최신 디지털 공학 실험 10판 실험결과보고서 17

목차

1. 실험날짜

2. 공동실험자

3. 사용부품

4. 실험결과 및 분석

5. 결론

본문내용

조 플립플롭
- 555타이머
- 0.01uF 커패시터 2개
- 신호용 다이오드
- 저항 10kΩ , 7.5kΩ 2개, 50KΩ 2개, 10KΩ 2개
- 220uF 커패시터 1개
4. 실험결과 및 분석
74721을 사용한 단안정 멀티바이브레이터
50us 펄스폭을 얻기 위해 선택한 저항은 그림(1)과 같다.
요소
계산값
측정값
타이밍저항,
7.14kΩ
7.5kΩ
외부 커패시터,
0.01uF
0.01uF
펄스폭,
50us
52us
※ 실제로 7.14kΩ은 존재 하지 않기 때문에 7.5kΩ으로 대체 하였다. 그리고 나자 거의 50us파형과 비슷한 파형을 얻을수 있게 되었다.
위 주어진 저항과 커패시터를 토대로 원숏회로를 구성한 결과는 그림(2)와 같고 10kHz를 인가하였을 때 나타나는 원숏 출력Q 주파수는 그림(3)과 같다.
그림(2)
그림(3) 기준전압 : 5V, 시간축 : 20us
그림(2)회로에서 클럭 주파수를 50kHz로 올려주었을 때 결과는 그림(4)이다.
그림(4) 기준전압 : 5V, 시간축 : 20us
※ 측정결과 Tw는 주파수에 관계없이 50us로 유지되었고 주파수를 올렸을 때 출력Q값에서 변화하는 것은 듀티사이클 뿐이었다. 그 이유는 74721은 재 트리거 되지 않는 소자로써 불안정상태에서는 클럭에 반응하지 않기 때문이다.
비안정 멀티바이브레이터로서의 555타이머
555타이머를 이용하여 그림(5)와 같이 실제로 구성하면 그림(6)과 같다.
그림(6)
그림(7)
이제 실제로 출력파형을 살펴보기 위해 멀티미터를 이용하여 저항값들을 측정한 결과 약 10%정도 오차가 났다. 이는 정밀저항이 아닌 이상은 어쩔 수 없는 값들이다. 이 결과는 그림(8)과 같다. 이 값들을 토대로 실제 오실로스코프를 이용하여 출력파형을 관측한 결과는 그림(9)와 같았고, 커패시터와 출력파형을 비교한 파형은 그림(10)과 같다.
요소
계산값
측정값
저항,
7.5kΩ
7.3kΩ
저항,
10kΩ
11kΩ
커패시터,
0.01uF
0.01uF
주파수
5.2kHz
5.8kHz
듀티사이클
63.6%
64.71%
그림(8)
그림(9)
그림(10)
※ 그림(9)를 통하여 DC전압원으로 시간에 따라 전압이 변하는 펄스출력을 555타이머를 통해 만들어냄을 알수 있었으며 그림(10)을 통해 그 원리에 대해서 알수있었다. 그 원리는 커패시터가 충전되기 시작할 때 출력Q에는 HIGH가 인가되며 방전할 때 출력 Q에는 LOW가 인가되었다. 분명 커패시터와 출력Q사이에는 인버터 하나가 있을 것이고 또 TTL LOW, HIGH 인식범위와도 관련되어 DC 전압원을 통해 AC펄스 파형을 만들어 낼 수 있었다. 이를 이용한다면 간단한 함수발생기도 만들어 낼 수 있을 것이다.
이제 그림(7)회로의 R2를 단락 시키고 오실로스코프를 통하여 Q출력의 파형을 관찰하였다. 그 결과는 그림(11)이다.
그림(11)
※ 그림(10)의 파형에 비해 커패시터의 충전과 방전시간이 빨라졌으며 이로 인해서 클럭주파수와 듀티사이클이 변하였다. 주파수는 16.9kHz가 나왔으며 듀티사이클은 98%가 나왔다. 이론적으로는 100%이지만 상승에지, 하강에지의 지연시간이라는 것이 있기 때문에 2%의 오차가 생겼다.
교통제어 시스템을 만들기 위해 10kHz를 클럭발진기를 설계를 하였다.
※ 예비보고서에서 이론적으로 계산한 값은 각각 = 400Ω이고 = 7kΩ이나 실험실여건상 7kΩ을 구하지 못하였고 7.5kΩ과 390Ω을 이용하여 =0.01uF일 때를 이용하여 10kHz 클럭발진기를 설계하였다. 설계하여 회로를 구성한 그림이 그림(11)이고 실제 오실로 스코프를 이용하여 주파수 값을 확인한 값이 그림(12)이다.
그림(11)
그림(12)
※ 처음 설계계획을 세웠을 때 목적으로 둔 10kHz와 거의 유사한 10.48kHz의 주파수를 가지는 비 안정 멀티바이브레이터를 얻었다.
추가조사
교통제어시스템에서 4초와 25초동안 양의 펄스를 가지는 단안정 멀티바이브레이터를 설계했을 때는 다음과 같이 아래 유도식을 통해 커패시터와 저항을 유도했다.(예비보고서에서 기술한 커패시터가 실제로 실험실에는 없어서 구비 하고 있는 커패시터를 이용하여 구했습니다.)
⑧ 위식을 토대로 실제로 회로를 구성하여 파형을 나타낸 것이 그림(14)와 그림(15) 그리고 그림(16)이다.
그림(14) 25초주기를 가지는 원숏 실제설계
그림(15) 4초 타이머를 가지는 원숏
그림(16) 25초 타이머를 가지는 원숏
※ 커패시터 용량이 크고 주파수가 커진다면 커패시터의 값이 가변한다고 알고 있다. 이 때문에 높은 주파수에서 결과 값이 제대로 잘 나오지 않았으며 커패시터 용량이 컸을 때 오차가 많이 심해져서 많이 실험을 하는데 어려움이 있었다. 추측이지만 주파수가 높으면 커패시터가 방전을 다 못해서 계속 전하가 쌓여서 결과값이 제대로 나오지 않는 것 같다.
4. 결론
- 우리는 이번 실험에서 555타이머와 74721 원숏을 이용하여 단안정, 안정 멀티바이브레이터를 구현하였다. 실험을 한 결과 커패시터용량이 낮은 때에는 비교적 결과 값이 잘 나왔지만 커패시터 용량이 컸을때는 용량이 제대로 나오지가 않았다 이는 커패시터 용량이 커지면 그만큼 전하가 쌓이는 폭이 커지는 것이라고 생각되어진다.
이때 데이터시트를 잘못해석한 부분이 있었는데 지금까지 저항이 2~40kΩ이라고 생각했지만 자세히 보니 2~40kΩ의 10배까지 반응한다고 써져 있었고 커패시터는 10pF~10uF의 60배까지 반응한다고 써져 있었다. 이 때문에 예비보고서에 잘못 설계하였고 실험도중에 다시 설계하여 실험을 완료하였다. 또 단안정 멀티바이브레이터는 펄스폭에 대해서 저항과 커패시터를 통해 일정 주파수에서는 듀티 사이클을 조절 할려면 입력 클럭 주파수를 조절해 주어야하는 단점이 있지만 비안정 멀티바이브레이터는 저항 R1과 R2를 이용해서 일정주파수에서 듀티 사이클의 크기도 조절 해줄 수 있다. 하지만 단안정과 비안정 멀티바이브레이터의 장단점이 있기 때문에 단안정도 많이 쓰이는 것 같았다. 비교적 어려운 실험이었고 이를 통해 단안정 멀티바이브레이터와 비안정 멀티바이브레이터 설계 방법에 대해서 알게 되었습니다.

키워드

Experiments in Digital Fundamentals 10th DAVID M. ,   멀티바이브레이터,   펄스폭