기초회로실험2_18.정현파측정 예비레포트

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[1]실험 목적

(1) 오실로스코프로 정현파의 주기와 주파수를 측정한다.

(2) 오실로스코프로 접지되지 않은 부품의 전압을 측정하는 방법을 배운다.

 

[2]실험 재료

저항 : 2.7kΩ , 6.8 kΩ 1개씩

[3]이론 요약

〈그림 18-1>처럼 스프링에 추가 매달려있다고 하자. 스프링을 아래로 당겼다가 놓으면 추는 규칙적으로 위아래로 흔들릴 것이다. 이때, 추가 처음 멈춰있던 곳에서 추가 닿는 맨 위쪽까지(또 는 맨 아래쪽까지) 움직이는 폭을 '진폭(amplitude)이라고 한다. 추 위아래로 한 번 진동하여 다시 처음 위치로 돌아오는데 걸리는 시간을 주기(period)'라고 하며 1초 동안에 추가 진동한 횟수를 진동수 또는 '주파수(frequency)라고 한다. 이와 같은 물체의 주기적인 움직임을 단진동 (simple harmonic motion)이라고 한다. 단진동 운동을 시간의 흐름에 따라 변하는 그래프로 나타내면 사인함수 모양의 정현파가 된다. 이 정현파는 모든 파형들 가운데 가장 기본이 되는 파형이다. 교류발전기(AC generator)에서 만들어지는 파형도 정현파이다. 그림 18-1(a)〉에 지금까지 설명한 내용을 나타내었다.

그림18-1

등속 원운동에 의해서도 정현파가 생긴다. <그림 18-1(b)》와 같이 물체가 일정한 속도로 원 운동을 하고 있다고 하자. 원의 중심에서 물체를 잇는 반지름벡터를 세로축에 빛으로 비추어 나 타내면 그 그림자는 단진동운동을 한다. 물체가 움직인 각도를 x축으로, 그 각도만큼 움직였을 때 물체의 높이를 y축으로 하여 그래프를 그리면 〈그림 18-1(6)》처럼 사인함수 모양의 정현파가 된다. 이렇게 그래프를 그리는 방법은 주파수가 같은 두 정현파의 위상(phase)관계를 나타낼 때 자주 쓰인다.

정현파는 재미있는 성질을 지니고 있다. 주파수가 서로 다른 정현파 여러 개를 더하면 새로운 모양의 파형을 만들 수 있다는 것이다(앞에서 가장 기본이 되는 파형이 정현파라고 한 것을 기억하자. 실제로 사각형 모양의 파형이나 삼각형 모양의 파형도 아주 많은 개수의 정현파들을 더하여 만들 수 있다. 이러한 정현파의 성질은 여러 신호파형에 대한 회로의 응답특성을 연구하는 데 큰 도움이 된다

오실로스코프

이번 실험에서는 오실로스코프를 사용하여 정현파에 관련된 여러 항목을 측정한다. 앞 장의 실 험에서 알아본 것처럼 오실로스코프에는 디지털과 아날로그의 두 종류가 있다. 두 종류의 스코프가 측정파형을 화면에 표시하기 위해 신호를 처리하는 방식은 서로 다르지만 이들이 갖추고 있는 SEC/DIV를 비롯한 많은 조정장치들은 서로 같거나 비슷하다. 스코프 조정장치들의 기능과 조작방법을 확실히 알아두어야 하므로 필요하면 이 책의 뒤쪽에 실려있는 '오실로스코프 사 용법'을 다시 한번 읽어보도록 한다. 이번 실험에서는 스코프화면에서 정현파의 한 주기가 차지하는 칸수(DIV)에 SBC/DIV 값을 곱하여 주기를 측정해본다. 디지털스코프로 실험하는 경우에는 자동측정기능을 사용하지 않는 것으로 한다.

함수 발생기

함수발생기에서 발생시킬 수 있는 신호파형은 대개 정현파, 사각파삼각파이다. 또 디지털논리회로를 실험할 때 쓸 수 있도록 펄스(pulse)신호를 출력할 수 있는 것도 있다. 함수 발생기에는 출력하는 '신호파형의 종류'를 선택하고 파형의 진폭', 주파수, '직류성분' 등을 조 정할 수 있는 스위치와 손잡이가 달려있다. AMPLITUDE 조정손잡이로 출력되는 파형의 피크 값이나 피크-대-피크값을 맞출 수 있다. DC OFFSET 조정손잡이로는 직류성분의 크기를 맞출 수 있는데, 신호파형의 교류성분에 바로 이 직류 값이 더해지거나 빼진다. DC OFFSET 조정손잡이에는 보통 눈금이나 값이 표시 되어있지 않으므로 오실로스코프나 멀티미터로 진폭과 직류 성분의 크기를 확인하는 것이 좋다.

주파수를 선택할 때는 보통 범위선택스위치와 미세조정손잡이를 쓴다. 범위선택스위치'는 대개 여러 개의 누름버튼으로 되어있는데 이들을 차례로 눌러 보통 Hz 단위에서 MHz 단위까지 10배씩 주파수범위를 높일 수 있다. 이렇게 선택된 주파수 범위 안에서 '미세조정 손잡이'로 정확한 주파수를 맞춘다.

함수발생기의 출력파형의 크기를 스코프나 멀티미터로 맞춘 다음 실험할 회로와 연결하면 파형의 크기가 처음에 맞춘 값보다 작아지는 일이 생길 수 있다. 작아지는 정도가 심한 경우에는 함수발생기의 출력단자와 실험회로를 서로 연결한 상태에서 스코프나 멀티미터로 출력파형의 크기를 맞추어 주도록 한다. 이러한 일이 일어나는 것은 함수발생기 안에 0 Ω, 이 아닌 내부저항(보통 50Ω이나 600 Ω으로 출력단자에 그 값이 적혀있음)이 들어있는데 이것이 실험회로와 서로 작용하기 때문이다.

 

[4]실험 순서

1. 함수발생기를 주파수 1.25 KHz, 피크-대-피크값 1.0 Vpp 신호파형은 정현파(~)로 맞추어 라. 스코프화면에 이 정현파 신호의 한 주기가 나타날 수 있도록 스코프의 SEC/DIV 손잡 이를 0.1 msdiv로 맞추어라. 이 정현파 신호의 주기는 주파수의 1.25 kHz의 역수로 0.8 ms 가 된다(1/.25 kHz= 0.8 ms) 따라서 신호의 한 주기는 스코프 화면에서 8칸을 차지한다.

〈표 18-1〉의 첫 줄에 이 내용을 보기로 나타내었다.

그림18-3

2. 함수발생기의 주파수를 〈표 18-1》에 수록한 값으로 바꾸어라. 각 주파수에 대해 먼저 주기를 계산하여 표에 써넣고 다음으로 스코프로 측정한 주기를 표에 기록하여라.

3. 여기에서는 프로브 두 개를 스코프의 두 채널에 각각 하나씩 연결하여 측정하기로 한다.〈그림 18-2>를 보면 저항 R,는 회로접지와 연결되고 R,은 접지와 연결되지 않았다. 접지와 연결되지 않은 부품의 전압을 스코프로 측정할 때는 특별한 주의가 필요하다. 이제부터 이 문제에 대해 찬찬히 살펴보기로 하자. 〈그림 18-2》의 회로에서 만일 스코프의 접지와 회로 접지가 다르다면 아무런 문제없이 R에 걸리는 전압파형을 측정할 수 있다. 하지만 〈그림18-2》에서는 스코프접지의 전위가 회로접지와 같으므로 프로브의 두 단자를 저항 R의 양쪽 단자에 갖다 대는 순간, 그림에서 보듯이 프로브의 접지단자와 회로의 접지단자 사이에 연결경로가 생기게 된다. 이것은 두 접지단자를 도선으로 연결한 것과 같은 효과를 나타내므로 R2는 회로에 연결되지 않은 것처럼 되어 저항 R,만 연결된 회로로 바뀌게 된다. 따라 서 이때 스코프화면에 나타나는 파형은 잘못 측정된 것이다.

이런 경우에 <그림 18-3〉처럼 두 채널을 사용, 접지되지 않은 R,의 두 단자에 각각 한 채 널씩 연결한 뒤 스코프가 가진 '빼기기능'을 사용해서 두 채널의 차이를 구하면 R,의 전압을 제대로 측정할 수 있다. 이렇게 '채널 1 측정전압과 채널 2 측정전압의 차이'를 구해주는 '빼기기능'을 쓸 때는 측정하기 전에 반드시 두 채널 모두에 대해 '교정(calibration)'을 제대로 한 다음 VOLTS/DIV 손잡이를 같은 값으로 맞춰야 하는 것은 물론, 두 채널의 AC/GND/DC 스위치를 GND로 놓고 (1)POSITION 손잡이로 접지위치를 스코프의 '한가운데'로 똑같이 맞추어 놓아야 한다.

R,= 2.7 kΩ, R2= 6.8 k Ω, 으로 하여 <그림 18-3>의 회로를 꾸며라. 함수발생기를 주파 수 10 kHz, 피크-대-피크값이 1.0 Vpp인 정현파를 발생시키도록 맞추어라. 그림처럼 두 프 로브의 단자를 연결하여라(두 프로브의 접지단자 중에서 하나만 회로 접지에 연결해도 되 지만 두 접지단자를 모두 회로의 접지에 연결하는 것이 더 바람직하다). 그러면 채널 1로는 함수발생기의 출력전압이 측정되고 채널 2로는 R2에 걸리는 전압이 측정된다. 이제 스코프의 '빼기기능'을 사용해보자. 'SUBTRACT MODE(뺄셈모드)' 스위치를 따로 갖춘 스코프라면 이것으로 '채널 1-채널 2'의 계산이 이루어지므로 R,의 전압이 화면에 표시된다. 이 스위치가 없는 스코프에서는 먼저 INVERT 스위치를 눌러 채널 2의 신호를 뒤집은 다음 ADD(더하기) 스위치를 누르게 되면 채널 1-채널 2'의 계산이 이루어진다." 디지털 스코프라면 'Math Menu(수학메뉴)'에 있는 'difference function(차이함수: 빼기기능)'을 선택하면 된다. R,과 R2의 전압을 측정하여 <표 18-2>에 기록하여라. 전압이 제대로 측정되었는지 전압분배법칙으로 R,과 R2에 걸리는 전압을 계산하여 비교해보아라.