Lab. 1. I-V C Lab. 7. Characterist tics of a Dio 능동필터 ode 1. 실험목표 연산증폭기를이용한저역통과필터 (low-pass filter), filter), 대역통과필터 (band-pass filter) 회로를구성, 연산증폭기능동필터회로를이해 고역통과필터 (high-pass 측정및평가해서 2. 실험회로 A. 연산증폭기능동필터 회로 (a) 저역통과필터
(b) 고역통과필터 (c) 대역통과필터 3. 실험장비및부품리스트 A. 공통 그림 7.1. 능동필터회로
NI ELVIS II MultiSim ( 혹은 SPICE와같은회로시뮬레이터 ) PC : NI MultiSim과 ELVIS II 용도 B. 능동필터회로실험 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( 예비실험 ) A. 기본이론조사 (1) 수동필터와능동필터를비교해서설명하시오. - Floyd 767-770페이지 (2) 연산증폭기를이용한능동필터중에저역통과필터에대해서설명하시오. - Sallen-Key 저역통과필터 - Floyd 773-5페이지 (3) 연산증폭기를이용한능동필터중에고역통과필터에대해서설명하시오. - Sallen-Key 고역통과필터 - Floyd 776-8페이지 (4) 연산증폭기를이용한능동필터중에대역통과필터에대해서설명하시오. - Sallen-Key 대역통과필터 - Floyd 779-84페이지 (5) 연산증폭기를이용한능동필터중에대역저지필터에대해서설명하시오. - Floyd 785-6페이지
B. MultiSim 사용한모의 실험 ( 시뮬레이션 ) (1) 저역통과필터 회로 시간영역측정 : 저역통과필터회로 ( 그림 7.2) 에서입력전압 (V out ) 을오실로스코프로측정하시오. 전압 (V in ) 과출력 그림 7.2. 저역통과필터측정 회로 - XFG1은함수발생기이고 Amplitude 0.5Vp, Offset 0V 다음과같이설정해서시뮬레이션 : 정현파, Frequency 10Hz, - XSC1 은오실로스코프이고이것을 이용해서 입력전압 (V in ) 과 출력전압 (V out ) 의 그래프를출력하시오. - 주파수를다음표7.1와같이바꿔가면서출력전압의첨두간전압을측정하고그값을이용해서을계산해서다음표 7.1를완성하시오.
표 7.1. Multisim 을이용한시간영역에서의저역통과필터의주파수특성측정결과 주파수 f [Hz] 입력전압첨두간전압 V in(pp) [V] 출력전압첨두간전압 V out(pp) [V] A v A v [db] 10 100 1k 10k 100k - 표 7.1로부터의변화가없는주파수영역을추정하고그때의인중간영역 A cl(mid), 과 A cl(mid), 의 0.7배되는주파수인임계주파수 f c 를찾아서표7.2를작성하시오. 표 7.2. Multisim 의시간영역분석을이용한저역통과필터의주파수특성측정결과 임계주파수 f c [Hz] 시뮬레이션결과시뮬레이션결과 주파수영역측정 : 저역통과필터회로 ( 그림 7.2) 를구성하고보드플로터를이용해서주파수특성 ( 보드선도 ) 를측정하시오. - 그림 7.2에서오실로스코프인 XSC1를보드플로터 (Bode Plotter) 인 XBP1으로변경해서시뮬레이션하시오. - 보드플로터를다음과같이설정하고시뮬레이션하시오.
그림 7.3. 보드플로터의설정범위 ( 시작주파수 I: 10Hz, 끝주파수 F: 5MHz) - 보드플로터로시뮬레이션한결과를커서를이용해서중간영역 A cl(mid), 임계주파수 f c 계를측정해서다음표 7.3 에작성하시오. 표 7.3. Multisim 주파수분석을이용한저역통과필터의주파수특성측정결과 임계주파수 f c [Hz] 보드플로터 이용 오실로스코프 이용 ( 표 8.2) 보드플로터이용 오실로스코프이용 ( 표 8.2) (2) 고역통과필터회로 시간영역측정 : 고역통과필터 ( 그림 7.4) 에서입력전압 (V in ) 과출력전압 (V out ) 을오실로스코프로측정하시오.
그림 7.4. 고역통과필터측정 회로 - XFG1은함수발생기이고다음과 100kHz, Amplitude 0.5Vp, Offset 0V 같이설정해서시뮬레이션 : 정현파, Frequency - XSC1 은오실로스코프이고이것을 이용해서 입력전압 (V in ) 과 출력전압 (V out ) 의 그래프를출력하시오. - 주파수를다음표7.4와같이바꿔가면서출력전압의첨두간전압을측정하고그값을이용해서을계산해서다음표 7.4를완성하시오.
표 7.4. Multisim 을이용한시간영역에서의고역통과필터의주파수특성측정결과 주파수 f [Hz] 입력전압첨두간전압 V in(pp) [V] 출력전압첨두간전압 V out(pp) [V] A v A v [db] 100 1k 10k 100k 1M - 표 7.4로부터의변화가없는주파수영역을추정하고그때의인중간영역 A cl(mid), 과 A cl(mid), 의 0.7배되는주파수인임계주파수 f c 를찾아서표7.5를작성하시오. 표 7.5. Multisim 의시간영역분석을이용한고역통과필터의주파수특성측정결과 임계주파수 f c [Hz] 시뮬레이션결과시뮬레이션결과 주파수영역측정 : 고역통과필터회로 ( 그림 7.4) 를구성하고보드플로터를이용해서주파수특성 ( 보드선도 ) 를측정하시오. - 그림 7.4에서오실로스코프인 XSC1를보드플로터 (Bode Plotter) 인 XBP1으로변경해서시뮬레이션하시오. - 보드플로터는그림 7.3 과같이설정하고시뮬레이션하시오. - 보드플로터로시뮬레이션한결과를커서를이용해서중간영역 A cl(mid), 임계주파수 f c 계를측정해서다음표 7.6 에작성하시오. 표 7.6. Multisim 주파수분석을이용한고역통과필터의주파수특성측정결과
임계주파수 f c [Hz] 보드플로터이용 오실로스코프이용 ( 표 8.5) 보드플로터이용 오실로스코프이용 ( 표 8.5) (3) 대역통과필터 회로 시간영역측정 : 대역통과필터회로 ( 그림 7.5) 에서입력전압 (V out ) 을오실로스코프로측정하시오. 전압 (V in ) 과출력 그림 7.5. 대역통과필터 - XFG1은함수발생기이고 Amplitude 0.5Vp, Offset 0V 다음과같이설정해서시뮬레이션 : 정현파, Frequency 1kHz, - XSC1 은오실로스코프이고이것을 이용해서 입력전압 (V in ) 과 출력전압 (V out ) 의
그래프를출력하시오. - 주파수를다음표7.7과같이바꿔가면서출력전압의첨두간전압을측정하고그값을이용해서을계산해서다음표 7.7를완성하시오. 표 7.7. Multisim 을이용한시간영역에서의대역통과필터의주파수특성측정결과 주파수 f [Hz] 입력전압첨두간전압 V in(pp) [V] 출력전압첨두간전압 V out(pp) [V] A v A v [db] 10 100 1k 10k 100k - 표 7.7로부터의변화가없는주파수영역을추정하고그때의인중간영역 A cl(mid), 과 A cl(mid), 의 0.7배되는주파수인임계주파수 f c 를두개찾아서표8.8를작성하시오. 표 7.8. Multisim 의시간영역분석을이용한고역통과필터의주파수특성측정결과 하한임계주파수 f cl [Hz] 시뮬레이션결과시뮬레이션결과 상한임계주파수 f cu [Hz] 대역폭 BW [Hz] 시뮬레이션결과시뮬레이션결과 여기서대역폭 BW = f cu - f cl 임. 주파수영역측정 : 고역통과필터회로 ( 그림 7.5) 를구성하고보드플로터를
이용해서주파수특성 ( 보드선도 ) 를측정하시오. - 그림 7.5에서오실로스코프인 XSC1를보드플로터 (Bode Plotter) 인 XBP1으로변 경해서시뮬레이션하시오. - 보드플로터는그림 7.3 과같이설정하고시뮬레이션하시오. - 보드플로터로시뮬레이션한결과를커서를이용해서중간영역 A cl(mid) 와 두개의임계주파수 f cl 와 f cu 를측정해서다음표 7.9 에작성하시오. 표 7.9. Multisim 주파수분석을이용한대역통과필터의주파수특성측정결과 하한임계주파수 f cl [Hz] 보드플로터 이용 오실로스코프 이용 ( 표 8.8) 보드플로터이용 오실로스코프이용 ( 표 8.8) 상한임계주파수 f cu [Hz] 보드플로터오실로스코프이용이용 ( 표 8.8) 대역폭 BW [Hz] 보드플로터 오실로스코프 이용 이용 ( 표 8.8) (4) Grapher View를이용해서위에시뮬레이션한저역통과필터, 고역통과필터, 대역통과필터의가산기, 미분기, 적분기회로들의입, 출력파형에대해서 Excel에 export해서 Excel에서그래프로출력하시오. C. 다음 5. In-Lab( 본실험 ): NI ELVIS II 사용 을참고해서실험 절차를간단히요약하시오. 5. In-Lab( 본실험 ): NI ELVIS II 사용 A. DMM 이용한소자값측정
- 부록 A.1 DMM을이용한전압, 전류, 저항, 캐패시턴스, 인덕턴스, 다이오드전압, 단락측정 을참고해서저항, 캐패시턴스를측정하시오. 표 7.10. DMM 을이용한저항, 캐패시턴스측정 소자규격측정값 2.7kΩ 저항 캐패시터 10kΩ 10kΩ 47kΩ 68k Ω 100kΩ 200kΩ 1nF 1nF 3.3nF 6.8nF 0.01μF 0.01μF B. 능동필터회로측정 (1) ELVIS II 를이용해서저역통과필터회로측정 시간영역측정 : ELVIS II를이용해서저역통과필터회로 ( 그림 7.2) 의입력전압 (V in ) 과출력전압 (V out ) 을오실로스코프로측정하시오. - XFG1 은함수발생기이고다음과같이설정 : 정현파, Frequency 10Hz, Amplitude 2Vpp, Offset 0V - XSC1은오실로스코프이고이것을이용해서입력전압 (V in ) 과출력전압 (V out ) 의그래프를출력하시오.
- 주파수를다음표8.11와같이바꿔가면서출력전압의첨두간전압을측정하고그값을이용해서을계산해서다음표 7.11를완성하시오. 표 7.11. ELVIS II 의시간영역분석을이용한저역통과필터의주파수특성측정결과 주파수 f [Hz] 입력전압첨두간전압 V in(pp) [V] 출력전압첨두간전압 V out(pp) [V] A v A v [db] 10 100 1k 10k 100k - 표 7.11로부터의변화가없는주파수영역을추정하고그때의인중간영역 A cl(mid), 과 A cl(mid), 의 0.7배되는주파수인임계주파수 f c 를찾아서표7.12를작성하시오. 표 7.12. ELVIS II 의시간영역분석을이용한저역통과필터의주파수특성측정결과 임계주파수 f c [Hz] 시뮬레이션결과시뮬레이션결과 (1) 주파수영역측정 : 저역통과필터회로 ( 그림 7.2) 를구성하고보드분석기를이용해서주파수특성 ( 보드선도 ) 를측정하시오. 구성하고 부록 A.4 ELVIS II를이용한주파수특성측정 (Bode plot) 을참고해서보드분석기 (Bode Analyzer) 으로측정하시오. - 그림 7.2에서오실로스코프인 XSC1를보드분석기로변경해서측정하시오. - 주의사항 ( 그림 7.6 참고 ): Bode Analyzer 창만띄우고측정하시오.
그림 8.6. ELVIS II의 보드분석기를이용한저역통과필터측정회로사진 - 입력 V in : Prototyping Board 왼쪽입출력인터페이스의 33 번 FGEN 으로 연결하고 오실로스코프 CH0 와연결 - 출력 V out : 오실로스코프 CH1 과연결 - 보드 분석기를 이용해서 그림 7.7 과같이설정하고측정하시오.
그림 7.7. 보드 분석기의 설정범위 (Start Frequency: 10Hz, Stop Frequency: 5MHz) - 보드 분석기로 측정한결과를커서를이용해서중간영역전압 이득 A cl(mid d) 와임계 주파수 f c 를측정해서다음 표 7.13 에 작성하시오. 표 7.13. ELVIS III 주파수분석을이용한저역통과필터의주파수특성측정결과 임계주파수 f c [Hz] 보드플로터이용 오실로스코프이용 ( 표 8.12) 보드플로터이용 오실로스코프이용 ( 표 7.12) (2) ELVIS II를이용해서고역통과필터회로측정 시간영역측정 : ELVIS II를이용해서고역통과필터 ( 그림 7.4) 에서입력전압 (V in ) 과출력전압 (VV out ) 을오실로스코프로로측정하시오. - XFG1은함수발생기이고다음과 100kHz, Amplitude 2Vpp, Offset 0V 같이설정해서시뮬레이션 : 정현파, Frequency
- XSC1은오실로스코프이고이것을이용해서입력전압 (V in ) 과출력전압 (V out ) 의그래프를출력하시오. - 주파수를다음표7.14와같이바꿔가면서출력전압의첨두간전압을측정하고그값을이용해서을계산해서다음표 7.14를완성하시오. 표 7.14. ELVIS II 의시간영역분석을이용한고역통과필터의주파수특성측정결과 주파수 f [Hz] 입력전압첨두간전압 V in(pp) [V] 출력전압첨두간전압 V out(pp) [V] A v A v [db] 100 1k 10k 100k 1M - 표 7.14로부터의변화가없는주파수영역을추정하고그때의인중간영역 A cl(mid), 과 A cl(mid), 의 0.7배되는주파수인임계주파수 f c 를찾아서표7.15를작성하시오. 표 7.15. ELVIS II 의시간영역분석을이용한고역통과필터의주파수특성측정결과 임계주파수 f c [Hz] 시뮬레이션결과시뮬레이션결과 주파수영역측정 : 고역통과필터회로 ( 그림 7.3) 를구성하고보드분석기를이용해서주파수특성 ( 보드선도 ) 를측정하시오. 구성하고 부록 A.4 ELVIS II를이용한주파수특성측정 (Bode plot) 을참고해서보드분석기 (Bode Analyzer) 으로측정하시오.
- 그림 7.4 에서오실로스코프인 XSC1 를보드분석기로변경해서측정하시오. - 주의사항 ( 그림 7.6 참고 ): Bode Analyzer 창만띄우고측정하시오. - 입력 V in : Prototyping Board 왼쪽입출력인터페이스의 33 번 FGEN 으로연결하고 오실로스코프 CH0 와연결 - 출력 V out : 오실로스코프 CH1 과연결 - 보드분석기를이용해서그림 7.7 과같이설정하고측정하시오. - 보드분석기로측정한결과를커서를이용해서중간영역 A cl(mid) 와임계 주파수 f c 를측정해서다음표 7.16 에작성하시오. 표 7.16. ELVIS II 주파수분석을이용한고역통과필터의주파수특성측정결과 임계주파수 f c [Hz] 보드플로터 이용 오실로스코프 이용 ( 표 7.5) 보드플로터이용 오실로스코프이용 ( 표 7.5) (3) ELVIS II 를이용해서고역통과필터회로측정 시간영역측정 : ELVIS II를이용해서대역통과필터회로 ( 그림 7.5) 에서입력전압 (V in ) 과출력전압 (V out ) 을오실로스코프로측정하시오. - XFG1 은함수발생기이고다음과같이설정해서시뮬레이션 : 정현파, Frequency 1kHz, Amplitude 2Vpp, Offset 0V - XSC1은오실로스코프이고이것을이용해서입력전압 (V in ) 과출력전압 (V out ) 의그래프를출력하시오. - 주파수를다음표7.17과같이바꿔가면서출력전압의첨두간전압을측정하고그값을이용해서을계산해서다음표 7.17를완성하시오.
표 7.17. ELVIS II 의시간영역분석을이용한대역통과필터의주파수특성측정결과 주파수 f [Hz] 입력전압첨두간전압 V in(pp) [V] 출력전압첨두간전압 V out(pp) [V] A v A v [db] 10 100 1k 10k 100k - 표 7.17로부터의변화가없는주파수영역을추정하고그때의인중간영역 A cl(mid), 과 A cl(mid), 의 0.7배되는주파수인임계주파수 f c 를찾아서표7.18를작성하시오. 표 7.18. ELVIS II 의시간영역분석을이용한고역통과필터의주파수특성측정결과 하한임계주파수 f cl [Hz] 시뮬레이션결과시뮬레이션결과 상한임계주파수 f cu [Hz] 대역폭 BW [Hz] 시뮬레이션결과시뮬레이션결과 여기서대역폭 BW = f cu - f cl 임. 주파수영역측정 : 고역통과필터회로 ( 그림 7.4) 를구성하고보드분석기를이용해서주파수특성 ( 보드선도 ) 를측정하시오. 구성하고 부록 A.4 ELVIS II를이용한주파수특성측정 (Bode plot) 을참고해서보드분석기 (Bode Analyzer) 으로측정하시오. - 그림 7.4에서오실로스코프인 XSC1를보드분석기로변경해서측정하시오.
- 주의사항 ( 그림 7.6 참고 ): Bode Analyzer 창만띄우고측정하시오. - 입력 V in : Prototyping Board 왼쪽입출력인터페이스의 33 번 FGEN 으로 연결하고오실로스코프 CH0 와연결 - 출력 V out : 오실로스코프 CH1 과연결 - 보드분석기를이용해서그림 7.7 과같이설정하고측정하시오. - 보드분석기로측정한결과를커서를이용해서중간영역 A cl(mid) 와 임계주파수 f c 를측정해서다음표 7.19 에작성하시오. 표 7.19.. ELVIS II 주파수영역분석을이용한대역통과필터의주파수특성측정결과 하한임계주파수 f cl [Hz] 보드플로터 이용 오실로스코프 이용 ( 표 7.8) 보드플로터이용 오실로스코프이용 ( 표 7.8) 상한임계주파수 f cu [Hz] 보드플로터오실로스코프이용이용 ( 표 7.8) 대역폭 BW [Hz] 보드플로터 오실로스코프 이용 이용 ( 표 7.8) (4) 능동필터회로들의입, 출력파형을 log 해서얻은데이터를 Excel 에서 불러서그래프로출력하시오. (5) 설계문제 : 다음조건을만족하는밴드저지필터 ( 노치필터 ) 를설계하라. - 버터워스밴드저지필터 - 센터주파수 f 0 = 1kHz
- roll-off: 약 60 db 6. Post-Lab( 실험후과정 ) 1. Pre-Lab(4 절 ) 에서 MultiSim 으로시뮬레이션한데이터와 In-Lab(5 절 ) 에서 NI ELVIS II 로측정한데이터를비교하시오. - 표 7.13, 표 7.16, 표 7.19 에대해서각각비교하시오. 2. Excel 을이용해서시뮬레이션데이터와측정데이터를하나의그래프로그려서비 교하시오. 3, 설계결과에대해서토의를작성하시오.