PART16신호변환기(Signal Converter)

실험 4 :전압-주파수 변환회로(V-F Converter)

이론

전압-주파수 변환기(Voltage-Frequency Converter, 이하 V-F 변환기라 한다.)는 적분회로로 구성되어 있다. 그림 16-12은 V-F 변환기의 회로로써, 입력 전압 V_i를 IC1으로 반전 증폭을 함과 아울러 C1에 의해서 적분 작용을 하게 된다. 따라서 이 적분기는 반전된 전류를 입력에 되먹임 시키므로 출력 전압 V_O는 다음과 같이 나타난다.

(단, 여기서, i_f는 되먹임 전류이다.)
이 회로의 과도응답을 라플라스 변환(Laplace Transform)을 이용하면 아래와 같다.

(여기서, T는 R1C1이고, s는 미분 연산자(=d/dt)이다.)가 되며, 따라서 V₀(t)=L^-1[V₀(s)]를 적용하면 다음과 같다.

이 식의 의미는 t=0인 시간의 출력전압은 V₀=0이고, t=T 시간 후의 출력전압은 V₀=V_i가 됨을 말한다. 여기서, R2는 바이어스 전류를 보정하기 위한 R2 ≅ R1저항으로 이 된다. 그러므로 R1C1의 시정수가 결정되면 출력파형은 그림 16-14의 V₀₁과 같이 적분된 톱날파로 나타나게 된다. 또, IC2는 적분기의 출력전압과 기준전압 V_ref를 비교해서 V01이 기준전압 V_ref이하일 경우에는 비교기의 출력전압이 양(+)이 되어 트랜지스터 TR₁을 통전(ON)시키고, 이로 인해서 C1의 전하를 TR1으로 방전시키게 된다. 반대로, V_O1이 V가 되면서 IC2의 비교영역을 지나면 V_O2 음(-)의 포화전압으로 출력이 나타나게 되어 TR₁은 불통(OFF)가 된다.

R1C1의 시정수로써 V_O1이 0V로 되는 방향에 적분을 개시하게 된다. 이 경우, IC1은 R1C1의 시정수로 정상적인 적분기로써 동작하는 경우의 IC2의 +측 전압은 TR₁의 포화전압 V_r이 대단히 작다고 볼 수 있으므로, IC1의 전압과 동일한 0V의 전위가 된다.

따라서 V_O1이 0V이상 되는 전위에서 IC2는 반전하고, TR₁은 불통(OFF)인 동작을 되풀이한다. 이 회로에서 문제가 되는 것은 TR₁이 불통(OFF)되는 경우에 콜렉터 누설전류를 항상 적분할 것, 누설전류가 작을 것, 더욱이 TR₁의 통전저항 (R_r)이 R1에 비해서 작을 것 등이 요구된다. 이 회로의 출력주파수를 결정하기 위해서 적분되는 순간에 주기로서의 시간을 T₁, 리셋(Reset)에 필요한 시간을 T₂라 하면 T₁, T₂ 그리고 발진주파수는 다음과 같다.

(여기서, R1은 TR₁이 통전 때의 저항이다)

그러나 실제 T₂는 T₁에 비해서 대단히 작은 시정수로 되지 않으면 안 된다.
그러므로, 회로정수는 다음 두 가지의 조건을 만족시켜야 한다.

결국, 이 회로의 입력전압에 대한 출력 발진주파수가 시정수 R1C1에 의해서 크게 좌우된다고 볼 수 있으므로, 발진주파수의 기준을 설정하기 위해서는 R1 또는 C1을 정하거나 기준전압 V_ref를 조정해야 한다. 그러나 기준전압(V_ref)을 너무 높게 설정하면 적분 출력전압의 최고값에 교차하는 점이 없게 되어 비교적 출력이 나타나지 못하므로, 보통 적분출력의 반 정도의 전압으로 설정하는 것이 좋다.
전압 주파수 변환 회로에 사용하는 IC는 TC9400으로 그림 16-15에서 블록 다이어그램을 나타낸다.

실험 과정

1. 실험을 위해 M-16이 회로-4을 이용한다.

2. 4a-4b를 연결한 후 출력 주파수가 0Hz가 되도록 R₄를 조정한다.

3. 4a-4b에 입력 신호의 전압 값을 표 16-4와 같이 1V씩 증가시켰을 때의 출력 주파수를 측정하여 표의 해당란에 기록하고, 입력 전압과 출력 주파수와의 선형성 여부를 검사한다.

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