1 공식과 풀이 방법휘트스톤 브리지와 스트레인 게이지
분압기 전압 Va = Vs R2 /(R1 + R2 ), Vb = Vs R4 /(R3 + R4 )
배설량 Vab = Va − Vb
균형 R1 /R2 = R3 /R4
슬라이드 와이어 브리지 R/Rx = l/(100 − l)
테브난 저항 Rth = R1 ∥R2 + R3 ∥R4
게이지율 ΔR/R = GF·ε
브리지 출력 1/4 브리지 Vs ·GF·ε/4, 1/2 브리지 Vs ·GF·ε/2, 풀 브리지 Vs ·GF·ε
미소 변화, 한 변 Vab ≈ Vs ·ΔR/(4R)
응력 σ = E·ε 방법 브리지를 같은 전원에 걸린 두 개의 분압기로 보세요. 평형에서는 R₁/R₂ = R₃/R₄로 놓고 미지 저항에 대해 푸세요. 불평형 브리지는 분압기에서 Va 와 Vb 를 구해 빼세요. 계기가 출력에 부하로 걸리면 테브난 등가회로를 쓰세요. 스트레인 게이지는 변형률을 ΔR/R = GF·ε로 바꾸고, 1/4, 1/2, 풀 브리지에 대해 각각 Vs ·GF·ε/4, /2, ×1을 쓰세요. 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 fs 의 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. 연산 증폭기 회로
반전 증폭기 Vout = −(Rf /Rin )·Vin
비반전 증폭기 Vout = (1 + Rf /R1 )·Vin
가산 증폭기 Vout = −Rf (V1 /R1 + V2 /R2 )
이상적인 연산 증폭기 V+ = V− , Iin = 0 저항의 직렬·병렬
저항의 직렬 연결 Req = R1 + R2 + …
저항의 병렬 연결 1/Req = 1/R1 + 1/R2 + …
두 저항의 병렬 Req = R1 R2 / (R1 + R2 )
옴의 법칙 V = I·R
전력 P = V·I = I²R = V²/R 방법 단자에서 가장 먼 회로망 끝에서 시작하세요. 직렬 저항은 더하고, 병렬 저항은 1/R = 1/R₁ + 1/R₂ + …로 합성하세요. 단계마다 회로를 다시 그리세요. 단자 사이에 저항이 하나 남을 때까지 반복하세요. 테브난·노턴
테브난 전압 Vth = Vopen circuit
테브난 저항 Rth : 모든 전원을 제거하고 a–b에서 본 저항
노턴 전류 IN = Vth /Rth
부하 전류 IL = Vth /(Rth + RL )
최대 전력 전달 RL = Rth , Pmax = Vth ²/(4Rth ) 방법 부하를 떼어 내고 두 단자를 a와 b로 표시하세요. a와 b 사이의 개방 전압을 구하세요. 이것이 Vth 입니다. 모든 독립 전원을 끄고 a–b에서 본 저항을 구하세요. 이것이 Rth 입니다. 부하를 등가 회로에 다시 연결합니다: Vth 와 Rth 의 직렬. 노턴 등가 회로로 변환합니다: IN = Vth /Rth , RN = Rth 를 병렬로. 2 연습 문제1. 휘트스톤 브리지와 스트레인 게이지 보통
+ − 9 V 250 Ω 250 Ω + ΔR 250 Ω 250 Ω a b + − Vab = ?
브리지의 네 변이 모두 250 Ω이고 Vs = 9 V입니다. 센서 R₂가 ΔR = 50 Ω만큼 증가합니다. 정확한 출력 Vab 을(를) mV 단위로 구하시오.
Vs = 9 V R = 250 Ω ΔR = 50 Ω
Vab =
2. 휘트스톤 브리지와 스트레인 게이지 어려움
+ − 10 V 350 Ω − ΔR 350 Ω + ΔR 350 Ω 350 Ω a b + − Vo = ?
네 변이 350 Ω인 브리지에 10 V를 여기하며 구성은 다음과 같습니다: 인접한 변에 능동 게이지 둘, 하나는 인장·하나는 압축(1/2 브리지). 게이지율은 2이고 변형률은 400 µε입니다. 브리지 출력 Vo 을(를) mV 단위로 구하시오.
Vs = 10 V GF = 2 ε = 400 µε
Vo =
3. 데이터 수집과 표본화 보통
1 2 2 ch ∿ 01 N = 16 20 kHz ? MB 기록 장치가 2개 채널을 각각 20 kHz로 16비트 ADC로 표본화합니다. 각 표본은 전체 바이트로 저장됩니다. 30분 기록에 필요한 메모리 M 을(를) MB(1 MB = 10⁶ 바이트) 단위로 구하시오.
n = 2 fs = 20 kHz N = 16 t = 30 min
M =
4. 데이터 수집과 표본화 어려움
S D0 D1 D2 D3 D4 D5 D6 D7 1/fbaud 2 MHz / (16·D) 2 MHz 클록의 마이크로컨트롤러가 UART 보율을 fclk /(16·D)로 설정하며, D는 가장 가까운 정수로 반올림한 값입니다. 목표는 4800 baud입니다. 실제 보율의 백분율 오차(너무 빠르면 양수)를 구하시오.
fclk = 2 MHz 목표값 = 4800 Bd
e =
5. 연산 증폭기 회로 보통
− + Vout Rf = ? R1 = 10 kΩ Vin 이 비반전 증폭기의 전압 이득이 15이(가) 되도록 하는 귀환 저항 Rf 을(를) 고르시오.
R1 = 10 kΩ Av = 15
Rf =
6. 연산 증폭기 회로 어려움
− + Vout Rf = 4.7 kΩ V1 = −1.5 V R1 = 1 kΩ V2 = 1.9 V R2 = 2 kΩ If 가산 증폭기는 ±15 V 전원의 이상 연산 증폭기를 사용한다. 귀환 저항을 통해 출력 쪽으로 흐르는 전류 If 을(를) 구하시오.
V1 = −1.5 V V2 = 1.9 V R1 = 1 kΩ R2 = 2 kΩ Rf = 4.7 kΩ
If =
7. 저항의 직렬·병렬 보통
R1 = 2 Ω R3 = 3 Ω + − V1 10 V R2 3 Ω A R4 5 Ω B
전원 V1 이(가) 보는 합성 저항 Req 을(를) 구하시오.
V1 = 10 V R1 = 2 Ω R2 = 3 Ω R3 = 3 Ω R4 = 5 Ω
Req =
8. 저항의 직렬·병렬 어려움
R1 = 15 Ω R3 = 10 Ω R5 = 6 Ω + − V1 18 V R2 10 Ω IR2 A R4 8 Ω B R6 10 Ω R2 에 흐르는 전류 IR2 을(를) 구하시오.
V1 = 18 V R1 = 15 Ω R2 = 10 Ω R3 = 10 Ω R4 = 8 Ω R5 = 6 Ω R6 = 10 Ω
IR2 =
9. 테브난·노턴 보통
R1 = 3 Ω R3 = 15 Ω + − V1 15 V R2 5 Ω A a b
노턴 전류 IN 을(를) 구하시오: 단자를 단락했을 때 a에서 b로 흐르는 전류.
V1 = 15 V R1 = 3 Ω R2 = 5 Ω R3 = 15 Ω
IN =
10. 테브난·노턴 어려움
R1 = 12 Ω R3 = 20 Ω + − V1 12 V R2 25 Ω A Is 1 A B a b 노턴 전류 IN 을(를) 구하시오: 단자를 단락했을 때 a에서 b로 흐르는 전류.
V1 = 12 V Is = 1 A R1 = 12 Ω R2 = 25 Ω R3 = 20 Ω
IN =
3 용액1. 휘트스톤 브리지와 스트레인 게이지
답: Vab = 409.1 mV
휘트스톤 브리지: 두 개의 분압기가 하나의 전원 Vs 를 공유합니다. 왼쪽 분압기 R1 –R2 는 Va = Vs ·R2 /(R1 + R2 )를, 오른쪽 분압기 R3 –R4 는 Vb = Vs ·R4 /(R3 + R4 )를 주며, 출력은 Vab = Va − Vb 입니다. 브리지는 R1 /R2 = R3 /R4 , 즉 R1 ·R4 = R2 ·R3 일 때 평형(Vab = 0, 계기에 전류가 흐르지 않음)입니다. 출력 단자에서 보면 브리지는 Rth = R1 ∥R2 + R3 ∥R4 인 테브난 전원입니다.
노드 전압 Va = 9·300/550 = 4.909 V
Vb = 4.5 V
선형 추정값 Vs ·ΔR/(4R) = 450 mV는 10 % 높게 나옵니다. 1/4 브리지는 완전한 선형이 아닙니다.
2. 휘트스톤 브리지와 스트레인 게이지
답: Vo = 4 mV
스트레인 게이지: 게이지는 변형률에 따라 저항이 변합니다: ΔR/R = GF·ε이며, 게이지율 GF는 금속 박막에서 약 2입니다. 모든 변이 R로 같은 브리지에서 능동 게이지 하나(1/4 브리지)는 Vo ≈ Vs ·GF·ε/4를 줍니다. 서로 인접한 변에 반대 변형률을 받는 능동 게이지 둘(1/2 브리지)은 Vs ·GF·ε/2를, 넷(풀 브리지)은 Vs ·GF·ε를 줍니다. 응력은 훅의 법칙 σ = E·ε에서 구합니다. 로드셀은 감도를 mV/V로 표기합니다. 이는 여기 전압 1 V당 정격 하중에서의 출력입니다.
상대 저항 변화 ΔR/R = 2·400·10⁻⁶ = 0.0008
브리지 출력 Vo = Vs ·GF·ε/2 = 10·0.0008/2 = 4 mV
3. 데이터 수집과 표본화
답: M = 144 MB
데이터 전송률: 각 채널은 초당 fs 개의 N비트 표본을 내보내므로 원시 전송률은 채널 수 × fs × N bit/s입니다. 메모리에서는 표본이 전체 바이트를 차지하므로(12비트 표본은 2바이트로 저장) 기록에 필요한 메모리는 채널 수 × fs × 표본당 바이트 수 × 시간입니다. 멀티플렉스 ADC는 채널을 차례로 변환합니다. (정착 시간을 포함한) 변환 한 번에 t가 걸리므로 n개 채널을 한 바퀴 도는 데 n·t가 걸리고, 각 채널은 1/(n·t)로 표본화됩니다.
메모리 M = 80000·1800 = 1.44 × 10⁸ B = 144 MB
4. 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 = 2·10⁶/(16·4800) = 26.04 → 26
오차 (4808 − 4800)/4800·100 = 0.1603 %
5. 연산 증폭기 회로
답: Rf = 140 kΩ
이상 연산 증폭기 규칙: 부귀환이 있으면 연산 증폭기는 두 입력이 같은 전압(V₋ = V₊)이 되도록 출력을 조절하고, 어느 입력으로도 전류가 흘러 들어가지 않습니다. 이 두 사실로 반전 입력에서 KCL을 세우면 출력이 나옵니다.
비반전 증폭기의 이득 V₋ = V₊ = Vin 이고 R₁의 전류는 Rf 에도 흐르므로 Vout = Vin ·(1 + Rf /R₁).
Av = 1 + Rf /R1
Rf = (15 − 1)·10 = 140 kΩ
6. 연산 증폭기 회로
답: If = −0.55 mA
이상 연산 증폭기 규칙: 부귀환이 있으면 연산 증폭기는 두 입력이 같은 전압(V₋ = V₊)이 되도록 출력을 조절하고, 어느 입력으로도 전류가 흘러 들어가지 않습니다. 이 두 사실로 반전 입력에서 KCL을 세우면 출력이 나옵니다.
입력 전류 V₋ = 0이므로 각 입력 저항에는 입력 전압 전체가 걸립니다.
I1 = V1 /R1 = −1.5/1 = −1.5 mA
I2 = V2 /R2 = 1.9/2 = 0.95 mA
If = I1 + I2 = −0.55 mA
7. 저항의 직렬·병렬
답: Req = 4.182 Ω
직렬과 병렬 저항: 직렬에서는 각 저항에 같은 전류가 흐르고 R = R₁ + R₂ + …. 병렬에서는 각 저항에 같은 전압이 걸리고 1/R = 1/R₁ + 1/R₂ + …. 사다리 회로는 하나의 합성 저항이 남을 때까지 한 쌍씩 줄입니다.
R1 = 2 Ω R3 = 3 Ω + − V1 10 V R2 3 Ω A R4 5 Ω B
먼 쪽 끝부터 저항 합치기 전원에서 가장 먼 끝에서 시작해 전원 쪽으로 돌아옵니다. 같은 전류가 흐르는 저항은 직렬, 같은 두 마디 사이의 저항은 병렬입니다.
R3 + R4 = 3 + 5 = 8 Ω
R2 ∥ 8 = 3·8/(3+8) = 2.182 Ω
Req = R1 + 2.182 = 2 + 2.182 = 4.182 Ω
8. 저항의 직렬·병렬
답: IR2 = 0.5175 A
직렬과 병렬 저항: 직렬에서는 각 저항에 같은 전류가 흐르고 R = R₁ + R₂ + …. 병렬에서는 각 저항에 같은 전압이 걸리고 1/R = 1/R₁ + 1/R₂ + …. 사다리 회로는 하나의 합성 저항이 남을 때까지 한 쌍씩 줄입니다.
R1 = 15 Ω R3 = 10 Ω R5 = 6 Ω + − V1 18 V R2 10 Ω A R4 8 Ω B R6 10 Ω
먼 쪽 끝부터 저항 합치기 전원에서 가장 먼 끝에서 시작해 전원 쪽으로 돌아옵니다. 같은 전류가 흐르는 저항은 직렬, 같은 두 마디 사이의 저항은 병렬입니다.
R5 + R6 = 6 + 10 = 16 Ω
R4 ∥ 16 = 5.333 Ω
R3 + 5.333 = 15.33 Ω
R2 ∥ 15.33 = 6.053 Ω
Req = R1 + 6.053 = 15 + 6.053 = 21.05 Ω
전원 전류 전원은 Req 만 보므로 옴의 법칙으로 전원이 내보내는 전류를 구합니다. 이 전류는 R₁에 흐릅니다.
IR1 = V1 /Req = 18/21.05 = 0.855 A
R₂에 흐르는 전류 R₁의 전압 강하를 빼면 마디 A의 전압, 즉 R₂ 양단 전압이 됩니다.
VA = V1 − IR1 ·R1 = 18 − 0.855·15 = 5.175 V
IR2 = VA /R2 = 5.175/10 = 0.5175 A
9. 테브난·노턴
답: IN = 0.5556 A
테브난 정리: 모든 선형 2단자 회로는 하나의 전압원 Vth 와 저항 Rth 의 직렬 회로처럼 동작합니다. 노턴 정리 는 같은 회로를 전류원 IN = Vth /Rth 와 Rth 의 병렬 회로로 나타냅니다.
R1 = 3 Ω R3 = 15 Ω 단락 R2 5 Ω A a b Rth 모든 전원을 끄고 Rth 구하기 전압원은 단락으로, 전류원은 개방으로 바꾼 뒤 a–b에서 회로를 들여다봅니다.
R1 ∥ R2 = 3·5/(3+5) = 1.875 Ω
Rth = (R1 ∥ R2 ) + R3 = 1.875 + 15 = 16.88 Ω
R1 = 3 Ω R3 = 15 Ω + − V1 15 V R2 5 Ω A a b + − Vth
개방 전압 Vth 구하기 a–b가 개방되면 R₃에 전류가 흐르지 않으므로 전압 강하가 없고 V_b = V_A입니다. R₁과 R₂는 전압 분배기를 이룹니다.
Vth = V1 ·R2 /(R1 +R2 ) = 15·5/(3+5) = 9.375 V
노턴 등가 회로 노턴 전원은 같은 회로를 R_th와 병렬인 전류원으로 본 것입니다. 그 전류는 a–b의 단락 전류입니다.
IN = Vth /Rth = 9.375/16.88 = 0.5556 A
10. 테브난·노턴
답: IN = 1.288 A
테브난 정리: 모든 선형 2단자 회로는 하나의 전압원 Vth 와 저항 Rth 의 직렬 회로처럼 동작합니다. 노턴 정리 는 같은 회로를 전류원 IN = Vth /Rth 와 Rth 의 병렬 회로로 나타냅니다.
R1 = 12 Ω R3 = 20 Ω 단락 R2 25 Ω A 개방 B a b Rth 모든 전원을 끄고 Rth 구하기 전압원은 단락으로, 전류원은 개방으로 바꾼 뒤 a–b에서 회로를 들여다봅니다.
R1 ∥ R2 = 12·25/(12+25) = 8.108 Ω
Rth = (R1 ∥ R2 ) + R3 = 8.108 + 20 = 28.11 Ω
R1 = 12 Ω R3 = 20 Ω + − V1 12 V R2 25 Ω A Is 1 A B a b + − Vth 개방 전압 Vth 구하기 a–b가 개방되면 Iₛ가 흐를 수 있는 경로는 R₃를 거쳐 마디 A로 가는 것뿐입니다. V₁과 Iₛ의 중첩으로 V_A를 구한 뒤 R₃의 전압 강하를 더합니다.
VA = V1 ·R2 /(R1 +R2 ) + Is ·(R1 ∥R2 ) = 8.108 + 1·8.108 = 16.22 V
Vth = VB = VA + Is ·R3 = 16.22 + 1·20 = 36.22 V
노턴 등가 회로 노턴 전원은 같은 회로를 R_th와 병렬인 전류원으로 본 것입니다. 그 전류는 a–b의 단락 전류입니다.
IN = Vth /Rth = 36.22/28.11 = 1.288 A