전자오르간[전자회로 실험 텀프로젝트]

소개글

전자오르간[전자회로 실험 텀프로젝트]에 대한 보고서 자료입니다.

목차

1. 목적

2. 응용범위

3. 사용소자

4. 회로도

5. 결과
1)주파수
2)반음 주파수
3)전원
4)스피커 전압
5)LED주파수
6)트랜지스터 전압

6. 분석 및 토의

7. 개선사항

본문내용

어 TR₂는 차단된다.
⑧ [그림2]와같이 TR₂가 차단 상태이므로 μc₂≒ Vcc가 되고, 이 때 C₁Rc₂의 시정수에 따라 Vcc까지 충전한다.(VCC → Rc₁→ C₁→ TR₁)
⑨ [그림3]과 같이 C₂에 축적되어 있던 전하는 TR₁과 RB₂을 통하여 방전한다. (시정수 : C₁RB₁), 방전 경로는 C₂→ TR₁→ 접지 → Vcc → RB₁ → C₂ 이 때 VB₂가 0전위, +로 변화하 여 Ib₂가 흐르는 전위에 도달한다.
⑩ 이상과 같이 TR₁과 TR₂가 번갈아 동작하여 발진이 이루어진다. 이 때 TR₂의 통전 기 은 C₁RB₁의 시정수로 정해진다.
* 비안정 멀티바이브레이터의 발진 주기 T 및 주파수 f는 TR₁과 TR₂의 차단 시간을 각각 γ=γ₁+γ₂=0.7(C₁Rbe₂+C₂RRB₁)
만일RB₁= RB₂ = RB, C₁= C₂= C 라고 하면
○이번 텀프로젝트의 회로에서 만들어진 구형파의 주기는 다음과 같다.
회로에서 만들어진 구형파의 주기는 , v2가 Vth-Vdd에서 Vic로 충전하는데 필요한 시간을 구함으로써 계산할 수 있다. 회로 구조가 확실한 시간 간격에 대해 ,v2는 Vc와 같을 것이며 식(1)로 표현될 것이다.
(1)-
여기서 t=0은 게이트2의 출력이 high로 바로 스위치 되는 점으로 정의 된다.식(1)은 t=0에서 v2=Vth-Vdd를 만들고 t=∞에서 v2=Vdd를 만든다는 것에 주의해야 한다. (커패시터 전압 Vc는 결코 Vdd에 도달하지는 않지만 회로가 상태를 스위치해서 -Vdd로 커패시터가 충전하기 시작할때까지 단지 Vdd를 향해 충전한다.) 그림에서 지적하듯이 커패시터 전압은 반주기 T/2 후 Vic에 도달할 것이다. 식(1)에 V2=Vo=Vic와 t=T/2를 대입하고 T에 대해 풀면 식(2)가 된다.
-(2)
실험에서 사용한 CMOS IC 4011은 Vth=Vdd/3.5로 식 (2)에 적용하게 되면,
-(#)
이 된다. 즉 발진주기는 T=1.75RC[s]가 됨을 알 수 있다.
레포트의 앞장에 있는 결과치에 나온 이론값은 바로 이식을 통해 얻어낸 주파수이다. 측정값과 기존에 정해져있는 음계 주파수값과 큰 차이가 없다.
텀프로젝트에 쓰인 전자오르간에는 반음을 구현할 수 있도록 커패시터를 하나 더병렬로 달고 그부분에 스위치를 달아놓았다. 회로에서 보면 0.01uF에 스위치를 눌렀을 경우 500pF의 커패시터가 병렬로 연결되어 멀티바이브레이터 내의 커패시턴스가 커지게 되므로, C=C1+C2 가 되면서 발진 주파수는 낮아지게 되고 ek라서 반음(원음에서 30HZ낮은 음)을 내게 된다.
이론값과 측정값을 살펴보면, 약 15HZ에서 1HZ 정도의 오차가 발생하는 것을 볼 수 있는데 이는 저항과 커패시터의 허용오차 때문이라고 생각해 볼수 있겠다. 저항의 허용오차는 전자오르간 회로에서 저항을 직렬로 여러개를 연결하고, 그 값도 크므로 각각의 저항에서 허용오차내의 오차를 발생시켜도 출력 값에 영향을 주게 된다. 또한 오실로스코프로 측정할 때 발생한 측정 오차라고 할수 있다. 멀티바이브레이터의 주기의 단위가 ms단위이므로, 측정할 때의 작은 차이도 측정값에 영향을 주기 때문이다.
P-SPICE 시뮬레이션 데이터와 측정값 사이에는 140HZ~40HZ정도의 차이가 발생하는 것을 볼 수 있는데 , 이는 P-SPICE의 Vth가 Vdd/2이므로멀티 바이브레이터의 발진주기가 회로에서 구현되는 것보다 커지게 된다. 그 값을 계산하여 보면,
T=2RC*ln3=2.2RC
가 됨을 알수 있었다. 따라서 P-SPICE 시뮬레이션 값과 측정값 사이의 오차는 어느정도 차이가 남은 당연한 결과임을 확인 할 수 있겠다.
PART-3 - LED 구동회로 -
LED 구동 회로도 음계 발생회로와 같이 비안정멀티 바이브레이터를 이용하여 트랜지스터의 컬렉터 단에 연결된 LED를 점멸하게 된다.
간략히 동작에 대해 알아보면, 위의 회로의 입력에 HIGH신호가 들어오게 되면,
G1과 G2는 비안정 멀티바이브레이터로 동작하여 발진을 하게 되고 LOW신호가 들어오게 되면 발진을 멈춘다. 그리고 G3,G4는 G1,G2에서 만들어낸 신호를 반전시켜서 트랜지스터의 컬렉터 단에 연결된 LED를 교대로 점멸시켜준다.
입력의 HIGH 신호와 LOW신호는 음계 발생회로의 출력과 같게 된다. 즉 건반을 누르고 있는 동안에는 LED구동 회로에 HIGH신호가 짧은 주기로 연속적으로 들어가게 되므로, LED구동회로는 발진을 하게 되고, LED구동 회로의 멀티바이브레이터회로가 발진을 하여 트랜지스터1을 발진 주기에 맞춰서 ON-OFF시키고, 반전회로에 의해서 트랜지스터2가 ON-OFF되어 녹색 및 적색 LED에 교대로 불이 들어오게 된다.
LED점멸의 주기는 LED 구동회로의 발진 주기와 같게 되고, 발진 주기를 구하는 공식은 위에서 음계 발생회로에ㅐ서 사용한 식 (3)과 같다.
T=1.75*10*10*0.02*10[s]
=0.35[s]
f=1/T= 2.86Hz
이론값과 측정값을 비교해보면 약 0.6Hz정도 차이가 발생하였는데 이런 정도의 오차는 무시할수 있으며, 오차의 원인으로는 위에서 언급한 것과 같은 원인이 존재하기 때문이라고 생각된다.
PART-4 -스피커 구동회로-
위 그리미에서 보이는 Q1트랜지스터는 음계 발생회로에서 생긴 구형파를 전력 증폭하여 스피커를 구동하게 하는 역할을 한다. 즉 실험 시간에 다룬 음성 증폭기 역할을 하게 되고 CLASS A증폭기라고 할 수 있다.
트랜스, 즉 출력 변압기는 스피커의 낮은 임피던스와 증폭기 출력 회로의 높은 임피던스 사이의 임피던스 정합을 위한 장치로 사용되며, 전압은 낮추고 전류는 증가시켜 멀티 바이브레이터에서 나오는 구형파의 신호를 사람이 들을 수 있게 해준다.
*PS - 화음을 한번 구현해보고자 모든 스위치를 병렬연결로 해보려고 하였으나, 상당히 힘들어 여의치 못했다. 또한 화음을 지원하기 위해서는 스피커의 입출력범위도 고려해야 되기 때문에 그냥 이번 텀프로젝트는 더 이상 일을 크게 벌이지 않으려고 했다.
만약 모든 스위치를 병렬연결하고 좋은 스피커를 사용했더라면 정말 화음까지 구현이 가능했으리라고 생각해 본다.

키워드

전자오르간,   멀티바이브레이터,   LED,   발진기,   음계주파수,   텀프로젝트,   전자회로실험