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[전자회로, 생체계측, 졸업작품] 광소자를 이용한 광용적맥파(PPG) 측정 회로 및 atmega를 이용한 맥박 측정 및 디스플레이 시스템 평가A좋아요

제출 20091027전자 회로Design of PPG monitoring &pulse rate measuring systemDepartment of Electronics & Information, SNUT2009.10.27Design of PPG monitoring & pulse rate measuring systemContentsContents설계 목적1PPG(Photoplethysmography)1측정 방법1설계 사양1소자선택1Block diagram2Analog stage2Digital stage2설계 과정3Sensor stage3Filter stage4Amplifier stage4∼5Differentiator stage5∼6Adaptive comparator stage7∼8Overall system circuit9∼10Simulation 결과10측정 결과11결과고찰 및 분석11∼12후기12Firmware source code13∼14참고15참고 자료15Data sheet16∼Design of PPG monitoring & pulse rate measuring system- 15□ 설계 목적○ PPG(Photoplethysmography)PPG란 광을 이용하여 측정하는 혈류량을 나타낸다. 일반적인 진단기구로 보편화 되어 있다. 체온, 맥박, 혈압, 호흡, 심전도 등 인체로 부터 측정되는 vital sign중 하나이며 중요한 건강 지표로써 사용된다. 보통 손가락, 발가락, 귓불 등 말초 혈관으로부터 측정되며 혈액의 양과 비례 또는 반비례한 파형을 monitoring 할 수 있다.○ 측정 방법LED와 Photo transistor 또는 Photo diode를 이용하여 PPG를 측정 할 수 있다. 손가락을 투과하는 빛의 양을 측정 하는 방법과 손가락으로부터 반사되어 나오는 빛의 양을 측정하는 방법으로 나뉜다. Photo transistor 또는 Photo diode에 조사되는 빛의 양에 따라 전류량이 달라지는 특성을 이용하여 혈류량의 변화를 측정 할 수 있다.lculationMedian filtering< 그림 2-a Digital system block diagram>- DisplayDisplay< 그림 2-b Digital system block diagram>□ 설계 과정< 그림 3 Sensor stage >○ Sensor stage- IRED(EL-23G)를 구동하기 위하여 220의 저항을 직렬로 구성하였다. EL-23G의 maximum forward current가 60이다. 220을 선택하여 대략 16.8가 흐를 수 있도록 하였다(Forward voltage가 typical 1.3). 이때의 intensity는 data sheet의 characteristic curve에서 대략 최대 intensity의 1/4지점으로 적당하다고 판단하였다.- Photo transistor(ST-23G)는 maximum collector current가 40이다. Data sheet의 내용만으로 설계를 하는데 있어서 빛이라는 parameter가 관여되어 어려움을 느껴 실험을 통해 저항을 결정 하게 되었다. 측정 결과 형광등이 켜 있는 실내에서 손가락을 얹지 않았을 때에 0.2가량의 전류가 흘렀고, 손가락을 얹었을 때 반사 IRED 빛에 의해 0.8가량의 전류가 흐르게 되었다. 저항을 220으로 연결하고 손가락을 얹었을 때 전류가 증가하여 저항에 걸리는 DC 전압이 대략 0.2정도 증가하였다. AC 성분인 PPG signal은 < 그림 4-a >에서 처럼 40～60정도였다. 바로 다음 stage에 signal ground 기준으로 HPF를 통과 시킬 계획이었기 때문에 DC level은 중요한 사항이 아니었지만 손가락을 댔을 때와 땠을 때의 변화를 육안으로 확인하기 쉽게 하기 위하여 1.1의 저항을 선택 하였다. < 그림 4-b >에서 보이듯이 대략 1의 DC level 변화를 확인 할 수 있었다. 또한 < 그림 4 >를 통해 알 수 있는 것은 혈류량의 증가에 의해 반사되는 광량이 줄어들어 collector current가 줄 다른 사람의 PPG signal의 크기가 다른 것과 가변저항의 control 범위를 고려하여 설계 하였다. 아래 < 그림 6 >이 filter와 amplifier를 통과한 후 signal이다. Noise가 없고 대략 100배 정도 증폭된 모습을 확인 할 수 있다.< 그림 5 Filters and amplifier stage >< 그림 6 Filtered amplified PPG signal >○ Differentiator stage- 미분을 한 신호는 원 신호에 비해서 base line의 변동에 의한 영향이 매우 적다. 그렇기 때문에 comparator를 이용하여 peak detecting을 하여 주기를 검출 하는 과정에서 신뢰도를 높일 수 있는 좋은 방법이다. < 그림 7 >에서 보면, 미분 차수에 따라 신호의 base line의 영향이 줄어드는 것을 확인 할 수 있다. 이와 같은 미분기의 장점을 이용하기 위하여 미분기를 추가 하였다.- 미분은 frequency domain에서 transfer function이이다. 즉,의 기울기를 갖는 1차 함수이다. 따라서 HPF의 frequency response에서 저주파수 영역의 선형적인 부분을 이용하여 미분기로 사용한다. 선형인 부분은 cut off frequency의 위치에 따라 < 그림 9 >와 같이 달라진다. cut off frequency가 미분 대상 신호들의 frequency 영역 보다 멀게 되면 선형성이 좋아져 이상적인 미분과 근접하게 되지만 gain이 낮아져 증폭이 필요하게 된다.< 그림 7 미분 차수에 따른 신호의 변화 >< 그림 8 Differentiator stage >Cutoff frequency 150Cutoff frequency 1500< 그림 9 cut off frequency에 따른 기울기 변화 >< 그림 8 >의 미분기 회로를 수식으로 표현하면로 나타낼 수 있다. cut off frequency이다. Gain의 감소를 최대한 줄이기 위하여 0.83에서부터 3.33범위인 맥박의 freq. 이런 이유로 다이오드의 forward voltage에 의한 전압 감소 0.7를 생각하여 voltage follower와 summing amplifier를 이용하여 적정량의 DC level을 추가 하였다. 그리하여 < 그림 13 >과 같이 절묘하게 peak에 걸치도록 조절 하였다. 그 결과 < 그림 14 >와 같이 sharp하게 비교되어 peak detecting이 되었고 주기 검출에도 용의한 파형을 얻을 수 있었다. < 그림 12-b >와 < 그림 14 >를 비교해보면 그 차이를 알 수 있다.- Inverting amplifer를 이용한 반전 회로는 summing amplifier가 반전이기 때문에 다시 반전 시킬 필요가 있어 추가 하였다.< 그림 13 가산기를 통과한 신호 >< 그림 14 비교기를 통과한 신호 >○ Overall system circuit< 그림 15 Overall system circuit >- 전체 시스템 회로에서 아래에 있는 U1D OP-AMP는 signal ground를 만들기 위한 voltage follower이다.- MCP609의 data sheet를 보면 output short current가 17로 LED를 구동하기엔 충분하지만 취향에 따라 맥박이 뛸 때마다 꺼질 수 있도록 하였다.○ Overall system picture< 그림 16 Overall system >□ Simulation 결과○ orCAD PSpice simulation< 그림 17 PSpice simulation >- Adaptive comparator의 적합한 회로를 찾기 위하여 simulation tool을 적극 활용하였다.□ 측정 결과○ 각 stage별 측정 결과는 설계 과정에 모두 포함되어있다.○ 맥박 display< 그림 18 LED dot matrix display>< 그림 19 Output signal>- 분당 맥박 수가 96으로 표시 되었을 때 주기는 630이었다. 주기를 이용하여 계산을 해보면 95.238 정도로 display된 값과 비교해이지만 더 간소화 될 수 있을 것이다. 더 간단해 질 수 있는 회로를 간소화 시켜 개선할 필요성이 있다.□ 후기한 단계 한 단계 simulation하고 bread board에 꾸며서 확인하는 과정이 반복되면서 작품이 완성되어 갔다. 물론 막히는 부분이 생기고 작은 실수를 발견 못하여 붙잡고 있는 시간이 길어질수록 받는 스트레스가 커져 갔지만 한 단계씩 극복하면서 성취감을 느낄 수 있었다. 내가 생각해도 가장 어이가 없는 실수는 오실로스코프의 프로브 배율을 잘못 설정해 두고 ‘왜 예상치 못한 결과가 나오나..’하고 고민 했던 사건이다. 또 납땜이 끝나고 전원을 넣었는데 short가 난 사건이 있었다. 알고 보니 orCAD로 회로를 작성할 때에 VCC와 GND를 거꾸로 그린 것이었다. 다행이 OP-AMP가 망가지진 않았지만 이것 때문에 한 시간 정도는 붙잡고 있었던 것 같다. 다행이 OP-AMP가 좌우 대칭이어서 거꾸로 껴서 문제를 해결하였다. 만약 VCC와 GND가 대칭이 아니었다면 회로를 전면 보수하는 불상사가 벌어졌을 것이다. 납땜 과정에서 태워먹은 capacitor도 있어 찾아내는데 많은 시간이 걸렸다.조금 오버(?) 하면서 MCU를 사용하여 주기 계산과 display까지 하였다. 다른 과정에 비슷하게 많은 시간이 소요되었다. 하지만 도움이 되었다. 주기계산은 falling edge부터 다음 falling edge까지를 counting하여 계산 하였다. Digital로 더 처리 할 수 있는 부분도 있었지만 가능하면 아날로그 회로로 구연 할 수 있도록 하였다.항상 작은 실수이던 큰 실수이던 고맙게 생각한다. 하나하나 모여서 나만의 know-how가 된다.□ Firmware source code#include #include const unsigned char disp_f[10][8]={{0x07, 0x05, 0x05, 0x05, 0x07, 0x00, 0x00, 0x00}, //0{0x01, 0x01, 0x01, 0x01, 0x01, 0x00, 0x00, 0x

공학/기술| 2011.03.29| 18페이지| 5,000원| 조회(2,112)

졸업작품, 프로젝트, 전자회로, 맥파, 졸업, 대회, 맥박, ppg, 생체계측, 맥박측정

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[마이크로프로세서] atmega 128을 이용한 설정 가능한 시계, 밝기조절, 온도표시 설계(도트매트릭스 하드웨어설계, 소프트웨어 코드 포함) 평가C아쉬워요

제출 20091126Micro processorClock & Temperature sensing systemDepartment of Electronics & Information, SNUT2009.11.26Clock & Temperature sensing systemContentsContents설계 목적1설계 사양1설계 과정1Block diagram1Flow chart2온도 계산3CdS 이용 조절3∼4PCF8563 circuit4회로도5결과고찰 및 분석6후기6참고자료6Firmware source code7∼16Clock & Temperature sensing system- 16□ 설계 목적○ Real time clock 과 PCF8563을 이용하여 시계 구현I2C 통신을 하는 PCF8563의 통신 프로토콜과 slave 및 master의 관계를 이해한다. 서로 다른 Data를 처리하여(BCD to ASCII code) 날짜 및 시간 정보를 8 by 8 LED display를 이용, 출력한다. 또한 해당 IC의 register 구조도 파악한다.○ CdS 와 Thermistor ADC광량 sensor인 CdS와 온도 sensor인 thermistor를 이용하여 회로를 꾸민 후 ADC 처리를 한다. Thermistor를 이용하여 입력받은 ADC를 이용하여 현재 온도를 추측하여 출력하고 CdS를 이용하여 밝을 때에는 LED를 최대한 밝게 하고 어두울 때에는 전류 절약을 위하여 LED의 밝기를 감소시킬 수 있도록 설계한다.□ 설계 사양○ 상온 25℃에서 5인 thermistor 사용○ CdS는 보통 수에서 손으로 가리면 60이상 올라가는 소자 사용○ 8 by 8 LED dot matrix 사용○ ATmega128 사용○ Real-time clock/calendar PCF8563 사용○ 앞의 소자들을 사용하여 연, 월, 일, 요일, 시, 분, 온도 display○ 배터리를 활용하여 PCF8563 전원이 off되어도 시간정보 유지○ 4개의 스위치를 이용하여 시간 settin추가□ 설계 과정○ Block diagram- 위의 나열된 소자들이 아래 그림 1과 같이 서로 입출력을 주고받는다.○ Flow chart(firmware)- Polling 방식의 switch를 사용하였다.- 휘도 가변을 위하여 Fast PWM을 사용, Overflow와 compare 두 개의 interrupt를 사용한다. Overflow interrupt는 1당 한번 씩 발생하며 LED dot matrix의 한 열씩을 출력하게 된다. 총 8개의 열을 출력하는데 걸리는 시간은 8이다.- PCF8563과의 TWI통신은 TIMER0 overflow interrupt를 이용 1마다 한번 씩 이루어진다.○ 온도 계산- 지급된 5 ℃단위의 table과 회귀식을 구하는 프로그램 그리고 MATLAB을 이용하여 온도 테이블을 만들었다.- ADC는 8bit로 0∼255사이의 수를 받는다.- 입력되어있는 table에 mapping하여 해당 ADC 값에 일치하는 온도를 출력한다.○ CdS 이용 휘도 조절- CdS 역시 8bit의 ADC 결과를 사용하였다.- 실험결과 낮에 실내에서 220의 ADC결과를 얻었고 밤에 실내에서 140가량 완전히 가렸을 경우 60 가량의 ADC결과를 얻었다.- TIMER0의 Fast PWM mode를 사용하여 overflow interrupt에서 저장된 데이터를 위의 그림2 flow chart에서처럼 1당 한 row씩 데이터를 출력하고, OCR0의 값에 대한 compare interrupt 발생 시 모든 LED를 끄게 하여 그림5 에서처럼 LED가 켜져 있는 시간을 조절하여 휘도를 조절한다.- OCR0의 값은 CdS를 이용하여 ADC받은 값을 바로 적용하여 밝을 경우 LED가 on되어 있는 시간을 길게 하여 밝게 하고 어두울 경우 반대로 on되어 있는 시간을 짧게 하여 그 휘도를 조절한다.LEDs OFFLEDs ONonoff○ PCF8563 circuit- Battery를 이용하여가 off되었을 경우에도 PCF8563에 전원을 공급하여 시간정보를 유지시킨attery의 충전을 방지하기위한 diode와 배터리 전류가 외부 회로로 빠져 나가는 것을 방지하기 위한 diode를 사용하였다.- SCL과 SDA port는 open collector 구조이기 때문에 4.7의 저항으로 pull-up하였다.- RTC 32.768의 crystal이 사용된다.○ 회로도□ 결과고찰 및 분석설계 과제의 목표는 모두 달성 하였다. 한 가지 아쉬운 점은 온도를 table을 이용하지 않고 연산을 통해 구하여 출력하고 싶었는데 그러지 못하였다. 문제점으로는 연산과정이 너무 길어서 다른 연산 및 처리에 영향을 주었다. 결국 포기를 하고 table을 이용하여 출력할 수 있도록 하였다. 온도 표시는 1 ℃단위의 목표가 있었기 때문에 table을 이용하여도 많은 메모리가 필요하지 않고 처리를 할 수 있기 때문에 상관없다고 판단하였다. 또한 계산이 매우 줄었기 때문에 다른 처리에 대한 부담이 줄어들었다.스위치를 이용하여 시간을 수정하는 부분에 대해서는 polling 방식을 사용하였는데 이는 interrupt 방식의 선택보다 더 좋은 선택인가 하는 의문이 생기긴 했지만, Interrupt port가 이미 사용 중 이어서 다시 납땜을 하기 귀찮아 polling방식을 선택하게 되었다. 결과는 같았다. 만족스러운 스위치 동작을 보였다. 스위치를 사용하는데 있어서 chattering의 제거는 필수였다. Chattering은 처음 스위치 동작을 읽고 10이후에 다시 한 번 더 동작을 읽어서 같을 경우에만 넘어갈 수 있도록 하였다. 스위치의 감도를 위하여 40의 딜레이를 스위치 동작에 추가 하였다.LED dot matrix의 font가 맨 아래의 한 줄은 출력을 하지 않아 그 한 줄을 활용하여 setting mode에서 연, 월, 일, 요일, 시간, 분 각각의 setting 위치를 표시 할 수 있도록 하여 편하게 setting할 수 있도록 하였다.□ 후기처음부터 끝까지 조금은 긴 code를 스스로 coding 했다는 데에 매우 뿌듯하였다. 물론 막히는데 없이 잘아니다 수많은 시행착오와 수많은 실수가 주마등처럼 뇌리를 스친다. 막히는 부분은 인터넷 검색으로 유사 사례를 보고 많은 도움을 얻기도 하였다.큰 사건 하나는 코딩을 하다 한 3일정도의 code를 날려먹었다. 순간 의욕을 잃긴 했지만 한 2일 쉬고 다시 시작하여 새로운 마음으로 코딩을 하였다.이번 과제로 인해 정말 많은 것을 배웠다고 생각한다. 또한 뭐든지 만들 수 있을 것 같은 자신감을 얻게 되었다. Level up.□ 참고자료○ Data sheet : ATmega128, PCF8563○ 강의 자료○ 인터넷검색□ Firmware source code#include #include #include #include "f8x8a.c"int temp_data[159]={50,50,49,49,48,48,47,47,46,46,45,45,44,44,44,43,43,42,42,41,41,40,40,40,39,39,38,38,37,37,37,36,36,35,35,35,34,34,33,33,33,32,32,32,31,31,30,30,30,29,29,29,28,28,28,27,27,26,26,26,25,25,25,24,24,24,23,23,23,22,22,21,21,21,20,20,20,19,19,19,18,18,18,17,17,17,16,16,16,15,15,14,14,14,13,13,13,12,12,12,11,11,11,10,10,9,9,9,8,8,8,7,7,6,6,6,5,5,5,4,4,3,3,3,2,2,1,1,1,0,0,-1,-1,-2,-2,-3,-3,-3,-4,-4,-5,-5,-6,-6,-7,-7,-8,-8,-9,-9,-10,-11,-11,-12,-12,-13,-13,-14,-15}; //온도 테이블unsigned char degree_centigrade[8] ={0x00, 0x03, 0x03, 0x38, 0x44, 0x44, 0x44, 0x28}; // 도씨 폰트#define shift_time 80 // set fonts shfting time#define adc_pomp 1#define adc_port_cds 2/////////////////////////////////////////////////////////////////////////// the defining variables /////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////unsigned char scan;unsigned int i, a, b=0, c=0;unsigned char temp[200];unsigned char temp_set[24];unsigned char RTC_data[7];unsigned char timer_flag;unsigned char cds_sensitivity;unsigned char set_bt=0, up_bt=0, down_bt=0, jump_bt=0;unsigned char LED_num=9;unsigned char end_setting;unsigned char setting_mode=0;unsigned char jump_cnt=0;int temp_out;unsigned char adc_temp;unsigned char cal_cnt;/////////////////////////////////////////////////////////////////////////// the interrupts service routine /////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////#pragma vector=TIMER0_OVF_vect__interrupt void timer0(void) // timer0 1 KHz ; 1 ms{timer_flag=1;TCNT0=6;if(cds_sensitivity>210) OCR0=249;if(cds_senity

공학/기술| 2011.03.29| 18페이지| 5,000원| 조회(1,665)

소프트웨어, 펌웨어, 디지탈시계, ATmega, 조도센서, ATmega 128, 시..

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[통신시스템] MATLAB을 이용한 AM 수신기 설계 과제

1. Transmitter에서 보내고 싶은 message signal 가 다음과 같이 주어졌다.위의 message 신호가 의 carrier에 실려 DSB-SC modulation 되고, modulated signal을 라 하자. 일때,A. 와 의 Fourier transform을 MATLAB의 fft() function을 이용하여 구하고 주파수 영역에서 각각 plot 하시오.B. 수신 측에서 수신 신호 를 demodulation하기 위하여 에 를 곱한 다음의 특성을 가지는 low pass filter를 통과 시켰다.MATLAB을 이용하여 demodulation 된 신호를 시간과 주파수 영역에서 각각 plot 하고, 송신 측에서 보낸 message 신호와 비교하시오<중 략>설계한 미분기의 단점은 바로 선형인 부분을 찾기 위해 기울기가 완만해 져서 gain이 많이 준다는 것이다. gain이 줄면 증폭을 하면 되지만 단점으로 작용하는 것이 신호가 작아져서 잡음에 영향을 더 받지 않을까 생각해 본다. 그리고 증폭을 하기 위한 전력도 더 많이 소모 될 것이다. 또한 어쩔 수 없는 부분이지만 선형처럼 보이긴 하지만 완전 한 선형이 아니어서 출력신호가 왜곡이 생기는 단점도 있다.미분기의 기울기를 결정하기 위해서 RC의 값을 결정 할 때에 많은 고민을 하였다. 선형으로 하자니 gain이 줄어들고, gain을 높이자니 덜 선형적으로 바뀌어서 신호의 왜곡이 생기기 때문이다. 하지만 gain이 다소 줄어들더라도 가급적으로 선형으로 설계 하였고 위의 출력 결과에서도 볼 수 있듯이 원 신호에 거의 흡사한 결과를 얻을 수 있었다.개선해야 할 점은 아마도 gain과 선형성의 관계에서 최적의 관계를 찾아서 파형 왜곡을 최소화 시키면서 이상적인 결과를 얻는 것이 아닐까 생각해 본다. 하지만 설계 후 생각해보니 gain과 선형성은 서로 trade off의 관계가 아닐까 생각해 본다.

공학/기술| 2011.03.29| 20페이지| 4,000원| 조회(679)

통신시스템, MatLab, 설계, AM, 수신기, am 변조, am 모듈레이션

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[제어공학] R L C 수동소자 이용 과도응답 특성 결정 회로 설계

제출 20090610제어공학R, L ,C circuit designContentsContents설계 목적설계 사양모델링 결과설계 과정시뮬레이션 결과결과고찰 및 분석R, L, C circuit design - 7R, L, C circuit design□ 설계 목적수동소자인 R, L, C가 서로의 값에 따라 상이한 과도응답특성을 보인다는 것은 수업시간을 통해 알았다. 이제 실제로 원하는 반응을 보일 수 있는 회로를 설계할 준비가 되었다.R, L, C의 소자값들은 회로에서 특히나 C의 충전과 방전 시간을 결정짓는다. 이는 특히 주파수와 함께 다루는 회로에서 중요하다고 생각한다. 예를 들어 Filter로 동작 할 경우에도 R과 C의 곱인 Time constant가 중요한 설계 Parameter가 된다. 이와 같이 특정한 주파수 대역을 Filter할 경우에도 설계과정에서 이 과도응답 특성을 고려한 설계가 되어야 한다.R, L, C의 소자값들을 이용하여 발진 할 경우에도 Undamped의 과도응답 특성을 보이는 조건을 이용하여 쉽게 설계할 수 있다.설계의 방향은 먼저 정한 사양에 의해 나머지 Parameter를 유도하고, 유도된 Parameter와 R, L, C회로의 전달함수와의 관계로 상수들의 수치를 설정 한 후, MATLAB으로 Simulation하는 순서로 진행 할 것이다. 나아가 PSpice를 이용하여 최종 Simulation한 후 전압이 어떻게 변화하는지 확인하고 마무리 정리하기로 계획하였다.□ 설계 사양Input := 1단위 계단 입력Output :Capacitor에 걸리는 전압= 10= 30Underdamped Transient response위와 같은 설계 사양을 선택하였다. Amplitude가 최초로 1.02∼0.98의 범위에 들어오는가 10이고 특성식의 근이 복소근인 Underdamped로 설계하기로 마음먹었다. 또한 Overshoot를 최종치의 130가 되게 할 것이다.1의 단위 계단 입력과 Capacitor에 걸리는 전압를 출력으로 한다.□ 모델링 결과○ 회로 구성○ 전달함수 유도KVL을 이용하여 방정식을 세운다.초기조건을 0으로 가정하고 Laplace transform한다.입력전압에 대한 Capacitor의 Impedance에 걸리는 전압의 비를 이용하여 방정식을 바꾼다.출력/입력의 형태로 바꿔주어 전달함수를 유도한다.○ 모델링위에서 얻어진 전달함수를 이용하여 아래와 같이 모델링 될 수 있다.□ 설계 과정설계를 앞서서 정했던 사양들을 이용하여 해당 응답을 결정지을 수 있는 R, L, C값을 경정 지어야 한다. 교수님께서 강조하셨듯이 Design은 Analysis의 역순이다.위에서 구한 전달함수의 분모를 0으로 만드는 Characteristic equation을 이용하여 설계를 하긴 무리다. 따라서 고유 주파수과 감쇠비를 이용한 식으로 모양을 바꾸어 고유 주파수와 감쇠비를 구하고 R, L, C값을 유도하는 것이 용의하다.가장먼저를 이용하여를 유도하는 것을 실마리로 설계에 들어갔다.를 구할 수 있는 식으로 정리하고 설계사양인30을 대입한다.다음으로를 구하는 식을 이용한다.에 대하여 정리하고 위에서 구한와 사양인를 대입하여을 구한다.이것으로 고유 주파수와 감쇠비가 모두 구해졌다. 따라서 전달함수를 구할 수 있다.전달함수가 정해졌으므로 위의 식을 이용하여 R, L, C의 비율을 정하면 된다. 먼저 R을 100으로 설정하고 나머지 L과 C의 값을 정하였다. 가능하면 소자가 실제 사용 가능한 범위에 있는 값으로 결정될 수 있도록 하였다.위의 전달함수의 관계에 의해서 아래와 같이 L과 C를 구할 수 있다.추가로 고유주파수와 감쇠비를 이용하여 Peak time을 구할 수 있다.□ 시뮬레이션 결과○ MATLAB 시뮬레이션설계과정에서 모두 MATLAB을 이용하여 계산 하였다. 소스는 다음과 같다.clear allclc;%%os=30; % %Overshoot 사양Ts=10*(10^-6); % Setting time 사양zeta=-log(os/100)/((pi^2+log(os/100)^2)^(1/2)) % %Overshoot를 이용한 감쇠비 유도식wn=4/(zeta*Ts) % 감쇠비와 Setting time을 이용한 고유 주파수 유도식Tp=pi/(wn*((1-zeta^2)^(1/2))) % Peak time 유도식R=100 % 최초 저항값 결정L=R/(2*wn*zeta) % 전달함수의 관계를 이용 L 유도C=1/((wn^2)*L) % C 유도a=R/L % 특성방정식의 1차항 상수b=1/(L*C) % 특성방정식의 상수d=[1 a b];n=b;t=linspace(0,20*(10^-6),100);step(n,d,t)grid onroots(d) % 근다음과 같은 계산 결과를 보인다.zeta = 0.3579wn = 1.1178e+006Tp = 3.0099e-006R = 100L = 1.2500e-004C = 6.4031e-009a = 800000b = 1.2494e+012ans = 1.0e+006 *-0.4000 + 1.0437i-0.4000 - 1.0437i시뮬레이션 결과 다음과 같은 출력을 보인다.그림에서 보이는 것과 같이 Peak time이 정확히 3에서30을 보이는 것을 확인 할 수 있었다. 또한 Setting time이 설계 사양으로 설정한 것과 같은 10에서 최종치 기준으로2안에 들어온 것을 확인 할 수 있었다. 이로써 원하는 사양으로 정확하게 설계가 되었다.○ PSpice 시뮬레이션아래와 같이 회로를 구성하고 설계 과정을 통하여 정해진 R, L, C의 값을 설정 하였다.를 시뮬레이션 한 결과 다음과 같은 결과를 얻었다. 언뜻 보기에도 MATLAB 시뮬레이션 결과와 비슷한 결과라고 볼 수 있다.Peak time이 정확하게 3에서 나타났고 Overshoot 또한 정확하게 나타났다. Setting time은 약 0.3정도의 차이를 보였는데 거의 같다고 볼 수 있었다.□ 결과고찰 및 분석위의 결과에서 볼 수 있듯이, MATLAB과 PSpice의 시뮬레이션 결과가 근소한 차이가 있지만 예측 한 그대로 나타났다. MATLAB을 이용한 시뮬레이션은 교수님께서도 선보여 주셔서 많은 감흥은 없었지만 PSpice를 이용하여 R, L, C를 입력하여 하였을 때의 결과를 보고 실제로 제작해도 그대로 나올 것 이란 예상에 감동 받았다.결과를 분석하는데 있어서 수치적 값들의 계산은 위의 설계나 시뮬레이션 과정에서 다뤘기 때문에 생략 하고, 안정도와 과도응답에 대해 분석하겠다.이 과제를 통해 설계한 위의 회로는 감쇠비

공학/기술| 2011.03.29| 9페이지| 3,000원| 조회(552)

MatLab, 시뮬레이션, 제어공학, 모터제어, 수동소자, 과도응답특성

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전자회로 2단 트랜지스터 증폭기 설계

제출 20090611 전자 회로 Design Transistor Amplifier Contents Contents Transistor 기본 실험 측정 직류부하선 측정 Design Transistor Amplifier 조건 및 고려사항 소자값 결정 2 stage simulation Simulation 설계 결과 Breadboard 실험 Frequency response 결과(후기) 추가 설계 과정(MATLAB Source) Transistor 기본 실험 - 13 - Design Transistor Amplifier □ 측정 그림 1과 같은 회로에서 를 조정하여 변화하는 와 의 비율을 이용하여 를 측정해 보았다. < 그림 1 측정 회로 > 아래 표와 같은 실제 측정 결과를 얻었다. / 1 1.9 / 12.0 158.3 2 7.5 / 30.1 249.1 3 12.8 / 53.6 238.8 4 15.0 / 76.8 195.3 5 15.2 / 99.2 153.2 7.5 정도에서 최고점의 값을 보이고 더 증가함에 따라 다시 감소하는 비선형 적인 특성을 나타냈다. 를 5 이상 올려 를 더 크게 해도 는 더 이상 증가 하지 않았다. 는 약 15 로 나타났다. 공식에 의한 값과 크게 다르지 않았다. □ 직류부하선 위의 회로에서의 측정된 데이터를 이용하여 직류 부하선을 그렸다. < 그림 2 그림1회로의 직류부하선 > □ 측정 역시 위의 회로에서 를 충분히 증가시켜 상태로 만든 후 를 측정하여 를 측정하였다. 측정 결과 약 0.2 로 나타났다. 를 증가시켜 가 포화 상태가 되도 조금씩 증가하게 된다. 가 조금씩 증가하면서 의 값이 조금씩 또한 줄어든다. 전압을 무한정 올릴 수 없기 때문에 어디까지 줄어드는 지는 확인 해 보지 못했지만, 30 에서 0.07 까지 확인 하였다. □ Transistor Emitter와 Collector 교환 Transistor를 Base기준으로 Emitter와 Collector를 반대로 하여 어떠한 변화가 있는지 확인해 보았다. < 그림 3 Emitt 가운데 있지 못하고 10 로 조금 높은 레벨에 존재하지만 를 15V로 해서 출력전압의 범위를 넉넉하게 설계하였기 때문에 문제가 없다고 생각했다. 의 비율을 설정할 때는 Gain을 고려해야했다. AC에서 100배이기 때문에 에 의해서 증폭률이 달라진다. 각각 Stage에서 10배의 개인을 하면 곱해서 100이 되기 때문에 와의 비율을 생각하여 설계하였다. 를 로 하였기 때문에 이 되고 각 Stage의 Gain 10을 생각하여 으로 설정하였다. 자동적으로 이 되었다. 대략 이기 때문에 의 전압을 분배하기위한 과 를 계산하였다. 계산상 이다. 15 의 를 전압분배 하기 위해서 Stiff로 보고 1:4의 저항 값이 필요하였다. 과 의 저항을 너무 낮게 설계하게 되면 Stage2에서 Load로 작용하기 때문에 Gain이 낮아지기 때문에 적당한 값으로 설계해야 했다. , 로 설계하였다. 1 의 를 만들기 위해서는 를 100으로 생각했을 때에 10 의 가 필요하다. 나중에 Simulation을 통해 안 사실이지만 는 150정도였다. 또한 Stage2에서의 과 는 Stage1에서 Gain을 계산 할 때에 Load로 계산되기 때문에 Gain에 영향을 준다. 위의 계산값들을 이용하여 최초 설계한 회로이다. < 그림 4 최초 PSpice design > 다음 Capacitor를 설정하는데 조건인 10 를 이용하여 구했다. 10 일때 1 에서 Reactance를 계산하였더니 16 정도의 작았다. 따라서 다른 저항들에 비해 수백 배 이상 충분히 작은 값이기 때문에 1 로 설정하였다. 또한 시뮬레이션 결과 1 로 설계하였을 때 10 부분은 Center frequency 부분에 위치하였다. 주파수 응답에 대한 Simulation은 PSpice로 가능 했고, 수치적인 Gain의 변화는 MATLAB을 활용하였다. Reactance를 계산하여 Capacitor를 결정하는 방법을 썼지만 Center frequency를 10 라고 정해줬기 때문에, 교재 10장에 있는 증폭기 주파수 응답에서 각Av = 99.3144로 나타났다. 보유한 저항을 사용하기 위해서 과 의 저항을 같은 비율로 낮추었고, Stage 2에서 gain을 높이기 위하여 의 저항을 조금 낮게 설계 하였다. 물론 저항을 함부로 바꾸지 못한다. 이유는 Q-point가 안정적이지 못하게 바뀔 수도 있기 때문이다. 따라서 위의 처음 설계 과정과 같이 를 구하는 식을 이용하여 저항 값의 비율을 유지 시키면서 는 약 로 유지될 수 있도록 하면서 저항 값을 바꾸어 나갔다. 이러한 과정이 없었다면 분면 Q-point가 예상하지 못하게 바뀔 수 있겠지만 예상을 하면서 설계하였기 때문에 Stage2에서는 안정적인 Q-point를 유지 할 수 있었다. 또한 동시에 의 변화도 생각해야했다. 를 로 설계하였기 때문에 는 에 의해 결정된다. 그렇기 때문에 값의 설정 범위가 제한되었고, gain을 높이기 위한 방법으로 를 조절하였다. 물론 을 의 값보다 일정한 값 이상 크게 설계하여야 swamping 저항의 역할을 수행 할 수 있기 때문에 고려하였다. Gain이 Stage1에서 더 작고 Stage2에서 더 큰 이유는 두 Stage 모두 Gain을 10으로 맞추려 하면 Stage2의 저항 와 의 입력저항이 Stage1의 Load로 작용하기 때문에, Stage1의 Gain을 높이려면 Swamping 저항인 의 값을 줄이거나 의 값을 크게 해야 했다. 하지만 는 의 값보다 일정 값 커야 안정도가 유지되기 때문에 더 이상 낮추기는 무리였고, 를 높이니 Q-point가 안정적이지 못하게 되었다. 따라서 Load가 없는 Stage2에서 더욱 용의하게 Gain을 확보 할 수 있기 때문에, Stage2에서 Stage1보다 높은 Gain을 갖도록 설계하였다. < 그림 8 DC load line 및 Input&output signal > 그림 8은 각 Stage의 DC load line과 입력 신호에 대한 출력신호를 보인다. 안정적인 Q-point와 15 범위에서 입력과 출력이 존재하는 것을 확인할 수 있다. Stage 1의 nce가 같아지는 부분이다. 따라서 위상 차이는 45°가 발생하고 측정결과에서도 확인 할 수 있었다. □ 결과(후기) 1단 증폭기의 설계는 간단하다. 그리하여 2단 증폭기도 간단 할 것이라는 생각으로 만만하게 시작했지만 설계를 하면 할수록 손이 많이 갔다. 가장 처음 느낀 어려움은 바로 Q-point를 잡는 것이었는데 위에 설계 과정에도 포함 되어 있지만 를 먼저 정하고 이것을 실마리로 한 단계씩 설계해가면서 해결하였다. 와 가 비선형인 점도 처음엔 곤란하게 생각하였지만, 에 영향을 주는 는 Swamping resistance를 사용함으로써 의 변화에 의한 안정성을 보상했기 때문에 해결 할 수 있었다. 따라서 대략적인 수치(data sheet 참조)로 계산 후 Simulation 결과 와 의 비율로 값을 얻어서 더 확실한 계산을 하였다. 의 값은 위의 식에서 을 구할 때 의 값을 결정 하는데, 병렬 관계에서 의 변화에 역시 민감하게 반응 하지 않아서 Data sheet로 값을 예상해서 설계한 후 PSpice의 Simulation결과를 이용하여 역시 위의 을 구할 때의 식을 이용하여 방정식을 풀어 의 값을 찾아냈다. 찾아 낸 결과 위의 최종 회로에서 70∼80 사이의 값을 나타냈다. 를 일정 값으로 맞추는 일도 쉬운 일이 아니었다. 는 와 에 의존하는데, 를 마음대로 조정하면 Q-point가 변화하고 또한 Gain과 안정도도 고려해야 하기 때문에 를 15 의 절반이 7.5 로 하면 좋겠지만 그러기가 매우 힘들었다. 그래서 저항 값을 변경하여 Q-point의 최소한의 변화를 유지하면서 가 중간 Level로 올수 있게 노력한 결과 절반보다 다소 높은 9 정도로 설계 할 수 있었다. 계산으로 설계한 후 저항값을 찾아내는 것보다 더욱 힘들었던 작업이 바로 표준저항 값으로 재설계 하는 과정이었다. MATLAB으로 Gain과 여러 값들을 계산하여 PSpice에 적용시키는 방식으로 문제를 해결해 나갔다. 표준 저항들을 적용시키면서 Q-point가 다소 바뀌었는데, 특히 1단); ICQ1=IE1; ICQ2=IE2; IBQ1=ICQ1/BDC; IBQ2=ICQ2/BDC; %% 증폭률 Rp1=(R11*R21)/(R11+R21); Rp2=(R12*R22)/(R12+R22); Rinbase1=Bac*(re1+RE11); Rinbase2=Bac*(re2+RE12); Rintot1=Rinbase1*Rp1/(Rinbase1+Rp1); Rintot21=Rinbase2*Rp2/(Rinbase2+Rp2); Rintot2=Rintot21*RC1/(Rintot21+RC1); Rc1=(RC1*Rp2*Rinbase2)/(RC1*Rp2+Rp2*Rinbase2+RC1*Rinbase2); Av1=-(Rc1)/(re1+RE11) Av2=-(RC2)/(re2+RE12) %no load Av=Av1*Av2 Att=Rintot1/(Rintot1+Rs); % Rs에의한 감쇠 Avtot=Att*Av1*Av2 % 전체 이득 %% 입출력 범위 x=0:0.01:15; A=50*10^(-3); Vin=A*sin(x); Is=Vin/(Rs+Rintot1); Ib1=IBQ1+Is*Rp1/(Rp1+Rinbase1); Ic1=(Ib1-IBQ1)*Bac+ICQ1; Vb1=Vin*Att+VBQ1; Vc1=Av1*(Vb1-VBQ1)+VC1; Rp3=(RC1*Rp2)/(RC1+Rp2); Ib2=(Ic1-ICQ1)*Rp3/(Rp3+Rinbase2)+IBQ2; Ic2=(Ib2-IBQ2)*Bac+ICQ2; Vb2=Vc1-VC1+VBQ2; Vc2=(Vb2-VBQ2)*Av2+VC2; %% 주파수 응답1 fc=10000 C=10*10^(-6); XC=1/(2*pi*fc*C) Zp11=(RE21*XC)/(RE21+XC); Zp22=(RE22*XC)/(RE22+XC); Rinbase111=Bac*(re1+RE11+Zp11); Rinbase222=Bac*(re2+RE12+Zp22); Rintot111=Rinbase111*Rp1/(Rinbase111+Rp1); Rintot2211=Rinbase222*Rp2/(R

공학/기술| 2011.03.29| 15페이지| 4,000원| 조회(649)

트랜지스터, 증폭기, 전자회로, TR, 기초 전자회로

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