LPF와 HPF 설계 및 주파수응답 실험

문서 내 토픽

1. 저주파 필터(LPF) 설계

RC 필터를 이용하여 차단 주파수 15.92 kHz인 저주파 필터를 설계한다. 10 nF 커패시터와 약 1 kΩ의 저항을 직렬 연결하여 구성하며, 전달함수의 크기와 위상을 0~100 kHz 범위에서 선형-로그 그래프로 표현한다. 10 kHz 정현파 입력 시 출력 크기는 약 844.366 mV이며, 오실로스코프를 통해 입출력 파형의 위상차를 관찰할 수 있다.
2. 고주파 필터(HPF) 설계

RL 필터를 이용하여 차단 주파수 15.92 kHz인 고주파 필터를 설계한다. 10 mH 인덕터와 1 kΩ의 저항을 직렬 연결하여 구성하며, 전달함수의 크기와 위상을 0~100 kHz 범위에서 선형-로그 그래프로 표현한다. 10 kHz 정현파 입력 시 출력 크기는 약 533.551 mV이며, XY 모드에서 타원 모양의 리사주 도형이 나타난다.
3. 오실로스코프 측정 및 설정

입출력 파형을 동시에 관찰하기 위해 CH1과 CH2를 적절히 연결하고, TIME/DIV를 25 µsec/DIV, VOLTS/DIV를 0.5 VOLTS/DIV로 설정한다. Trigger mode는 Auto, Trigger source는 CH1, coupling은 DC로 설정하며, XY 모드에서 입출력 파형의 위상차를 타원 모양으로 확인할 수 있다.
4. 주파수 응답 측정

차단 주파수 15.92 kHz 근처에서 전달함수 특성이 급격히 변하므로, 1 Hz부터 100 Hz, 1 kHz, 10 kHz, 11~16 kHz(0.1 kHz 간격), 20 kHz, 50 kHz, 100 kHz까지 세밀한 주파수 간격으로 측정한다. 변화가 큰 부분에서는 주파수 간격을 작게 하여 정확한 주파수 특성을 파악한다.

Easy AI와 토픽 톺아보기

1. 저주파 필터(LPF) 설계

저주파 필터 설계는 신호 처리에서 매우 중요한 기술입니다. LPF는 고주파 노이즈를 제거하고 저주파 신호를 통과시키는 역할을 하므로, 아날로그 회로 설계에서 필수적입니다. 차단 주파수 설정, 필터 차수 결정, 그리고 임피던스 매칭 등을 신중하게 고려해야 합니다. 실제 응용에서는 부품의 공차와 온도 변화에 따른 특성 변화를 고려하여 설계해야 하며, 시뮬레이션과 실제 측정을 통해 검증하는 과정이 중요합니다. 특히 의료기기나 오디오 장비에서 LPF의 성능이 최종 제품의 품질을 크게 좌우하므로 정밀한 설계가 필수적입니다.
2. 고주파 필터(HPF) 설계

고주파 필터 설계는 저주파 노이즈나 DC 성분을 제거하는 데 효과적입니다. HPF는 통신 시스템, 오디오 처리, 그리고 센서 신호 조건화에서 광범위하게 사용됩니다. 차단 주파수의 정확한 설정과 필터 특성(Butterworth, Chebyshev 등)의 선택이 중요합니다. 설계 시 위상 왜곡과 군 지연을 고려해야 하며, 특히 고속 신호 처리가 필요한 경우 능동 필터 설계가 유리합니다. 실제 구현에서는 op-amp의 대역폭 제한과 오프셋 전압 등의 비이상적 특성을 반영하여 설계해야 하며, 충분한 마진을 두고 설계하는 것이 좋습니다.
3. 오실로스코프 측정 및 설정

오실로스코프는 전자 회로 설계 및 검증에서 가장 기본적이고 중요한 측정 도구입니다. 올바른 프로브 선택, 임피던스 설정, 그리고 트리거 조건 설정이 정확한 측정의 핵심입니다. 대역폭, 샘플링 레이트, 그리고 수직 감도를 적절히 조정하여 신호의 세부 사항을 명확하게 관찰할 수 있습니다. 특히 고주파 신호 측정 시 프로브의 대역폭과 입력 임피던스가 측정 결과에 큰 영향을 미치므로 신중한 선택이 필요합니다. 디지털 오실로스코프의 경우 메모리 깊이와 파형 처리 기능을 활용하면 더욱 정밀한 분석이 가능합니다.
4. 주파수 응답 측정

주파수 응답 측정은 필터, 증폭기, 그리고 기타 신호 처리 회로의 성능을 평가하는 핵심 방법입니다. 스윕 신호나 임펄스 응답을 이용하여 진폭 응답과 위상 응답을 동시에 측정할 수 있습니다. 네트워크 분석기를 사용하면 정확한 S-파라미터 측정이 가능하며, 오실로스코프와 함수 발생기의 조합으로도 기본적인 주파수 응답을 측정할 수 있습니다. 측정 시 신호 대 잡음비, 측정 범위, 그리고 해상도를 적절히 설정하여 신뢰할 수 있는 결과를 얻어야 합니다. 주파수 응답 데이터는 설계 검증, 문제 진단, 그리고 성능 최적화에 매우 유용합니다.

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