프로그램이 시작되면 설정한 전역 변수 데이터를 확인하고 제어한다.DDRA=1;을 통해 포트 0은 초음파센서로 가는 Trigger로 출력으로 사용했으며, 포트 1은 초음파센서로 들어오는 에코신호에 대해 입력을 받도록 설정한다. 이를 통해 16비트인 타이머카운터1과 연동하여 거리를 측정했다.PORT C내부 풀업 저항이 있는 비트 양방향 입출력 단자이며, 외부메모리를 둘 경우에는 상위 주소버스 A8 ~ A15로 사용된다. 이번 프로젝트에서는 LCD 제어를 위해 PORT C를 사용하였다.PORT D내부 풀업저항이 있는 8비트 양방향 입출력 단자이며, 타이머용 단자 혹은 외부 인터럽트용 단자로도 사용한다. 이번 프로젝트에서는 PD0~PD3의 외부인터럽트를 스위치 제어에 사용하였다.PORT E내부 풀업 저항이 있는 비트 양방향 입출력 단자이며, 타이머용 단자, 외부인터럽트 또는 아날로그 비교기 목적의 단자로도 사용한다. PE3 핀을 타이머3용의 비교신호 A 출력으로 설정하여 모터의 ENABLE 단자에 연결해 모터의 속도를 Fast PWM- 10Bit으로 조절했다.Timer/Counter 0- PWM 및 비동기 동작 모드를 갖는 8bit up/down 카운터- 10bit의 prescaler를 갖고 있어 이를 통하여 내부 클럭을 소스로 받아 타이머나 카운터로 동작한다.- 오버플로와 출력비교에 의한 인터럽트 기능을 갖고 있다.- 주파수를 발생하는 기능을 갖고 있다. TCCR0 레지스터의 CS00, CS01, CS02 bit를 통해 클럭 소스에 대한 prescaler를 설정할 수 있다.- 단일 8비트 채널의 카운터- Normal mode, CTC mode, Phase Correct PWM mode, 그리고 Fast PWM mode 4가지 동작 모드를 갖는다.- 모드 설정을 위해 WGMn0, WGMn1의 bit를 조절해야 한다.이번 프로젝트에서는 Normal mode를 사용하였다.Timer/Counter 1,38bit와 16bit의 카운터를 내장하고 있다.- 총 16가지의 타이머/카운터 모드를 가지고 있다.- 모드와 카운터의 bit를으며, 데이터를 쓰는 경우에는 상위 bit먼저 수행 한 뒤 하위 bit를 수행한다. 데이터를 읽는 경우에는 그 반대이다.- 출력 비교 레지스터로 OCR1(A, B, C), OCR3(A, B, C)모두 동일한 구조로 구성되어 있다. OCRnX 레지스터는 TCNT값과 비교하여 OCnx 단자에 출력 신호를 발생하기 위한 16비트의 값을 저장하는 레지스터로, PWM 모드에서 2중 버퍼링 동작을 하여 타이머/카운터 레지스터 TNCTn이 top 또는 bottom에 도달하였을 때 그 값이 갱신된다.TCCRnA: 타이머의 동작모드와 출력비교 단자의 파형 발생 방법 등을 설정한다.TCCRnB: 타이머의 동작모드와 분주비 등을 설정한다.- TIMSK는 타이머/카운터 0~2가 발생하는 인터럽트를 개별적으로 허용, 제어하는 기능을 담당한다.- TIFR은 플래그를 저장하는 레지스터로 인터럽트 서브 루틴 진입시 자동적으로 클리어 된다.초음파 센서HC-SR04는 총 4핀으로서 Vcc, Trigger, Echo, GND로 이루어져 있다.초음파 센서의 Trigger와 Echo 핀을 각각 PORTA.0, PORTA.1과 연결하였으며, PORTA.0 에서 다른 시간 때에 트리거 신호를 10us의 한 펄스를 준다. 이렇게 한 펄스를 초음파 센서 모듈에 넣어주게 되면 에코신호가 나오게 되며 초음파가 물체까지 왕복하는 동안 High를 유지하게 된다. 에코 신호가 다 돌아오게 되면 Low의 값으로 낮아지게 된다. 이것을 cm로 환산하기 위해서는 Echo back의 폭의 값을 58로 나누게 되면 cm단위의 거리 값을 알 수 있다.서보 모터서보 모터는 크게 모터(회전만 하는)와 제어부(회로와 알고리즘)로 나뉘어 있는데, 모터부와제어부 전체를 지칭해서 서보 모터라 부른다.서보 모터는 자체적으로 속도 조절을 할 수 있어 속도를 정밀하게 통제할 수 있는 모터 시스템으로 내부에 컨트롤러를 이용하여 어느 정도 회전했는지 sensing하고 입력 받은 값만큼 회전시켜주는 기능을 가지고 있다. 180도 회전을 기본으로A7%A4%EB%89%B4%EC%96%BC/5/53/#noneATmega128 datasheet초음파 센서 내용https://pcbassemblykorea.com/Arduino-%EC%B4%88%EC%9D%8C%ED%8C%8C-%EC%84%BC%EC%84%9C-HC-SR04%EC%97%90-%EB%8C%80%ED%95%9C-%EC%99%84%EC%A0%84%ED%95%9C-%EA%B0%80%EC%9D%B4%EB%93%9C.html초음파 센서 데이터 시트https://www.alldatasheet.com/datasheet-pdf/pdf/1132204/ETC2/HCSR04.html조 번작품명자동먹이시스템팀 장 #1학 번선행연구조사 및 분석(Trends, 장단점)- 요즘 사회에서 1가구 1애완견이라는 말이 나올 정도로 많은 애완견을 키우고 있는 사람이 많다. 하지만, 싱글족, 맞벌이 신혼 부부, 가족들이 외출 시에 혼자 남은 강아지들의 먹이를 주지 못할 수도 있다. 이런 바쁜 현대인들뿐만 아니라 노인 및 어린이들이 보다 편안하고 효율적으로 애완동물을 기를 수 있도록 하기 위한 애완동물 먹이 자동 공급을 위한 시스템을 제안한다.- 이 시스템은 먹이 공급기로 이루어져 있는데 먹이가 어느 정도 있는지 확인할 수 있는 초음파센서가 거리를 표시해주고, 서보모터가 있어 자동으로 먹이를 공급할 수 있다. ATmega128를 사용하며, code vision프로그램을 사용하여 ATmega128를 제어하여 모터가 작동하고 거리를 측정 후에 화면에 표시할 수 있게 해준다.2. 연구 동기 및 목적ATmega128을 이번 마이크로프로세서 수업에서 배우게 되었고 애완동물을 좋아하고 키우고 있는데, 어느 날 강아지가 자동급여기에서 나오는 사료먹는 모습을 보고 이 시스템이 어떻게 구동되는 지 호기심이 생겨 이 칩을 활용해 텀 프로젝트로 자동먹이급여기를 선정하게 되었다.특히 ATmega128에서 지원되는 많은 기능들을 구현해보고 싶고 ATmega128를 배우는 현 교과목에서 많은 부분을 응용할 용한 아날로그 제품들의 메커니즘을 더욱 깊이 이해하고 학습할 수 있다.실험에서는 하나의 IC가 어떻게 동작하는지만 알 수 있었지만 텀 프로젝트에서는 다양한 IC를 연결하여 회로를 구성하고 동작시켜 입력에 대한 출력을 확인해 볼 수 있다. 따라서 실험 시간에 배웠던 것들을 응용하는 능력을 얻을 수 있다.5. 블록도☞ 전원을 넣어 주었을 때 버튼1을 눌러 주면 타이머 카운트다운을 시작하게 된다. 타이머가 0분 0초 0밀리세크가 되면 연결되어 있는 서보모터가 45도 각도 내려가게 되어 위에 있던 사료가 밑으로 떨어지는 방식으로 구성하였다. 또한, 초음파 센서를 활용하여 센서가 달려있는 곳으로부터 사료가 어느정도 남아 있는지 거리표시를 해주어 먹이가 얼마나 있는지 확인할 수 있게 한다.6. Flow Chart서브모터&타이머초음파센서7. 사용한 부품사용한 부품갯수가격ATmega1281---초음파센서(HC-SR04)16,000LCD1---저항 (1K)6---커패시터 (104)4---서보모터(SG-90)12,000스위치4---쓰레기통115,000강아지 밥 그롯110,0008. 실험 이론 및 datasheetATMEGA128ATmega128은 64핀을 사용하며, 저전력 CMOS형의 8비트 마이크로 컨트롤러로 대부분의 명령어를 시스템 클록을 분주 없이 1:1로 사용하기 때문에 8051계열이나 PIC 계열보다 빠른 특징을 가기고 있다.포트A내부에 Pull-up 기능이 있는 양방향 8비트 포트로 2개의 레지스터(PORTA, DDRA)와 1개의 입력 핀 상태 번지(PINA)로 구성되어 입출력 방향 및 데이터 값을 제어한다.포트 핀다른 특수 기능PA7(핀44)AD7:외부 메모리 주소/데이터 비트7PA6(핀45)AD6:외부 메모리 주소/데이터 비트6PA5(핀46)AD5:외부 메모리 주소/데이터 비트5PA4(핀47)AD4:외부 메모리 주소/데이터 비트4PA3(핀48)AD3:외부 메모리 주소/데이터 비트3PA2(핀49)AD2:외부 메모리 주소/데이터 비트2PA1(핀50)AD1:외부 메모리

공학/기술| 2024.11.04| 36페이지| 4,000원| 조회(349)

졸업작품, 마이크로프로세서, 전자과, 텀프로젝트, 캡스톤디자인, 캡스톤, 전자공학과, 반려동물

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(A+) 마이크로프로세서응용 ATmega128 Module, 노트북과 ISP 이용한 LED 제어 결과보고서

마이크로프로세서응용 결과 보고서 #2 (3주차 실험)( Test Board LED 부 제어 및 확인 )(노트북과 ISP를 이용한 제어 및 확인)과 목담당교수제 출 일학 번이 름1. 실험목표① 코드비전을 통해 컴파일을 할 수 있다.② 코드를 ISP에 적용시킬 수 있다.③ 프로그래밍을 통해 LED를 점멸 제어시킬 수 있다.2. 관련이론? 프로그래밍 언어란?- 사람이 컴퓨터에게 어떤 처리 작업을 수행시키기 위한 특정 형식을 갖춘 일련의 순차적인 작업지시서라고 볼 수 있다.- 컴퓨터는 기계어만 실행 가능하기 때문에 우리가 사용하는 프로그래밍 언어로는 컴퓨터 가 알지 못한다. 따라서 기계어로 변환시키는 번역 프로그램을 이용하여 기계어로 변환하고 운영체제와 연결하여 실행 가능한 모드로 변환해서 실행을 시켜야 한다.- 우리가 사용하는 C언어처럼 많은 고수준 언어들은 컴파일러를 통해 기계어로 변환되기 때문에 이들은 흔히 컴파일러 언어라고도 부른다.? 컴파일러란?- 고급언어로 쓰여진 프로그램을 컴퓨터에서 실행될 수 있는 형태의 목적 프로그램으로 바꾸어 주는 번역 프로그램(High Level -> Low Level)- Cross Compiler: Compiler가 실행되는 PC Platform이 아닌 다른 Target Platform(MCU 등)에서 실행 가능한 코드를 생성할 수 있는 Compiler- AVR Compiler의 종류① CodeVision AVR② WinAVR (AVR Studio)③ IAR - AVR④ etc.? C언어란?- C언어의 특징① C언어는 고수준 언어이면서 저수준 언어의 기능을 갖고 있다.② C언어는 다목적 언어로서 다양한 분야에 활용될 수 있다.③ 간편한 제어구조와 다양한 연산자를 제공하여 효율성이 높다.④ 모듈화된 함수(Function)을 기본으로 하는 프로그래밍방식이다.⑤ 이식성 및 호환성이 높고 디버깅이 쉽다.⑥ 간결하고 일관된 데이터처리를 한다.- C언어의 기본 구조- 함수란 특정기능을 수행하는 소규모 단위 프로그램 모듈을 의미한다.- 프로그램을 모듈화하면 프로그램 관리가 쉽고, 유지보수가 매우 용이해진다.- 프로그램은 main()함수에 기술된 명령들이 순차적으로 수행한다.- 소스프로그램의 선두에는 선언문 및 초기화 명령들로 이루어져 있으며 몸체는 main() 함수와 필요에 따라 사용자가 만든 사용자 정의함수들로 구성된다.※ 비트 연산자? | : OR(+) 연산자? & : AND(*) 연산자? : Shift 연산자? ^ : XOR 연산자? ~ : NOT 연산자- 제어문이란?- 조건을 따져서 프로그램의 흐름을 제어하는 것을 말한다.- 컴퓨터 프로그램은 제어문에 의해 바로 처리되어 출력되므로 거의 대다수의 작업이 제어문으로 이루어진다고 할 수 있다.- 제어문의 종류? 반복 제어문- for문 : 지정한 횟수만큼 반복- while문 : 조건이 참일 동안 반복- do-while문 : 조건이 참일 동안 반복? 조건에 따른 흐름 제어문- if문 : 조건이 참일 때 처리- if-else문 : 참일 때와 거짓일 때 각기 다른 처리- switch-case문 : 여러 개의 조건 중 맞는 것만 수행? 비 조건 흐름 제어문- break문 : 반복 루프의 강제 종료- continue문 : 루프를 다시 실행한다.- return문 : 호출한 함수로 제어를 넘겨준다.- goto문 : 라벨이 표시된 곳으로 무조건 분기? 코드비전 C 컴파일러- CodeVisionAVR의 특징① Atmel AVR용 통합 환경 C 컴파일러. 통합 환경 내에 여러 가지 ISP 기능 포함.② 통합 환경 내에 비동기 통신 터미널 기능 내장.③ 표준 라이브러리 외에 여러 가지 주변 소자 라이브러리 포함④ 생성된 COFF 파일은 AVR Studio를 사용하여 소스 레벨 디버깅 가능.⑤ 자동 소스 생성 기능 내장3. LED 점등 제어※ ATmega128에는 6개의 양방향성 병렬 I/0 포트(PORTA, PORTB, PORTC, PORTD, PORTE, PORTF)와 1개의 5비트 양방향성 병렬 I/O 포트로 구성되어 있다.? PORTn : 포트 출력에 사용. 포트가 출력으로 설정되어 있으면 이 레지스터에 write하면 포트 PIN으로 출력된다.? DDRn : 포트 입출력 방향 설정. 해당 비트에 “1”은 출력으로, “0”은 입력으로 설정된다.? PINn : 포트 입력에 사용. 포트가 입력으로 설정되면 포트 PIN에 걸린 논리값을 읽는다.? 소스프로그램 예시① DDRA = 0xff;② PORTA = 0x00;③ Unsigned char var;④ var = 0x95;⑤ PORTA = var;- ①행에 의해 포트A가 8비트 모두 출력으로 설정된다.- ②행에 의해 초기 출력값이 논리 “0”를 출력한다.- ③행에 의해 8비트 변수 “var"이 만들어진다.단순한 8비트 코드를 다룰 때는 주로 “unsigned char" 형으로 선언한다.- ④행에 의해 상수 0x95가 변수 var에 저장된다.- ⑤행에 의해 포트A로 변수 var에 저장된 값이 출력된다.즉 0x95는 2진수로 “10010101” 이 포트로 출력되어 회로에서 논리 “1” 은 5V가 인가되므로 LED로 전류가 흘러 켜지게 된다.4. I/0 PORT? I/O PORT in ATmega128- 6개의 8비트 양방향 병렬 I/O 포트 (PORT A ~ F)- 1개의 5비트 양방향 병렬 I/O 포트 (PORT G)- 총 53개의 I/O PORT- 최대 구동전류 모두 40mA로 동일

공학/기술| 2024.11.04| 9페이지| 3,000원| 조회(107)

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(A+) 아날로그회로실험및설계 Op-Amp 미분기 실험 보고서

아날로그회로실험및설계 결과 보고서 #5 (6주차 결과)( 미분기 )과 목담당교수제 출 일학 번이 름1. 실험목표① Op-Amp의 기본적인 특성을 이용하여, 미분기 회로를 이해한다.2. 관련이론? 연산 증폭기란?- 구현하는 단자가 2개의 지점에서 전류가 나오기 시작하면서 이것을 증폭으로 구현하는 소자.- 이미터 부분에는 들어오는 전류를 전체적으로 통제하고 이를 관리하기 효율적으로 증폭을 구현하는 것에 정의를 둔다.- 컬렉터 부분은 이 전류를 모아서 회로적으로 구현이 가능하게 소자의 증폭을 전달해준다.- 그래서 이미터 부분과 컬렉터 부분의 두 지점에서 증폭이 구현되어서 연산증폭기라고 정의를 내리는 것.- 출력의 차이가 구현되면 두 개의 양쪽에서 나와서 이것이 진짜 출력의 원인이 된다.? 반전 증폭기란? (Inverting AMP)- 출력 전압이 입력에 비례한 값에 부호는 반전되어 나타나기 때문에 붙여진 회로 구조.- 위의 회로의 OP amp가 이상적인 OP amp라고 가정하면,- 우리가 궁금한 부분은 입력 전압에 따른 출력 전압의 변화이다.- 연산 증폭기의 특성 상, Vp가 0V이고, Virtual short인 Vn의 전압도 0V가 된다.- Vn의 전압이 0일 때 반전 입력에 대해 KCL를 적용한다면, 아래와 같이 표현된다.- 위의 식을 가상 단락(Virtual short)와 연결 지어 풀어내면, 다음과 같다.- 위의 식을 다시 정리하여 출력 전압을 입력 전압을 사용해 표현하면 다음과 같다.- 앞에서 이야기한 대로 출력 전압이 입력 전압에 비례한 값에 부호를 반전시킨 값으로 출력되는 것을 볼 수 있다.? 비반전 증폭기란? (Noninverting AMP)- 비반전 증폭기는 이름에서 알 수 있듯이 반전 증폭기와는 달리 출력의 신호가 입력의 신호와 동일하게 출력되는 회로이다.- 아래의 사진이 비반전 증폭기의 대표적인 회로이다.- 반전 증폭기와는 달리 입력 전압이 비반전 입력 단자의 입력으로 들어간다.- 이러한 회로를 해석할 때 OP amp는 이상적인 OP amp라고 가정해보자.- 이상적인 OP amp의 특성 중 하나인 가상 단락(Virtual short)을 적용하면 Vp의 전압과 Vn의 전압이 같아야 한다.- 또 이상적인 OP amp의 특성 중 하나인 입력 단자의 저항이 무한대라는 것을 적용하면 비반전 입력 단자의 전압은 비반전 증폭기 회로의 입력 전압 Vi가 된다.- 입력 전압 Vi와 출력 전압 Vo 사이의 관계를 알아내기 위해서는 Vn의 전압을 구하면 된다.- Vn의 전압은 이상적인 OP amp의 특성 중 하나인 입력 단자의 저항이 무한히 크다는 점을 적용하여 KCL을 사용하면 구할 수 있다.- 위의 식을 정리하면 출력 전압 Vo를 Vn에 대해 다음과 같이 표현할 수 있다.- 위에서 이야기했던 Virtual short에 따라 Vn의 전압은 Vp와 같고 이는 입력 전압 Vi와 같았다.- 그러므로 출력 전압 Vo를 입력 전압 Vi에 대해 표현하면 다음과 같이 표현할 수 있다.- 입력 전압에 비례하고 입력 전압과 동일한 부호를 취하는 출력 전압이 출력된다.? 기본적인 연산 증폭기의 특징- 왼쪽에 입력단자 2개(V_p, V_n) 오른쪽에 출력단자 1개(V_o)- 위, 아래에 있는 +V_cc 그리고 -V_EE는 Op-Amp에 전원을 공급해주는 단자- Op-Amp가 동작하기 위해서는 전원을 인가 해주어야 하며, 이는 두 가지 측면에서 동작 성능에 영향을 미친다.① 인가되는 전원에 의해 Op-Amp는 동작이 보장되는 최저 및 최고의 전원 공급 범위를 갖는다.② 입력 및 출력 전압은 전원 전압 범위를 넘지 못하도록 제한된다.- 일반적으로 +15V와 -15V를 인가해준다.- 이는 Op-Amp의 출력은 -15V, +15V 사이에서만 출력 가능하다는 의미- 만약 -15V, +15V의 범위를 넘어간다면, 범위를 벗어난 부분은 잘려서 안 나오는 현상이 일어난다. 이를 클리핑(Clipping)이라고 한다.※ 클리핑 현상- 파란색 그래프가 input으로 들어가서 초록색 그래프로 증폭되어 나오는데, -VCC ~ +VCC 범위를 벗어난 부분의 출력은 잘려서 나타나진다.※ 실제로 PSpice 시뮬레이션을 실행한 모습 ※- 위 사진은 +VCC엔 +5V, -VCC엔 접지(0V)를 인가하였다.- 주황 그래프는 출력, 초록 그래프는 입력이다.- 출력(주황) 그래프는 증폭이 되어 출력되었으나, 최대 전압 5V 그리고 최소 전압 0V를 넘지 못 하고 Clipping 되어 버린 모습이다.? 이상적인 연산 증폭기의 모습1) 전압 이득은 무한- 전압이득이 무한대인데, 출력 전압이 한정적이기 위해서는 Vi의 값이 0이어야 말이 된다. 그러므로 두 입력 단자 사이에 전위차는 없다.2) 입력 임피던스(Ri)가 무한대- 앞서 설명했듯이, 두 입력단자의 전위차를 증폭하는 역할이 연산 증폭기인데, 이를 다시 생각해보면 입력저항(임피던스)에 걸리는 전압은 곧 두 입력단자의 전위차를 나타내므로, 입력 저항에 걸린 전압을 증폭하는 것이라고 생각해도 무방하다.- 그럼 다시 생각해보면, 두 입력단의 전위차가 전부 다 입력 저항에 걸려야 한다는 말인데 .. 그러기 위해서는 입력 저항의 값이 무한대로 커서 주변의 다른 저항에 영향을 받지 않도록 해야 한다는 말이다.- 입력 저항의 크기가 매우 크면 즉, 무한대의 입력 저항 값을 갖게 된다면, 거의 전부의 전압이 이 저항 쪽으로 걸리게 될 것이다. 또한, 입력 저항값이 무한대이므로, 입력 단자 두 개로 들어가는 전류는 0이 된다.3) 출력 저항의 값은 0- 증폭된 전압이 출력 저항을 지나면서 일어나는 전압 강하를 최소화해야하기 때문에, 일반적으로는 매우 작은 크기의 저항값을 가진다.- 그러므로 이상적인 연산 증폭기의 출력 저항값은 0이라는 조건이 붙는다.? 이상적인 연산 증폭기의 기타 특성들? 미분기란? (차단주파수 > 입력주파수)- 미분기는 반전증폭기의 입력 저항을 커패시터로 바꾼 것으로 파형의 미분에 비례해 출력을 발생시키는 회로이다.- 입력주파수가 차단주파수보다 작으면 미분기로 작동하고, 크면 반전증폭기로 작동한다는 특징을 가진다.- 전압전류관계식과 옴의 법칙으로 관계식을 유도하면,V _{0} =-RC {dV} over {dt}- 위와 같은 관계식이 유도되고,f _{c} = {1} over {2 pi RC}- 위와 같은 차단 주파수 공식을 알 수 있다.- 근데, 우리 실험에서는 피드백 회로의 저항을 계산하는 것이 아니라, 커패시터와 직렬로 연결된 저항으로 구하는 것이므로 실험을 통하여 확인하여 본다.3. 데이터시트4. 실험6. 실험결과7. 오차 및 분석- 이번 실험에서는 실험 결과가 예상 이론값과 거의 유사하게 나왔고, 파형도 반전 및 비반전 되어 잘 나왔다.- 또한, Vpulse 소자를 처음으로 파형 발생기에 적용시켜 보았는데, 이 과정에서 주기=1/주파수 공식을 다시 한 번 상기시킬 수 있는 좋은 기회가 되었던 것 같다.

공학/기술| 2024.11.04| 14페이지| 3,000원| 조회(99)

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(A+) 아날로그회로실험및설계 Op-Amp 단위이득 팔로우와 비교기 실험 보고서

아날로그회로실험및설계 결과 보고서 #4 (5주차 결과)( 단위이득 팔로우와 비교기 실험 )과 목담당교수제 출 일학 번이 름1. 실험목표① Op-Amp의 기본적인 특성을 이용하여, 단위이득 팔로우와 비교기를 이해한다.2. 관련이론? 연산 증폭기란?- 구현하는 단자가 2개의 지점에서 전류가 나오기 시작하면서 이것을 증폭으로 구현하는 소자.- 이미터 부분에는 들어오는 전류를 전체적으로 통제하고 이를 관리하기 효율적으로 증폭을 구현하는 것에 정의를 둔다.- 컬렉터 부분은 이 전류를 모아서 회로적으로 구현이 가능하게 소자의 증폭을 전달해준다.- 그래서 이미터 부분과 컬렉터 부분의 두 지점에서 증폭이 구현되어서 연산증폭기라고 정의를 내리는 것.- 출력의 차이가 구현되면 두 개의 양쪽에서 나와서 이것이 진짜 출력의 원인이 된다.? 반전 증폭기란? (Inverting AMP)- 출력 전압이 입력에 비례한 값에 부호는 반전되어 나타나기 때문에 붙여진 회로 구조.- 위의 회로의 OP amp가 이상적인 OP amp라고 가정하면,- 우리가 궁금한 부분은 입력 전압에 따른 출력 전압의 변화이다.- 연산 증폭기의 특성 상, Vp가 0V이고, Virtual short인 Vn의 전압도 0V가 된다.- Vn의 전압이 0일 때 반전 입력에 대해 KCL를 적용한다면, 아래와 같이 표현된다.- 위의 식을 가상 단락(Virtual short)와 연결 지어 풀어내면, 다음과 같다.- 위의 식을 다시 정리하여 출력 전압을 입력 전압을 사용해 표현하면 다음과 같다.- 앞에서 이야기한 대로 출력 전압이 입력 전압에 비례한 값에 부호를 반전시킨 값으로 출력되는 것을 볼 수 있다.? 비반전 증폭기란? (Noninverting AMP)- 비반전 증폭기는 이름에서 알 수 있듯이 반전 증폭기와는 달리 출력의 신호가 입력의 신호와 동일하게 출력되는 회로이다.- 아래의 사진이 비반전 증폭기의 대표적인 회로이다.- 반전 증폭기와는 달리 입력 전압이 비반전 입력 단자의 입력으로 들어간다.- 이러한 회로를 해석할 때 OP amp는 이상적인 OP amp라고 가정해보자.- 이상적인 OP amp의 특성 중 하나인 가상 단락(Virtual short)을 적용하면 Vp의 전압과 Vn의 전압이 같아야 한다.- 또 이상적인 OP amp의 특성 중 하나인 입력 단자의 저항이 무한대라는 것을 적용하면 비반전 입력 단자의 전압은 비반전 증폭기 회로의 입력 전압 Vi가 된다.- 입력 전압 Vi와 출력 전압 Vo 사이의 관계를 알아내기 위해서는 Vn의 전압을 구하면 된다.- Vn의 전압은 이상적인 OP amp의 특성 중 하나인 입력 단자의 저항이 무한히 크다는 점을 적용하여 KCL을 사용하면 구할 수 있다.- 위의 식을 정리하면 출력 전압 Vo를 Vn에 대해 다음과 같이 표현할 수 있다.- 위에서 이야기했던 Virtual short에 따라 Vn의 전압은 Vp와 같고 이는 입력 전압 Vi와 같았다.- 그러므로 출력 전압 Vo를 입력 전압 Vi에 대해 표현하면 다음과 같이 표현할 수 있다.- 입력 전압에 비례하고 입력 전압과 동일한 부호를 취하는 출력 전압이 출력된다.? 기본적인 연산 증폭기의 특징- 왼쪽에 입력단자 2개(V_p, V_n) 오른쪽에 출력단자 1개(V_o)- 위, 아래에 있는 +V_cc 그리고 -V_EE는 Op-Amp에 전원을 공급해주는 단자- Op-Amp가 동작하기 위해서는 전원을 인가 해주어야 하며, 이는 두 가지 측면에서 동작 성능에 영향을 미친다.① 인가되는 전원에 의해 Op-Amp는 동작이 보장되는 최저 및 최고의 전원 공급 범위를 갖는다.② 입력 및 출력 전압은 전원 전압 범위를 넘지 못하도록 제한된다.- 일반적으로 +15V와 -15V를 인가해준다.- 이는 Op-Amp의 출력은 -15V, +15V 사이에서만 출력 가능하다는 의미- 만약 -15V, +15V의 범위를 넘어간다면, 범위를 벗어난 부분은 잘려서 안 나오는 현상이 일어난다. 이를 클리핑(Clipping)이라고 한다.※ 클리핑 현상- 파란색 그래프가 input으로 들어가서 초록색 그래프로 증폭되어 나오는데, -VCC ~ +VCC 범위를 벗어난 부분의 출력은 잘려서 나타나진다.※ 실제로 PSpice 시뮬레이션을 실행한 모습 ※- 위 사진은 +VCC엔 +5V, -VCC엔 접지(0V)를 인가하였다.- 주황 그래프는 출력, 초록 그래프는 입력이다.- 출력(주황) 그래프는 증폭이 되어 출력되었으나, 최대 전압 5V 그리고 최소 전압 0V를 넘지 못 하고 Clipping 되어 버린 모습이다.? 이상적인 연산 증폭기의 모습1) 전압 이득은 무한- 전압이득이 무한대인데, 출력 전압이 한정적이기 위해서는 Vi의 값이 0이어야 말이 된다. 그러므로 두 입력 단자 사이에 전위차는 없다.2) 입력 임피던스(Ri)가 무한대- 앞서 설명했듯이, 두 입력단자의 전위차를 증폭하는 역할이 연산 증폭기인데, 이를 다시 생각해보면 입력저항(임피던스)에 걸리는 전압은 곧 두 입력단자의 전위차를 나타내므로, 입력 저항에 걸린 전압을 증폭하는 것이라고 생각해도 무방하다.- 그럼 다시 생각해보면, 두 입력단의 전위차가 전부 다 입력 저항에 걸려야 한다는 말인데 .. 그러기 위해서는 입력 저항의 값이 무한대로 커서 주변의 다른 저항에 영향을 받지 않도록 해야 한다는 말이다.- 입력 저항의 크기가 매우 크면 즉, 무한대의 입력 저항 값을 갖게 된다면, 거의 전부의 전압이 이 저항 쪽으로 걸리게 될 것이다. 또한, 입력 저항값이 무한대이므로, 입력 단자 두 개로 들어가는 전류는 0이 된다.3) 출력 저항의 값은 0- 증폭된 전압이 출력 저항을 지나면서 일어나는 전압 강하를 최소화해야하기 때문에, 일반적으로는 매우 작은 크기의 저항값을 가진다.- 그러므로 이상적인 연산 증폭기의 출력 저항값은 0이라는 조건이 붙는다.? 이상적인 연산 증폭기의 기타 특성들? 전압 팔로워 회로란? (Voltage Follower)- 위의 식은 앞서 유도했던 비반전 증폭기의 식이다.- 전압 팔로워 회로는 Rf가 단락(0옴)되고, Rs가 개방(무한대)되는 비반전 증폭기 회로이다.- 위의 식을 인용하면,V _{o} =(1+ {R _{f}} over {Rs} )V _{i`} `=`(1+ {0} over {` INF } )V _{i} `=V _{i} `- 이렇게 되므로 Vout = Vin 이라는 결과식을 유도할 수 있다.? 비교기란? (Comparator)- 2개의 전압이나 전류를 비교하고, 더 큰 쪽을 가리키는 디지털 신호를 출력한다.- Negative Feedback이 없는 유일한 회로이다.- 그러므로 엄청나게 큰 값이 출력된다.- 이를 이용하여 두 입력 단잔에 들어오는 전압을 비교할 수 있다.- 연산증폭기의 특징은 포화가 적용되어, 반전단자의 값이 크면 Vcc로 포화되고, 비반전단자의 값이 크면 Vee로 포화되는 것을 이용하여 비교할 수 있다.if`V _{+} >V _{-`} ,```V _{out} =+V _{sat`} (V _{eqalign{cc#}} )if`V _{+} >V _{-} `,```V _{out} =-V _{sat} (V _{ee} )3. 데이터시트4. 실험6. 실험 결과1) 단위 이득 팔로워 입출력 관계 유도식- 위의 식은 앞서 유도했던 비반전 증폭기의 식이다.- 전압 팔로워 회로는 Rf가 단락(0옴)되고, Rs가 개방(무한대)되는 비반전 증폭기 회로이다.- 위의 식을 인용하면,V _{o} =(1+ {R _{f}} over {Rs} )V _{i`} `=`(1+ {0} over {` INF } )V _{i} `=V _{i} `- 이렇게 되므로 Vout = Vin 이라는 결과식을 유도할 수 있다.2) 비교기 입출력 관계 유도식if`V _{+} >V _{-`} ,```V _{out} =+V _{sat`} (V _{eqalign{cc#}} )if`V _{+} >V _{-} `,```V _{out} =-V _{sat} (V _{ee} )- 2개의 전압이나 전류를 비교하고, 더 큰 쪽을 가리키는 디지털 신호를 출력한다.- Negative Feedback이 없는 유일한 회로이다.- 그러므로 엄청나게 큰 값이 출력된다.- 이를 이용하여 두 입력 단잔에 들어오는 전압을 비교할 수 있다.- 연산증폭기의 특징은 포화가 적용되어, 반전단자의 값이 크면 Vcc로 포화되고, 비반전단자의 값이 크면 Vee로 포화되는 것을 이용하여 비교할 수 있다.※ 실험 1 실험결과※ 실험 1 오실로스코프 결과 ※? Vin과 Vout의 크기가 같다.※ 실험 2 실험결과? 비반전단자가 반전단자에 입력되는 전압인 1V보다 클 때는 Vee가 출력되고, 작을 때는 Vcc가 출력되는 것을 확인할 수 있다.? 비반전단자가 반전단자에 입력되는 전압인 2V보다 클 때는 Vee가 출력되고, 작을 때는 Vcc가 출력되는 것을 확인할 수 있다.? 위는 반전단자에 입력되는 전압이 3V라서, 2.5V인 정현파가 더 클 수가 없으니 무조건 Vcc만 출력되는 것을 볼 수 있다.※ 실험 2 오실로스코프 모습 10Hz 일 때 ※※ 실험 2 오실로스코프 모습 50Hz 일 때 ※※ 실험 2 오실로스코프 모습 100Hz 일 때 ※? 주파수를 바꾸면 Time Scale만 달라질 뿐, 파형이나 수치에는 변화가 없다.※ 실험 2 그림3 회로의 오실로스코프 모습 ※※ 실험 2 그림3 회로의 VOFF가 2.5V 일 때 오실로스코프 모습 ※7. 오차 및 분석- 이번 실험에서는 실험 결과가 예상 이론값과 거의 유사하게 나왔고, 파형도 반전 및 비반전 되어 잘 나왔다.

공학/기술| 2024.11.04| 16페이지| 3,000원| 조회(85)

OP-Amp, 전자과, 비교기, 텀프로젝트, 아날로그회로, 캡스톤디자인, 캡스톤, 전..

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(A+) 아날로그회로실험및설계 Op-Amp 가감산기 실험 보고서

아날로그회로실험및설계 결과 보고서 #3 (4주차 결과)( 가감산기 실험 )과 목담당교수제 출 일학 번이 름1. 실험목표① Op-Amp의 기본적인 특성을 이용하여 가감산기 회로를 이해한다.2. 관련이론? 연산 증폭기란?- 구현하는 단자가 2개의 지점에서 전류가 나오기 시작하면서 이것을 증폭으로 구현하는 소자.- 이미터 부분에는 들어오는 전류를 전체적으로 통제하고 이를 관리하기 효율적으로 증폭을 구현하는 것에 정의를 둔다.- 컬렉터 부분은 이 전류를 모아서 회로적으로 구현이 가능하게 소자의 증폭을 전달해준다.- 그래서 이미터 부분과 컬렉터 부분의 두 지점에서 증폭이 구현되어서 연산증폭기라고 정의를 내리는 것.- 출력의 차이가 구현되면 두 개의 양쪽에서 나와서 이것이 진짜 출력의 원인이 된다.? 반전 증폭기란? (Inverting AMP)- 출력 전압이 입력에 비례한 값에 부호는 반전되어 나타나기 때문에 붙여진 회로 구조.- 위의 회로의 OP amp가 이상적인 OP amp라고 가정하면,- 우리가 궁금한 부분은 입력 전압에 따른 출력 전압의 변화이다.- 연산 증폭기의 특성 상, Vp가 0V이고, Virtual short인 Vn의 전압도 0V가 된다.- Vn의 전압이 0일 때 반전 입력에 대해 KCL를 적용한다면, 아래와 같이 표현된다.- 위의 식을 가상 단락(Virtual short)와 연결 지어 풀어내면, 다음과 같다.- 위의 식을 다시 정리하여 출력 전압을 입력 전압을 사용해 표현하면 다음과 같다.- 앞에서 이야기한 대로 출력 전압이 입력 전압에 비례한 값에 부호를 반전시킨 값으로 출력되는 것을 볼 수 있다.? 비반전 증폭기란? (Noninverting AMP)- 비반전 증폭기는 이름에서 알 수 있듯이 반전 증폭기와는 달리 출력의 신호가 입력의 신호와 동일하게 출력되는 회로이다.- 아래의 사진이 비반전 증폭기의 대표적인 회로이다.- 반전 증폭기와는 달리 입력 전압이 비반전 입력 단자의 입력으로 들어간다.- 이러한 회로를 해석할 때 OP amp는 이상적인 OP amp라고 가정해보자.- 이상적인 OP amp의 특성 중 하나인 가상 단락(Virtual short)을 적용하면 Vp의 전압과 Vn의 전압이 같아야 한다.- 또 이상적인 OP amp의 특성 중 하나인 입력 단자의 저항이 무한대라는 것을 적용하면 비반전 입력 단자의 전압은 비반전 증폭기 회로의 입력 전압 Vi가 된다.- 입력 전압 Vi와 출력 전압 Vo 사이의 관계를 알아내기 위해서는 Vn의 전압을 구하면 된다.- Vn의 전압은 이상적인 OP amp의 특성 중 하나인 입력 단자의 저항이 무한히 크다는 점을 적용하여 KCL을 사용하면 구할 수 있다.- 위의 식을 정리하면 출력 전압 Vo를 Vn에 대해 다음과 같이 표현할 수 있다.- 위에서 이야기했던 Virtual short에 따라 Vn의 전압은 Vp와 같고 이는 입력 전압 Vi와 같았다.- 그러므로 출력 전압 Vo를 입력 전압 Vi에 대해 표현하면 다음과 같이 표현할 수 있다.- 입력 전압에 비례하고 입력 전압과 동일한 부호를 취하는 출력 전압이 출력된다.? 반전 증폭기와 비반전 증폭기의 차이점※ 반전 증폭기와 비반전 증폭기는 모두 연산 증폭기(Op-amp)를 사용하여 입력 신호를 증폭하는 회로이지만, 입력 신호와 출력 신호의 위상 관계와 이득 계산 방식에서 차이가 있다.① 입력 신호와 출력 신호의 위상 관계- 반전 증폭기: 입력 신호와 출력 신호의 위상이 180도 반전된다. 즉, 입력 신호가 양수이면 출력 신호는 음수가 되고, 입력 신호가 음수이면 출력 신호는 양수가 된다.- 비반전 증폭기: 입력 신호와 출력 신호의 위상이 동일하다. 즉, 입력 신호가 양수이면 출력 신호도 양수가 되고, 입력 신호가 음수이면 출력 신호도 음수가 된다.② 이득 계산 방식- 반전 증폭기 : 이득은 개루프 이득(Gain with feedback)으로 계산됩니다. 개루프 이득은 반전 루프를 통해 계산되며, 다음과 같은 공식으로 계산됩니다.Av = -Rf / Rin여기서, Av는 반전 증폭기의 이득Rf는 피드백 저항Rin는 입력 저항- 비반전 증폭기: 이득은 비반전 루프를 통해 계산되며, 다음과 같은 공식으로 계산됩니다.Av = 1 + Rf / Rin여기서, Av는 비반전 증폭기의 이득Rf는 피드백 저항Rin는 입력 저항? 가산기- 가산 증폭기는 반전 입력단에 여러 입력 저항이 동시에 연결된 회로로 저항값을 조절해 각 입력 전압들의 특정 배수 합을 출력 전압으로 만들 수 있다.- 키르히호프 전류법칙으로 관계식을 계산하면, 아래와 같이 나온다.- 저항이 다 똑같은 값이라면 출력 전압은 입력 전압의 합의 마이너스라는 것을 알 수 있다.? 감산기- 감산 증폭기는 두 개의 입력을 가지는 차동 증폭기로 비반전, 반전 입력 단자에 가해지는 신호의 차를 증폭하여 출력한다.- 키르히호프 전류법칙으로 관계식을 계산하면, 아래와 같이 나온다.- 저항이 다 똑같은 값이라면 출력 전압은 입력 전압의 차라는 것을 알 수 있다.3. 데이터시트4. 실험6. 실험 결과※ 실험1-1 ※※ 실험1-2 ※※ 실험1-3-1 ※※ 실험1-3-2 ※※ 실험2 회로 ※※ 실험2 결과 ※※ 실험3 회로 ※※ 실험3 R1 1k R3 1k ※※ 실험3 500, 2k 일때 2k랑 Vout 측정 (Vout이 파랑색) ※※ 실험3 500, 2k 일때, 500이랑 Vout 측정 (Vout이 파랑색) ※※ 실험3 둘다 2k 일때, 2k이랑 Vout 측정 (Vout이 파랑색) ※7. 오차 및 분석- 이번 실험에서는 실험 결과가 예상 이론값과 거의 유사하게 나왔고, 파형도 반전 및 비반전 되어 잘 나왔다.- 하지만 예상 시뮬레이션과는 다른 파형의 모습들이 나왔는데, 그 이유가 실험 PDF의 회로 상으로는 2개의 VSIN의 주파수가 각각 1K와 2K로 다르게 나와있었지만, 실제 실험을 할 때에는 둘 다 동일한 주파수로 실험을 하여 시뮬레이션과 실제 실험의 파형이 상이하게 나온 것 같다. 그 외의 다른 점은 없이 성공적인 실험이었다.밑은 내가 생각한 오차가 나는 이유들이다.- 첫째로, 소자의 불확실성이다. 이번 강의에 사용한 소자는 우리 학교 랩실 인원들 뿐만 아니라, 아날로그 강의를 듣는 우리 학생들 모두가 쓰는 소자이다. 그러므로, 여러 학생들이 공유하는 소자이기 때문에 그 학생들이 소자를 사용하면서 본인들도 모르게 내부의 회로를 태우거나 고장냈을 확률이 존재한다. (실제로, 우리 조는 완벽히 회로 구성을 했는데도 결과값이 나오지 않자, 회로는 그대로 둔 상태에서 소자만 교체했는데 제대로 된 결과값이 나왔다.)

공학/기술| 2024.11.04| 15페이지| 3,000원| 조회(110)

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