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.
노드 전압
Va = 7.5 + 0.03731 = 7.537 V
분압식 풀기
R₂ = 250·7.537/(15 − 7.537) = 252.5 Ω
ΔR = 252.5 − 250 = 2.5 Ω
답
ΔR = 2.5 Ω
2.휘트스톤 브리지와 스트레인 게이지
답: ε = 250 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.
상대 저항 변화
ΔR/R = 0.063/120 = 0.000525
변형률
ε = 0.000525/2.1 = 0.00025 = 250 µε
답
ε = 250 µε
3.데이터 수집과 표본화
답: fa = 800 Hz
표본화: ADC는 신호를 초당 fs번 측정합니다. 나이퀴스트-섀넌 정리에 따르면 주파수 f는 f < fs/2, 즉 나이퀴스트(접힘) 주파수보다 낮을 때만 올바르게 포착되므로, 표본화율은 신호 최고 주파수의 두 배를 넘어야 합니다. 더 높은 주파수는 사라지지 않고 fa = |f − k·fs|의 에일리어스로 나타나며, k는 결과가 0과 fs/2 사이가 되게 하는 정수입니다. 표본만으로는 둘을 구별할 수 없으므로 ADC 앞에서 아날로그 앤티에일리어싱 필터가 fs/2보다 높은 성분을 모두 제거해야 합니다.
나이퀴스트 주파수
fs/2 = 1 kHz < f = 3.2 kHz
표본화율의 가장 가까운 배수
k = round(3200/2000) = 2
에일리어스 주파수
fa = |3200 − 2·2000| = 800 Hz
답
fa = 800 Hz
그림의 점선 곡선이 에일리어스입니다. 정확히 같은 표본들을 지납니다.
4.데이터 수집과 표본화
답: ΔTLSB = 0.4883 °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 = 5000/4096 = 1.221 mV
ADC에서의 감도
1·2.5 = 2.5 mV/°C
온도 분해능
ΔTLSB = 1.221/2.5 = 0.4883 °C
답
ΔTLSB = 0.4883 °C
ADC는 2000 °C에서 풀스케일에 도달합니다.
5.연산 증폭기 회로
답: Vout = −1.4 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 = −0.7/2 = −0.35 mA
출력 전압
R₁의 전류는 Rf에도 흐릅니다.
Vout = V₋ + I·Rf = −0.7 + (−0.35)·2 = −1.4 V
답
Vout = −1.4 V
6.연산 증폭기 회로
답: Vout = −6.109 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.
입력 전류
V₋ = 0이므로 각 입력 저항에는 입력 전압 전체가 걸립니다.
I1 = V1/R1 = 1.3/47 = 0.02766 mA
I2 = V2/R2 = 0.5/2 = 0.25 mA
If = I1 + I2 = 0.2777 mA
출력 전압
Vout = −Rf·If = −22·0.2777 = −6.109 V
답
Vout = −6.109 V
7.저항의 직렬·병렬
답: Req = 14.62 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.
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 = 10 + 10 = 20 Ω
R2 ∥ 20 = 6·20/(6+20) = 4.615 Ω
Req = R1 + 4.615 = 10 + 4.615 = 14.62 Ω
답
Req = 14.62 Ω
8.저항의 직렬·병렬
답: Req = 26.6 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.
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 = 12 + 5 = 17 Ω
R4 ∥ 17 = 10.12 Ω
R3 + 10.12 = 35.12 Ω
R2 ∥ 35.12 = 14.6 Ω
Req = R1 + 14.6 = 12 + 14.6 = 26.6 Ω
답
Req = 26.6 Ω
9.테브난·노턴
답: Rth = 13.5 Ω
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.
모든 전원을 끄고 Rth 구하기
전압원은 단락으로, 전류원은 개방으로 바꾼 뒤 a–b에서 회로를 들여다봅니다.
R1 ∥ R2 = 15·15/(15+15) = 7.5 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 7.5 + 6 = 13.5 Ω
10.테브난·노턴
답: Vth = 17.67 V
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.
모든 전원을 끄고 Rth 구하기
전압원은 단락으로, 전류원은 개방으로 바꾼 뒤 a–b에서 회로를 들여다봅니다.
R1 ∥ R2 = 2·4/(2+4) = 1.333 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 1.333 + 2 = 3.333 Ω
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) = 16 + 0.5·1.333 = 16.67 V