측정 및 계측: 벼락치기 팩

공식 모음, 모든 주제의 핵심 풀이 단계, 연습 문제 10개가 들어 있으며 전체 풀이는 맨 뒤에 있습니다.

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1공식과 풀이 방법

휘트스톤 브리지와 스트레인 게이지

분압기 전압
Va = VsR2/(R1 + R2), Vb = VsR4/(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

  1. 브리지를 같은 전원에 걸린 두 개의 분압기로 보세요.
  2. 평형에서는 R₁/R₂ = R₃/R₄로 놓고 미지 저항에 대해 푸세요.
  3. 불평형 브리지는 분압기에서 Va와 Vb를 구해 빼세요. 계기가 출력에 부하로 걸리면 테브난 등가회로를 쓰세요.
  4. 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

  1. 주어진 값을 적으세요: 표본화율, 신호 주파수, 비트 수, 입력 범위, 보율.
  2. 표본화 문제에서는 각 주파수를 fs/2와 비교하세요. 더 높은 주파수는 fs의 가장 가까운 배수를 이용해 fa = |f − k·fs|에 나타납니다.
  3. 분해능 문제에서는 1 LSB = VFSR/2ᴺ을 구하거나, 2ᴺ ≥ 범위/분해능을 만족하는 가장 작은 N을 찾으세요.
  4. 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 = R1R2 / (R1 + R2)
옴의 법칙
V = I·R
전력
P = V·I = I²R = V²/R

방법

  1. 단자에서 가장 먼 회로망 끝에서 시작하세요.
  2. 직렬 저항은 더하고, 병렬 저항은 1/R = 1/R₁ + 1/R₂ + …로 합성하세요.
  3. 단계마다 회로를 다시 그리세요.
  4. 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 = Vth²/(4Rth)

방법

  1. 부하를 떼어 내고 두 단자를 a와 b로 표시하세요.
  2. a와 b 사이의 개방 전압을 구하세요. 이것이 Vth입니다.
  3. 모든 독립 전원을 끄고 a–b에서 본 저항을 구하세요. 이것이 Rth입니다.
  4. 부하를 등가 회로에 다시 연결합니다: Vth와 Rth의 직렬.
  5. 노턴 등가 회로로 변환합니다: IN = Vth/Rth, RN = Rth를 병렬로.

2연습 문제

1.휘트스톤 브리지와 스트레인 게이지보통
+−2 V120 Ω120 Ω120 Ω120 Ωab+−

120 Ω 스트레인 게이지가 네 변이 120 Ω으로 같은 브리지의 한 변(R₂)이며 여기 전압은 2 V입니다. 게이지에서 소비되는 전력 Pg을(를) mW 단위로 구하시오. 자기 발열이 여기 전압을 제한합니다.

Vs = 2 VR = 120 Ω
Pg = mW
2.휘트스톤 브리지와 스트레인 게이지어려움
+−3 V1000 Ω1000 Ω + ΔR1000 Ω1000 Ωab+−1.181 mV

능동 게이지 하나(GF = 2.1)인 1/4 브리지에 3 V를 여기합니다. 하중을 받으면 출력이 1.181 mV로 읽힙니다. 변형률 ε을(를) µε 단위로 구하시오.

Vs = 3 VGF = 2.1Vo = 1.181 mV
ε = µε
3.데이터 수집과 표본화보통
SD0​D1​D2​D3​D4​D5​D6​D7​PTb​12·Tb​38400 Bd, 8E2

UART가 38400 baud로 8E2 형식의 바이트를 보냅니다: 데이터 비트 8개, 짝수 패리티 비트 1개, 정지 비트 2개, 그리고 시작 비트. 초당 전송할 수 있는 데이터 바이트의 최대 개수를 구하시오.

baud = 38400 Bd8E2
RB = B/s
4.데이터 수집과 표본화어려움
T5 mV/°C×20∿01N = 10, 3.3 V? °C/LSB

온도 센서가 5 mV/°C를 출력합니다(0 °C에서 0 V). 신호를 20배로 증폭해 입력 범위 0~3.3 V의 10비트 ADC에 넣습니다(1 LSB = VFSR/2ᴺ). LSB 하나에 해당하는 온도 변화 ΔTLSB을(를) 구하시오.

S = 5 mV/°CG = 20N = 10VFSR = 3.3 V
ΔTLSB = °C
5.연산 증폭기 회로보통
−+Vout​Rf​ = 100 kΩR1​ = 22 kΩVin​ = 0.7 V

연산 증폭기는 이상적이며 ±15 V 전원으로 동작한다. 출력 전압 Vout을(를) 구하시오.

Vin = 0.7 VR1 = 22 kΩRf = 100 kΩ
Vout = V
6.연산 증폭기 회로어려움
−+Vout​R2​ = 100 kΩV1​ = 1.2 VR1​ = 47 kΩV2​ = 1.6 VR3​ = 10 kΩR4​ = 1 kΩ

연산 증폭기는 이상적이며 ±15 V 전원으로 동작한다. 저항비가 맞지 않는다. 출력 전압 Vout을(를) 구하시오.

V1 = 1.2 VV2 = 1.6 VR1 = 47 kΩR2 = 100 kΩR3 = 10 kΩR4 = 1 kΩ
Vout = V
7.저항의 직렬·병렬보통
R1​ = 10 ΩR3​ = 6 Ω+−V1​6 VR2​15 ΩAR4​12 ΩB

전원 V1이(가) 보는 합성 저항 Req을(를) 구하시오.

V1 = 6 VR1 = 10 ΩR2 = 15 ΩR3 = 6 ΩR4 = 12 Ω
Req = Ω
8.저항의 직렬·병렬어려움
R1​ = 30 ΩIR1​R3​ = 15 ΩR5​ = 2 Ω+−V1​6 VR2​2 ΩAR4​4 ΩBR6​8 Ω

전원이 공급하며 R1에 흐르는 전류 IR1을(를) 구하시오.

V1 = 6 VR1 = 30 ΩR2 = 2 ΩR3 = 15 ΩR4 = 4 ΩR5 = 2 ΩR6 = 8 Ω
IR1 = A
9.테브난·노턴보통
R1​ = 10 ΩR3​ = 5 Ω+−V1​30 VR2​4 ΩAab

노턴 전류 IN을(를) 구하시오: 단자를 단락했을 때 a에서 b로 흐르는 전류.

V1 = 30 VR1 = 10 ΩR2 = 4 ΩR3 = 5 Ω
IN = A
10.테브난·노턴어려움
R1​ = 6 ΩR3​ = 25 Ω+−V1​6 VR2​12 ΩAIs​3 ABRL​6 ΩIL​

a–b 사이에 부하 RL = 6 Ω을 연결한다. 테브난 등가 회로를 이용해 부하에 전달되는 전력 PL을(를) 구하시오.

V1 = 6 VIs = 3 AR1 = 6 ΩR2 = 12 ΩR3 = 25 ΩRL = 6 Ω
PL = W

3용액

1.휘트스톤 브리지와 스트레인 게이지

답: Pg = 8.333 mW

휘트스톤 브리지: 두 개의 분압기가 하나의 전원 Vs를 공유합니다. 왼쪽 분압기 R1–R2는 Va = Vs·R2/(R1 + R2)를, 오른쪽 분압기 R3–R4는 Vb = Vs·R4/(R3 + R4)를 주며, 출력은 Vab = Va − Vb입니다. 브리지는 R1/R2 = R3/R4, 즉 R1·R4 = R2·R3일 때 평형(Vab = 0, 계기에 전류가 흐르지 않음)입니다. 출력 단자에서 보면 브리지는 Rth = R1∥R2 + R3∥R4인 테브난 전원입니다.

게이지에 걸리는 전압

V = 2/2 = 1 V

전력

Pg = 1²/120 = 8.333 mW

답

Pg = 8.333 mW
2.휘트스톤 브리지와 스트레인 게이지

답: ε = 749.8 µε

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.

1/4 브리지 방정식 풀기

ε = 4·0.001181/(3·2.1) = 0.0007498

마이크로 스트레인 단위로

ε = 749.8 µε

답

ε = 749.8 µε
3.데이터 수집과 표본화

답: RB = 3200 B/s

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.

프레임당 비트 수

1 + 8 + 1 + 2 = 12

바이트 전송률

38400/12 = 3200 B/s

답

RB = 3200 B/s
4.데이터 수집과 표본화

답: ΔTLSB = 0.03223 °C

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.

스텝 크기

1 LSB = 3300/1024 = 3.223 mV

ADC에서의 감도

5·20 = 100 mV/°C

온도 분해능

ΔTLSB = 3.223/100 = 0.03223 °C

답

ΔTLSB = 0.03223 °C

ADC는 33 °C에서 풀스케일에 도달합니다.

5.연산 증폭기 회로

답: Vout = 3.882 V

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.

반전 입력이 입력을 따라감

V₋ = V₊ = 0.7 V
I = V₋/R1 = 0.7/22 = 0.03182 mA

출력 전압

R₁의 전류는 Rf에도 흐릅니다.

Vout = V₋ + I·Rf = 0.7 + 0.03182·100 = 3.882 V

답

Vout = 3.882 V
6.연산 증폭기 회로

답: Vout = −2.098 V

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.

+ 입력의 전압

V₊ = V2·R4/(R3 + R4) = 1.6·1/(10 + 1) = 0.1455 V

두 입력의 중첩

V₂ = 0이면 V₁은 반전 증폭기로 보입니다. V₁ = 0이면 V₊가 비반전 이득 1 + R₂/R₁로 증폭됩니다.

Vout = −(100/47)·1.2 + (1 + 100/47)·0.1455 = −2.553 + 0.4549 = −2.098 V

답

Vout = −2.098 V
7.저항의 직렬·병렬

답: Req = 18.18 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​ = 10 ΩR3​ = 6 Ω+−V1​6 VR2​15 ΩAR4​12 ΩB

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 = 6 + 12 = 18 Ω
R2 ∥ 18 = 15·18/(15+18) = 8.182 Ω
Req = R1 + 8.182 = 10 + 8.182 = 18.18 Ω

답

Req = 18.18 Ω
8.저항의 직렬·병렬

답: IR1 = 0.1887 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​ = 30 ΩR3​ = 15 ΩR5​ = 2 Ω+−V1​6 VR2​2 ΩAR4​4 ΩBR6​8 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 = 2 + 8 = 10 Ω
R4 ∥ 10 = 2.857 Ω
R3 + 2.857 = 17.86 Ω
R2 ∥ 17.86 = 1.799 Ω
Req = R1 + 1.799 = 30 + 1.799 = 31.8 Ω

전원 전류

전원은 Req만 보므로 옴의 법칙으로 전원이 내보내는 전류를 구합니다. 이 전류는 R₁에 흐릅니다.

IR1 = V1/Req = 6/31.8 = 0.1887 A

답

IR1 = 0.1887 A
9.테브난·노턴

답: IN = 1.091 A

테브난 정리: 모든 선형 2단자 회로는 하나의 전압원 Vth와 저항 Rth의 직렬 회로처럼 동작합니다. 노턴 정리는 같은 회로를 전류원 IN = Vth/Rth와 Rth의 병렬 회로로 나타냅니다.

R1​ = 10 ΩR3​ = 5 Ω단락R2​4 ΩAabRth​

모든 전원을 끄고 Rth 구하기

전압원은 단락으로, 전류원은 개방으로 바꾼 뒤 a–b에서 회로를 들여다봅니다.

R1 ∥ R2 = 10·4/(10+4) = 2.857 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 2.857 + 5 = 7.857 Ω
R1​ = 10 ΩR3​ = 5 Ω+−V1​30 VR2​4 ΩAab+−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) = 30·4/(10+4) = 8.571 V
IN​1.091 ARth​7.857 Ωab

노턴 등가 회로

노턴 전원은 같은 회로를 R_th와 병렬인 전류원으로 본 것입니다. 그 전류는 a–b의 단락 전류입니다.

IN = Vth/Rth = 8.571/7.857 = 1.091 A
10.테브난·노턴

답: PL = 40.56 W

테브난 정리: 모든 선형 2단자 회로는 하나의 전압원 Vth와 저항 Rth의 직렬 회로처럼 동작합니다. 노턴 정리는 같은 회로를 전류원 IN = Vth/Rth와 Rth의 병렬 회로로 나타냅니다.

R1​ = 6 ΩR3​ = 25 Ω단락R2​12 ΩA개방BabRth​

모든 전원을 끄고 Rth 구하기

전압원은 단락으로, 전류원은 개방으로 바꾼 뒤 a–b에서 회로를 들여다봅니다.

R1 ∥ R2 = 6·12/(6+12) = 4 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 4 + 25 = 29 Ω
R1​ = 6 ΩR3​ = 25 Ω+−V1​6 VR2​12 ΩAIs​3 ABab+−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) = 4 + 3·4 = 16 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = 16 + 3·25 = 91 V
Rth​ = 29 Ω+−Vth​91 VRL​6 ΩIL​

부하를 테브난 등가 회로에 연결하기

테브난 전원과 직렬 R_th는 a–b에서 원래 회로와 똑같이 동작하므로, 부하는 단순한 직렬 루프를 보게 됩니다.

IL = Vth/(Rth + RL) = 91/(29 + 6) = 2.6 A
PL = IL²·RL = 2.6²·6 = 40.56 W

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