[기초전자회로실험] 1. 오실로스코프와 함수발생기 동작법

[기초전자회로실험] 1. 오실로스코프와 함수발생기 동작법

1. 실험목적

오실로스코프와 함수발생기를 사용하여 여러 전압 신호의 크기와 주기를 계산하고 측정한다.

2. 실험이론

-오실로스코프

실제로 전기를 육안으로 볼 수 없기 때문에 텔레비전(TV)의 화면출력의 원리를 이용하여 회로 또는 시스템의 동작 특성 정보를 전압 신호로 나타내어 화면에 출력하는 오실로스코프를 통해 육안으로 볼 수 있다.

오실로스코프를 이용하여 신호를 육안으로 볼 수 있을 뿐만 아니라 정현파(사인파) 또는 비정현파의 신호의 평균값, 실효값, 주파수, 주기를 측정할 수 도 있다. 화면은 수직, 수평방향으로 센티미터(cm) 눈금으로 나누어진다($1\,\text{cm/div}$). 수직 감도는 $1\,\text{V/div}$, 수평 눈금은 시간 $t(\text{s/div})$로 되어 있다.

예를들어 어떤 신호가 $5\text{mV/div}$의 수직 감도에서 $6 \text{div}$의 수직 눈금을 차지하면, 신호의 전압 크기는 전압 감도($\text{V/div}$)와 수직 칸수($\text{div}$)의 곱으로 구할 수 있다. 즉 $$V_{s}=(5\text{mV/div})(6\text{div})=30\text{mV}$$ 동일한 신호의 한 주기가 수평 감도 $5\mu\text{s/div}$에서 수평 눈금이 $8 \text{div}$ 이면, 신호의 주기는 수평 감도($\text{s/div}$)와 수평 칸수($\text{div}$)의 곱으로 나타낼 수 있고, 주파수는 주기의 역수이므로 다음과 같다. $$\begin{align*}T&=(5\mu\text{s/div})(8\text{div})=40\mu\text{s}\\f&=\frac{1}{T}=\frac{1}{40\mu\text{s}}=25\text{kHz}\end{align*}$$ 오실로스코프는 약간 무리한 조작에도 견딜 수 있도록 설계되어 있기 때문에 다양하게 다이얼을 설정해도 문제가 발생하지 않는다. 

다음은 오실로스코프의 조절 단자 또는 부분에 대한 기능과 용도이다.

화면조정과 전원부

(1) 전원 스위치

(2) 전원램프: 장비에 전원이 공급되면 점등

(3) Intensity(휘도): 시계방향으로 돌리면 밝기가 증가한다.

(4) Focus(초점): 화면상의 휘선이 가장 가늘고 선명하게 되도록 조정

(5) Trace rotation: CRT의 수평선과 일치하도록 조정한다.

수직증폭부

(6) 채널 1, X 입력 커넥터

(7) 채널 2, Y 입력 커넥터

(8)(9) AC-GND-DC

AC(교류): 입력 커넥터와 수직증폭기 사이의 축전기(커패시터)로 신호의 DC(직류)성분을 차단해 교류 성분만 표시한다.(직류 차단)

GND(접지): 수직증폭기 입력단을 정지시켜 GND가 기준점이 된다.(입력신호 차단)

DC(직류): 입력 커넥터와 수직증폭기를 직접 연결한다.

(10)(11) VOLT/DIV: 수직편향감도를 선택하는 단계별 감쇠기로, 입력신호의 크기에 상관없이 파형관측이 가능하게 한다. 화면 상의 세로 방향의 한 눈금이 단위를 선택한다.

(12)(13) VARIABLE: 수직편향감도를 연속적으로 변화시킬 때 사용하는 미세조정기로서 손잡이를 당기면 수직 축 감도는 5배가 된다.

(14)(15) POSITION: 수직 축 파형을 이동시킬 때 사용한다.

(16) V. MODE: 수직축의 표시형태를 선택한다.

CH 1: CH 1에 입력된 신호만 출력한다.

CH 2: CH 2에 입력된 신호만 출력한다.

DUAL: CH 1과 CH 2에 입력된 두 신호를 동시에 출력.

(CHOP: TIME/DIV: $0.2\text{s}\sim5\text{ms}$, ALT: TIME/DIV: $2\text{ms}\sim0.2\mu\text{s}$)

ADD: CH 1과 CH 2의 휘선이 대수적인 합으로 나타난다.

소인과 동기부

(17) TIME/DIV: 교정된 주시간 간격, 지연소인동작을 위한 지연시간을 선택한다.

(18) VARIABLE: 교정된 위치로부터 소인시간을 연속적으로 변화시킬 때 사용한다.

PULL×10MAG: 스위치를 당기면 소인시간이 10배로 확대된다.

(19) HORI. POSITION: 수평위치의 지정에 사용되며 파형의 시간측정과는 무관하다.

(20) TRIGGER MODE

AUTO: 소인은 자동적으로 발생하며 동기신호가 있을 때 파형은 정지한다.

NORM 낮은 주파수(약 25 Hz 이하)에서 효과적인 동기를 시키고자 할 때 사용한다.

TV-V: 프레임 단위의 비디오 합성신호 측정 시 사용한다.

TV-H: 주사선 단위의 비디오 합성신호 측정 시 사용한다.

(21) TRIGGER SOURCE

CH 1: CH 1을 트리거 소스로 할 때 사용한다.

CH 2: CH 2를 트리거 소스로 할 때 사용한다.

LINE: AC 전원의 주파수에 동기되는 신호를 관측할 때 사용되며 측정신호에 포함되는 전원에 의한 성분을 안정적으로 관측할 수 있다.

EXT: 외부신호가 동기신호원이 되며 수직 축 신호에 무관하게 동기시킬 때 사용한다.

(22) TRIG LEVEL: 동기신호의 시작점을 선택한다.

(23) EXT TRIG IN: 외부동기신호를 TRIGGER회로에 연결할 때 사용한다. 

오실로스코프의 프로브

오실로스코프에서 신호를 측정하기 위해 다음의 세 가지 방법으로 신호를 받아들일 수 있다.

(1) 전선 사용: 전선이 차폐되어 있지 않아 잡음이 포함된 출력을 얻을 수 있다.

(2) 동축 케이블 사용: 신호원의 임피던스와 케이블의 용량을 알아야 한다.

(3) 전용 프로스 사용: ×10 프로브가 가장 범용으로 사용된다.

×10의 위치에서는 입력 임피던스가 증가되어 입력신호가 $\displaystyle\frac{1}{10}$으로 감쇄되므로 측정단위($\text{V/div}$)에 10을 곱해야 올바른 전압 크기를 구할 수 있다.

-함수발생기

(함수발생기 내부회로)

내부의 전자회로를 이용하여 넓은 범위의 주파수와 크기를 갖는 정현파, 구형파, 삼각파를 제공하는 전압파형 공급장비이다. 

적절한 다이얼의 위치조정과 연관된 배율기로 전압 파형의 주파수와 크기를 설정할 수 있고, 오실로스코프를 이용하면 정확도를 높일 수 있다. 함수발생기의 경우처럼 무리한 조작을 해도 기기에 문제가 생기지 않는다.

(함수발생기로 만들어지는 파형)

다음은 함수발생기의 조절 단자 또는 부분에 대한 기능과 용도이다.

(1) 전원 스위치(Power)

(2) 출력(Output): 파형 선택 단자로 선택된 파형의 출력 연결부이다.

(3) 파형선택 단자: 정현파, 삼각파, 구형파 선택 단자 중 1개를 누르면 원하는 파형을 조정할 수 있다.

(4) 주파수 범위 선택 단자: 7개의 범위 중 1개를 선택하여 원하는 주파수 범위를 선택한다.

(주파수 범위)

(5) 주파수 다이얼: 다이얼을 조정하면 주파수 범위 검파기가 정해진 범위 안에서 출력 주파수를 결정한다.

(6) 진폭/Pull -20dB 조절단자: 단자를 조정하여 출력신호의 진폭을 조절한다.

(반시계 방향의 경우 최대 20dB까지 출력신호에 감쇄가 생기면 단자를 당긴 후 반시계 방향으로 최대 40dB까지 감쇄가 가능하다)

(7) SWEEP PULL ON 조절단자: 단자를 당기면 내부 SWEEP가 선택되고, 반시계 방향으로 돌리면 SWEEP 폭이 최소(1:1)가 되며, 시계방향으로 돌리면 SWEEP폭이 최대(100:1)가 된다. 최대 SWEEP 폭을 얻기 위해서는 주파수 다이얼의 눈금을 최소 눈금(0.2 눈금 이하)으로 둔다. 단자를 누르면 외부 SWEEP 전압이 VCF IN으로 인가될 때 나타나는 SWEEP이 선택된다.

(8) 대칭성 조절나사: 단자를 당긴 후 회전시키면, 원하는 출력 파형의 대칭성(또는 Duty Cycle)을 조정할 수 있다.

(9) DC OFFSET 조절 단자: 단자를 당기면 신호에 DC(직류)전압이 인가된다. 시계방향으로 돌리면 (+)전압이 더해지고, 반시계방향으로 돌리면 (-)전압이 더해진다.

3. 실험

1) 사용장비 및 부품

: 오실로스코프, 함수발생기, 디지털 멀티미터 

2) 실험과정

(1) 오실로스코프의 전원을 입력하기 전에 GND상태로 수평, 수직방향의 VARIABLE다이얼을 CAL 위치로 끝까지 시계방향으로 돌린다.

(2) 오실로스코프의 전원을 켠 후 초점, 휘도 등을 조정하여 선명한 상이 되도록 한다. 프로브를 10:1로 하고 CH-1의 INPUT단자에 연결하고 프로브의 끝을 CAL $0.5\text{V}_{\text{p-p}}$(또는 $1\text{V}_{\text{p-p}}$)출력단자에 연결한 후 AC-GND-DC스위치를 DC에 놓는다.

(3) 이때 $1\text{kHz}$의 $0.5\text{V}_{\text{p-p}}$(또는 $1\text{V}_{\text{p-p}}$)구형파임을 확인한 후 다음 측정실험을 한다.

정현파의 측정

(1) 함수 발생기의 출력을 오실로스코프의 입력단자와 연결하고, 신호발생기의 주파수 조절 스위치를 조정하여 $1\text{kHz}$의 정현파가 되도록 한다.

(2) 신호 발생기의 전압조절 다이얼을 조절하여 오실로스코프에서 정현파의 진폭이 $1\text{V}$가 되도록 한다

(예를 들어 오실로스코프의 $\text{V/div}$가 0.5인 경우, 진폭이 화면 상의 눈금으로 2칸을 가리키도록 조정한다)

(3) 전압 진폭은 $1\text{V}$로 계속 고정하고 신호 발생기의 주파수를 $50\text{kHz},\,100\text{kHz},\,500\text{kHz},\,1\text{MHz}$로 변화시키면서 오실로스코프의 화면(CRT) 상에 나타난 파형을 관측하고 진폭과 주기를 측정해서 주파수를 계산한다.

구형파의 측정

(1) 함수 발생기의 출력을 오실로스코프의 입력단자와 연결하고, CRT화면을 보면서 $1\text{V}_{\text{p-p}},\,1\text{kHz}$인 구형파를 발생하도록 설정한다.

(2) 멀티미터를 교류전압 측정모드로 설정하고 신호 발생기에서 나오는 신호의 전압을 측정하여 표에 기록한다.

(3) 함수 발생기의 주파수를 $1\text{kHz}$에서 $50\text{kHz},\,100\text{kHz},\,500\text{kHz},\,1\text{MHz}$로 변화시키면서 파형을 관측하고, 주기를 측정한다.   

참고자료:

Laboratory Manual to accompany Electronic Devices and Circuit Theory 11th edition, Boylestad, Nashelsky, Monssen, Pearson

https://home.jbnu.ac.kr/_ezaid/board/genBoardRecord.ez?method=download&pfkHomepageNo=1434&fkBoardEntryPkNo=54&attacheFileChoice=1&pkNo=199

http://genlab.uos.ac.kr/files/attach/manual/%EC%8B%A4%ED%97%98%EB%A7%A4%EB%89%B4%EC%96%BC(%EB%AC%BC%EB%A6%AC%ED%95%99%EB%B0%8F%EC%8B%A4%ED%97%982)/1.%EB%A9%80%ED%8B%B0%EB%AF%B8%ED%84%B0%EB%B0%8F%EC%98%A4%EC%8B%A4%EB%A1%9C%EC%8A%A4%EC%BD%94%ED%94%84%EC%9E%91%EB%8F%99%EB%B2%95.pdf

http://phya.snu.ac.kr/php/subject_list/Notice/data/1411690746.pdf

https://ko.wikipedia.org/wiki/%ED%95%A8%EC%88%98_%EB%B0%9C%EC%83%9D%EA%B8%B0

https://ko.wikipedia.org/wiki/%EC%98%A4%EC%8B%A4%EB%A1%9C%EC%8A%A4%EC%BD%94%ED%94%84