아날로그 2 : 오실로스코프 및 함수발생기

아날로그 2 오실로스코프와 함수발생기 주기적인 데이터 처리 부산대학교 공과대학 전기컴퓨터공학부 정보컴퓨터공학전공 오실로스코프(Oscilloscope,OSC) ❖ 특정 시간 간격의 전압 변화를 볼 수 있는 장치 ❖ 시간에 따라 변화하는 신호를 주기적이고 반복적인 하나의 전압 형태 로 파악할 수 있다...

아날로그 2 오실로스코프와 함수발생기 주기적인 데이터 처리 부산대학교 공과대학 전기컴퓨터공학부 정보컴퓨터공학전공 오실로스코프(Oscilloscope,OSC) ❖ 특정 시간 간격의 전압 변화를 볼 수 있는 장치 ❖ 시간에 따라 변화하는 신호를 주기적이고 반복적인 하나의 전압 형태 로 파악할 수 있다 2 오실로스코프의 기능 스위치 전원 스위치 수직 및 수평 스케일 조절기 수직 및 수평 위치 조절기 측정값 설정 스위치 Intensity 조절기 3 2 5 4 측정스위치->측정기능선택 1 (주기, rms, peak to peak…) 3 오실로스코프의 특징 ❖ X축 ▪ sec/div 표시 ▪ 파형의 주기 = (sec / div) * 눈금 수 ▪ 예 : 2msec/div * 10div = 20msec ▪ 주파수 = 1/ 주기 ▪ 예 : f = 1/T = 1 / 20msec = 50Hz ❖ Y축 ▪ volt/div 표시 ▪ 전압 = (v/div) * 눈금 수 ▪ 예 : 100mv/div * 4 div = 400mV ▪ Vp=400 mV, Vpp=800 mV ▪ 실제는 측정값 설정 버턴으로 기능 설정 가능 Vp : peak voltage Vpp : peak-to-peak voltage 4 오실로스코프의 특징 (con’t) ❖ 파형의 표시 ▪ 𝐹 𝑡 = 𝐴 ⋅ sin 𝜔𝑡 + 𝜃 = 𝐴 ⋅ sin(2𝜋𝑓𝑡 + 𝜃) ▪ 여기서 𝐴 : 진폭(v), 𝑓 : 주파수(Hz), 𝜃 : 위상 (rad) ❖ 기타 ▪ 입력 임피던스가 높으므로 멀티미터보다 정확한 값을 획득 가능 ▪ OSC를 잘 다룰 수 있어야 한다(익숙할 때까지) ▪ OSC는 제품마다 조금씩 다르지만 기본적 기능은 비슷 ❖ 정현파의 실효값 (RMS 값) 𝑡0 +𝑇 𝑉𝑝 1 2 𝑉𝑟𝑚𝑠 = ⋅න 𝑉 (𝑡) 𝑑𝑡 = 𝑇 𝑡0 2 5 함수발생기(Function Generator) ❖ 여러 가지 형태의 함수를 발생시켜 전압 형태로 출력하는 장치 ❖ 정현파, 구형파, 삼각파 등 출력 가능 ❖ 진폭조절기로 출력조정 가능 ❖ 스위치 FREQ -> 숫자입력(5) -> 단위입력(5) -> ENTER ▪ 전원 스위치 AMPL -> 숫자입력(5) -> 단위입력(5) -> ENTER ▪ 주파수 조절 스위치 ▪ 파형 조절 스위치 3 4 ▪ 진폭 조절 스위치 2 ▪ 숫자 입력 스위치 6 1 5 ▪ 출력 enable 스위치 파형 -> 버튼 -> ENTER 6 Lab.6-1 OSC 및 함수발생기 ❖ 실험 순서 ① 준비 및 기본 실험 ▪ 수평감도, 수직감도 ② 파형 측정 실험 ③ 실효값 및 오차 측정 7 Lab.6-1 ① 준비 및 기본 실험 ❖ OSC에 관련된 용어 이해 ▪ 초점 (Focus), 세기 (Intensity), 수직 및 수평 위치 조절 (Horizontal and Vertical Position), AC-GND-DC 스위치(Switch), 신호 입력 (Signal Input), 모드 스위치(Mode Switch), 트리거 단자(Trigger control) 1. 준비작업 ① 오실로스코프를 켜고, 선명도, 밝기, 스크린 상의 수평선과 일치하게 조절 ② 오실로스코프의 입력채널에 함수 발생기를 연결하고, 함수 발생기의 출력이 1kHz의 정 현파가 되도록 설정 ③ 오실로스코프의 수직감도를 1 V/div로 설정, 함수발생기의 전압을 2v로 설정하여 4Vpp 정현파 조정 8 Lab.6-1 ① 준비 및 기본 실험 2. 수평감도 ④ 식 T = 1 / f를 사용하여 ms 단위로 1kHz 정현파의 주기를 에 기록한다. ⑤ 오실로스코프의 수평감도를 0.2 ms/div에 설정하라. 순서 4의 계산 결과를 사용하여, 1kHz 신호의 한 사이클이 적절하게 표시되도록 필요한 수평눈금 (div) 수를 측정하여 에 기록한다. ⑥ 오실로스코프의 수평감도를 0.5 ms/div, 1 ms/div로 각각 바꾸면서, 1kHz 신호의 한 사이클 이 적절하게 표시되도록 필요한 수평눈금(div) 수를 측정하여 에 기록한다 ⑦ 수평감도를 0.2 ms/div에서 0.5 ms/div과 1 ms/div로 바꾸었을때 정현파의 모양에 나타나 는 효과는 무엇인가? 수평감도 측정(수직감도 1V/div) 1kHz, 4Vpp, 정현파 주기(ms) 1ms 수평감도 0.2ms/div, 1cycle 수평눈금(div)수 25 수평감도 0.5ms/div, 1cycle 수평눈금(div)수 10 수평감도 1ms/div, 1cycle 수평눈금(div)수 5 9 Lab.6-1 ① 준비 및 기본 실험 3. 수직감도 ⑧ 함수발생기에 손대지 말고, 수평감도를 다시 0.2 ms/div로 하고, 수직감도를 2 V/div로 바꾸어라. 이 감도를 이용하여 피크 대 피크값 사이의 수직눈금(div) 수를 먼저 계산한 다음, 감도에 곱하여 스크린 상의 정현파의 피크 대 피크값을 계산하여 에 기록한다. ⑨ 오실로스코프의 수직감도를 0.5 V/div로 바꾸고, 순서 8을 반복한다. ⑩ 수직감도를 2 V/div에서 0.5 V/div로 바꾸었을 때 정현파 모양에 나타나는 효과는 무엇인 가? 수직감도 측정(수평감도 0.2ms/div) 1kHz, 4Vpp,정현파 수직감도 2V/div, peak-to-peak 수직눈금(div)수 10 수직감도 2V/div, peak-to-peak voltage 4 수직감도 0.5V/div, peak-to-peak 수직눈금(div)수 4 수직감도 0.5V/div, peak-to-peak voltage 4 10 Lab.6-1 ② 파형 측정 ① 오실로스코프에 5kHz의 6 Vpp 정현파를 명확하게 표시되도록 필요한 모든 조정을 맞추 어라. 스크린의 중앙에 0V를 설정하라. 선택한 감도(ms/div, v/div)를 기록한다. 필요한 수직, 수평눈금(div) 수를 주의깊게 기록하면서 에 파형을 그려라. ② 에 100kHz 4 Vpp 구형파에 대해 순서 1를 반복한다. 5kHz, 6Vpp, 정현파 100kHz, 4Vpp, 구형파 ms/div :0.2ms/div ms/div : v/div : 0.5V/div v/div : 11 Lab.6-1 ③ 실효값 및 오차 측정 = ① 스크린 상에 1kHz, 4 Vpp정현파로 재조정하라. 정현파의 실효값을 계산하여 에 기록한다. ② 오실로스코프에서 함수 발생기를 분리하고 디지털 멀티미터를 사용하여 함수 발생기 의 출력의 실효값를 측정하여 에 기록 ③ 계산된 것과 측정된 레벨의 차를 다음 식을 사용하여 %오차의 크기를 계산하여 에 기록 𝑉𝐴 =계산치, 𝑉𝑀 =측정치 𝑉𝐴 −𝑉𝑀 %오차 = × 100% 𝑉𝐴 1kHz, 4Vpp, 정현파 실효값 계산치 실효값 측정치 % 오차 12 Lab.6-1 ④ 결과확인 ❖ 작성한 결과표와 결과 그림을 보여라. ❖ 조교의 물음에 답하고 채점 결과를 PLMS LAB 6에 직접 입력하라 13 디지털 및 아날로그 데이터 처리 입력 출력 int pinNo = 13; int pinNo = 13; boolean value = HIGH; 디지털 pinMode(pinNo, INPUT); pinMode(pinNo, OUTPUT); boolean value = digitalWrite(pinNo, digitalRead(pinNo); value); int pinNo = 3; int pinNo = A0; int dutyCycle = 128; 아날로그 pinMode(pinNo, INPUT); pinMode(pinNo, OUTPUT); int value = analogWrite( analogRead(pinNo); pinNo, dutyCycle); 주기적인 처리를 위한 함수 Lab.6-2 주기적인 처리 ❖ 실험 순서 ① 버튼 및 LED 연결 ② Millis함수를 이용한 Blink (Sketch 8-3) ③ 주기적인 LED 제어 – delay 함수 이용 (Sketch 8-1) ④ 주기적인 LED 제어 – millis 함수 이용 (Sketch 8-4) ⑤ 가변저항을 이용한 주기제어(Sketch 8-6) 16 Lab.6-2 ① 버튼과 LED 연결 Lab.6-2 ② delay 함수 vs millis 함수 ❖ delay 함수를 통해 LED를 반전시킨 후 1초 동안 대기 void loop() { LED_state = !LED_state; // LED 상태 반전 digitalWrite(pin_LED, LED_state); // LED 출력 delay(1000); } Sketch 8-2 ▪ delay 함수가 실행 중인 동안에는 대부분의 마이크로컨트롤러 동작이 중지됨 ❖ millis 함수는 프로그램 시작 후의 실행 시간을 반환함 ▪ delay 함수와 달리 실행 시간을 바로 반환하므로 다른 작업이 가능 ▪ 일정 시간 간격을 설정하기 위해서는 경과 시간을 계속 검사하여야 함 Lab.6-2 ② millis 함수를 이용한 Blink Sketch 8-3 int pin_LED = 13; // LED 연결 핀 boolean LED_state = false; // LED 상태 unsigned long time_previous, time_current; unsigned long count = 0; // loop 함수 실행 횟수 void setup() { pinMode(pin_LED, OUTPUT); digitalWrite(pin_LED, LED_state); Serial.begin(9600); time_previous = millis(); // 시작 시간 } 1초에 100,000회 이상 void loop() { 경과 시간을 검사 time_current = millis(); // 현재 시간 count++; // loop 함수 실행 횟수 // 1초 이상 시간이 경과한 경우 if (time_current - time_previous >= 1000) { time_previous = time_current; // 시작 시간 갱신 LED_state = !LED_state; // LED 반전 digitalWrite(pin_LED, LED_state); Serial.println(count); // 1초 동안 loop 함수가 실행된 횟수 출력 count = 0; } } Lab.6-2 ③ 주기적인 LED 제어 - delay Sketch 8-1 int pin_button = 14; // 버튼 연결 핀 int pin_LED1 = 13, pin_LED2 = 2; // LED 연결 핀 boolean LED_state1 = false; // LED 상태 boolean LED_state2 = false; void setup() { pinMode(pin_button, INPUT); pinMode(pin_LED1, OUTPUT); digitalWrite(pin_LED1, LED_state1); pinMode(pin_LED2, OUTPUT); 2번째 LED가 버튼에 즉각적인 digitalWrite(pin_LED2, LED_state2); 반응을 하는가? } void loop() { 왜 이런 현상이 발생하는가? digitalWrite(pin_LED1, LED_state1); delay(1000); // 1초 대기 LED_state1 = !LED_state1; // 13번 LED 반전 if (digitalRead(pin_button)) { // 버튼이 눌러진 경우 LED_state2 = !LED_state2; // 2번 LED 반전 digitalWrite(pin_LED2, LED_state2); } } Lab.6-2 ③ 주기적인 LED 제어 - delay Lab.6-2 ④ 주기적인 LED 제어 - millis Sketch 8-4 int pin_button = 14; // 버튼 연결 핀 int pin_LED1 = 13, pin_LED2 = 2; // LED 연결 핀 unsigned long time_previous, time_current; boolean LED_state1 = false; // LED 상태 boolean LED_state2 = false; void setup() { pinMode(pin_button, INPUT); pinMode(pin_LED1, OUTPUT); digitalWrite(pin_LED1, LED_state1); pinMode(pin_LED2, OUTPUT); digitalWrite(pin_LED2, LED_state2); time_previous = millis(); // 현재 시간 } Continued on next slide Lab.6-2 ④ 주기적인 LED 제어 - millis Sketch 8-4 void loop() { 첫 번째 LED의 blink time_current = millis(); if (time_current - time_previous >= 1000) { time_previous = time_current; // 시작 시간 갱신 LED_state1 = !LED_state1; // LED 반전 digitalWrite(pin_LED1, LED_state1); } if (digitalRead(pin_button)) { // 버튼이 눌러진 경우 버튼 입력 처리 LED_state2 = !LED_state2; // 2번 LED 반전 digitalWrite(pin_LED2, LED_state2); delay(100); // 왜 필요할까? } } 버튼을 누르고 있으면 LED는 어떻게 되는가? 해결 방법은 ? (sketch 6-5 참고) Lab.6-2 ④ 주기적인 LED 제어 - millis Lab.6-2 ⑤ 가변저항을 이용한 주기제어 : 회로 준비 Lab.6-2 ⑤ 가변저항을 이용한 주기제어 Sketch 8-6 int pin_LED = 13; // LED 연결 핀 unsigned long time_previous, time_current; unsigned long interval = 1000; // 점멸 간격 boolean LED_state = false; // LED 상태 void setup() { pinMode(A0, INPUT); pinMode(pin_LED, OUTPUT); digitalWrite(pin_LED, LED_state); Serial.begin(9600); time_previous = millis(); // 현재 시간 } Continued on next slide Lab.6-2 ⑤ 가변저항을 이용한 주기제어 Sketch 8-6 void loop() { time_current = millis(); if (time_current - time_previous >= interval) { Serial.print("Current interval is "); Serial.print(interval); Serial.println(" ms."); time_previous = time_current; // 시작 시간 갱신 LED_state = !LED_state; // LED 반전 digitalWrite(pin_LED, LED_state); } int adc = analogRead(A0); // 가변저항 읽기 interval = map(adc, 0, 1023, 500, 1500); // 점멸 간격으로 변환 } 0.5 ~ 1.5초 사이의 시간으로 매핑 Lab.6-2 참고 : map() 함수 long map(long value, long fromLow, long fromHigh, long toLow, long toHigh) Re-maps a number from one range to another. That is, a value of fromLow would get mapped to toLow, a value of fromHigh to toHigh, values in-between to values in-between, etc. value: the number to map fromLow: the lower bound of the value's current range fromHigh: the upper bound of the value's current range toLow: the lower bound of the value's target range toHigh: the upper bound of the value's target range new_value = map(value, 0, 10, 1, 100) 1 -> 10 2 -> 20 10 -> 100 Lab.6-2 ⑤ 가변저항을 이용한 주기제어 Lab.6-2 ⑥ 결과확인 ❖ 작성한 Sketch 8-3, 8-5, 8-6 편집창을 보여라 ❖ Sketch 8-3, 8-5, 8-6의 실행을 보여라 ❖ 조교의 물음에 답하고 채점 결과를 PLMS LAB 6에 직접 입력하라 30  실습과제 HW.6 ❖ 아래 동작을 하는 Sketch를 작성하라 ❖ 제출 방법 ▪ Digital 2번,3번 핀에 LED연결 1. PLMS의 HW 6에 작성한 Sketch 코드를 입력하라 ▪ 가변저항으로 2번, 3번 LED의 점멸 속도를 2. 또한 실행결과를 촬영한 동 동시에 제어하라 영상 링크를 포함 하여 제출 ▪ 가변저항으로부터의 입력이 커지면 2번핀 하라 LED는 빨라지고 3번핀 LED는 느려지도록 구현 (가변저항 입력이 작아지면 반대로 동작) ▪ 점멸 주기는 (0.5초~ 1.5초) ▪ Millis 함수를 사용하여 구현 ▪ 동작 동영상을 참고할 것 맺는말 ❖ 일정 시간 간격으로 특정 동작을 반복하는 방법 ▪ delay 함수 사용 방법 delay 함수가 실행 중인 동안은 대부분의 다른 작업을 수행하지 못함 즉각적인 반응을 얻기 어려울 수 있음 ▪ millis 함수 사용 방법 현재까지의 실행 시간을 바탕으로 시간 경과를 계산 코드가 복잡해지는 단점은 있지만 즉각적인 반응을 얻을 수 있음