진법
- 자릿값
- 2진수 2k, 8진수 8k, 16진수 16k
- 10진수로
- Σ dk·bk
- 10진수에서
- 기수로 나누고, 나머지를 아래에서 위로 읽음
- 16진수 ↔ 2진수
- 16진수 한 자리 = 4비트
- 2의 보수
- 비트를 반전하고 1을 더함
디지털 전자공학: 벼락치기 팩
공식 모음, 모든 주제의 핵심 풀이 단계, 연습 문제 6개가 들어 있으며 전체 풀이는 맨 뒤에 있습니다.
1공식과 풀이 방법
디지털 논리: 게이트, 카르노 맵, 플립플롭
- 기본 게이트
- A·B, A + B, A′, (A·B)′, (A + B)′, A ⊕ B
- 불 규칙
- X + X′ = 1, X·X′ = 0, X + XY = X, XY + XY′ = X
- 드모르간 법칙
- (X·Y)′ = X′ + Y′, (X + Y)′ = X′·Y′
- 카르노 맵의 순서
- 00, 01, 11, 10 (Gray code)
- 2ᵏ칸의 그룹
- 변수 k개를 잃음
- 4-대-1 멀티플렉서
- F = A′B′I0 + A′BI1 + AB′I2 + ABI3
- 플립플롭
- D: Q⁺ = D, T: Q⁺ = T ⊕ Q, JK: Q⁺ = JQ′ + K′Q
- 카운터
- n비트: 2ⁿ개 상태; mod-N: 2ⁿ ≥ N인 가장 작은 n; fout = fclk/N
- 리플 카운터
- fmax = 1/(n·tpd)
- 링 카운터와 존슨 카운터
- 상태 n개와 2n개
방법
- 회로는 입력에서 출력까지 게이트를 하나씩 따라가며 모든 선에 값을 적거나, 식을 쓰고 진리표를 채우세요.
- 간소화할 때는 1(그리고 무정의항은 X)을 그레이 코드 행과 열(00, 01, 11, 10)을 가진 카르노 맵에 넣으세요.
- 1들을 1, 2, 4, 8, 16칸의 가능한 한 적고 큰 그룹으로 덮되 가장자리를 넘어 이어 보세요. 각 그룹은 일정하게 유지되는 변수로 이루어진 곱항 하나입니다. POS 형태는 0들을 묶으세요.
- 플립플롭과 카운터는 활성 클록 에지마다 입력을 읽고, 에지마다 상태를 적고, n비트 카운터는 2ⁿ개 상태 뒤에 되돌아간다는 것을 기억하세요.
데이터 수집과 표본화
- 나이퀴스트 조건
- fs > 2·fmax, fN = fs/2
- 에일리어스 주파수
- fa = |f − k·fs|, k = round(f/fs)
- 스텝 크기
- 1 LSB = VFSR/2ᴺ
- 양자화 오차(반올림)
- ±½ LSB
- 절사형 ADC 코드
- D = ⌊Vin/LSB⌋
- 분해능 r에 필요한 비트 수
- 2ᴺ ≥ span/r
- 이상적인 SQNR, 풀스케일 사인파
- SQNR = 6.02·N + 1.76 dB
- 데이터 전송률
- 채널 수 × fs × N bit/s
- 멀티플렉스 ADC
- fs = 1/(n·(tc + tset))
- UART
- Tb = 1/baud; 8N1 = 바이트당 10비트; bytes/s = baud/프레임당 비트 수
- 보율 분주기
- baud = fclk/(16·D)
방법
- 주어진 값을 적으세요: 표본화율, 신호 주파수, 비트 수, 입력 범위, 보율.
- 표본화 문제에서는 각 주파수를 fs/2와 비교하세요. 더 높은 주파수는 fs의 가장 가까운 배수를 이용해 fa = |f − k·fs|에 나타납니다.
- 분해능 문제에서는 1 LSB = VFSR/2ᴺ을 구하거나, 2ᴺ ≥ 범위/분해능을 만족하는 가장 작은 N을 찾으세요.
- 데이터 전송률과 UART 링크 문제에서는 전송되는 모든 것을 세세요: 채널, 초당 표본 수, 표본당 비트 또는 전체 바이트, 그리고 모든 프레임의 시작, 패리티, 정지 비트.
2연습 문제
1.진법보통
−94를 8비트 2의 보수 패턴으로 쓰세요. 그 패턴을 부호 없는 2진수로 읽으면 10진수 값 U는 얼마일까요?
N = −948 bit
U =
2.진법어려움
0100 0010 OR 1000 1001의 8비트 결과가 되도록 비트를 설정하세요. 결과의 값 R은 십진수로 얼마입니까?
0100 0010OR1000 1001
R =
3.디지털 논리: 게이트, 카르노 맵, 플립플롭보통
카르노 맵으로 F(A, B, C, D) = Σm(0, 4, 9, 11, 13, 15)의 최소 합의 곱(POS) 형태를 구하시오. 합항(인수)은 몇 개(N)인가?
F(A, B, C, D) = Σm(0, 4, 9, 11, 13, 15)
N =
4.디지털 논리: 게이트, 카르노 맵, 플립플롭어려움
5비트 리플(비동기) 카운터가 각각 전파 지연이 12 ns인 플립플롭으로 만들어져 있다. 다음 클록 에지 전에 모든 출력이 안정되어야 한다. 최대 클록 주파수 fmax을(를) 구하시오.
n = 5tpd = 12 ns
fmax = MHz
5.데이터 수집과 표본화보통
풀스케일 사인파에 대한 8비트 ADC의 이상적인 신호 대 양자화 잡음비 SQNR을(를) 구하시오.
N = 8
SQNR = dB
6.데이터 수집과 표본화어려움
24 MHz 클록의 마이크로컨트롤러가 UART 보율을 fclk/(16·D)로 설정하며, D는 가장 가까운 정수로 반올림한 값입니다. 목표는 38400 baud입니다. 실제 보율의 백분율 오차(너무 빠르면 양수)를 구하시오.
fclk = 24 MHz목표값 = 38400 Bd
e = %
3용액
1.진법
답: U = 162
위치 기수법: 각 자리의 값은 그 숫자에 밑의 거듭제곱을 곱한 것입니다. 2진수의 자리값은 1, 2, 4, 8, 16, …, 16진수는 1, 16, 256, …이며 A–F는 10–15를 뜻합니다. 8비트 2의 보수에서 가장 왼쪽 비트는 +128이 아니라 −128의 값을 가지며, 이렇게 음수를 저장합니다.
반전하고 1 더하기
94 = 0101 1110
반전 후: 1010 0001
+1 → 1010 0010
부호 없는 수로 읽기
1010 0010₂ = 256 − 94 = 162
답
U = 162
2.진법
답: R = 203
비트 설정: 각 비트는 2의 거듭제곱(128, 64, …, 1)의 값을 가집니다. 16진수 한 자리는 정확히 네 비트이고, 8비트 2의 보수에서 맨 왼쪽 비트의 값은 −128입니다. 비트 연산은 각 비트 자리를 따로 처리합니다.
비트별로
OR은 적어도 하나의 비트가 1인 곳에서 1입니다.
0100 0010
OR 1000 1001
= 1100 1011
결과의 값
1100 1011₂ = 203
답
R = 203
3.디지털 논리: 게이트, 카르노 맵, 플립플롭
답: N = 3
카르노 맵: 칸은 그레이 코드(00, 01, 11, 10) 순서로 배열되므로, 가장자리를 넘어 이웃한 칸을 포함해 이웃한 칸은 정확히 한 변수만 다릅니다. 모든 1이 덮일 때까지 1들을 1, 2, 4, 8, 16칸의 직사각형으로, 가능한 한 크고 가능한 한 적게 묶으세요. 각 그룹은 그 안에서 일정하게 유지되는 변수로 이루어진 곱항 하나입니다. 2ᵏ칸의 그룹은 변수 k개를 잃습니다. 무정의항(X)은 그룹을 키우는 데 쓸 수 있지만 반드시 덮을 필요는 없습니다. 0들을 묶으면 최소 POS 형태가 나옵니다.
0 묶기
모든 그룹은 2ᵏ칸의 직사각형입니다. 가장자리 칸은 반대쪽 가장자리의 칸과 이웃합니다.
(C′ + D)
(A + D′)
(A′ + D)
최소 POS 형태
F = (C′ + D)(A + D′)(A′ + D)
N = 3
답
N = 3
같은 크기의 다른 묶음도 있으며, 항과 리터럴의 수는 같습니다.
4.디지털 논리: 게이트, 카르노 맵, 플립플롭
답: fmax = 16.67 MHz
플립플롭과 카운터: 플립플롭은 클록의 활성 에지에서만 바뀝니다. D는 입력을 복사합니다(Q⁺ = D). T는 T = 1이면 토글합니다. JK는 00이면 유지, 01이면 리셋, 10이면 셋, 11이면 토글합니다. n비트 이진 카운터는 상태가 2ⁿ개이고 2ⁿ을 법으로 세며, mod-N 카운터는 0, 1, …, N − 1을 거쳐 다시 0으로 돌아가고 2ⁿ ≥ N인 가장 작은 n개의 플립플롭이 필요합니다. 리플 카운터는 단마다 주파수가 절반이 되므로 mod-N 카운터의 마지막 출력은 fclk/N으로 동작합니다. 플립플롭 n개의 존슨 카운터는 상태가 2n개, 링 카운터는 n개입니다.
최악의 안정화 시간
T = 5·12 ns = 60 ns
최대 주파수
fmax = 1/60 ns = 16.67 MHz
답
fmax = 16.67 MHz
5.데이터 수집과 표본화
답: SQNR = 49.92 dB
ADC 분해능: N비트 변환기는 풀스케일 범위 VFSR을 0부터 2ᴺ − 1까지 2ᴺ개의 코드로 나눕니다. 한 스텝은 1 LSB = VFSR/2ᴺ로, 변환기가 나타낼 수 있는 가장 작은 변화입니다. 절사형 ADC는 코드 ⌊Vin/LSB⌋를 주고, 반올림형 ADC는 참값에서 ½ LSB 넘게 벗어나지 않으며 이것이 양자화 오차입니다. 비트가 하나 늘 때마다 LSB는 절반이 되고, 풀스케일 사인파에 대한 이상적인 신호 대 양자화 잡음비 SQNR = 6.02·N + 1.76 dB는 약 6 dB 높아집니다. 범위에서 분해능 r을 얻으려면 2ᴺ ≥ 범위/r을 만족하는 가장 작은 N을 고르세요.
이상적인 SQNR
SQNR = 6.02·8 + 1.76 = 49.92 dB
답
SQNR = 49.92 dB
6.데이터 수집과 표본화
답: e = 0.1603 %
UART: 비동기 직렬 링크는 각 바이트를 프레임으로 보냅니다. 시작 비트 1개(low), 데이터 비트, 선택적 패리티 비트, 정지 비트 1~2개(high)입니다. 보율은 초당 비트 수이므로 한 비트는 Tb = 1/baud 동안 지속되고, n비트 프레임은 n/baud 동안 지속됩니다. 흔히 쓰는 8N1 형식은 바이트당 10비트입니다. 보율 발생기는 클록을 나눕니다: baud = fclk/(16·D)이며 D는 정수이므로 실제 보율은 목표값과 조금 다릅니다. 오차가 약 2 % 미만이면 보통 허용됩니다.
분주비
D = 24·10⁶/(16·38400) = 39.06 → 39
실제 보율
24·10⁶/(16·39) = 38462 Bd
오차
(38462 − 38400)/38400·100 = 0.1603 %
답
e = 0.1603 %
오차가 약 2 % 미만이면 보통 허용됩니다.
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