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콜피츠 발진기를 이용한 BFO 금속탐지기 설계 평가D별로예요

전자 회로 및 실험최종보고서작품명Colpitts oscillator와 Beat Frequency Effect를 이용한 금속 탐지기 설계조장학과학번학년성명조원학과학번학년성명개요지난 프로젝트 때 단순히 증폭 역할만 하는 다단증폭기는 설계해 보았기 때문에, 발진기를 응용한 회로 설계로 결정을 하였다. 먼저 L, C 값을 이용해 발진 주파수(resonant frequency)를 조절할 수 있는 두 개의 콜피츠 발진기를 설계한다. 두 발진기의 발진 주파수는 처음에는 동일하게 맞춰놓고(맥놀이현상이 일어나지 않게 하기 위해서) 한쪽 발진기의 코일에 금속이 접근했을 때 인덕턴스 값이 바뀌게 되면 맥놀이현상(Beat frequency effect)이 발생한다. 그 신호를 증폭기로 증폭하여 스피커로 출력하여 금속 존재 여부를 확인한다. 이러한 금속탐지기는 공항에 위험 소지품 또는 그 외 금속을 감지하는 용도로 응용할 수 있다.■ 설계 이론(ㄱ) 콜피츠 발진기1) positive feedback 개념 및 바르크하우젠의 발진조건위 그림은 정현파 발진기의 기본 구조 이며, T(s)는 positive feedback의 폐루프 이득 이다.여기서 C(s)는 기본 증폭기의 이득을 나타내고, H(s)는 귀환 회로의 귀환율을 나타낸다.위의 식으로부터 루프이득 L(s)가 특정 주파수 Wo에서 식 L(jWo) = C(jWo)·H(jWo) = -1조건을 만족하면, 전체 귀환 증폭기의 폐루프 이득은 ∞가 된다.폐루프 이득이 무한대가 된다는 것은 외부의 입력신호 없이도 출력이 생성됨을 의미하고, 이때의 특정 주파수 Wo를 밪진 주파수 라고 한다.위의 L(jWo) = C(jWo)·H(jWo) = -1 식을 바르크하우젠의 발진조건 이라고 한다,.바르크하우젠 발진조건을 루프 이득의 크기와 위상으로 다시 표현하면 다음과 같다.?L(jWo)? = 1 , ∠L(jWo) = -180°귀환 신호가 기본 증폭기의 입력으로 되돌아 올 때 음(-)의 기호를 가지고 있으므로,∠L(jWo) = -180°에 주어진 루프 이득의 위상 ?180°를 함께 고려하면, 기본 증폭기와 귀환회로의 폐루프를 거치면서 기본증폭기로 입력되는 신호가 받는 총 위상이동은 360°가 된다는 것이다. 따라서, 입력되는 신호가 기본 증폭기와 귀환회로의 폐루프를 통해 귀환신호로 귀환될 때, 원래 기본 증폭기의 입력신호와 귀환신호가 크기와 위상이 정확하게 같아지는 조건을 나타내며, 이는 외부의 입력신호 없이도 출력 G(s)가 지속적으로 발생되어 발진할 수 있음을 의미한다.2) LC 발진기 : 콜피츠발진기X1과 X2가 커패시터의 리액턴스이고, X3가 인덕터의 리액턴스이며 X1+X2+X3 = 0 이다. (발진조건)발진 주파수의 식은 다음과 같다우리가 만들고자 하는 발진주파수는 10kHz 정도이다, 해당하는 LC값을 설계후 L값을 직접 제작하기 때문에, 제작 후 적절한 C값 찾을 예정이다.(ㄴ) 맥놀이현상 (Beat Frequency Effect)맥놀이 현상은 주파수가 서로 비슷한 두음이 중첩되어 서로 간섭할 때 나타나는 현상으로 두 주파수의 중간 주파수(평균 주파수)의 소리로 들리며 소리가 주기적으로 커졌다 작아졌다 반복되는 현상이다.반복되는 비트주기는 두 주파수의 차이가 적을수록 길어진다.Ø1=Asin(ω1t)Ø2=Asin(ω2t)Ø = Ø?1?+Ø?2?=2A[cos {(ω1??ω2) /?2 }?t ] [sin {(ω1?+ω2) /?2}?t]f?beat? = |f?1??f?2|예를 들어, 10kHz와 11kHz의 신호가 합쳐지면 두 신호의 중간인 10.5kHz의 주파수로 파형이 swing하고, 크기가 커졌다 작아졌다 반복하는 전체적인 파형의 주파수는 두 신호의 차인 1kHz로 swing하게 된다. 밑의 Pspice 시뮬레이션 결과를 보면 알 수 있다.한다, 즉 맥놀이 음의 pitch는 두 주파수의 pitch이 평균 값이고 맥놀이 주파수는 두 주파수의 차이 이다.(ㄷ) 다단증폭기다단 증폭기란 증폭회로를 여러 개 사용하여 직렬로 연결하여 출력 전압이 곱으로 증폭되는 회로를 말한다. 한 증폭회로의 출력을 다음 증폭회로의 입력으로 연결하므로 계속적으로 증폭된 효과를 얻을 수 있다. 다음 증폭회로와 연결은 직접 선으로 하면 간편하지만 이러한 경우에 처음 증폭회로에서 전원소스나 온도의 영향으로 인한 변화가 결과적으로 나타나는 출력에 직접적인 영향을 미치게 된다. 따라서 DC 신호에 대하여는 개회로처럼 작동하고 AC 신호에 대하여는 쇼트회로처럼 작동하는 커패시터를 사용하여 대신호는 통과하지 못하게 하고 소신호만 통과하게 하므로 바이어스 전압의 변환을 없앨 수 있다.(ㄹ) 출력 스피커스피커에는 진동을 하는 진동판이 있다. 이 진동판에 에나멜 선을 감은 것과 같은 코일을 붙인다. 이 코일을 보이스 코일 (voice coil)이라고 한다. 자기장에 노출된 코일에 전류가 흐르면 코일은 자기력을 받아 진동을 한다. 코일과 붙어있는 진동판이 진동을 하면 공기가 진동하여 소리가 나게 된다. 이것이 스피커에서 소리가 나는 기본 원리이다. 이번 프로젝트에서는 8Ω 스피커를 사용할 것이고, 증폭기를 거쳐 증폭된 전압이 이 저항을 통해 전류신호로 다시 변환된다. 스피커의 구동을 위해서는 전압신호를 전류신호로 바꿔 주어야 한다. 이 때 증폭시킨 신호를 감쇄시키지 않게 하기 위해서는 낮은 저항을 이용해야한다. 따라서 스피커의 저항값은 작을수록 좋다.■ 설계 회로 및 시뮬레이션(1) 10kHz 발진주파수를 갖는 콜피츠 발진기C1 = C2 = 1uF, L = 0.5mHf0 = 10.06 kHz* Fourier Transform(2) 10kHz, 11kHz 콜피츠 발진기 맥놀이 현상* DC 제거 후 ( 5uF Capacitor)약 20배의 이득 필요 (다단증폭기 또는 Op-Amp로 증폭 예정)■ 회로 제작 및 결과0.25mm 에나멜 선을 이용하여 금속을 탐지하는 코일과 정확한 인덕턴스 싱크를 맞추기 위한 가변 코일을 제작하였다.[금속 탐지 코일] [가변 코일]왼쪽 사진과 같이 오실로스코프를 이용하여 두 발진기의 파형을 관찰하며 주파수를 측정하여 발진 주파수를 정확히 일치시켜 주었다. 한쪽 코일에 금속을 접근시켰을 때 발생하는 맥놀이현상의 파형은 오른쪽 사진과 같다.

공학/기술| 2017.01.03| 8페이지| 2,000원| 조회(704)

발진기, 피스파이스, 프로젝트, 전자회로, 콜피츠, 피드백, 텀프로젝트, 발진회로, 전..

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Lidar 기술개요, 동작원리, 시장동향 평가C아쉬워요

1. Lidar 기술 개요라이다 센서는 레이저를 목표물에 비춤으로써 사물까 지의 거리, 방향, 속도, 온도, 물질 분포 및 농도 특성 등을 감지할 수 있는 기술이다. 라이다 센서는 일반적으로 높은 에너지 밀도와 짧은 주기를 가지는 펄스 신호를 생성할 수 있는 레이저의 장점을 활용하여 보다 정밀한 대기 중의 물성 관측 및 거리 측정 등에 활용이 된다.라이다 센서 기술은 탐조등 빛의 산란 세기를 통하여 상공에서의 공기 밀도 분석 등을 위한 목적으로 1930년 대 처음 시도되었으나, 1960년대 레이저의 발명과 함께 비로소 본격적인 개발이 가능하였다. 1970년대 이후 레이저 광원 기술의 지속적인 발전과 함께 다양한 분야 에 응용 가능한 라이다 센서 기술들이 개발되었다. 항공 기, 위성 등에 탑재되어 정밀한 대기 분석 및 지구환경 관측을 위한 중요한 관측 기술로 활용되고 있으며, 또한 우주선 및 탐사 로봇에 장착되어 사물까지의 거리 측정 등 카메라 기능을 보완하기 위한 수단으로 활용되고 있 다. 지상에서는 원거리 거리 측정, 자동차 속도 위반 단 속 등을 위한 간단한 형태의 라이다 센서 기술들이 상용 화되어 왔으며, 최근에는 3D reverse engineering 및 미 래 무인자동차를 위한 laser scanner 및 3D 영상 카메 라의 핵심 기술로 활용되면서 그 활용성과 중요성이 점 차 증가되고 있다.2. 라이다 센서 기술(1) Lidar 기본 원리라이다 센서 시스템의 구성은 응용 분야에 따라 때로 는 매우 복잡하게 구성되지만, 기본적인 구성은 (그림 1)에 보인 바와 같이 레이저 송신부, 레이저 검출부, 신호 수집 및 처리와 데이터를 송수신하기 위한 부분으로 단순하게 구분될 수 있다. 아울러 라이다 센서는 레이저 신호의 변조 방법에 따라 time-of-flight(TOF) 방식과 phase-shift 방식으로 구분될 수 있다. TOF 방식은 (그림 1)에 보인 바와 같이 레이저가 펄스 신호를 방출하여 측정 범위 내에 있는 물체들로부터의 반사 펄스 신호들 이 파장은 대기, 구름, 비 등에 대한 투과성과 eye-safety 에 직접적인 영향을 준다. 기본적으로 레이저 출력, 파장, 스펙트럼 특성, 펄스 폭 및 모양 등과 함께 수신기의 수신감도 및 다이내믹 레인지, 그리고 광학필터 및 렌즈 의 특성이 라이다의 성능을 결정하는 주요 요인이다. 이 와 함께 수신기의 측정 각도를 나타내는 Field Of View (FOV), 측정 범위를 선택하기 위한 field stop, 레이저 빔과 수신기의 FOV overlap 특성 등도 중요한 항목이다. 광속에 대하여 단위 데이터 수집을 위한 최소 시간 은 거리 분해능(range resolution)을 결정하는 요인이며, 따라서 1m 이하의 거리 분해능을 위해서는 수 ns 이내의 데이터 수집 및 처리가 요구된다.(그림 1) Lidar 시스템 기본 구성 및 동작원리출처 : 라이다 센서 기술 동향 및 응용, ETRI (2012)(2) 3D Laser Scanner 기술Lidar를 이용하여 3D 영상을 구현하기 위한 방법의 하나로 회전 방식의 3D laser scanner는 다수의 레이저 및 수신소자를 이용하여 특정 방향의 시야각(FOV)에 대하여 동시 측정이 가능하도록 하고 회전 스캐닝 함으로써 3D 영상 수집이 가능한 기술이다. 이러한 방식은 넓은 시야 각의 확보를 위하여 많은 수의 레이저 및 수신소자들이 필요하고 비교적 고난이도의 패키징 기술이 요구되지만, 현재 상용화된 소자들을 활용하여 구현할 수 있는 장점이 있다. 현재 상용화된 3D laser scanner는 대부분 제한된 수직 방향의 시야각을 가지며, 수평 방향에 대하여 360도 또는 수십도의 스캐닝 각도를 지원한다. (그림 4)는 multi-layer 기술을 적용한 Ibeo 및 SICK 사의 laser scanner로 각각 0.8도의 수직 해상도(resolution)을 가 지는 4-layer 레이저 빔을 이용하여 3.2도의 수직 시야 각을 구성하는 방법을 보인다. Ibeo사의 경우 8- layer 기술을 적용하여 6.4도의 바와 같이 Velodyne사의 제품은 비교적 넓은 수직 시야각과 함께 360도 수평 시야각을 지원하므로 무인 운전 자동차 및 군용 차량 등의 시험 개발용으로 많이 적용되고 있다.(그림 2) Velodyne의 Lidar Sensor출처 : 라이다 센서 기술 동향 및 응용, ETRI (2012)RIEGL, SICK, Ibeo 및 Velodyne사 외에도 2D/3D laser scanner 상용 제품을 출시하는 기업들로 Hokuyo, Omron 등이 있다. 외부환경(outdoor)에서 사용하기 위 한 Velodyne, SICK, Ibeo, Hokuyo사의 3D/2D laser scanner 제품들 중에 비교적 장거리 지원이 가능한 모델들의 주요 사양을 에 요약 비교하였다. 여러 제 품들에서 비교적 반사율이 높은 물체들에 대한 최대 측 정 가능 거리는 120m, 200m, 250m인 것으로 제시되 고 있으나, 반사율이 10%인 조건에서 측정 가능한 거리 는 대부분 약 50m 수준이다. 대부분의 기업에서 360도 회전 가능한 제품들을 출시하고 있으나, 차량의 전방 또 는 후방에 장착되어 특정 방향만 관측하기 위하여 설계 된 경우 85도 또는 110도와 같이 제한된 수평 방향의 FOV를 지원하며, 대부분 약 0.1도 정도의 수평 방향 각도 해상도를 가진다. 수직 방향의 FOV 및 각도 해상도 는 Velodyne사의 제품이 가장 우수하며, 초당 프레임을 결정하는 spin rate은 5Hz에서 최대 50Hz까지 지원하는 제품이 있다. 의 제품들은 모두 수분 투과성에 장점을 갖는 905nm 파장 영역의 레이저 광원을 사용하고 있으며, 레이저 출력 사양은 기본적으로 IEC Class- 1의 eye-safety 규격을 만족한다. 일부 제품의 경우 외 부 환경에서 온도 제어를 위한 cooling/heating 기능을 가지며, 데이터 입출력을 위하여 10Mbps/100Mbps Ethernet 인터페이스를 지원하며, 이외에 CAN, RS232, USB 등의 인터페이스를 지원하기도 한 이용하여 빠르게 스캐닝하 고 단일 수신소자를 사용하여 point cloud 정보를 수집 하는 기술이 있다. 이러한 방식을 활용한 3D laser scanner 기술은 ETRI 융합부품소재연구부문의 광무선 융합부품연구부에서 개발 중에 있다.(그림 3) 레이저 스캐닝 시스템 구조출처 : 360도 스캐닝을 지원하는 라이다 플랫폼 설계, KETI (2016. 09)(3) 차량용 Lidar 센서 (ADAS)차량 주행과 관련된 주변 정보를 빠르게 수집하고, 이를 해석하여 의사결정을 빠르고 정확하게 실행하기 위해 자동차용 센서가 자율주행자동차의 핵심 기술로 인식되고 있다. 과거에는 차량의 작동상태나 주행상황 등을 측정하기 위한 목적으로 사용되어 오던 센서가 최근에는 차량, 신호등 및 차선, 장애물 등 주행 외부환경에 대한 데이터를 수집하는 역할로 진화하였다. 완성차 및 부품업체뿐만 아니라 IT 업체들까지 첨단운전지원시스템(ADAS) 개발에 주력하고 있는 것으로 나타났다. 미국 및 유럽 신차평가프로그램 등 교통인명사고를 줄이려는 자동차 주요 소비국의 안전규제가 강화됨에 따라, 다양한 외부환경을 인지해야 하는 센서 시스템은 보다 중요한 핵심 사업으로 부상하고 있다.현재 물체 판독 기능이 가능한 카메라와 야간환경을 위한 적외선 카메라, 원거리의 악천후 상황에서도 객체 검출이 가능한 레이더, 측정각도가 넓고 주변을 3차원으로 인지할 수 있는 라이다, 또한 감지 거리가 짧지만 레이더 시스템이나 광학 시스템에 비해 가격이 저렴한 초음파 센서 등이 핵심 분야로 자리 잡고 있다.자율주행자동차 부문에서 크게 두각을 나타내고 있는 테슬라와 구글은 차량 주변상황을 탐지하는 센싱 기술에 있어서 차이를 보이고 있다.테슬라는 도로에서 실시간 교통상황에 대한 정보를 획득하기 위해서 12개의 360도 장거리 초음파 센서와 반자율주행 실현을 위한 전방 인지 레이더 시스템을 장착하고 있으며, 카메라를 통해 획득한 이미지 정보처리 등을 통해 주변 사물인식, 신호인식 및 보행자 감지 기능까지 수행할 수 있경쟁력이 점점 높아질 것으로 전망되고 있다.(그림 4) 테슬라 오토파일럿 시스템 및 구글 자율주행 라이다 시스템출처 : 라이다 센서 기술 및 시장 동향, 정보통신기술진흥센터 (2016. 09. 28)3. Lidar 시장 및 산업 동향2015 년 2.9 억 달러 수준인 세계 라이다 시장은 2020 년까지 17%의 연평균성장률을 보이며, 6.2 억 달러 규모로 확대될 것으로 전망된다.아시아의 경우에는 2015년 4,000만 달러에서 2020년에는 1.3억 달러까지 매년 23% 성장률로 확대될 것으로 전망되고 있다.(단위: 백만 달러)(그림) 2015~2020 세계 라이다 시장 전망출처 : IRS Global, 2015. 8최근 자율주행자동차 등으로 인해서 주목 받고 있는 모바일 라이다 세계 시장규모는 2015 년 6,800 만 달러 수준에서 2020 년 1.8 억 달러로 연간 20% 성장세를 보일 것으로 전망되며, 단점으로 지적되고 있는 높은 가격은 2015 년 평균 4 만 2,000 달러에서 2020 년에는 2 만 4,000 달러로 단가가 큰 폭으로 떨어질 것으로 보인다.라이다 제조사별 제품군을 살펴보면 전통적인 지형 탐지 및 탐사 목적의 라이다 제품군과 지상용 3D 레이저 스캐너 제품군, 최근 주목을 받고 있는 모바일 라이다 제품군으로 구별될 수 있다.국내에서는 자율주행자동차의 다양한 ADAS (Advanced Driver Assistance System)의 상용화를 목표로 라이다 기술 연구가 진행중이며, 아직 차량용 라이다 생산 및 제품화 단계까지는 진행 되지 않은 상황이다.국외에서는 자율주행자동차를 위한 소형, 저가형의 라이다 센서를 개발하는 단계에 있으며, 저가형의 경우 1,000 달러 이하 제품도 출시하고 있다. 현재 전 세계 저가형 라이다 제품 중 가격대비 우수한 성능을 갖춘 제품으로 평가되고 있는 Quanergy 제품(The Mark VIII)을 살펴보면 음료수 캔 절반 크기로, 8 개의 레이저 및 수신 소자를 포함하고 360 도 회전 스캐닝이 가능특허검색

공학/기술| 2017.01.03| 4페이지| 1,000원| 조회(551)

레포트, 광전자공학, lidar, ADAS, 라이다, Photonics

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opAmp 텀프로젝트 평가A좋아요

전자 회로 및 실험최종 보고서작품명시간 탐지 작동기조장학과학번학년성명조원학과학번학년성명개요트랜지스터와 opamp를 이용한 스마트폰, MP3용 스피커 제작을 목표로 삼았다. AUX선을 이용하여 Stereo신호를 입력으로 받아, V-I converting device를 이용하여 전류신호를 전압신호로 바꾼 뒤, Op amp를 이용하여 최종적으로 신호를 증폭하여 스피커로 신호를 출력하는 회로를 제작할 것이다. 스마트폰, MP3의 음악파일을 재생할 때 발생하는 음성신호 처리, capacitor를 이용한 noise 제거,Op-amp를 이용한 power-amp 설계가 이번 프로젝트의 학습 목표이다.■ 설계 이론(ㄱ) AUX선을 이용한 Stereo Signal의 전송* AUX 케이블의 구조스테레오 전송방법이란, 좌측 우측 (혹은 그 이상의 다른 범위) 에서 녹음한 두 가지 이상의 음성신호를 동시에 송신하고, 수신기에서 2개 이상의 음성신호 출력장치로 출력하여 입체적인 음성신호를 출력할 수 있도록 하는 방법이다. 따라서 아날로그 시스템의 경우 스테레오 신호는 2개 이상의 전송로가 필요하다. AUX선은 좌측에서 녹음한 신호, 우측에서 녹음한 신호를 동시에 송수신 할 수 있는 대표적인 케이블이다. 잭에는 좌측신호를 전달하는 Tip과 우측신호를 전달하는 Ring, 그리고 Ground를 담당하는 Sleeve 세 가지 단자가 존재하며, mic까지 포함하는 AUX케이블은 4가지 단자가 존재한다.(ㄱ) PJ-306 소자를 이용한 음성신호 처리PJ-306소자를 이용하여 입력으로 들어온 전류형태의 음성신호를 전압형태의 신호로 전환하여 공급은 18V까지 가능하다. 처음에는 마이크를 이용하여 입력신호를 바로 증폭하여 출력하는 회로를 구현해보려 했으나, 좀 더 심화된 신호처리 시스템을 제작하기 위해 입력신호로 휴대폰이나 mp3의 출력을 이용하기 위해 이 소자를 선택하게 되었다. 이 소자는 외부회로가 과열 혹은 short 되었을 경우에 내부회로를 보호 할수 있는 기능이 있다. 3번핀은 GND에 연결해주고 1,2번은 Left sound voltage signal 4,5번 핀은 Right sound voltage signal을 출력한다.* PJ-306 * PJ-306의 원리(옴의법칙)(ㄷ) Power amp(LM386)Main amp 또는 Power amp라고 불리는 이부분은 전압으로 변환된 음성신호를 실질적으로 크 게 증폭 시켜주는 amp 이다. Power amp는 TR가 아닌 op-amp를 이용할 것이다.* LM386 Gain (Data sheet에 명시)* LM386 내부회로LM386은 우리가 실험 때 다루었던 LM741과 Gain 설정 방법이 다르다. LM741소자는 입출력단에 저항을 이용하여 피드백 회로를 구성해 주었던 반면, LM386은 Gain을 조절하는 핀(1-8, 1-5)이 따로 존재한다. 따라서 Gain을 조절하기가 더 간편하다. Gain조절 공식은 Data Sheet에 명시되어 있으며 우리는 50V/V의 Gain값을 이용할 것이다.LM386의 내부회로를 살펴보면, BJT로 구성되어 있음을 알 수 있는데, 입력단의 BJT집단은 저잡음 증폭기로써 케이블을 타고 흘러들어온 신호의 잡음을 제거해주는 역할을 한다. 파란색 동그라미 부분은 CE Amp로 실질적으로 신호를 증폭하는 역할을 하고, 빨간색 동그라미 부분은 Emitter Follower로 저항값이 낮은 스피커(8옴)을 구동시키기 위해 출력저항을 낮추어주는 버퍼역할로 사용된다,(ㄹ) 출력 스피커스피커에는 진동을 하는 진동판이 있다. 이 진동판에 에나멜 선을 감은 것과 같은 코일을붙인다. 이 코일을 보이스 코일 (voice coil)이라고 한다. 자기장에 노출된 코일에 전류가흐르면 코일은 자기력을 받아 진동을 한다. 코일과 붙어있는 진동판이 진동을 하면 공기가진동하여 소리가 나게 된다. 이것이 스피커에서 소리가 나는 기본 원리이다. 이번 프로젝트에서는 8Ω 스피커를 사용할 것이고, Power amp를 거쳐 증폭된 전압이 이 저항을 통해 전류 신호로 다시 변환된다. 스피커의 구동을 위해서는 전압신호를 전류신호로 바꿔 주어야 한다.이 때 증폭시킨 신호를 감쇄시키지 않게 하기 위해서는 낮은 저항을 이용해야한다. 따라서스피커의 저항값은 작을수록 좋으며, 이를 구동시키기 위해 LM386 소자의 출력단에Emitter Follower Amp가 존재한다.* 스피커의 구조 * 8Ω 스피커(ㅁ) 캐패시터를 이용한 Noise 제거우리는 저주파의 음성신호를 다루기 때문에 고주파 노이즈를 제거하는데 집중하면 된다. 우리는 캐패시턴스 값이 큰 캐패시터를 이용하여 노이즈를 제거할 계획이며, 회로를 제작하면서 중간중간 노드에 상황에 맞게 캐패시터를 추가할 계획이다.* 캐패시터를 이용한 노이즈제거 회로■ 설계 회로도Pspice를 이용하여 그린 설계회로도는 다음과 같다.* Pspice를 이용하여 그린 1차 회로도스테레오로 전송되는 2개의 신호를 모두 증폭시켜야 하기 때문에 앰프는 2개가 필요하 다. 앰프의 Gain값은 1번핀과 8번핀을 피드백하여 임피던스를 연결하여 조절할 수 있다. (조절 가능 범위 : 20V/V ~ 200 V/V) 위 회로에서는 1.2kΩ 저항을 이용하여 Gain을 50V/V 로 만들었다. 신호가 왜곡되면 안되기 때문에 비반전 증폭기로 증폭해야 하기 때문에 입 력신호는 + 단자를 통해 입력한다. 앰프의 각 출력단과, 전류 전압 변환기를 거쳐 전압 으로 변환되어 나오는 출력단에는 노이즈 제거용 캐패시터를 상황에 맞게 추가적으로 연결할 계획이다. 입력전압으로는 9V전지를 이용할 것이고, 출력스피커는 8Ω 스피커이기 때문에 일단 8Ω 저항으로 연결해 놓았다. PJ-306소자를 통해 전압으로 컨버팅된 신호 에 1k옴 가변저항을 연결하여 입력신호의 세기를 조절하여 볼륨을 조절할 것이다.■ Pspice Simulation가변저항은 고려하지 않고 시뮬레이션 했다. 원래 입력신호는 MP3 오디오 신호이나, Simulationd의 편의를 위해 10mV 10kHz sin파를 인가했다.Simulation 결과 48.5의 Gain을 확인할 수 있었다.■ 회로제작(ㄱ) 브레드보드 구현브레드보드 구현 결과 생각보다 노이즈가 심했다. 따라서 여러 노드 및 LM386의 7번핀에 여러 가지 캐패시터를 달아가며 bypass capacitance 값을 잡아주었다. 인터넷검색 결과 브레드보드에 음향기기를 구현할 경우 브레드보드 자체 임피던스 때문에 노이즈가 발생한다고 해서일단 기판에 제작을 시작했다. 또한 1kΩ 가변저항으로는 가변 범위가 너무 작아서 10kΩ 가변저항으로 대체하였다.(ㄴ) 기판제작■ 검토 및 고찰기판제작 완료 후에도 많이 줄어들긴 했지만 여전히 노이즈가 조금 남아있었다. 하지만 지저분한 납땜으로 발생되는 노이즈를 최소화하기 위해 많은 노력을 기울였기 때문에 브레드보드에 구현했을 때 보다는 노이즈가 현저히 줄어들었다. 남아있는 노이즈는 스피커가 실험용스피커이기 때문에 한계 전력값이 (0.5w)로 매우 낮기 때문에 발생되는 과도한 스피커 떨림때문에 발생한다고 생각된다. 기판 납땜 완료 후 실험한 결과 한쪽 스피커에서만 심각한노이즈가 발생되었다. Op-Amp를 새 칩으로 갈아 꼈더니 노이즈가 약간 줄어들었으나 아직도 큰 노이즈가 발생했었다. 우리는 스피커불량으로 판단을 내리고 새 스피커로 다시 납땜을 진행한 결과 정상적으로 동작했다. 한편 전원 스위치를 고려하지 않고 배터리를 끼고 빼는

공학/기술| 2016.08.17| 9페이지| 2,000원| 조회(1,946)

전자회로, 전자회로실험, opamp, 스피커, 텀프로젝트, 오피앰프, 전자공학과, 스..

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디지털논리회로 텀프로젝트 평가A좋아요

과목 : 기초 전자 회로 실험2비교기, 타이머, 카운터, 세븐세그먼트 디코더를 이용한 알람 스톱워치의 설계담당교수학 번 및이 름학 과전자공학과1. 프로젝트의 목적 및 필요성2. 설계 이론3. 회로 구성4. 검토 및 고찰5. 프로젝트 일정6. 역할 분담7. 프로젝트 물품 구매 내역8. 참고 문헌1. 프로젝트의 목적 및 필요성카운터를 이용한 논리회로 구성이라는 주제에 맞는 회로를 고민해 보았다. 첫 번째로 카운터에 입력 신호를 어떤 것으로 넣을지, 두 번째로 카운터의 출력을 어떻게 응용할지 여부에 대해 토의를 한 끝에, 입력으로는 타이머의 클럭펄스를, 출력은 세븐세그먼트 디코더와 비교기에 응용해 보는 것이 좋겠다는 결론을 내렸다. 입력으로는 다양한 신호를 응용할 수 있다. 하지만 우리는 카운터를 처음 사용해 보기 때문에 센서 등을 이용하는 것 보다 일정 주기의 클럭펄스를 이용하는 것이 보다 안정된 입력을 줄 수 있을 것이라고 판단했기 때문에 타이머의 클럭펄스를 입력신호로 이용하기로 결정했다.우리는 555발진 타이머를 이용하여 1초의 주기로 HIGH신호와 LOW신호를 반복 출력하는 시스템을 구현하고 그 신호를 7490 카운터의 입력으로 받아서 1초마다 1씩 증가하는 출력 시퀀스를 발생시키고 그 신호를 바탕으로 세븐세그먼트 디코더에 표시되는 숫자를 1씩 증가시키는 회로를 꾸미려고 한다. 이때 비교기를 이용하여, 우리가 측정하고자 하는 시간의 상태를 4비트 스위치에 미리 입력해 두고, 그 값과 같은 값이 카운터 출력으로 나올 때, 비교기에서 출력되는 High 신호를 이용하여 LED에 불이 들어오게 하고 회로의 동작을 멈추도록 한다. 동작을 멈추게 하기 위해 NAND게이트의 한 입력은 Vcc에 고정, 나머지 입력을 비교기의 출력과 연결하여 그 출력을 타이머의 전원과 연결할 것이다. 모든 동작이 끝난 후 카운터에 리셋 스위치를 만들어 회로를 초기화 할 수 있도록 설계할 것이다.2. 설계이론① 1초 주기의 신호 발생 (555 타이머)*NE555 Timer datasheet*Astable mode of NE555 Timer이번 실험에서 우리는 555 발진 타이머의 어스테이블 모드를 이용하여 타이머가 1초 주기의 클럭을 발생시키도록 할 것이다. 주기를 1초로 하는 클럭을 발생시키는 방법은 타이머에 연결하는 캐패시터와 저항의 값을 조절하면 된다. 이때 출력되는 클럭은 7490카운터의 2진카운터의 입력펄스가 된다. 이 신호는 전체 시스템의 여러 입출력 관계 중 최초의 신호이며, 우리의 목적인 스톱워치를 정확히 구현하기 위해서는 세심한 컨트롤이 필요하다.NE555타이머의 주기를 구하는 식은T = 0.693 * R2 * C1 이다(Time high = 0.693 * (R1+R2) * C1,Time low = 0.693 *R2 *C1인데 R1이 굉장히 작으므로 T(H)와 T(L)는 거의 같다.) 따라서 주기가 1이 되기 위해서 R2= 330kΩ, C1=4.4uF으로 하기로 정했다. 하지만 capacitor 4.4uF가 없어 가장 근사한 4.7uF를 사용하기로 했다.(하지만 브레드보드에 구현할 때 우리가 원한 1초보다 조금 긴 주기의 클럭이 발생했다. 때문에 작품에 사용하는 저항 R2를 270kΩ 바꾸었다 그 이유는 R2=330kΩ 일 때 주기가 대략 1.6s정도 나왔고 1초로 맞추기 위하여 저항값(R2)을 소폭 줄여야겠다고 판단했기 때문이다.)② 7490 decade counter* Data sheet of 7490 decade counter* Time diagram of 7490 decade counter* Truth table of 7490 decade counterNE555타이머에서 발생한 1초주기의 입력펄스는 7490decade카운터의 2진 카운터 부분의 입력(datasheet 14번)으로 들어간다. 또한 2진 카운터의 출력인 QA는 5진 카운터 부분의 입력(datasheet 1번)으로 들어간다. 7490decade카운터에는 2진 카운터와 5진 카운터가 있는데 QA는 2진 카운터의 출력, QB, QC, QD를 5진 카운터의 출력이다. clk의 주기를 T라하면 QA는 2T의 주기를 가지고, QB, QC. QD는 2T주기의 입력신호를 받아 2진 카운터의 2배의 주기로 카운팅 된다. 1초단위 10진 카운터를 구현하기 위해서 가장 중요한 핵심은, 1초주기의 입력펄스를 2진 카운터의 입력에, 2진 카운터의 출력을 5진 카운터의 입력으로 들어가게 하고 4개의 출력(QA, QB, QC, QD)을 4bit BCD 출력으로 이용하면 된다.③ 7segmant와 7447 decoder를 이용한 시간 표현*7447 decoder 7segmant의 연결* 7447 decorder datasheet*7segmant datasheet7490의 카운터에서 발생한 4개의 출력은 7447디코더의 입력으로 들어가고 디코더는 총 7개의 출력으로 디코딩한다. 시간에 따라 변하는 카운터의 출력이 디코더의 입력으로 들어가고 디코더의 출력이 7segment의 입력으로 들어간다. 7segment는 7개의 LED를 이용하여 0~9까지 숫자를 표현할 수 있는 장치이다. 7447디코더는 7세븐세그먼트의 구동을 위해 설계된 디코더이다. 예를들어 카운터로부터 0010의 입력을 받으면, a, b, g, e, d에 HIGH(캐소드형) 또는 LOW(애노드형)의 출력을 발생시킨다. HIGH의 출력을 받은 캐소드형 세븐세그먼트는 소자에 인가된 GND로 전압이 빠지면서 7세그먼트 상의 해당 LED에 불이 들어오게 한다. 반대로 애노드형의 경우는 인가된 LOW신호에 소자에 연결되어있는 Vcc전압이 빠지면서 LED에 불이 들어오게 한다.④ 7485비교기와 4bit DIP switch를 이용한 판단* Datasheet of 7485 comparator*4bit DIP switch* Function table of 7485 compatator우리가 원하는 시간에 회로를 정지시키기 위해 필요한 소자가 비교기이다. 4비트 dip스위치를 이용해 사용자가 0~9까지의 임의의 입력을 비교기의 한쪽 입력으로 주고(A3~A0), 카운터에서 나오는 출력을 또 다른 입력(B3~B0)으로 준 뒤 IA>B = Low, IA 비교기의 Output(A=B) 단자에서 HIGH신호 발생(7) NANDgate의 두 입력으로 HIGH신호와 비교기의 출력을 연결(스위치 입력값 = 7490카운터의 출력 일 때 LOW신호 발생)(8) NANDgate에서 발생되는 LOW신호를 이용하여 타이머 정지(9) RESET② 회로도 작성③ 브레드보드 1차 구현* dip switch로 7의 입력을 넣은 뒤, 7초에서 정지한 회로의 상태④ 기판에 작품 완성* dip switch로 7의 입력을 넣은 뒤, 7초에서 정지한 회로의 상태4. 검토 및 고찰이번 실험에서 우리가 첫 번째로 부딪혔던 문제는 타이머로 1초를 만드는 작업이었다. 555타이머 데이터시트에 나와있는 공식에 입각하여 저항값과 캐패시터 값을 결정하고 브레드보드에 구현해 보았더니(R2= 330kΩ, C1=4.7uF, Time low = 0.693 *R2 *C1 = 1.07s) 1.6초 정도의 출력을 발생시켰다. 원인을 분석한 결과 원래는 Vcc=5V로 구동되는 소자인데 6V를 인가했기 때문에, 또는 브레드보드에 존재하는 저항과 캐패시턴스, 인덕턴스의 영향 때문이라 판단했다. 따라서 주기를 조금 줄여야 할 필요가 있어서, 300kΩ, 270kΩ 저항을 추가로 구매하여 실험해본 결과 R2=270kΩ일 때 1초에 더 가까운 출력을 보였다. 따라서 기판에 구현할 때도 270kΩ의 저항을 이용하기로 결정했고, 브레드보드에 구현한 결과 잘 작동했다. 하지만 기판제작 결과 다시 주기가 1초보다 조금 길었다.두 번째 문제는 7447디코더는 애노드형 세븐세그먼트를 위한 7447디코더를. 7세그먼트는 캐소드형으로 구매하여 브레드보드에 회로를 구성 결과 작동하지 않았다. 부품 구매 당시 분명히 둘다 애노드형으로 달라고 했는데, 동작실험을 해본 결과 캐소드형이었다. 이 실수를 발견하는데 시간이 꽤 오래 걸렸고, 앞으로 부품을 구매할 때 더욱 주의해야겠다고 생각했다.세 번째 문제는 너무 작은 기판에 납땜을 시도했다. 1학기 때 납땜을 해 보았으나, 그때는 지금보다 더욱 단순한 회로를 납땜했었기 때문에 작은 사이즈의 기판에도 충분히 납땜을 할 수 있을거라 생각했다. 또 납으로 직접 연결하지 않고 무조건 쇼트선으로만 연결하려 했고, 또 쇼트선의 길이도 길게 사용하여 납땜결과 너무 작고 조잡했다. 조잡하게 완성된 기판인 만큼 동작도 제대로 되지 않았다. 따라서 더 큰 사이즈의 기판을 다시 구매하여 납땜을 하였고, 쇼트선의 길이도 최소로 하려고 노력하며 납땜을 완성했다.

공학/기술| 2016.08.17| 7페이지| 2,000원| 조회(3,301)

디코더, 타이머, 스톱워치, 카운터, 비교기, 텀프로젝트, 알람, 전자공학과, 최종보고..

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디지털논리회로 텀프로젝트입니다. 평가A+최고예요

과목 : 기초 전자 회로 실험1랜덤신호, 카운터, 세븐 세그먼트를 이용한두더지잡기 게임담당교수학 번 및이 름학 과전자공학과기초 전자 회로 및 실험보고서주 제ALUs(Arithmetic logic units)이용한 자유주제작품명두더지잡기 게임조장학과학번학년성명조원학과학번학년성명목차1. 목적 및 필요성2. 설계이론3. 해석(Pspice 분석 자료)4. 검토 및 고찰■ 목적 및 필요성ALUs를 이용한 자유주제에 알맞는 회로를 고민해 보았다. 우리가 배운 수준에서 응용할 수 있는 소자에는 타이머, 카운터, 논리게이트 등이 있었다. 이 소자들을 활용하여 다양한 디지털 논리들을 구현할 수 있는데 그 중에서 두더지잡기 게임을 회로로 만들어 볼 수 있겠다는 생각이 들었다. 타이머와 카운터를 이용한 랜덤적인 신호 발생, 논리 게이트 (NOR gate)와 버튼을 이용한 회로의 조작, 세븐세그먼트와 카운터를 이용한 점수판 표시 등 기본적인 반도체 소자들을 잘 이용하면 회로를 구현할 수 있을 것 같다는 생각이 들었고, 이를 통해 반도체 소자들의 특성을 보다 자세히 알 수 있을 것 같아서 두더지잡기 게임을 이번 프로젝트 주제로 정하게 되었다.■ 설계이론1. 소자설명(ㄱ) 555 타이머555 타이머는 아래에 나타난 3가지 기능을 제공하는 소자이다. ‘활용성’, ‘안정성’, ‘낮은 가격’이라는 장점이 있다.(1) 555 타이머의 구조(2) 555 타이머의 기능① Monostable mode (모노스테이블 모드)인풋의 트리거를 이용하여 일정기간동안 펄스를 만든 후에 다시 원상태로 돌아가는 모드이다. 예를 들어, 버튼을 눌렀을 경우, LED를 일정기간동안 켰다가 끌 경우, 센서로 감지 후 일정기간 자동문을 열 경우 등, 다양한 애플리케이션에 사용되고 있다.② Atable mode (어스테이블 모드)다음의 그림처럼, 인풋에 상관없이 전원이 들어오면, 반복적인 펄스를 만들어낸다.③ Bistable mode (바이스테이블 모드)슈밋 트리거 (Schmitt Trigger)라고도 불리는 모드로서, 두 개의 인풋을 이용하여 출력을 생성할 수 있는 모드이다.작품응용 : 우리가 작품을 만들 때에는 모노스테이블 모드와 어스테이블 모드를 사용할 것이다. 어스테이블 모드를 이용하여 특정시간동안에만 회로에 전원공급을 하고 이 타이머를 게임 기 타이머라고 명칭한다. 어스테이블 모드를 이용한 타이머와 모노스테이블 모드를 이용한 타이머를 이용하여 랜덤적인 신호를 발생시킬 것이다. 첫 번째 타이머를 점등타이머라고 명칭하고, 초당 수천번의 속도로 5개의 LED를 순서대로 켰다가 임의로 멈추게 한다. 두 번 째 타이머를 돌발타이머라고 명칭하고, 감광저항(빛에 따라서 저항값이 소폭 변하는 저항) 을 이용하여 임의적으로 전압파의 지속시간을 변하게 한다. 전압파 지속시간의 변화량은 아주 작지만, 점등타이머의 주기가 매우 작기 때문에 랜덤적인 신호를 만들기에는 충분하 다고 판단했다.(ㄴ) 4017 10진 카운터4017 10진 카운터는 클럭을 받아서 최대 10개의 단자에 양전압을 차례대로 발생시켜주는 회로이다.작품응용 : 앞서 언급했던 점등 타이머에서 발생되는 초당 수 천번의 짧은 주기의 클럭을 입력으로 받 아 5개의 LED와 버튼에 차례대로 양전압을 인가해 주는 역할을 한다. 점등 타이머와 하께 작동되기 때문에 점등 카운터라 명칭한다. 돌발 카운터에서 신호가 출력되어 카운터에 입력 되는 전압파가 멈추면 동작을 멈추고 대기한다.(ㄷ) 4026 카운터4026카운터는 클럭을 입력받아 특정한 규칙으로 인코딩된 대로 출력을 발생시키는 소자이다. 리셋기능이 있어서 고전압이 인가되면 초기화된다. 주로 세븐세그먼트와 함께 사용되는 소자이다.작품응용 : 이 회로에서는 세븐세그먼트 디스플레이를 이용하여 게임의 점수를 표시하게 되는데, 이를 가능하게 하기 위해 4026카운터를 사용한다. 두 자리 점수를 표현하기 위해 4026카운터 2 개를 사용한다. 게임기 사용자가 올바른 버튼을 눌러 돌발타이머가 재가동 될 때 발생하는 클럭을 입력으로 하여 구동하도록 구성한다.(ㄹ) 세븐 세그먼트 디스플레이위의 그림은 Seven segment의 게이트 형태와 Display 될 경우의 LED를 나타낸다. 4비트의 BCD코드로 입력이 가능하다. 단 여기서 BCD코드는 0~9까지 유효하고, 따라서 이 Display도 0~9까지 표현가능하다. DCBA의 입력 부분 에는 각각 01을 넣어 10진법으로 0~9까지 나타낼 수 있다. 예로는 (DCBA : 0011)= 3 (DCBA : 0101)=5 임을 보인다. 자세히 진리표로 나타내면 다음과 같다.2. 회로 설계회로를 설계할 때 우선 회로가 어떤 기능을 해야 하는지를 파악해야한다. 우리가 구상한 두더지잡기 게임의 기능을 정리해보면 다음과 같다.① 일정 시간 동안 게임기에 전원을 공급한다.② 점등타이머를 이용하여 아주 짧은 주기의 클럭을 발생시킨다.③ 점등카운터를 이용하여 점등타이머로부터 받은 클럭에 따라 각각의 LED와 버튼에 순서대로 전압을 인가시킨다.④ 감광저항의 변하는 저항값을 이용하여 일정하지 않은 주기의 클럭을 발생시키는 돌발타이머와, 점등타이머의 클럭 주기의 차이를 이용하여 랜덤적으로 LED와 버튼에 전압을 고정시킨다.⑤ 사용자가 올바른 버튼을 누르면 버튼에 의해 연결되는 고전압 신호를 NOR게이트를 통한 후 돌발타이머로 인가하고 돌발타이머는 다시 작동한다.⑥ 돌발타이머가 작동할 때 클럭을 발생시키고 점수카운터는 그 클럭을 입력으로 받아 세븐세그먼트 디스플레이의 표시된 점수에 1을 추가한다⑦ 전원이 OFF될 때 까지 해당 동작을 반복한다.⑧ 전원이 OFF되면 그것을 알리는 LED에 불이 들어오고, 리셋버튼을 누르면 전체 회로가 초기화된다.이 논리를 보기 쉽게 그림으로 나타내면 다음과 같다.3. 설계 회로도■ 해석 (Pspice 분석 자료)이 회로에서 가장 핵심적인 요소인 랜덤 신호의 발생을 시뮬레이션 해보았다. 전원 공급을 담당하는 게임기타이머, 순차적으로 HIGH 전압을 발생시키는 점등타이머와 점등 카운터, 그리고 그 신호를 랜덤적으로 고정시키는 돌발타이머를 Pspice로 구성하고 시뮬레이션 해 보았다. 감광저항은 시뮬레이션 할 수 없기 때문에, 기본 50kohm에서 조금씩 저항값을 바꿔가며 시뮬레이션 하였다.* 555 타이머 3개와 4017카운터 1개를 이용한 랜덤신호 발생 시뮬레이션(1) 감광저항 = 50kohmQ0에 HIGH 전압이 걸렸다.(2) 감광저항 = 51kohmQ4에 HIGH 전압이 걸렸다.(3) 감광저항 = 49.5kohmQ3에 HIGH 전압이 걸렸다.■ 검토 및 고찰1. 완성 작품세븐세그먼트가 제대로작동하지 않음원인 : 저항끼리 붙어서 쇼트가 남

공학/기술| 2016.08.17| 10페이지| 2,000원| 조회(4,245)

디지털논리회로, 텀프로젝트, TTL회로, 전자공학과, 두더지잡기게임

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