[아주대 기계 공학 실험] 랩뷰(Labview) 기초 원리와 실습 실험

소개글

[아주대 기계 공학 실험] 랩뷰(Labview) 기초 원리와 실습 실험에 대한 보고서 자료입니다.

목차

1. 실험 목적

2. 실험 이론
가) 기본원리
나) 마이크로컴퓨터와 Lakeview 프로그램
다) 아날로그/디지털 변환기
라) 센서
마) 컴퓨터 계측의 주의점

3. 실험 장치

4. 실험 방법
가) Lakeview 실행
나) 파형 측정

5. 실험 결과

6. 실험 고찰 및 결론

본문내용

키면 USB포트를 뽑았다가 다시 꼽아야했다. 처음에는 우리 조만 그런 줄 알았지만 모든 조가 같은 상황을 겪고 있었다. 아마도 얇은 전선으로 연결을 해주다 보니까 제대로 연결이 되지 않는 것 같다. 이 프로그램으로 인해서 우리는 파형의 각종 수치들을 보다 쉽고 정확하게 보고 계산할 수 있었다. 그로 인해서 보다 적은 오차를 얻을 수 있는 효과가 있을 거라고 생각한다.
위에 목차 5의 결과에서 보이듯이 1Hz의 주파수를 나타냈을 때는 M&A에서 1.25Hz의 주파수를 나타내었고 1Hz의 오실로스코프의 파형에서는 공이 튀는 것과 같은 현상이 나타났고, 실험 조교님께서도 1Hz에서는 M&A프로그램 값만 계산하면 된다고 하셔서 실험을 그대로 진행하게 되었다. 오차는 25%였지만 이 오차의 이유는 매우 짧은 시간 안에서 파형의 주기를 눈으로 관측해야 하기 때문에 생긴 오차이다.
다음으로 10Hz의 주파수를 나타냈을 때는 M&A에서는 11.11Hz를 나타내었고 오실로스코프에서는 11.36Hz를 나타내었다. 오차는 2.2%였다. 이는 허용 오차범위 내로 매우 정확하게 측정되었다.
세 번째로 100Hz의 주파수를 측정하였다. 하지만 측정을 함에 있어서 문제가 생긴 것을 알게 되었다. 처음에 실험의 조건에서 Sampling Rate의 개수를 1000개로 하라는 조교님의 지시가 있었지만, 우리는 M&A프로그램에서 1000개의 Sampling Rate는 너무 많아서 도저히 파형의 한주기 시간을 알아 볼 수 없었다. 그래서 조교님께 Sampling Rate의 개수를 바꿔서 하겠다고 말을 하고 100개로 낮추어서 기존의 1000개의 1초단위에서 100개의 0.1초 단위로 범위를 축소시켜서 눈으로 직접 확인 가능한 파장을 출력 시킬 수 있었다. 그 결과 M&A에서는 111.1Hz를 나타내었고 오실로스코프에서는 119.05Hz를 나타내었다. 오차는 6.6%였다. 이 또한 비교적 정확한 값을 얻을 수 있었다.
마지막으로 1kHz(1000Hz)의 주파수를 나타냈을 때는 M&A에서는 114.94Hz를 나타내었고 오실로스코프에서는 1000Hz의 주파수를 나타내는 것을 확인할 수 있었다. 처음에 역시 주파수가 높으므로 Sampling rate의 개수를 역시 100개로 줄였었다. 그런데 확인 했을 때 0.1초당 대략 11개 정도의 그래프가 출력되었다. 이론적인 계산으로는 100개가 출력되어야 하는데 11개만 출력되어서 계산값이 114.94로 실험이 잘 못 진행하고 있는 줄 알아서 다시 처음부터 초기값을 재설정하고 같은 실험을 반복해본 결과 똑같은 값이 나왔다. 이에 조교님께 질문을 했고, M&A의 값이 잘 못 나오는 게 맞는 결과라는 것을 알 수 있었고, 우리는 원인을 고찰하게 되었다. 이러한 114.94Hz의 터무니없는 값이 나온 이유는 나이퀴스트의 샘플링 이론에 따르면 이해가 가능하다. 샘플링 주파수를 1000Hz로 두었기 때문에 함수발생기에서 발생하는 1kHz를 출력할 수 없게 된다는 결론을 도출 해낼 수 있었다. 반면에 오실로스코프에는 오차 없이 정확히 1000kHz의 값을 구할 수 있었다.
추가적인 실험으로 1000kHz의 실험에서 오실로스코프의 frequency를 변화시켜가면서 이상이 생기는 지점을 찾는 것 이였다. 결론적으로 실험 결과 Frequency를 변화시키다보면 중간에 특이하게 파형이 달라지는 구간이 발생하는데 이 구간이 생기는 현상을 에일리어싱(aliasing)이라고 한다. 에일리어싱이란 아날로그 신호의 표본화 시 표본화 주파수가 신호의 최대 주파수의 2배보다 작거나 필터링이 부적절하여 인접한 스펙트럼들이 서로 겹쳐 생기는 신호 왜곡되는 현상이다. 이 현상을 피하기 위해서는 표본화 주파수를 신호의 최대 주파수의 2배 이상으로 높이고, 샘플링하기 전에 저주파 통과 여파기를 사용하여 최대 주파수 이상의 신호들을 제거해야 한다. 실험결과 frequency를 올리고 줄인 결과 0.9~0.95사이의 frequency에서 파형이 적게 나왔다. 이를 이론적으로 계산해본 결과 1kHz의 주파수를 발생시켰지만, 계산값은 13.98Hz의 터무니없이 작은 값이 나왔다. 이러한 오류를 피하기 위해서는 별다른 방법이 필요하다. 그것은 나이퀴스트 샘플링 이론에 따라 신호를 처리하면 된다. 나이퀴스트 이론은 다음과 같다. “어떤 신호든지 원래의 신호가 가지는 최대주파수의 2배만큼 샘플링 하면 복원 시에 다시 완벽하게 원 신호를 복원할 수 있다.” 이 이론에 따라 오실로스코프 frequency의 2배 이상을 sampling frequency로 잡아야 aliasing이 발생 하지 않는다. 이것은 sampling number의 문제라기 보단 입력의 frequency의 문제가 있는 것이다. 이처럼 아날로그를 디지털로 변환하는 과정에서 입력되는 신호의 주파수 대역을 제한시켜 에일리어싱 현상이 발생하는 것을 방지하는 역할을 할 수 있다.
이번 실험을 통해서 오실로스코프에서 나타난 파형의 수치를 읽는 것과 M&A에서 나타난 수치를 읽는 것에는 많은 차이가 있고 두 장비를 이용해서 바로바로 비교하고 정확하게 수치 값들을 읽을 수가 있어서 매우 유용한 프로그램이라고 느껴졌다. 오차가 발생한 원인에는 우선 아날로그/디지털 변환기와 오실로스코프를 연결하는 터미널에서 작은 전선으로 연결을 하다보니까 접촉 불량이나 잘 접촉이 안 되어서 나타나는 오차가 가장 큰 원인으로 발생한 것 같다. 실험을 하면서도 여러 번 갑자기 잘 되다가도 금방 파형이 이상해지고 이상한 수치 값들이 발생하는 것을 확인 할 수 있었다. 조교님께서도 연결은 잘 되었는데 이상하다며 다시 연결해보고 M&A를 껐다가 키는 상황들이 많이 발생하였다. 하지만 비교적 결과 값이 정확하게 측정 되었고 이번 실험으로 인해서 계측기기를 이용하여 측정한 값을 컴퓨터를 이용하여 처리해보고 그 값들을 계산해보고 그로인한 효율과 편리하고 좋은 점을 느낄 수 있었던 실험이었다. 그로 인해서 앞으로도 실험을 할 때 이런 디지털의 장비를 이용한다면 아날로그에서 발생하는 오차들을 줄이고 그로 인한 보다 정확하게 쉽고 편리하게 실험을 하고 오차를 줄일 수 있을 거란 생각이 들었다.

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