실험 목

(1)

1.

2. 실험 목

연산증폭기 filter), 대 연산증폭기

실험 회

A. 연산증

L

목표

기를 이용 대역통과필터

기 능동필터

로

증폭기 능

Lab. 1. I-V C

한 저역통 터(band-pas 터 회로를

능동필터

(a)

Lab. 7

Characterist

통과필터(lo ss filter)

이해

회로

저역통과

7. 능동

tics of a Dio

ow-pass fi 회로를

과필터

동 필터

^ode

lter), 고역 구성, 측

역통과필터(

측정 및

(high-pass 평가해서

(2)

3. 실험 장

A. 공통

장비 및 부

(b)

(c) 그림 7

부품 리스

) 고역통과

대역통과

7.1. 능동필

스트

과필터

과필터 필터 회로

(3)

NI ELVIS II

MultiSim (혹은 SPICE와 같은 회로 시뮬레이터)

PC : NI MultiSim과 ELVIS II 용도

B. 능동필터 회로 실험

OP-AMP LM741CN (혹은 74계열 OP-AMP): 1개

저항: 2.7Ω 1개, 10kΩ 2개, 47 kΩ 1개, 68 kΩ 1개, 100kΩ 1개, 200kΩ 1개

캐패시터: 1nF 2개, 3.3nF 1개, 6.8nF 1개, 0.01μF 2개

4. Pre-Lab(예비 실험)

A. 기본 이론 조사

(1) 수동필터와 능동필터를 비교해서 설명하시오.

- Floyd 767-770페이지

(2) 연산 증폭기를 이용한 능동필터 중에 저역통과 필터에 대해서 설명하시오.

- Sallen-Key 저역통과 필터

(3) 연산 증폭기를 이용한 능동필터 중에 고역통과 필터에 대해서 설명하시오.

- Sallen-Key 고역통과 필터

(4) 연산 증폭기를 이용한 능동필터 중에 대역통과 필터에 대해서 설명하시오.

- Sallen-Key 대역통과 필터

(5) 연산 증폭기를 이용한 능동필터 중에 대역저지 필터에 대해서 설명하시오.

(4)

(1) 저역

- XFG1 Amplitu - XSC1 그래프를 - 주파수 값을 이

B. Multi

역통과필터 시간영역 전압 (Vout)

은 함수발 ude 0.5Vp, O 1은 오실로

를 출력하시 수를 다음 이용해서 전

Sim 사용

회로 측정: 저역 )을 오실로

생기이고 Offset 0V 로스코프이고

시오.

표7.1와 전압이득을

용한 모의

역통과필터 로스코프로

그림 7.2.

다음과 같

고 이것을

같이 바꿔 계산해서

실험(시뮬

터 회로 (그 측정하시오

저역통과필 이 설정해서

이용해서

가면서 출 다음 표 7

뮬레이션)

그림 7.2)에 오.

필터 측정 서 시뮬레이

입력 전압

출력전압의 7.1를 완성하

)

에서 입력

회로 이션: 정현

압 (Vin)과

첨두간 전 하시오.

전압 (Vin)

파, Frequen

출력 전압

전압을 측정

)과 출력

ncy 10Hz,

압 (Vout)의

정하고 그

(5)

표 7.1. Multisim 을 이용한 시간영역에서의 저역통과필터의 주파수 특성 측정 결과

주파수 f [Hz]

입력 전압 첨두간 전압 Vin(pp) [V]

출력 전압 첨두간 전압 Vout(pp) [V]

전압 이득 Av

전압 이득 Av [dB]

10

100

1k

10k

100k

- 표 7.1로부터 전압이득의 변화가 없는 주파수 영역을 추정하고 그 때의 전압이득인 중간영역 전압 이득 Acl(mid),과 Acl(mid),의 0.7배되는 주파수인 임계주파수 fc를 찾아서 표7.2를 작성하시오.

표 7.2. Multisim 의 시간영역 분석을 이용한 저역통과필터의 주파수 특성 측정 결과

Acl(mid)[dB] 임계주파수 fc [Hz]

시뮬레이션결과 이론값 시뮬레이션결과 이론값

주파수영역 측정: 저역통과필터 회로 (그림 7.2)를 구성하고 보드 플로터를 이용해서 주파수 특성(보드선도)를 측정하시오.

- 그림 7.2에서 오실로스코프인 XSC1를 보드 플로터(Bode Plotter)인 XBP1으로 변 경해서 시뮬레이션하시오.

- 보드 플로터를 다음과 같이 설정하고 시뮬레이션하시오.

(6)

그림 7.3. 보드 플로터의 설정 범위(시작 주파수 I: 10Hz, 끝 주파수 F: 5MHz)

- 보드 플로터로 시뮬레이션한 결과를 커서를 이용해서 중간영역 전압 이득 Acl(mid),

임계주파수 fc계를 측정해서 다음 표 7.3에 작성하시오.

표 7.3. Multisim 주파수분석을 이용한 저역통과필터의 주파수 특성 측정 결과

보드플로터 이용

오실로스코프

이용(표 8.2) 이론값 보드플로터 이용

오실로스코프

이용(표 8.2) 이론값

(2) 고역통과필터 회로

시간영역 측정: 고역통과필터 (그림 7.4)에서 입력 전압 (Vin)과 출력 전압 (Vout)을 오실로스코프로 측정하시오.

(7)

- XFG 100kHz - XSC1 그래프를 - 주파수 값을 이

G1은 함수발 z, Amplitude

1은 오실로 를 출력하시 수를 다음 이용해서 전

발생기이고 e 0.5Vp, Of 로스코프이고

시오.

표7.4와 전압이득을

그림 7.4.

고 다음과 ffset 0V

고 이것을

같이 바꿔 계산해서

고역통과필 같이 설정

이용해서

가면서 출 다음 표 7

필터 측정 정해서 시뮬

입력 전압

출력전압의 7.4를 완성하

회로 뮬레이션:

압 (Vin)과

첨두간 전 하시오.

정현파, F

출력 전압

전압을 측정

Frequency 압 (Vout)의

정하고 그

(8)

표 7.4. Multisim 을 이용한 시간영역에서의 고역통과필터의 주파수 특성 측정 결과

주파수 f [Hz]

전압 이득 Av

100

1k

10k

100k

1M

표 7.5. Multisim 의 시간영역 분석을 이용한 고역통과필터의 주파수 특성 측정 결과

주파수영역 측정: 고역통과필터 회로 (그림 7.4)를 구성하고 보드 플로터를 이용해서 주파수 특성(보드선도)를 측정하시오.

- 보드 플로터는 그림 7.3 과 같이 설정하고 시뮬레이션하시오.

- 보드 플로터로 시뮬레이션한 결과를 커서를 이용해서 중간영역 전압 이득 Acl(mid),

임계주파수 fc계를 측정해서 다음 표 7.6에 작성하시오.

표 7.6. Multisim 주파수분석을 이용한 고역통과필터의 주파수 특성 측정 결과

(9)

보드플 이용

(3) 대역

- XFG1 Amplitu - XSC1

A 플로터

용

오 이

역통과필터 시간영역 전압 (Vout)

은 함수발 ude 0.5Vp, O 1은 오실로

Acl(mid)[dB]

오실로스코프 이용(표 8.5

회로 측정: 대역 )을 오실로

생기이고 Offset 0V 로스코프이고

프

5) 이론

역통과필터 로스코프로

그림 다음과 같

고 이것을

론값 보

터 회로 (그 측정하시오

림 7.5. 대역 이 설정해서

이용해서

임 보드플로터

이용

그림 7.5)에 오.

역통과필터 서 시뮬레이

입력 전압

임계주파수 오실로스

이용(표

에서 입력

이션: 정현

압 (Vin)과

fc [Hz]

스코프 표 8.5) 이

전압 (Vin)

파, Frequen

출력 전압 이론값

)과 출력

ncy 1kHz,

압 (Vout)의

(10)

그래프를 출력하시오.

- 주파수를 다음 표7.7과 같이 바꿔가면서 출력전압의 첨두간 전압을 측정하고 그 값을 이용해서 전압이득을 계산해서 다음 표 7.7를 완성하시오.

표 7.7. Multisim 을 이용한 시간영역에서의 대역통과필터의 주파수 특성 측정 결과

주파수 f [Hz]

전압 이득 Av

10

100

1k

10k

100k

- 표 7.7로부터 전압이득의 변화가 없는 주파수 영역을 추정하고 그 때의 전압이득인 중간영역 전압 이득 Acl(mid),과 Acl(mid),의 0.7배되는 주파수인 임계주파수 fc를 두 개 찾아서 표8.8를 작성하시오.

표 7.8. Multisim 의 시간영역 분석을 이용한 고역통과필터의 주파수 특성 측정 결과

Acl(mid)[dB] 하한 임계주파수 fcl [Hz]

상한 임계주파수 fcu [Hz] 대역폭 BW[Hz]

여기서 대역폭 BW = fcu- fcl임.

주파수영역 측정: 고역통과필터 회로 (그림 7.5)를 구성하고 보드 플로터를

(11)

이용해서 주파수 특성(보드선도)를 측정하시오.

- 보드 플로터는 그림 7.3 과 같이 설정하고 시뮬레이션하시오.

- 보드 플로터로 시뮬레이션한 결과를 커서를 이용해서 중간영역 전압 이득 Acl(mid)와 두 개의 임계주파수 fcl와 fcu를 측정해서 다음 표 7.9에 작성하시오.

표 7.9. Multisim 주파수분석을 이용한 대역통과필터의 주파수 특성 측정 결과

오실로스코프

(4) Grapher View를 이용해서 위에 시뮬레이션한 저역통과필터, 고역통과필터, 대역통과필터의 가산기, 미분기, 적분기 회로들의 입, 출력 파형에 대해서 Excel에 export해서 Excel에서 그래프로 출력하시오.

C. 다음 “5. In-Lab(본 실험): NI ELVIS II 사용”을 참고해서 실험 절차를 간단히 요약하시오.

5. In-Lab(본 실험): NI ELVIS II 사용

A. DMM 이용한 소자 값 측정

(12)

- “부록 A.1 DMM을 이용한 전압, 전류, 저항, 캐패시턴스, 인덕턴스, 다이오드 전압, 단락 측정”을 참고해서 저항, 캐패시턴스를 측정하시오.

표 7.10. DMM을 이용한 저항, 캐패시턴스 측정

소자 규격 측정 값

저항

2.7kΩ 10kΩ 10kΩ 47kΩ 68k Ω 100kΩ 200kΩ

캐패시터

1nF 1nF 3.3nF 6.8nF 0.01μF

0.01μF

B. 능동필터 회로 측정

(1) ELVIS II를 이용해서 저역통과필터 회로 측정

시간영역 측정: ELVIS II를 이용해서 저역통과필터 회로 (그림 7.2)의 입력 전압 (Vin)과 출력 전압 (Vout)을 오실로스코프로 측정하시오.

- XFG1은 함수발생기이고 다음과 같이 설정: 정현파, Frequency 10Hz, Amplitude 2Vpp, Offset 0V

- XSC1은 오실로스코프이고 이것을 이용해서 입력 전압 (Vin)과 출력 전압 (Vout)의 그래프를 출력하시오.

(13)

- 주파수를 다음 표8.11와 같이 바꿔가면서 출력전압의 첨두간 전압을 측정하고 그 값을 이용해서 전압이득을 계산해서 다음 표 7.11를 완성하시오.

표 7.11. ELVIS II 의 시간영역분석을 이용한 저역통과필터의 주파수 특성 측정 결과

주파수 f [Hz]

전압 이득 Av

10

100

1k

10k

100k

표 7.12. ELVIS II 의 시간영역 분석을 이용한 저역통과필터의 주파수 특성 측정 결과

(1) 주파수영역 측정: 저역통과필터 회로 (그림 7.2)를 구성하고 보드 분석기를 이용해서 주파수 특성(보드선도)를 측정하시오. 구성하고 “부록 A.4 ELVIS II를 이용한 주파수 특성 측정 (Bode plot)”을 참고해서 보드 분석기(Bode Analyzer)으로 측정하시오.

- 그림 7.2에서 오실로스코프인 XSC1를 보드 분석기로 변경해서 측정하시오.

- 주의 사항 (그림 7.6 참고): Bode Analyzer 창만 띄우고 측정하시오.

(14)

그

- 입력 오실로스

- 출력 - 보드

그림 8.6. EL

Vin: Protot 스코프 CH

Vout: 오실로 분석기를

LVIS II의

typing Boa H0와 연결

로스코프 C 이용해서

보드 분석

ard 왼쪽 입

CH1과 연 그림 7.7 과

기를 이용

입출력 인터

결

과 같이 설

한 저역통

터페이스의

정하고 측

과필터 측정

33 번 FG

정하시오.

정 회로 사

GEN 으로

사진

연결하고

(15)

그림

- 보드 주파수 표 7.13

보드플 이용

(2) ELV

- XFG 100kHz

7.7. 보드 분석기로 fc를 측정해 3. ELVIS II

A 플로터

용

오 이

VIS II를 이 시간영역 (Vin)과 출력 G1은 함수발 z, Amplitude

분석기의 측정한 결 해서 다음

I 주파수분 Acl(mid)[dB]

오실로스코프 이용(표 8.12

이용해서 고 측정: ELV 력 전압 (V 발생기이고 e 2Vpp, Off

설정 범위 결과를 커서 표 7.13에 석을 이용

프

2) 이론

고역통과필터 VIS II를 이 Vout)을 오실 고 다음과

fset 0V

위(Start Fre 서를 이용해

작성하시 한 저역통과

론값 보

터 회로 측 이용해서 고 실로스코프로

같이 설정

quency: 10 해서 중간영

오.

과필터의 주

임 보드플로터

이용

측정

고역통과필 로 측정하시 정해서 시뮬

0Hz, Stop F 영역 전압

주파수 특성

임계주파수 오실로스 이용(표

터 (그림 7 시오.

뮬레이션:

Frequency:

이득 Acl(mid

성 측정 결

fc [Hz]

스코프 표 7.12) 이

7.4)에서 입

정현파, F

5MHz)

d)와 임계

결과

이론값

입력 전압

Frequency

(16)

- 주파수를 다음 표7.14와 같이 바꿔가면서 출력전압의 첨두간 전압을 측정하고 그 값을 이용해서 전압이득을 계산해서 다음 표 7.14를 완성하시오.

표 7.14. ELVIS II 의 시간영역분석을 이용한 고역통과필터의 주파수 특성 측정 결과

주파수 f [Hz]

전압 이득 Av

100

1k

10k

100k

1M

표 7.15. ELVIS II 의 시간영역 분석을 이용한 고역통과필터의 주파수 특성 측정 결과

주파수영역 측정: 고역통과필터 회로 (그림 7.3)를 구성하고 보드 분석기를 이용해서 주파수 특성(보드선도)를 측정하시오. 구성하고 “부록 A.4 ELVIS II를 이용한 주파수 특성 측정 (Bode plot)”을 참고해서 보드 분석기(Bode Analyzer)으로 측정하시오.

(17)

- 주의 사항 (그림 7.6 참고): Bode Analyzer 창만 띄우고 측정하시오.

- 입력 Vin: Prototyping Board 왼쪽 입출력 인터페이스의 33 번 FGEN 으로 연결하고 오실로스코프 CH0 와 연결

- 출력 Vout: 오실로스코프 CH1 과 연결

- 보드 분석기를 이용해서 그림 7.7 과 같이 설정하고 측정하시오.

- 보드 분석기로 측정한 결과를 커서를 이용해서 중간영역 전압 이득 Acl(mid)와 임계 주파수 fc를 측정해서 다음 표 7.16에 작성하시오.

표 7.16. ELVIS II 주파수분석을 이용한 고역통과필터의 주파수 특성 측정 결과

오실로스코프

(3) ELVIS II를 이용해서 고역통과필터 회로 측정

시간영역 측정: ELVIS II를 이용해서 대역통과필터 회로 (그림 7.5)에서 입력 전압 (Vin)과 출력 전압 (Vout)을 오실로스코프로 측정하시오.

- XFG1은 함수발생기이고 다음과 같이 설정해서 시뮬레이션: 정현파, Frequency 1kHz, Amplitude 2Vpp, Offset 0V

- 주파수를 다음 표7.17과 같이 바꿔가면서 출력전압의 첨두간 전압을 측정하고 그 값을 이용해서 전압이득을 계산해서 다음 표 7.17를 완성하시오.

(18)

표 7.17. ELVIS II 의 시간영역분석을 이용한 대역통과필터의 주파수 특성 측정 결과

주파수 f [Hz]

전압 이득 Av

10

100

1k

10k

100k

표 7.18. ELVIS II 의 시간영역 분석을 이용한 고역통과필터의 주파수 특성 측정 결과

여기서 대역폭 BW = fcu- fcl임.

주파수영역 측정: 고역통과필터 회로 (그림 7.4)를 구성하고 보드 분석기를 이용해서 주파수 특성(보드선도)를 측정하시오. 구성하고 “부록 A.4 ELVIS II를 이용한 주파수 특성 측정 (Bode plot)”을 참고해서 보드 분석기(Bode Analyzer)으로 측정하시오.

(19)

- 주의 사항 (그림 7.6 참고): Bode Analyzer 창만 띄우고 측정하시오.

- 입력 Vin: Prototyping Board 왼쪽 입출력 인터페이스의 33 번 FGEN 으로 연결하고 오실로스코프 CH0 와 연결

- 출력 Vout: 오실로스코프 CH1 과 연결

- 보드 분석기를 이용해서 그림 7.7 과 같이 설정하고 측정하시오.

- 보드 분석기로 측정한 결과를 커서를 이용해서 중간영역 전압 이득 Acl(mid)와 임계주파수 fc를 측정해서 다음 표 7.19에 작성하시오.

표 7.19. . ELVIS II 주파수영역분석을 이용한 대역통과필터의 주파수 특성 측정 결과

오실로스코프

(4) 능동 필터 회로들의 입, 출력 파형을 log 해서 얻은 데이터를 Excel 에서 불러서 그래프로 출력하시오.

(5) 설계문제: 다음 조건을 만족하는 밴드저지필터(노치필터)를 설계하라.

- 버터워스 밴드저지 필터 - 센터 주파수 f0 = 1kHz

(20)

- roll-off: 약 60 dB

6. Post-Lab(실험 후 과정)

1. Pre-Lab(4절)에서 MultiSim으로 시뮬레이션한 데이터와 In-Lab(5절)에서 NI ELVIS II 로 측정한 데이터를 비교하시오.

- 표 7.13, 표 7.16, 표 7.19에 대해서 각각 비교하시오.

2. Excel을 이용해서 시뮬레이션 데이터와 측정 데이터를 하나의 그래프로 그려서 비 교하시오.

3, 설계 결과에 대해서 토의를 작성하시오.