으로 분할.
14
[Save/Recall]
키를 누르면 파형 또는 설정을 저장하거나 호출할 수 있음.
6
트리거 컨트롤
오실로스코프에서 데이터 캡처를 위해 트리거 하는 방식을 결정하는 컨트롤.
실험 Ⅱ. 디지털 오실로스코프를 이용한 과도응답과 주파수 응답 측정하기
☞실험 목적
단순주기신호에 대한 동적 시스템의 입력과 출력의 특성인 주파수응답을 주파수의 변화에 따라 측정하여 주파수응답함수의 크기와 위상을 실험을 통해 학습한다. 또한, 일반적인 입력파형에 대한 회로의 과도응답을 관측한다.
☞실험장치
⑴디지털 오실로스코프
⑵함수발생기
⑶만능기판
⑷저항
⑸커패시터
☞실험 개요
전기회로에 커패시터나 인덕터가 포함되어 있으면 이 회로는 미분방정식으로 표현된다. 예를 들어 그림과 같이 저항 1개와 커패시터 1개로 이루어진 회로를 고려해 본다.
그림의 RC회로에서 aG사이의 입력전압 를 라 하고 b와 G사이의 전압 를 라 하면 와 사이의 관계는 다음과 같은 1차 미분방정식으로 표현될 수 있다.
(3)
식(3)의 특해를 라 하면, 입력과 출력의 비인 와 위상 (4)
즉, 가 된다.
과 는 주파수 의 함수이며 에 따른 과 의 변화를 나타낸 것을 주파수 응답이라 부른다. 이는 저주파(주파수가 낮은 파형)와 고주파(주파수가 놓은 파형)에 따른 회로의 특성을 나타내는 것으로 동역학 시스템의 연구에 매우 중요하다. 예를 들면, 움직이는 신호를 측정하는 계측시스템이라든가, 빠르게 움직이는 물체를 제어하고 추적하는 제어시스템을 해석하고 설계하는데 응용된다. RC회로의 경우 값이 저주파(낮은 )에서 크고 고주파에서 작으므로 저주파에 잘 반응하는 저역필터(lowpass filter) 특징을 가진다.
RC회로에서 저항과 커패시터를 바꿔 놓으면 CR회로가 되며, 와 는 다음과 같이 나타낼 수 있다. CR회로는 RC회로와 반대로 고주파에 잘 반응하므로 고역필터(highpass filter)특성을 가진다.
(5)
☞실험방법
1.RC회로
저역필터의 기능을 갖는 RC회로를 구성한다.
a와 G사이에 함수발생기를 이용해 의 전압을 가한다.
a-G단자를 디지털 오실로스코프의 CH1에 b-G단자를 CH2에 연결하고 파형을 관측한다.
함수발생기에서 발생하는 SIN함수의 주파수 를 변화시키면서 와 를 측정하고 이를 의 함수로 그래프를 그린다.
계산된 결과와 비교하고 이 회로의 특성에 대하여 설명한다.
의 SIN파 대신 사각파나 삼각파를 a와 G사이에 가하고 그 현상을 관측한다. 사각파의 파형의 모서리가 부드럽게 변하는 현상을 설명해보자.
2.CR회로
RC회로에서 R과 C의 위치만 바꾸어 highpass filter 기능을 갖는 CR회로를 구성한다.
RC회로 실험의 2~5과정을 반복한다.
☞실험 결과
⑴RC회로의 경우
R = 2.2 k C = 12 X 10 pF V = 1 v
①f=20kHZ
②f=180kHZ
③f=400kHZ
④ Bode diagram Bode diagram
⑵CR회로의 경우
R = 2.2 k C = 12 X 10 pF V = 5v
① f = 20MHZ f = 5MHZ
② f = 300 kHZ f = 1 MHZ
③ f = 100 kHZ f = 100 kHZ
④ Bode diagram Bode diagram
☞실험 후 분석
① 실험Ⅰ
실험의 목적에 맞게 함부로 다루기엔 다소 복잡하고 어려운 디지털 오실로스코프의 사용법을 실험을 하는 동안 스위치, 단자를 직접 다루면서 완전히 숙지하게 되었다.
② 실험Ⅱ
실험을 진행하다보니 CR회로에서 높은 주파수에서 값을 천천히 내리다보니 특정 값부터 그래프의 모양이 많이 바뀌어서 나타남을 발견하였고 그 값이 필터의 최대치라는 것을 알게 되었다. RC회로가 저주파에 잘 반응하는 저역필터이다보니 사각파를 출력할 때에도 그림상의 큰 문제가 없었는데 CR회로의 사각파 출력 그림을 보면 1MHZ, 100kHZ 일 때 사각형의 모습이 잘 나오지 않았다. 이는 실험과정 상에는 오류가 없었는데 저항과 커패시터, 볼트의 값이 달라지지 않는 이 실험 장치가 좋은 실험결과를 내기에는 부족하다고 생각된다. 만약 저항, 커패시터의 값이 달랐다면 더 확연한 차이를 보여주는 결과의 그림을 출력할 수 있었을 것이다. 이론적으로 RC회로에서 주파수가 높아짐에 따라 (출력비)가 낮아짐이 실험을 통해서도 확인이 되었는데 그래프에 표시하는 방법을 알지 못하여서 표시할 수 없었다.
☞실험후기
장비를 다루면서도 1학년 실험 때와는 다르게 컴퓨터가 각각 있고 장비의 가격 자체가 상당히 비싸서 다루는데 조심스럽게 되었다. 그리고 이런 장비를 다룰 기회가 주어졌다는 것에 감사함을 느꼈고 그제야 ‘이게 진짜 공대구나’ 라 생각되었다. 하지만 장비 수가 많지 않아 실험 기회가 많이 없었다는 것에다가 뒤의 조가 기다리고 있다는 생각에 다양한 변수 값으로 많은 시도를 못해본 것이 안타까웠다.
실험하는 동안에는 저항과 커패시터가 프로브의 집게와 물릴 때 어떻게 물리냐에 따라서 실험 결과 값이 흐릿하게 나오거나 오차가 크게 나오는 것을 관찰 하였다. 이로써 미세한 차이가 결과 값에 큰 영향을 준다는 것을 몸소 체험했다. 게다가 예습을 안해가서 그런지 실험의 이론, 주제, 진행과정 등을 몰라서 실험하는 동안에는 이해를 못했고 실험이 끝나고 자료를 정리하면서 알게 되었다. 미리 예습을 해갔다면 실험을 하면서 어떤 단자를 어디에 연결하고 그때마다 독립변수의 값도 어느 정도 다양하게 해야 하는지를 알 수 있었을 것 같아서 그게 조금 아쉬웠다.
비록 과가 전기전자쪽이 아니라 이번 실험이 앞으로의 전공 공부에 도움을 줄 수 있을 것 같다고 생각하였다. 하지만 보고서를 쓰면서 인터넷을 많이 찾아본 결과 일상생활에서는 많이 볼 수 있는 현상이었다. 대표적으로 음향기기, 라디오, 무선전화기 등에서 노이즈의 발생을 줄이기 위해 High Pass Filter(고역필터), Low Pass Filter(저역필터)를 이용하는 것이 그 예 들이다. 교수님께서 데이터와 전기신호 사이에서 변환이 일어나는 것을 설명해주셨는데 이것이 아닐까 생각하였다. 이 사실을 알고 나니 구체적으로 어떤 과정에 의해서 필터의 원리가 적용되는지도 알고 싶었다.