2021년 2학기전기회로 설계 실습학번 :이름 :1. 입력저항이 10 MΩ인 DMM을 이용하여 전압을 측정하려 한다. DC power supply의output을 10 V로 조정하고 20 MΩ 저항 두 개 R1, R2를 직렬로 연결하였을 때 각 저항에 걸리는 전압을 DMM으로 측정하면 얼마인가? 그 이유는 무엇인가?그림 1 그림 2-V_R1의 측정을 나타낸 회로 -V_R2의 측정을 나타낸 회로그림 1에서 R1과 R3의 병렬 저항 값은10MΩ||20MΩ = {10 TIMES 20 } over { 10+20}MΩ = 6.67MΩ 이고R_eq =6.67MΩ+20MΩ =26.67MΩ이다. Voltage Divider 개념을 이용하여V_R1을 계산해보면V_R1 = 10V TIMES {6.67MΩ } over {26.67MΩ } = 2.5V이다.그림 2에서 R2과 R3의 병렬 저항 값은10MΩ||20MΩ = {10 TIMES 20 } over { 10+20}MΩ = 6.67MΩ 이고R_eq =6.67MΩ+20MΩ =26.67MΩ이다. Voltage Divider 개념을 이용하여V_R2을 계산해보면V_R2 = 10V TIMES {6.67MΩ } over {26.67MΩ } = 2.5V이다.DMM이 없는 회로에서 Voltage Divider를 이용하여 구하면V_R1 = 10V TIMES {20MΩ } over {40MΩ } = 5V,V_R2 = 10V TIMES {20MΩ } over {40MΩ } = 5V의 결과 값이 나와야 하는데 이는 DMM의 입력저항인R_D >>R_L이 아니기 때문이다.R_D
아날로그 및 디지털회로 설계실습예비보고서설계실습 1. 초전형(Pyroelectric) 적외선 센서설계실습 1. 초전형(Pyroelectric) 적외선 센서1-1. 실습 목적초전형 적외선 센서, LED, Op-Amp의 원리를 이해하고, 센서가 인체의 움직임을 감지하였을 때 발생하는 전압의 변화를 검출할 수 있는 초전형 센서 회로를 설계한다.부품적외선 센서 RE200B1개Op-Amp UA741CN2개LED1개커패시터 10nF, ceramic disk1개커패시터 10uF2개저항 100kΩ, 1/2W, 5%1개가변저항 10kΩ2개가변저항 1MΩ2개사용장비오실로스코프 (Oscilloscope)1대브레드보드 (Bread board)1개파워서플라이 (Power supply)1대함수발생기 (Function generator)1대점퍼선다수1-2. 실습 준비물1-3. 설계실습 계획서1-3-1. 초전형 적외선 센서(RE200B)와 증폭기 사이에 신호를 전달하는 High-Pass Filter(DC-block, 3-dB freq.=5 Hz)를 R과 C를 이용하여 설계하시오. (C 값은 10uF 고정)주어진 3dB freq.=5Hz이고omega = {1} over {RC} `=`2pif,f= {1} over {2 pi RC} `=`5Hz 이고C`=10μF으로 고정되어 있으므로 식을 정리해서 계산해보면,R= {1} over {2 pi Cf} `=` {1} over {2 pi TIMES (10 TIMES 10 ^{-6} ) TIMES 5} `=`3.183k OMEGA1-3-2. Op-amp 반전증폭기를 2-stage로 연결하여 적외선 센서의 출력신호에 변화가 생길 경우 그 신호를 증폭시키는 회로를 설계하시오. (단, Gain이 10000V/V가 되도록 설계하시오.)위의 그림은 조건에 맞게 설계한 회로도이다.gain이- {R _{3}} over {R _{2}} =-100V/V인 반전 증폭기 두개를 연결하였으므로 overall voltage gain은 10000V/V이다.1-3-3. 1-3-2의 Op-amp의 출력 신호를 이용하여 센서의 움직임 검출 신호를 LED 점등으로 확인할 수 있는 회로를 추가하시오.
전기회로 설계 및 실습 예비보고서설계실습 12. 수동소자의 고주파특성측정방법의 설계1. 저항, 커패시터, 인덕터의 고주파 특성을 측정하는 회로를 설계하라. 기준을 무엇으로 하고무엇을 측정해야 고주파특성을 알 수 있을 것인가?- 저항의 고주파 특성을 측정하는 회로 - 커패시터의 고주파 특성을 측정하는 회로- 인덕터의 고주파 특성을 측정하는 회로기준은 Function generator의 전압 파형으로 하고, 저항(R4)에 걸리는 전압 파형을 측정하면 고주파특성을 알 수 있을 것이다.2.1 R = 10 ㏀, C = 0.1 ㎌가 직렬로 연결된 회로에 교류 신호가 입력될 때 입력전압에대한 저항에 걸리는 전압의 크기의 비(amplitude of transfer function)를 R, C만 고려하여 주파수의 함수로 그려 제출하여라. 주파수가 커지면서 감소함수가 될 수 있는 가를 확인한 후, 위상차를 주파수의 함수로 그려 제출하라. (주파수의 범위 0 Hz - 10 MHz, EXCEL사용)RC회로에서 R, C만 고려하여 입력전압에 대한 저항 전압의 비를 나타낸 전달함수의 식은H _{R} = {V _{R}} over {V _{IN}} = {1} over {sqrt {1+ LEFT ( {1} over {wRC} RIGHT ) ^{2}}} e ^{-j phi }이고,phi = tan^-1 (- { 1} over {wRC } )이다. 주파수가 커져도 감소함수가 되지 않음을 식과 그래프에서 모두 확인할 수 있다.2.2 R = 10 ㏀, L = 10 mH가 직렬로 연결된 회로에 교류신호가 입력될 때 입력전압에대한 저항에 걸리는 전압의 크기의 비(amplitude of transfer function)를 R, L만 고려하여 주파수의 함수로 그려 제출하라. 주파수가 커지면서 증가함수가 될 수 있는 가를 확인 한후, 위상차를 주파수의 함수로 그려 제출하라. (주파수의 범위 0 Hz - 10 MHz, EXCEL사용).RC회로에서 R, L만 고려하여 입력전압에 대한 저항 전압의 비를 나타낸 전달함수의 식은H _{R} = {V _{R}} over {V _{IN}} = {1} over {sqrt {1+ LEFT ( {wL} over {R} RIGHT ) ^{2}}} e ^{-j phi }이고,phi = tan^-1 ( { wL} over {R } )이다. 주파수가 커져도 증가함수가 되지 않음을 식과 그래프에서 모두 확인할 수 있다.3.1 PSPICE Simulation 과제Function generator, R = 10 ㏀, C = 100 nF 가 직렬로 연결된 회로의 주파수 응답 그래프를 제출하여라. 주파수를 100 Hz에서 30MHz까지 주파수를 높이면서 R의 전압을 출력으로 하여 transfer function의 크기를 trace로 추가하여 구하라. (Function generator :ACvoltage/ 2Vpp, 100Hz~AC sweep)위의 그림은 RC회로에서 주파수에 따라 변화하는 transfer function의 크기를 trace를 이용하여 그래프로 나타낸 것이다.
전기회로 설계 및 실습 예비보고서설계실습 11. 공진회로(Resonant Circuit)와 대역여파기 설계1.1 PSPICE Simulation 과제(1) C = 0.01 uF이고 공진주파수가 15.92kHz인 RLC 직렬 bandpass filter (Q = 1, Q= 10)를 구성하고 R에 걸리는 전압을 출력이라 하였을 때 transfer function의 크기를PSPICE의 trace를 이용하여 파형을 제출하라. 입력은 2 V(peak to peak) 정현파를사용하라.w _{o} =`2 pi TIMES f`= sqrt {{1} over {LC}}이고,C`=10 ^{-8} =10nF 이므로L`=`10mH가 된다.또한,Q = {1} over {R}{ sqrt { {L} over {C}} } = 1 을 만족시키는 저항의 크기는 R=1kΩ이다.위의 그림은Q`=1(R=1kΩ)일 때 AC sweep을 이용하여 transfer function의 크기를 나타낸 그래프이다.Q= {1} over {R} sqrt {{L} over {C}} =10 을 만족시키는 저항의 크기는 R=100Ω이다.위의 그림은Q`=10(R=100Ω)일 때 AC sweep을 이용하여 transfer function의 크기를 나타낸 그래프이다.(2) 설계한 회로도의 공진주파수, 반전력 주파수, 대역폭, Q-factor 값을 각각 기록하여라.Q-factor=1일 때, cursor 기능을 이용해 전달함수(transfer function) H의 값이 최대가 되는 주파수의 값을 확인해 보면 공진주파수는 15.92kHz임을 알 수 있다.Q-factor=1일 때, 반전력 주파수 :w _{1} =9.835`kHz,w _{2} = `25.756`kHz,대역폭 :B=w _{1} -w _{2} = 15.92kHz이고,B`=` {w _{0}} over {Q} `= { 15.92kHz} over {1} =`15.92kHz와 같다.Q-factor=10일 때, cursor 기능을 이용해 전달함수(transfer function) H의 값이 최대가 되는 주파수의 값을 확인해 보면 공진주파수는 15.92kHz임을 알 수 있다. 이는 Q=1일때와 비교하여 C와 L의 값은 변화가 없고 저항의 값만 변화를 주었기 때문에 같은 값을 가지는 것으로 해석된다.Q-factor=10일 때, 반전력 주파수 :w _{1} =15.139kHz,w _{2} = 16.731kHz,대역폭 :B=w _{1} -w _{2} = 1.592kHz이고, 이 값은B`=` {w _{0}} over {Q} `= { 15.92kHz} over {10 } =`1.592kHz과 같다.1.2 PSPICE Simulation 과제(1) C = 0.01 uF이고 공진주파수가 15.92kHz인 RLC 병렬 bandpass filter (Q = 1, Q= 10)를 구성하고 R에 걸리는 전압을 출력이라 하였을 때 transfer function의 크기를PSPICE의 trace를 이용하여 파형을 제출하라. 입력은 2 V(peak to peak) 정현파를사용하라.w _{o} =`2 pi TIMES f`= sqrt {{1} over {LC}}이고,C`=10 ^{-8} =10nF 이므로L`=`10mH가 된다.또한,Q = R{ sqrt { {C} over {L}} } = 1 을 만족시키는 저항의 크기는 R=1kΩ이다.Q = R{ sqrt { {C} over {L}} } = 10 을 만족시키는 저항의 크기는 R=10kΩ이다.위의 그림은Q`=1(R=1kΩ)일 때 AC sweep을 이용하여 transfer function의 크기를 나타낸 그래프이다.위의 그림은Q`=10(R=10kΩ)일 때 AC sweep을 이용하여 transfer function의 크기를 나타낸 그래프이다.(2) 설계한 회로도의 공진주파수, 반전력 주파수, 대역폭, Q-factor 값을 각각 기록하여라.Q-factor=1일 때, cursor 기능을 이용해 전달함수(transfer function) H의 값이 최소가 되는 주파수의 값을 확인해 보면 공진주파수는 15.92kHz임을 알 수 있다.Q-factor=1일 때, 반전력 주파수 :w _{1} =9.838`kHz,w _{2} = `25.748`kHz,대역폭 :B=w _{1} -w _{2} = 15.91kHz이고,B`=` {w _{0}} over {Q} `= { 15.92kHz} over {1} =`15.92kHz와 거의 같다.0.01kHz의 아주 작은 오차는 반올림 오차에 의해 발생하였다.Q-factor=10일 때, cursor 기능을 이용해 전달함수(transfer function) H의 값이 최소가 되는 주파수의 값을 확인해 보면 공진주파수는 15.92kHz임을 알 수 있다.
전기회로 설계 및 실습 예비보고서설계실습 10. RLC 회로의 과도응답 및 정상상태응답1.1 PSPICE Simulation 과제 : 저감쇠입력을 function generator로 하고 가변저항을 변화시켜서 저항(가변저항 +10 Ω)에 걸리는전압이 저감쇠의 특성을 보이도록 하라. 이때의 ωd를 계산하고, 저항(가변저항 +10 Ω)값을제출하라. 입력 신호를 기준으로 하여 R, L, C에 걸리는 출력 전압을 제출하고, ωd의 값이저감쇠의 조건을 만족하는지 확인하여라. (Function generator : vpulse파/0 to 1 V, 1 ㎑, duty cycle = 50 %)w _{o} = {1} over {sqrt {LC}} = {1} over {sqrt {(10 TIMES 10 ^{-3}) TIMES (10 TIMES 10 ^{-9})}} =100000R = 490+10 = 500,alpha = {R} over {2L} = {500} over {2(10 TIMES 10 ^{-3} )} =25000w _{d} = sqrt {w _{0} ^{2} - alpha ^{2}} = sqrt {{1} over {LC} -( {R} over {2L} ) ^{2}} = sqrt { 100000 ^{2}- 25000 ^{2}} =96824.58위의 그림은 문제 1.1의 pspice 회로도이다.위의 그림에서 빨간색 그래프는 입력전압, 초록색은 L에 걸리는 출력 전압이다.위의 그림에서 빨간색 그래프는 입력전압, 초록색은 C에 걸리는 출력 전압이다.위의 그림에서 빨간색 그래프는 입력전압, 초록색은 R에 걸리는 출력 전압이다.cursor 버튼을 이용하여 측정한 반 주기의 시간이 0.322ms이므로 한 주기는 0.644ms, 주파수는 15.54 ㎑ 로 측정되었다.따라서,w _{d} =2 pi f=2 pi (15.54㎑)=97625.63 [rad/s] 으로 저감쇠의 조건인 0