KR100769013B1 - 전기전자회로 실습을 위한 일체형 실험장치 - Google Patents

Abstract

본 고안은 전기전자 분야의 실험실습을 위해 필요한 전원장치, 계측장치, 회로기판을 통합하여 실험자가 추가의 장치 없이 간편히 실험실습을 할 수 있는 전기전자 회로실험장치로서, 여러 채널의 직류, 교류, 파형을 공급할 수 있는 정전압원과 정전류원을 내장하고 전압 및 전류를 측정할 수 있는 계측장치를 내장하고, 실험자로 하여금 본 실험기기의 회로구성장치(소켓과 브레드보드의 장점이 결합된)를 통해서 납땜 없이 회로를 구성할 수 있으며, 이 회로구성장치는 GUI(Graphic User Interface)를 통한 설정에 따라서 임의의 노드(Node)의 전원 공급과 상태 측정이 가능하게 된다.

또한, 실험자가 실험 수행 과정을 설정하면 마이크로프로세서가 설정된 정보를 분석하여 전원장치와 아날로그 스위치장치(마이크로프로세서에 의해 자동으로 ON/OFF 되는), 계측장치를 제어하고, 실험 대상 회로에서 실험이 이루어지고, 이에 의해 계측된 결과를 GUI를 통해 출력하게 된다.

위와 같은 절차에 따라 실험자가 다양한 기능이 함축된 실험기기를 사용하여 독립적으로 실험이 가능하고, 실험 수행의 모든 과정이 설정에 따라 자동으로 이루어질 수 있도록 고안되었다.

전기전자 실험장치, 정전압원, 정전류원, 오실로스코프, 실험 자동화, 측정한 신호 처리, 단자의 선택 기능

Description

전기전자회로 실습을 위한 일체형 실험장치{The Integrated Device for Electrical and Electronics Circuit Experiment}

도 1은 본 발명에 따른 전기전자회로 실험장치의 블록도,

도 2는 본 발명에 따른 아날로그 스위치 장치에서의 피드백 제어 블록도,

도 3은 본 발명에 따른 전기전자회로 실습을 위한 전원공급장치의 내부 구조블록도,

도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 BJT 특성실험의 설치 구성도,

도 5는 본 발명에 따른 정전류원의 피드백 제어회로의 설치 구성도,

도 6은 본 발명에 따른 전기전자 회로실험방법의 실험 수행과정 순서도이다.

< 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

1: 마이크로프로세서 2: GUI(Graphic User Interface)장치

3: 파형 발생기 4: 정전압원

5: 정전류원 6: 아날로그 스위치 장치

7: 전류 및 전압 계측 장치 8: 회로구성장치

9: 전원 공급 장치 10: 피드백 연결선

11: 아날로그 스위치의 내부 저항

12: 일반 개인용 컴퓨터 13: 모니터 화면에 나타난 실험결과화면

14: 컴퓨터와 실습기기의 통신선 15: 본 전기전자회로 실습기기

16: 실습기기의 회로 구성장치 17: BJT의 이미터단자

18: BJT의 베이스단자 19: BJT의 콜렉터단자

20: 실습을 위한 BJT 소자 21: 정전류원 피드백 연결선

22: 정밀 저항 23: 계측용 증폭기

24: OP-AMP 25: 전류 발생 장치

본 발명은 전기전자 분야의 실험장치에 관한 것으로써 전기 및 전자 공학 분야의 학습자의 실험을 돕기 위한 실험장치이다.

종래의 기술은 전원 공급 장치와 신호 발생기, 계측 장비(오실로스코프, 멀티 미터등)들이 각각 필요했기 때문에 가격과 부피 면에서 많은 어려움이 있었다.

이를 극복하기 위해 전원 공급 장치, 계측장치, 및 회로기판이 통합된 실험기기들이 발명되었으나, 이는 실험기기와 계측장치를 외형으로 두고 수동으로 결선하여 실험하도록 한 것이므로, 이 기기들을 실제 실험에 적용함에 있어서 실험자가 각 장치들과 구성된 회로 사이를 연결선을 이용해서 직접 연결해서 사용해야 하는 불편함이 있었고, IC나 임베디드 회로 실험시 핀의 위치에 따른 수동결선이 불가피하여 외형적인 복잡성과 번거로움을 피할 수 없었다. 이를 극복하기 위해 본 발명은 위의 통합된 실험기기에 아날로그 스위치 장치(릴레이 유니트와 유사한)를 더하여 각 장치들과 회로 사이를 내부에서 자동으로 연결되도록 하였다.

또한, 종래의 기술로 릴레이 유니트를 이용하여 원하는 포인트와의 경로 연결이 가능한 것이 발명되었으나, 이는 디지털논리 실험용이며, 전압신호만을 보내는 것으로 내부저항이 문제가 되지 않는다. 전달된 전압 신호에 오차가 다소 있더라도 실험에는 영향이 없다. 그러나 아날로그 실험장치는 정밀한 전압과 전류를 요구하므로 이 장치로 대신할 수 없다. 이를 극복하기 위하여 본 발명은 피드백 제어를 통해 아날로그 스위치장치의 내부저항과 전류 계측용 정밀저항의 전압 강하를 보상하여 필요한 단자에 정밀한 전압 및 전류 공급이 가능하도록 개발하였다.

종래의 실험장치는 전원 공급과 계측 장비들이 컴퓨터에 연결되어 실험을 진행할 수 있으나 전원과 계측장비의 결선을 수동으로 단자에 연결하며 전원의 접속저항이 무시할 정도여야 한다. 또한 전류계측을 위해서는 저항삽입이 불가피하다. 이를 극복하기 위해 자체의 전원공급장치와 계측장치의 연결을 아날로그 스위치장치를 써서 임의의 단자에 연결하고 스위치의 내부 저항과 전류계측용 저항의 전압강하는 피드백 제어로 보상하였으며 정전류원 기능까지 갖도록 개발하여 소프트웨어에 의한 결선과 실험처리가 일괄적으로 이루어지도록 하였다.

본 발명은 다음과 같은 기술적 과제를 가지고 있다.

첫째, 전원공급장치(9), 계측장치(7), 회로구성장치(8) 그리고 GUI(2)를 모두 내장하고 있어서 각 장치의 기능을 유지하며 유기적으로 연결하여 통합하는 것이다.

둘째, 실제 실험 회로를 구성하는 부분에 있어서 별도의 납땜이나 전선의 연결이 없도록 회로기판을 구현하는 것이다.

셋째, 회로구성장치의 임의 단자에 선택적 기능(전압 및 전류 공급, 신호 인가, 전압 계측)을 부여할 수 있는 것이다.

넷째, 회로와 각 장치들 간의 자동 연결 시 아날로그 스위치의 내부 저항과 계측저항에 의한 오차를 극복하기 위한 피드백 제어를 구현하는 것이다.

다섯째, 회로와 실험 장치들 간의 연결과 실험 수행의 모든 과정을 프로그램화하여 자동으로 이루어지도록 하는 것이다.

여섯째, 실험수행중에 계측한 데이터를 프로그램으로 신호처리하여 GUI를 통해 출력하도록 하는 것이다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 전기전자회로 실험장치는, 전원공급장치와, 실험대상회로를 구성하는 회로구성장치와, 상기 회로구성장치의 원하는 단자의 전압 및 전류를 계측하는 계측장치와, 온/오프 동작에 의해 상기 전원공 급장치를 각 장치들과 연결시켜주는 아날로그 스위치 장치와, 상기 각 장치들과의 데이터 송수신을 통하여, 상기 각 장치들의 동작을 제어하여 실험을 수행하는 마이크로 프로세서와, 상기 마이크로프로세서에 실험설정을 입력하고, 실험진행상황 및 결과를 수신하여 나타내어주는 GUI를 일체형으로 포함하여 구성된다.

여기서, 상기 전원공급장치는, 사용자가 원하는 신호파를 공급하는 파형발생기와, 상기 파형발생기의 신호를 아날로그 스위치장치를 통하여 실험회로의 해당 단자에 직류 및 교류 전압 또는 전류를 공급하는 정전압원 또는 정전류원을 포함하여 구성되었다.

그리고, 상기 GUI는, 전압공급, 전류공급, 파형공급, 전류측정, 전압측정, 및 파형측정의 기능들 중 하나 또는 그 이상의 동작을 선별하여 마이크로프로세서에 실험설정을 입력하도록 구성하였다.

또한, 상기 실험장치는, 전원공급장치가, 아날로그 스위치 단자와 회로구성장치의 연결부위와 접속되어, 상기 회로구성장치의 단자에 입력되는 전압을 피드백 시켜주는 피드백 경로를 더 포함하여 구성되었다.

한편, 상기 장치들을 사용한 회로실험은 다수의 전원공급과 여러 단자의 신호를 동시에 계측할 수 있으며, 상기 GUI와 통신선을 통해 연결되고, 상기 실험설정, 실험진행상황 및 결과를 취합하여 디스플레이하는 장치로 (개인용 PC(Personal Computor) 사용가능) 구성하고 있다.

이하 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 구성과 작용을 상세히 설명한다.

도 1은 본 발명에 따른 전기전자회로 실험장치의 블록도이고, 도 2는 본 발명에 따른 아날로그 스위치장치에서의 피드백 제어 블록도이며, 도 3은 본 발명에 따른 전기전자회로 실습을 위한 전원공급장치의 내부 구조블록도이고, 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 BJT 특성실험의 설치 구성도이며, 도 5는 본 발명에 따른 정전류원의 피드백 제어회로의 설치 구성도이다.

도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 전기전자회로 실험장치는, 모든 제어를 담당하는 마이크로프로세서(1)와, 전원공급장치(9), 전압 및 전류 계측장치(7), 아날로그 스위치장치(6), 회로구성장치(8), GUI(2)로 구성되어 각 장치들의 유기적인 연결 관계와 정보의 흐름을 나타낸다.

여기서 상기 전기전자회로 실험장치의 제어는 마이크로프로세서(1)를 사용하고 있다.

상기 GUI(2)는 실험자가 실험을 편리하게 할 수 있도록 화면으로 실험의 진행상황 및 결과를 나타내어 주고 실험 설정을 입력할 수 있는 장치이다.

상기 전원공급장치(9)는 마이크로프로세서(1)의 제어를 받아 다수의 채널을 통해 동시에 설정한 전원을 공급하여 준다.

상기 아날로그 스위치장치(6)는 마이크로프로세서(1)에 의한 ON/OFF 제어를 통해 전원공급장치(9)와 회로구성장치(8)와의 회로를 연결하여 주고 회로구성장치(8)의 설정된 측정 위치와 계측장치(7)를 연결하여 준다.

즉, 상기 아날로그 스위치는 전원공급장치로부터 전원이나 입력 파형신호를 회로구성장치(8)의 단자에 선택적으로 연결해 주고 피드백제어 루프를 구성하게 하며, 계측이 필요한 단자는 계측장치(7)에 연결하여 주기 위함이다.

상기 계측장치(7)는 실험 회로의 원하는 부분을 아날로그 스위치장치(6)를 통해 연결되어서 전압신호를 동시에 다수 채널 측정할 수 있다. 측정된 정보는 마이크로프로세서(1)로 보내어 진다.

상기 회로구성장치(8)는 실험대상회로를 구성하는 부분, 즉 전자소자를 꽂아서 회로를 직접 구성하는 부분으로 브레드보드와 같이 단자들이 있고, 다수의 전자소자를 연결할 수 있으며, 연결된 소자들이 쉽게 떨어지지 않고 전기적 접속이 잘 되도록 접촉압력을 주어 납땜이 필요 없는 장치로 내부 연결의 목적을 이룰 수 있는 것을 말한다.

따라서, 상기와 같이 구성된 본 발명에 따른 전기전자회로 실험장치는, 상기 마이크로프로세서를 이용하여 GUI(2)를 통해 입력된 정보를 분석하여 실험 수행 절차를 구조화하고 그에 따라 파형 발생기(3)를 제어하여 전원공급장치를 동작시킨다. 그와 동시에 아날로그 스위치장치(6)를 제어하여 회로구성장치(8)에 배열된 회로와 전원공급장치(9)(즉, 정전압원 및 정전류원), 그리고 계측장치(7)를 연결한 후에 계측장치(7)를 제어하여 원하는 측정 정보를 입력받은 후 GUI(2)로 정보를 보내어 결과를 출력한다.
상기 GUI(Grapic User Interface)는, 전압공급, 전류공급, 파형공급, 전류측정, 전압측정, 및 파형측정의 기능들 중 하나 또는 그 이상의 동작을 선별하여 마이크로프로세서에 실험설정을 입력하고 화면으로 실험의 진행상황 및 결과를 나타내어 준다.

도 2는 본 발명에 따른 아날로그 스위치장치에서의 피드백 제어 블록도이다.

상기 아날로그 스위치장치(6)에는 연결 시 스위치의 내부저항(11)이 존재하 게 되는데 이 저항값은 수~수십옴(Ω)이 된다. 또한 전류계측을 위한 정밀저항(22)을 통하여 전원공급장치(9)로부터 공급된 전압값이 회로구성장치(8)로 전달되는 과정에서 전압 강하가 발생하게 된다. 이로 인해 실험자가 원하는 전압값이 회로구성장치(8)에 정확히 전달되지 않아 공급하는 전압에 오차를 발생시키게 된다.

따라서, 이를 보완하기 위해 회로구성장치(8)에 인가된 전압 혹은 전류를 직접 전원공급장치(9)로 아날로그 스위치장치(6)를 통해 피드백(10)하여 실험자가 원하는 전압값이 회로구성장치(8)에 정확히 전달될 수 있도록 피드백 제어구조로 설계하였다.

구체적으로 설명하자면, 상기 아날로그 스위치의 끝단은 전원공급을 받는 회로구성장치(8)의 단자와 연결되어 피드백(10)제어를 함으로서 전원공급장치에서 나온 전압원 및 전류원이 실제 회로에 정밀한 전압 및 전류를 공급할 수 있게 된다.

이로 인해 아날로그 스위치장치(6)의 내부저항(11) 및 전류 계측용 정밀저항(22)을 완벽하게 무시할 수 있게 된다.

도 3은 본 발명에 따른 전원공급장치(9)의 내부 구조를 나타낸 것으로서, 전원공급장치는 직류 및 교류가 가능한 정전압원(4) 및 정전류원(5)과, 파형발생기(3)로 구성되어 진다.

여기서, 상기 정전압원(4)과 정전류원(5)은 파형 발생기(3)의 출력을 입력으로 받아서 부하 저항에 피드백 제어로 대응하여 항시 정밀한 전압 및 전류를 아날로그 스위치장치(6)를 통하여 실제 실험 회로에 공급하여 준다.

그리고, 상기 정전류원(5)은 현재 전자회로나 회로이론 학습에 많이 이용되고 있지만 실험장비가 고가인 관계로 실험에 널리 쓰이지 못하고 있었으나, 이로 인해 각종 전류바이어스 등에 의한 전기전자소자와 회로의 특성 실험이 가능하게 되었다.

도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 BJT(Bipolar Junction Transistor, 20) 특성실험의 설치 구성도를 보인 것이다.

여기서, 상기 BJT의 특성을 베이스 전류에 대해 컬렉터 전압, 전류의 관계를 측정한 것으로 콜렉터와 이미터간 걸리는 전압과 베이스의 공급 전류를 가변시켜 실행한 것이다.

상기 BJT(20)를 회로구성장치(8)의 임의의 단자에 장착하고 베이스(18)에 전류원을 인가하여 베이스 전류를 조정하고, 콜렉터(19)와 이미터(17)간에 전압원을 인가하여 전압변화를 주면서 콜렉터 전류를 측정한 실험이다.

실험장치(15)에서 통신선(14)을 통해 개인용 컴퓨터(12)에 정보가 전달되고 실험과정에서의 측정데이터를 컴퓨터가 취합하여 모니터(13)에 화면으로 보인 일련의 과정을 나타낸 것이다.

한편, 회로구성장치의 입,출력 채널로 다수의 단자를 동시에 임의로 선정할 수 있다.

그리고, 도 5는 본 발명에 따른 정전류원의 피드백제어를 나타낸 도이다.

도 5에 나타난 바와 같이, 본 발명에 따른 정전류원의 피드백 제어는 2개의 OP-AMP(23, 24)와, 전류발생장치(25)와, 정밀저항(22)으로 구성된다.

구체적으로 상기 정전류원의 피드백제어를 설명하자면, 마이크로 프로세서에서 파형발생기를 제어하여 출력된 파형은 정전류원 입력신호로 OP-AMP(24)의 입력으로 연결되고, 상기 OP-AMP(24)는 전류발생장치(25)에 인가되어 전류출력을 내보내며, 전류발생장치를 통해 출력되는 전류는 정밀저항(22)을 거쳐서 정전류원 출력으로 나가게 된다.

이때 상기 정밀저항(22)의 양단에 걸리는 전압은 계측용 증폭기(Amplifier, 23)의 입력이 되고, 상기 계측용 증폭기(23)에서 나오는 출력값은 피드백(21)되어 상기 OP-AMP(24)의 입력비교기로 들어가게 된다.

이러한 피드백 제어를 통하여서 정전류원의 출력단으로 흐르는 전류는 정밀하게 유지가 된다.

따라서 전류발생장치(25)의 내부 저항도 크지만 피드백(21)제어를 부가하여 무한대의 내부저항 효과를 얻은 것이다. +/- 전류로 양극성 변화가 가능하며 전류 크기도 안정적으로 조절 가능한 구성이다.

이하, 상기 전기전자회로 실험장치를 이용하여, 실험을 수행하는 방법에 대해 설명하기로 한다.

전기전자회로 실험방법은, 계측하고자 하는 회로를 구성하는 제1단계와, GUI를 사용하여 PC를 통해 마이크로프로세서에 실험수행과정을 입력하는 제2단계와, 상기 입력된 정보에 따라 원하는 전원을 공급하여 주고, 지정한 단자의 데이터를 측정하여 주는 제3단계와, 상기 측정된 데이터를 상기 GUI를 통해 출력하여주는 제4단계로 수행된다.

도 6은 본 발명에 따른 전기전자 회로 실험장치의 프로그램된 실험 수행의 순서도를 나타낸 도이다.

도 6에 나타난 바와 같이, 본 발명에 따른 전기전자 회로 실험장치의 실험 수행은, 회로구성장치에 실험대상 회로를 구성(S1)한 상태에서 GUI를 통해 실험수행과정을 입력하면(S2), 마이크로프로세서가 이 정보에 따라 아날로그 스위치장치의 결선의 제어(S3)를 하게 되고, 전원공급장치를 제어하여 원하는 전원 및 입력신호를 단자에 공급하여 주고(S4) 계측장치를 제어하여 원하는 정보를 측정한다(S5). 측정된 정보가 수합(S6)되고, GUI를 통해 출력(S8)하여 관찰할 수 있게 한다. 이 동작은 실험이 완료될 때까지 반복(S7)되어 수행된다.

이상, 상기 내용은 본 발명의 바람직한 실시예를 단지 예시한 것으로 본 발명의 당업자는 본 발명의 요지를 변경시킴이 없이 본 발명에 대한 수정 및 변경을 가할 수 있음을 인지해야 한다.

본 발명에 따른 전기전자 회로실험장치로 인해 납땜과 별도의 전선 연결의 불편함 없이 전기 전자 회로를 실험할 수 있고, 전원 공급 장치와 계측 장치 그리고 GUI가 모두 내장된 일체형 실험장치이며, 모든 장치를 프로그램에 의해서 제어가 가능하도록 설계함으로써 실험 수행 절차의 프로그램화를 이룰 수 있게 된다.

이로 인하여 실험수행자는 보다 정밀하고 신속한 실험 결과를 얻을 수 있을 뿐만 아니라, 전기전자공학 분야의 학습자들은 간편하게 다양한 실험 수행을 통하여 이론을 통해 배운 전기전자 회로소자와 회로에 대한 이해도가 증대될 수 있는 효과가 있다.

IC 칩을 회로구성장치(8)에 장착하고 각각의 단자 위치에 맞추어 전원을 공급하고 입력신호를 인가하여 출력을 측정할 수 있고, 부분적인 임베디드 회로를 구성하고 회로구성장치(8)의 단자에 장착하여 성능실험을 할 수 있는 등의 활용 증대 효과가 있다.

Claims (7)

1. 전기전자회로 실험장치에 있어서,

   전원공급장치;

   실험대상회로를 구성하는 회로구성장치;

   상기 회로구성장치의 원하는 단자의 전압 및 전원공급전류를 계측하는 계측장치;

   온/오프 동작에 의해 상기 전원공급장치를 각 장치들과 연결시켜주는 아날로그 스위치장치;

   상기 각 장치들과의 데이터 송수신을 통하여, 상기 각 장치들의 동작을 제어하여 실험을 수행하는 마이크로프로세서;

   상기 마이크로프로세서에 실험설정을 입력하고, 실험진행상황 및 결과를 수신하여 나타내어주는 GUI(Grapic User Interface);

   를 일체형으로 포함하여 구성되는 전기전자회로 실험장치.
2. 청구항 1에 있어서,

   상기 전원공급장치의 정전류원은,

   정전류원에서 부하에 관계없는 정전류를 공급하기 위해 전류발생장치에서 출력되어지는 전류가 전류 측정용 정밀저항을 통해 흐르게 될 때 그 흐르는 전류의 크기를 계측용 증폭기를 통해 OP-AMP의 입력비교기로 신호를 피드백하여 전류발생 장치를 제어함으로서 전류를 일정하게 흐르게 하는 피드백제어 구조로 구성되어 있는 전원공급장치.
3. 청구항1에 있어서,

   상기 전원공급장치의 정전압원은,

   정전압원이, 아날로그 스위치장치를 통하여 회로구성장치의 단자와 연결되고 상기 회로구성장치에 입력되는 전압을 피드백시켜 정밀한 전압이 공급되기 위해 보상제어하도록 피드백 경로를 더 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 전기전자회로 실험장치.
4. 청구항1에 있어서,

   상기 GUI(Grapic User Interface)는,

   전압공급, 전류공급, 파형공급, 전류측정, 전압측정, 및 파형측정의 기능들 중 하나 또는 그 이상의 동작을 선별하여 마이크로프로세서에 실험설정을 입력하고 화면으로 실험의 진행상황 및 결과를 나타내어 주는 것을 특징으로 하는 전기전자회로 실험장치.
5. 청구항1에 있어서,

   상기 아날로그 스위치장치는, 상기 전원공급장치로부터 전원이나 입력 파형신호를 상기 회로구성장치의 단자에 선택적으로 연결해주고 피드백제어 루프를 구성하게 하며, 계측이 필요한 단자는 상기 계측장치에 연결하고,

   상기 계측장치는 실험회로의 원하는 부분을 상기 아날로그 스위치장치를 통해 연결되어서 전압신호를 동시에 다수 채널 측정할 수 있는 것을 특징으로 하는 전기전자회로 실험장치.
6. 청구항1에 있어서,

   상기 GUI와 통신선을 통해 연결되고, 상기 실험설정, 실험진행상황 및 결과를 취합하여 디스플레이하는 개인용 PC(Personal Computor)를 더 포함하여 구성되는 전기전자회로 실험장치.
7. 전기전자회로 실험방법에 있어서,

   회로구성장치에 실험대상 회로를 구성한 상태에서 GUI를 통해 실험수행과정이 마이크로프로세서에 입력되는 제1단계;

   상기 마이크로프로세서가 이 정보에 따라 아날로그 스위치장치의 결선을 제어하고, 전원공급장치를 제어하여 원하는 전원 및 입력신호를 단자에 공급하여 주고, 계측장치를 제어하여 원하는 정보를 측정하는 제2단계;

   상기 측정된 정보가 수합되고, 실험완료 여부에 따라, 상기 제1,2 단계의 반복수행 여부가 결정되는 제3단계;

   상기 실험이 완료되면, 상기 마이크로프로세서가 실험결과를 분석하여 상기 GUI를 통하여 출력하는 제4단계;

   를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 전기전자회로 실험방법.

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