한경대학교 전기전자제어공학과 유동상 교수

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한경대학교 전기전자제어공학과

유동상 교수

(2)

(3)

• 실험 목적

- 펄스의 특성, 적분회로 및 미분회로의 원리 이해

• 강의 내용

- 펄스의 충방전 특성 - 적분회로

- 미분회로

• 오늘의 실험

- Multisim을 이용한 시뮬레이션

- 브레드보드에 회로 구성을 통한 실험 및 계측

(4)

• 펄스 (Pulse) 란?

- 하나의 전압 (전류) 레벨 (Baseline)에서 진폭 (Amplitude) 레벨로 의 급속한 전이 (Leading edge, Rising edge, 상승에지) 와 일정 시 간 후 다시 원래의 레벨로 되돌아 오는 급속한 전이 (Trailing edge, Falling edge, 하강에지)로 기술

- 이상적 펄스는 그림과 같이 두 개의 순간적인 전이와 펄스 폭 (Pulse width)라 불리는 시간의 간격 (Time interval)로 구성

(5)

• 실제 펄스

- 실제로는 순간적 전이가 불가능하여 전이를 위한 시간이 소요 - 상승시간 (Rise time) : 진폭의 10%에서 90%까지 상승하는데 걸

리는 시간

- 하강시간 (Fall time) : 진폭의 90%에서 10%까지 하강하는데 걸리 는 시간

- 펄스 폭 (Pulse width) : 상승시 진폭의 50%에서 하강의 진폭의 50%까지 걸리는 시간

(6)

• 펄스 파 (Pulse Wave) : 일정한 펄스 폭을 가진 펄스가 반복적되는 파 형

- 주기 (Period) T : 한 펄스의 상승에지에서 다음 펄스의 상승에지 까지의 시간

- 듀티 사이클 (Duty cycle) 또는 듀티 비 (Duty ratio) : 펄스 폭 (t_w)와 주기(T)의 비를 퍼센트로 표시한 것

[%]

 100

 T Cycle t

Duty

^w

(7)

e) )(Amplitud (dutycycle

baseline 

avg

 V

• 구형파 (Square Wave) : 50%의 듀티 사이클을 가진 펄스 파

• 펄스 파의 평균값

(8)

• 커패시터의 충·방전

펄스가 High로 상승하면 커패시터는 충전

펄스가 Low로 하강하면 커패시터는 방전

(9)

• 직렬 RC 회로에서의 시정수 (시상수, Time Constant)

- 커패시터에 충전되는 전압이 인가전압의 63.2%가 되는 시간 [sec]

 RC



• 시상수와 커패시터의 충·방전 곡선

) 1

( ^

t F

C

V e

v  

^ ^

t F

C

V e

v 

^

충전 : 방전 :

(10)

• 시상수(τ)와 펄스 폭 (t_w)과의 관계 - 고정 펄스 폭에 대한 변동 시상수

- 고정 시상수에 대한 변동 펄스 폭

(11)

• 구형파에 대한 RC 적분회로 응답

- 듀티 사이클이 50%인 구형파에서 펄스 폭이 시상수의 5배 보다 큰 경우 커패시터는 완전 충분과 완전 방전이 이루어짐



10 2



 t

_w

T

- 시상수의 5배 보다 작은 경우 커패시터는 완전 충분과 완전 방 전이 이루어지지 않으며, 커패시터는 일정한 충분 전압을 유지

(12)

• 구형파에 대한 RC 적분회로 응답 (주기 T = 2τ)

- 과도 상태 응답 : 방전이 끝나기 전에 다시 충전이 시작되므로 점차 충전 시작 전압이 상승

τ동안 63.2% 충전하고, 다음 τ동안 63.2% 방전 (충전 전압의 36.8% 잔류) 되므로 1. 첫 주기에서 10V×0.632= 6.32V 충전되며, 방전과정에서

6.32V×0.368=2.33V 잔류

2. 두 번째 주기에서 (10-2.33)V= 7.67V에 대해 7.67×0.632=4.85V 추가 충전되 어 총 2.33V+4.85V=7.18V 충전, 방전과정에서 7.18V×0.368=2.64V 잔류 3. 세 번째 주기에서 (10-2.64)V= 7.36V에 대해 7.36×0.632=4.65V 추가 충전되

어 총 2.64V+4.65V=7.29V 충전, 방전과정에서 7.29V×0.368=2.68V 잔류 4. 계속 진행되며 위의 사례의 경우 다섯 째 주기 이후에는 충전 전압 및 잔류

전압을 일정하게 유지

(13)

- 정상상태 응답 : 일정 시간이 경과한 후에는 일정한 파형을 유지

(14)

• 구형파에 대한 RC 적분회로 응답 (시상수 변화)

- 시상수가 증가함에 따라 충·방전시간이 증가하게 되므로 최대 충전 전압이 낮아지며 방전량도 줄어듬

- 시상수가 충분히 큰 경우 충 방전 곡선이 거의 직선과 같 이 되므로, 마치 적분하는 것 과 같은 결과를 얻음

(15)

• 커패시터의 충·방전

펄스인가 전 펄스 상승에지 펄스 유지기간 펄스 하강에지 이후





5

 t

_w





5

 t

_w

(16)

• 시상수(τ)와 펄스 폭 (t_w)과의 관계 - 고정 펄스 폭에 대한 변동 시상수

t

w

 

5

t

w

5 . 0 5

 

t

w

 

5

t

w

 

5

t

w

 

5

(17)

• 구형파에 대한 RC 미분회로 응답

- 펄스 폭이 시상수의 5배 보다 큰 경우 커패시터가 충전되는 동 안에는 저항전압은 0으로 떨어지면 커패시터가 방전되는 동안 에는 저항전압은 커패시터 전압이 역방향으로 인가됨





5

t

w

- 시상수의 5배 보다 작은 경우 저항전압은 점점 평탄해짐





5

t

w

(18)

• 구형파에 대한 RC 미분회로 응답 (t_w = τ)

V

out

V

C

V

in

(19)

• 함수발생기 설정 : 주파수 1kHz, 진폭 5V_p, 오프셋 5V (10V_p-p)인 구 형파 설정

• 시상수가 주어진 구형파 펄스폭 (1/(2*주파수))의 0.1배, 0.2배, 1배, 5배가 되도록 R과 C 소자 선정 (C=0.1μF 사용)

] [ 0 . 10 25

2 10 1 . 0

5 2

5 5 5

] [ 0 . 10 5

2 10 1 . 0

1 2

1

] [ 0 . 10 1 2 10 1 . 0

2 . 0 2

2 . 2 0

. 2 0

. 0

] [ 10 500

2 10 1 . 0

1 . 0 2

1 . 1 0

. 1 0

. 0

3 6



 



 

 









 



 

 









 



 

 









 



 

 









f k C C

R t t

f k C C R t t

f k C C

R t t

f C C

R t t

w w



] [ 1 10 1 / 1 /

1 f ³ ms

T    

(20)

• 시뮬레이션 회로 구성

] [ 0 . 25 ], [ 0 . 5 ], [ 0 . 1 ], [

1 500  k k k

R

(21)

1. 과도응답 특성 관찰

A. 시뮬레이션 조건 설정을 위해 Simulate > Interactive Simulation Setting 선택

B. 5. 초기 10개의 펄스를 관찰할 수 있는 종료시간 설정 : 10T=10*1=10[ms]=0.01[s]

(22)

C. 스코프를 더블클릭하여 시간축 설정 : 시뮬레이션 시간을 0.01초 로 설정하였으므로 한 화면에서 파형을 관찰하기 위해 Scale을 한 눈금당 1ms/Div으로 설정

D. 시뮬레이션 수행 : 저항을 변경해 가면서 시뮬레이션을 수행하 고, 그 결과 화면을 캡처하여 보고서에 첨부

(23)

2. 정상상태 특성 관찰

A. 정상상태 관찰을 위해 Multisim을 초기설정으로 복원

B. 시뮬레이션 수행 : 저항을 변경해 가면서 시뮬레이션을 수행하 고 그결과 화면을 갭처하여 보고서 작성

- 1~2개의 펄스가 보이도록 시간축 조정

- 일정 시간 후 정상상태에 도달하면 Single Trigger를 사용하여 화면 정지 후 파형 관찰

(24)

• 시상수가 주어진 구형파 펄스폭 (1/(2*주파수))의 0.1배, 0.2배, 1배, 5배가 되도록 R과 C 소자 선정 (C=0.1μF 사용)

] [ 0 . 10 25

2 10 1 . 0

5 2

5 5 5

] [ 0 . 10 5

2 10 1 . 0

1 2

1

] [ 0 . 10 1 2 10 1 . 0

2 . 0 2

2 . 2 0

. 2 0

. 0

] [ 10 500

2 10 1 . 0

1 . 0 2

1 . 0 1

. 1 0

. 0

3 6



 



 

 









 



 

 









 



 

 









 



 

 









f k C C R t t

f k C C

R t t

f C C

R t t

w w



] [ 1 10 1 / 1 /

1 f ³ ms

T    

(25)

• 시뮬레이션 회로 구성

] [ 0 . 25 ], [ 0 . 5 ], [ 0 . 1 ], [

1 500  k k k

R

(26)

1. 과도응답 특성 관찰

A. 시뮬레이션 조건 설정을 위해 Simulate > Interactive Simulation Setting 선택

B. 5. 초기 10개의 펄스를 관찰할 수 있는 종료시간 설정 : 10T=10*1=10[ms]=0.01[s]

(27)

C. 스코프를 더블클릭하여 시간축 설정 : 시뮬레이션 시간을 0.01초 로 설정하였으므로 한 화면에서 파형을 관찰하기 위해 Scale을 한 눈금당 1ms/Div으로 설정

D. 시뮬레이션 수행 : 저항을 변경해 가면서 시뮬레이션을 수행하 고, 그 결과 화면을 캡처하여 보고서에 첨부

(28)

2. 정상상태 특성 관찰

A. 정상상태 관찰을 위해 Multisim을 초기설정으로 복원

B. 시뮬레이션 수행 : 저항을 변경해 가면서 시뮬레이션을 수행하 고 그결과 화면을 갭처하여 보고서 작성

- 1~2개의 펄스가 보이도록 시간축 조정

- 일정 시간 후 정상상태에 도달하면 Single Trigger를 사용하여 화면 정지 후 파형 관찰

(29)

• 실험 회로 구성

] [ 0 . 25 ], [ 0 . 5 ], [ 0 . 1 ], [

1 500  k k k

R

• 실험 수행 : 저항값을 바꿔가며 오실로스코프로 전원전압과 저항전 압 파형을 관찰하고 한 주기에 대해 파형을 그래프에 도시

] [ 0 . 25 2

. 0 or

5 ] [ 0 . 5 or

] [ 0 . 1 5

or 2 . 0

] [ 500 10

or 1 . 0

































k R

t t

k R

t t

k R

t t

R t

t

w w



(30)

• 관찰 파형 그래프

] [

1 500 

R R₁ 1.0[k]

] [ 0 .

1 5 k

R R₁ 25.0[k]

항목 전압 1τ

최대(+) 최소(+) 평균 항목 전압

1τ 최대(+) 최소(+) 평균

항목 전압 0.5τ

최대(+) 최소(+) 평균

항목 전압 0.1τ

최대(+) 최소(+) 평균

(31)

• 실험 회로 구성

• 실험 수행 : 저항값을 바꿔가며 오실로스코프로 전원전압과 저항전 압 파형을 관찰하고 한 주기에 대해 파형을 그래프에 도시