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  • 연산증폭기(OP-AMP)를 이용한 오디오 이퀄라이저 실험
    오디오 이퀄라이저(Audio equalizer)OO공학과123456789 OOO본 보고서는 기본적인 OP-AMP회로를 이용하여 비반전 증폭기(Non-inverting amplifier), 세 개의 다중 귀환 대역통과필터(Band pass filter), 가산증폭기(Summing amplifier)회로를 구성한 후, 세가지 회로를 이용한 오디오 이퀄라이저를 설계한다. 비반전 증폭기에서 25배 증폭을 시킨 후 세 개의 대역통과필터에 각각 60Hz, 250Hz, 1000Hz의 주파수만 통과시켜 4배 증폭시킨다. 멀티심을 이용하여 예비 실험을 한 후 ELVIS를 이용하여 실제 실험을 한다. AUDIO를 연결하여 각각의 대역통과필터 주파수에 대한 출력을 오실로스코프를 이용하여 관찰하고 음악이 어떻게 들리는 지 관찰한다. 실험 결과를 통하여 각각의 대역통과필터만 사용하였을 때 스피커에서 흘러나오는 소리가 다르게 들리는 것을 확인 하였다.Ⅰ. 서론오디오 이퀄라이저는 OP-AMP를 이용한 회로이다. 그렇기 때문에 기본적인 연산증폭기(OP-AMP)를 알아야 한다. 연산증폭기란 두 개의 입력(V+와 V-)의 차이로 단일 출력을 가지는 높은 이득의 전압 증폭기를 말한다. 오디오 이퀄라이저 회로를 구성하기전 연산증폭기를 이용한 반전 증폭기, 비반전 증폭기와 같은 기본적인 회로의 이해가 필요하다. 반전 증폭기는 입력된 신호에 대해 정해진 증폭도로 신호가 반전되어 출력되는 증폭기이다. 음(-)전압은 양(+)전압으로, 양(+)전압은 음(-)전압으로 신호의 모양은 유지하면서 증폭된다. 비반전 증폭기는 입력된 신호에 대해 정해진 증폭도로 신호가 반전되지 않고 그대로 출력되는 증폭기이다. 비반전 증폭기에서 증폭된 출력이 3가지의 다중 귀환 대역통과 필터를 거치면서 60Hz, 250Hz, 1000Hz의 주파수를 통과 시키게 만든다. 포텐시오미터를 이용하여 각각의 주파수만 강조하여 출력파형과 소리에 변화를 확인하고 가산증폭기를 연결하여 서로 다른 3가지의 출력파형을 하나로 만든 후 관찰한다. 2본적인 비반전 증폭기, 다중 귀환 대역통과 필터, 가산증폭기에 대한 기본원리에 대해 알아보고 3장에서는 멀티심을 이용한 예비실험에 대하여 기술하고 4장에서는 ELVIS를 이용한 실험결과를 기술하고 5장에서는 결론을 제시한다.Ⅱ. 원리1. 비반전 증폭기그림1. 비반전 증폭기입력신호는 비반전 입력단자(+)에 인가되며 출력은 와 는 전압분배 회로(voltage divider circuit)를 이루고, 이로인해 이 감소되며 감소된 전압을 반전 입력단자(-)에 연결시켜 부귀환을 형성시킨다. 귀환전압을 식으로 표현하면 다음과 같다.입력전압 와 귀환전압 의 차이는 연산증폭기의 차동입력과 같다. 연산증폭기의 개루프 이득()에 의해 차동전압이 증폭되므로 출력전압은 다음 식과 같다.=(-)귀환회로의 감쇠율(attenuation)은로 정의한다. 이 때 를 B으로 치환하면 다음과 같다.=(- B)그림1에 있는 증폭기의 전체 전압이득은 /이므로이고, B는 보통 1보다 훨씬 크므로, 위의 식은 다음과 같이 간략화될 수 있다.비반전 증폭기의 폐루프 이득()은 귀환회로의 귀환율(B)의 역수이다.식(1)B>>1인 조건에서 폐루프 이득은 연산증폭기의 개루프 이득에 전혀 의존하지 않으며, 폐루프 이득은 과 의 값에 의해서만 결정된다.2. 다중 귀환 대역통과 필터그림2. 다중 귀환 대역통과 필터와 을 통해 두 개의 귀환 경로가 형성된다. 그림2에서 과 은 저역통과 응답을, 와 는 고역통과 응답을 나타낸다. 최대 이득 는 중심주파수에서 일어난다. 이러한 형태의 필터에서는 10 이하의 Q값이 일반적이다.귀환 경로 에서 볼 때 과 가 병렬연결 형태가 되므로(입력 을 접지로 대체한 상태로), 중심주파수는 다음과 같이 표현된다.여기서 편의상 ==C 라고 하면, 다음과 같이 간단히 할 수 있다.식(2)간편하게 하기 위해 커패시터값을 먼저 선택하면 , BW, 의 적절한 값을 위한 세 개의 저항을 결정할 수 있다. Q값은 Q=/BW관계로부터 구할 수 있다. 저항값들은 다음 식으로 구한다.식(3)식(4)식(5)하면식(6)3.가산증폭기그림3. 가산증폭기가산증폭기(Summing amplifier)는 둘 또는 그 이상 입력의 합이 출력의 음(-)의 값으로 나온다. 그림3은 두개의 입력을 갖는 가산증폭기이지만 둘 이상의 입력을 가질 수도 있다. 회로의 동작과 출력은 다음과 같다. 두 전압 과 가 입력에 인가되면 전류 과 가 흐른다. 무한대의 입력 임피던스와 가상접지 상태이므로 연산증폭기의 반전(-) 입력은 거의 0V이며, 전류가 흐르지 않는다는 것을 알 수 있다. 이는 두 입력전류 과 가 합해져 전체전류()가 저항 를 통해 흐른다는 것을 의미한다.=+이므로, 다음 식이 성립한다.식(7)Ⅲ. 예비 실험1. 회로 구상도그림4. 회로 구상도그림5. 멀티심을 이용한 이퀄라이저 회로도입력에 10mV를 인가하고 비반전 증폭기에서 증폭을 25배시키기 위하여 식(1)을 이용하면을 1KΩ으로 정하고 위 식을 정리하면세 개의 다중 귀환 대역통과 필터 회로에서 각각 60Hz, 250Hz, 1000Hz의 주파수가 통과하도록 하기 위하여 각각의 주파수에 대한 식(4), 식(5), 식(6)을 이용하여 저항값을 구한다. 이때 Q값=1.7, =4, C=0.01uF로 고정해서 구한다.1) 60Hz 주파수 대역통과필터식(4)를 이용하여 의 값을 구하면식(6)을 이용하여 의 값을 구하면→식(5)를 이용하여 의 값을 구하면2) 250Hz 주파수 대역통과필터식(4)를 이용하여 의 값을 구하면식(6)을 이용하여 의 값을 구하면→식(5)를 이용하여 의 값을 구하면3) 1KHz 주파수 대역통과필터식(4)를 이용하여 의 값을 구하면식(6)을 이용하여 의 값을 구하면→식(5)를 이용하여 의 값을 구하면4) 60Hz, 250Hz, 1KHz의 입력을 인가하였을 때 각 대역통과필터의 출력(CH1 = 60Hz BPF, CH2 = 250Hz, CH3 = 1KHz)그림6. 60Hz를 인가하였을 경우그림7. 250Hz를 인가하였을 경우그림8. 1KHz를 인가하였을 경우그림6, 7, 8을 보면 주파수를 60Hz, 250Hz, 1KH수에 해당하는 대역통과필터에서만 약 1V에 가까운 출력이 나타나는 것을 확인할 수 있다.Ⅳ. 실제 실험 결과저항값측정값113KΩ->110KΩ110KΩ253KΩ->240KΩ240KΩ902KΩ->1MΩ984KΩ216KΩ->220KΩ220KΩ27KΩ26.86KΩ61KΩ->68KΩ67.71KΩ54KΩ->56KΩ55.66KΩ6.8KΩ6.71KΩ15KΩ14.79KΩ1KΩ995Ω24KΩ->22KΩ21.76KΩ2KΩ1.96KΩ표1. 저항값멀티심을 이용한 예비실험에서는 좀 더 정확한 저항값을 사용하였지만, 실제 실험에서는 계산된 저항값과 가장 가까운 저항을 선택하여 사용하였다. 표1은 사용한 저항과 실제 측정된 저항값을 나타냈다.이퀄라이저 회로를 설계 후 펑션 제너레이터(Function generator, 이하 FGN)를 연결하여 각각의 대역통과 필터에 60Hz, 250Hz, 1KHz의 주파수를 인가하여 각각의 출력파형을 관찰 후 FGN를 빼고 스피커와 오디오를 연결하여 각 대역통과필터의 포텐시오미터를 이용하여 소리와 파형을 관찰한다.1) 60Hz 대역통과필터a. 60Hz를 입력으로 주었을 때b. 250Hz를 입력으로 주었을 때c. 1KHz를 입력으로 주었을 때60Hz의 주파수를 인가하였을 때 60Hz 대역통과필터에서 출력이 가장 많이 증폭되는 것을 알 수 있다.2) 250Hz 대역통과필터a. 60Hz를 입력으로 주었을 때b. 250Hz를 입력으로 주었을 때c. 1KHz를 입력으로 주었을 때입력에 250Hz를 인가하였을 때 250Hz 대역통과필터에서 출력이 가장 많이 증폭 되는 것을 확인 할 수 있다.3) 1KHz 대역통과필터a. 60Hz를 입력으로 주었을 때b. 250Hz를 입력으로 주었을 때c. 1KHz를 입력으로 주었을 때입력에 1000Hz를 인가하였을 때 1000Hz 대역통과필터에서 출력이 가장 많이 증폭되는 것을 확인 할 수 있다.4) 오디오의 음악을 입력으로 주었을 때 스피커의 출력펑션제너레이터를 빼고 오디오를 연결하여 음악을 재생하였고, 출력에는 스피커를 장착하여역통과필터의 포텐시오미터를 키우고 나머지는 전부 줄이고 관찰하였다. 음악은 계속 흘러나왔으나 60Hz 대의 음역, 낮은 주파수의 소리만 통과시켜 증폭되었다. 마치 낮은 음이 울리듯 들렸다. 250Hz만 키우고 나머지를 전부 줄였을 때에는 60Hz일 때보다 약간의 높은 음역대의 소리가 강조되었다. 1KHz만 키우고 나머지를 줄였을 때는 가장 높은 음역대의 소리가 강조되었고 날카롭게 들렸다.Ⅴ. 결론본 보고서에서는 연산증폭기를 이용한 비반전 증폭기, 다중 귀환 대역통과 필터, 가산증폭기를 가지고 오디오 이퀄라이저 회로를 설계하였다. 비반전 증폭기에서 25배, 3개의 대역통과필터에서 각각 4배가 되게하기 위하여 60Hz, 250Hz, 1000Hz에 대한 주파수만 통과시켜 증폭시킬 수 있도록 위에서 나타낸 공식을 이용하여 저항값을 구하였다. 마지막에 가산증폭기를 구성하여 대역통과필터의 반전된 서로 다른 3가지 출력을 다시 반전시켜 하나의 출력으로 나타내었다. 각각의 대역통과필터에 해당하는 주파수만 통과시켜 증폭되는 것을 관찰하였다. 포텐시오미터를 사용하여 증폭의 크기에 변화를 주며 관찰하였다. 약간의 잡음이 생기는 출력이 관찰되었지만 성공적인 실험결과였다.본 실험을 통하여 고주파, 저주파를 통과시켜 증폭시키는 기본적인 이론에 대해 더 많이 알게 되었다. 뮤직플레이어 등을 통해서만 사용만 해보고 어떤 원리인지는 몰랐었다. 또 이퀄라이저가 전자회로의 연산증폭기를 이용한 회로로 구성되어 있다는 것도 이번 실험을 통해 알 수 있었다. 음악을 믹스하는 기계에 대해 관심을 많이 가지고 있던 시기여서 더욱 즐겁고 집중하여 강의 및 실험에 임할 수 있었다.실제 ELVIS를 이용한 실험 사진참고 BIBLIOGRAPHY l 1042 David M.BuchlaWetterling Steven. (2010년). “FLOYD 전자회로실험 제8판.” 도서출판 ITC.L.FloydThomas. “Electronic Device 전자회로 9판.” 교보문고.성낙진, 유선종, 안창환, 이명언 공저.
    공학/기술| 2020.08.18| 17페이지| 2,500원| 조회(808)
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  • 전자회로실험 연산증폭기를 이용한 오디오믹서
    오디오믹서(Audio mixer)OO공학과123456789 OOO본 보고서에서 기본적인 OP-AMP회로를 이용하여 서로 다른 세 입력(AUDIO, MIC, FNG )을 주고 출력에 스피커를 연결하여 출력을 관찰한다. 먼저 OP-AMP회로의 입력에 function generator(이하 FNG)를 연결 후 출력을 관찰한다. 다음 MIC와 AUDIO의 출력을 순서대로 관찰한 후 함께 사용한 출력도 관찰한다. 실험 결과를 통하여 서로 다른 주파수이기 때문에 잡음이 생기는 것을 알 수 있었고 소리도 증폭이 가능하였다.Ⅰ. 서론오디오 믹서는 OP-AMP를 이용한 회로이다. 그렇기 때문에 기본적인 연산증폭기(OP-AMP)를 알아야 한다. OP-AMP는 한 개의 차동입력과, 대개 한 개의 단일 출력을 가지는 직류 연결형 고이득 전압 증폭기이다. 하나의 연산 증폭기는 그 입력 단자 간의 전압 차이보다 대개 백배에서 수 천배 큰 출력 전압을 생성한다.그림1. 연산증폭기의 기본 회로 기호그림2. 기본 OP-AMP 패킷오디오 믹서 회로를 구성하기전 OP-AMP를 이용한 반전 증폭기, 비반전 증폭기와 같은 기본적인 OP-AMP회로의 이해가 필요하다. 반전 증폭기는 입렵된 신호에 대해 정해진 증폭도로 신호가 반전되어 출력되는 증폭기이다. 음(-)전압은 양(+)전압으로, 양(+)전압은 음(-)전압으로 신호의 모양은 유지하면서 증폭된다. 비반전 증폭기는 입력괸 신호에 대해 정해진 증폭도로 신호가 반전되지 않고 그대로 출력되는 증폭기이다.본 실험에서는 반전증폭기를 이용하여 서로 다른 세 입력과 입력저항의 값을 변경해가며 출력을 관찰한다. 2장에서는 기본적인 연산증폭기 회로에 대한 기본 원리와 오디오 믹서에 대해 알아보고 3장에서 실험결과를 기술하고 4장에서 결론을 제시한다.Ⅱ. 이론1. 연산 증폭기의 특성연산 증폭기를 사용하여 증폭기를 만들 때, 이득이 무한대 이므로 주로 되먹임회로에 의해 원하는 이득을 얻는다. 이상적 연산증폭기의 특성을 반영하기 위해 다음 2가지 특성을 규정한다.- 과서의 기준전압 0V가 필요한데 이것을 가상 접지라고 한다. 연산 증폭기를 사용해서 회로를 설계할 때, 대부분은 양전원과 음전원을 사용한다. 이렇게 되면 단자는 Vs+, Vs-, GND(기준전압0)을 사용한다. 이렇게 되면 신호의 GND와 전원의 GND가 같기 때문에 가상 접지를 고민할 필요가 없다. 어느 경우든, 첫 번째 조건은 '의 전압이 같다'라는 의미가 중요하다. 이 개념은 연산증폭기 회로해석에서 중요한 특징이 된다.연산증폭기에 중요한 3가지 용어• 입력 오프셋 전류- 출력 전압이 0일 때 두 입력단자를 통해 흐르는 전류의 차이• 입력 오프셋 전압- 출력전압을 0으로 하기 위해 두 입력 단자 사이에 인가해야 할 전압. 실제로는 OP-Amp내부의 TR, FET등의 불균일 때문에 입력 단을 0으로 하여도 내부회로에는 수 mV의 전압이 남게 되는데 이 전압을 입력 Offset 전압이라 한다.• 입력 바이어스 전류- 두 입력 단자를 통해 흘러 들어가는 전류의 평균치2. 반전 증폭기한 개의 차동입력과, 대개 한 개의 단일 출력을 가지는 직류 연결형 고이득 전압 증폭기이다. 서론에서 언급했지만 출력에서 신호의 모양은 유지되지만 신호가 반전이 되어 나타나는 증폭기이다.그림3. 반전 증폭기 회로반전 증폭기의 이득을 구하기 위해 회로에서 방정식을 세우면전압 V− 는 Vout과 Vin 사이의 Rf과 Rin에 의한 전압 분배 형태이다. 따라서 V− 전압 형태로 방정식을 세우면이득 방정식 Vout 구하기 위해 V−을 치환하면여기서 가 매우 크면(이상적 연산 증폭기는 무한대) 다음과 같이 근사화 시킬수 있다(1)2. 반정 증폭기 이득그림3. 연산증폭기 특성을 이용한 반전 증폭기 해석연산 증폭기의 특징인 입력단자 V+와 V- 에 흘러 들어가는 입력 전류는 0이고, V+와 V- 의 전압은 같다. 따라서 회로에서 Rin과 Rf에 흐르는 전류는 같다. V- = V+ = 0, =0 이므로 V- 노드에서 KCL 방정식을 세우면따라서 Av(전압이득, G)은(2)연산 증폭기의 입력 단자에 흐면출력전압을 구하기위해 양변을 정리하면(3)만약 n개의 입력으로 증가 된다면 출력전압은 다음과 같다n개만큼 입력이 늘어나도 출력전압은 위 식과 같은 규칙성을 보인다.4. 오디오 믹서그림6. 오디오 믹서의 예오디오 믹서(audio mixer)는 오디오 신호의 믹싱을 수행하는 전자장치이다. 여러가지 이름으로 불리는데, 믹싱 콘솔, 믹싱 데스크, 그리고 사운드 보드라고도 한다. 오디오 믹서는 녹음 스튜디오, 방송, 영화 후반 작업, 그리고 확성 시스템 등과 같은 많은 환경에서 사용되고 있다. 오디오 믹서는 소리의 세기 및 음색, 그리고 위상과 서라운드 이미지를 제어할 수 있다. 오디오 믹서는 신호의 처리 방식에 따라 아날로그 믹서, 디지털 등으로 크게 나뉠수 있고, 믹싱을 통해 수정된 신호는 하나의 혼합된 신호로 볼 수 있다. 즉, 각 신호들을 믹싱함으로써, 전혀 다른 신호가 생성되는데, 사람은 그것을 혼합된 소리로 인지한다는 의미이다.오디오 믹서의 가장 기본적인 사용을 예로 들자면, 스피커로 들려지는 각 음원들의 채널들은 믹싱이 되기 전에, 사실상 신호적으로 독립되어 있는데, 청취자가 최종적으로 듣게 되는 스피커 채널은 모노의 경우 1채널, 스테레오의 경우 2채널로 제한되어 있다. 그렇기 때문에, 제작자는 여러 개의 채널들을 청취자가 최종적으로 들을 수 있도록 믹싱 해줘야 할 필요가 있는데, 그것이 오디오 믹서의 기본적인 사용 목적이라고 할 수 있겠다.더 쉽게 설명을 하자면 제작자에 필요한 마이크 채널이 8개라면, 소비자가 그 채널들을 다 들을 수 있기 위해서는 8개의 스피커가 필요할 것이다. 하지만, 일반적인 스테레오 시스템은 단, 두개의 스피커만을 사용하고 있다. 그 신호들을 섞는 것은 청취자가 아니므로 최종적으로 마스터링 과정에서 믹싱을 할 필요가 있다.본 보고서에서 다루는 오디오 믹서 실험은 MP3에서 나오는 소리와 MIC를 이용하여 간단하게 믹싱하고 출력을 관찰 할 것이다.5. 예비 실험서로 다른 3가지 입력(주파수는 동일)을 주고 회로를 나타내었다. 2, Rf/R2, Rf/R3의 값을 0.5가 되게 각각의 R1, R2, R3값을 구한다. 각각의 저항값을 20Ω, 200Ω, 400Ω이 된다. 출력파형은 그림5에 나타난 파형처럼 1.5V(그림5에서는 3Vpp로 나타냄)가 측정이 된다.그림7. multisim을 이용한 예비 실험Ⅲ. 실험결과그림8의 회로는 본 보고서에서 실험한 오디오 믹서 회로이다. 실험에 앞서 R1, R2, R3, R5의 저항 값을 구해야 했다.식(3)의 각 입력저항의 가중치를 이용하여 각각 100x, 1x, 1000x의 값이 되게 저항값을 지정했다.V1의 경우, 10mVpp를3.535mVrms로 나타내었다. EVISE를 이용하여 실험 하였다.그림8. 실험한 오디오 믹서 회로1. Audio, Mic 연결 법그림9. Audio, Mic Jack그림9의 회로에서 각각의 Audio, Mic의 입력단자와 그라운드에 그림 8의 +단자, GND를 연결한다. 그리고 이들의 입력 세기는 가변저항으로 조절이 가능하다.1. 10mVpp만 인가하였을 때그림10. 10mVpp 출력파형입력은 1kHz의 주파수와 10mVpp의 전압을 인가하고 실험했다.바로 실험을 하였을 때 첫번째 단의 출력파형은 측정이 되는데 두번째 단의 출력파형이 측정이 되지 않아서 재시간안에 측정을 하지 못했다. 회로도 정상이어서 다시 한번 만져보았는데 선이 문제였다. 출력쪽의 전선을 교체하니 다음과 같은 출력이 나타났다.그림10과 같이 같은 위상에 약 68배 정도 증가한다. 스피커를 연결하면 삐~ 소리가 들린다. 가변저항을 변화시키면 소리의 세기도 조절되었다.2. Audio만 연결 했을 때그림11. Audio 출력파형Audio(스마트폰 Mp3)를 연결하면 다음과 같은 출력파형이 나타난다.처음 연결 했을 때는 소리가 잘 들리지 않았다. 1번째 실험과 마찬가지로 엉켜있는 선들을 다시한번 정리하고 가변저항을 변화시켰더니 소리가 잘 들렸다. 음악을 일렉같은 빠른 비트의 음악으로 사용하였더니 파형의 변화가 들쑥 날쑥했고, 발라드같은 잔잔한 음악의 비트를 통한 본인의 목소리이다.4. Audio와 Mic를 같이 연결하였을 때그림13. Audio, Mic 출력파형Audio와 Mic를 동시에 연결한 후 관찰 하였다. Audio에서는 빠른 비트의 음악이 흘러나왔고 Mic를 통해서는 저음의 일정한 본인의 목소리를 지속적으로 인가했다. 여러가지 신호, Audio와 Mic를 동시에 연결해서 인지 잡음이 더 많았다. Mic에 통해 목소리를 제대로 듣기 위하여 Audio의 음악소리를 가변저항을 이용하여 줄이고 Mic의 목소리를 가변저항을 이용하여 키웠다. 음악소리를 조절할 때 가변저항을 이용하거나 오디오의 볼륨을 줄여도 된다. 하지만 가변저항을 이용하면 잡음이 더 줄어든다. 그림13과 같은 출력파형이 관찰되었다.Ⅳ. 결론본 보고서에서는 연산증폭기를 이용한 반전회로를 사용하여 서로 다른 3가지의 입력에 대한 출력을 비교하고 변화를 관찰하였다. 서로 다른 3가지의 입력에 대하여 각각의 저항을 100배, 1배, 1000배로 맞추어 저항값을 구하여 사용하였다. 그 이유는 세가지의 입력이 같는 크기가 다르기 때문에 저항값을 다르게 부여하였다. 부귀환회로에서의 저항값은 1MΩ으로 고정하였다. 두번째단의 저항도 1MΩ으로 되어있는데 이것은 전압 이득이 1이되게하여 전압은 변화가 없고, 부귀환회로이기 때문에 위상만 반전되어 나오게 만들기 위함이다. ELVIS의 오실로스코프를 이용하여 파형을 측정하고 그 파형이 그대로 SPEAKER를 통해 출력되었다. 실험을 하면서 전선과 몇몇 기기들의 불량으로 시간이 많이 지체 되기도 하였다. Audio와 Mic를 함께 연결하였을 때는 잡음이 많이 생겼다. 이유는 서로 다른 주파수의 특성을 가지고 있기 때문에 출력에서 합쳐져 출력파형에 잡음이 많이 측정되는 것 같다.Ⅴ. 참고1.http://ko.wikipedia.org/wiki/%EC%97%B0%EC%82%B0_%EC%A6%9D%ED%8F%AD%EA%B8%B0#cite_note-1 (위키 백과 사전)2. http://blog.naver.com/paval7문고
    공학/기술| 2013.11.16| 15페이지| 2,500원| 조회(871)
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2026년 05월 30일 토요일
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