배우면 바로 써먹는 엑기스 특강

코딩으로 배우는 센서

지난 2월 23일, 고액 연봉 도전 프로젝트 시리즈 중에 하나인 ‘코딩으로 배우는 센서’ 특강이 디바이스마트 주최 및 펌웨어뱅크 주관으로 판교 경기창조문화허브에서 김형태 저자와 함께 진행되었다.
김형태 강사는 전자공학과 신호처리 전공을 했으며, 현재 펌웨어뱅크 대표로써 산업용 로봇과 임베디드 제어 설계 개발을 현업으로 하며 책 집필과 응용 강의에 전념하고 있다. 주말임에도 불구하고 선착순으로 진행된 특강에 수강하고자 하는 개발자와 학생 20명이 빠르게 신청해 조기 마감되었다. 최근 코딩의 관심과 메이커 인구의 확산으로 오픈소스 하드웨어 아두이노를 이용한 입출력 장치를 제어하는 정규 교과과정 개설이 크게 늘었으며 인공지능과 IoT, 빅데이터를 활용하는 사례 또한 늘고 있다. 이에 따라 각종 경진대회나 창업, 발명품 등에서 센서를 다루는 기회가 많아져 저자는 임베디드 기반 프로젝트에 맞는 센서 활용법에 포커스를 맞췄다.

이번 특강은 코딩으로 배우는 센서 책 출간 기념으로 개최되었으며, 저자가 설계한 Cortex-M0 보드 + MDK-ARM 컴파일러 + JTAG 장비의 펌웨어 코드 센서 동작을 실습하는 강의로 초보 임베디드 개발자들이 혼자서도 할 수 있는 실력을 배양하고 현장에서도 무리 없이 바로 사용할 수 있도록 효율적인 센서 적용 방법을 학습할 수 있는 자리였다. 강의에서는 노트북을 제외한 Cortex-M0 Module와 센서 실험용인 EVB 메인보드, JTAG, 센서 등을 모두 대여를 해주어서 편리했으며, 특히 소스코드를 저자의 네이버 카페(https://cafe.naver.com/fws/338)에서 확인해 다운로드를 할 수 있다는 점이 좋았다. 또한 특강 전 저저와의 질의응답 시간이 마련되어 궁금했던 사항들을 해소할 수 있었다.

강의는 2 세션으로 나누어 진행했다. 1 세션에서는 김형태 강사의 간략한 소개와 더불어 사진에서 볼 수 있듯이, 소스코드를 강의 시간에 보여주면서 임베디드에 대해 전반적으로 쉽게 이해할 수 있도록 사전설명 시간을 가졌고 특히 JTAG를 활용하는 방법을 알려주어 유용했다는 후문이다.
2 세션에서는 온도 및 습도 센서와 조이스틱 센서 등 각종 센서의 응용 방법, 회로와의 연결 방법, 코드에 대한 설명을 했으며 수강자들이 바로 적용해 연결해보며 체험을 통해 익히도록 했다. 이 과정에서 수강자들이 원활하게 따라가지 못하거나 질문을 하면, 강사가 적극적으로 소통하고 직접 알려주어 더욱 유익한 특강이 되었다.
특강을 미처 수강하지 못했더라도 디바이스마트에서 ‘코딩으로 배우는 센서’ 책을 구매해 책에서 알려주는 대로 스스로 수행해 결과물을 낼 수 있다.

글 |스네일앤 스네이크

※ 상기 내용은 디바이스마트와 스네일앤 스네이크의 협의를
통하여 사용을 득한 내용입니다.

내장 부트로더를 이용한 임베디드 프로그램 로딩 (loading)

▶ 회로설명 (circuit description)
“MY 로거” 의 실험에 들어가기 전에 “MY 로거” 내부 소프트웨어인 임베디드 프로그램을 업데이트하는 방법을 설명합니다.
임베디드 프로그램, 즉 펌웨어의 업데이트는 최근의 MP3, PMP등 소형 정보기기에서 지원하고 있는 기능으로, 빠르게 변하는 정보환경에 대응하기 위한 것입니다. 왜냐하면, (마이컴을 사용한) 기기에서 기능을 변화시키려면 내부 소프트웨어의 교체가 필요하기 때문이지요.
마찬가지로 “MY 로거” 도 여러가지 응용사례에 따라, 기능이 변경되거나 추가될 것이 예상되므로 펌웨어의 교체는 필수적입니다. 이를위해 “MY 로거” 는 PIC16F873A 내부 ROM안에 부트로더(bootloader)라는 작은 프로그램을 상주시켜, 펌웨어를 PC에서 다운로드 할 수 있도록 하고 있습니다 (부트로더가 없으면 프로그램 교체는 매번 롬라이터를 사용하여야 합니다) .
부트로더는 마이컴 리셋(reset) 직후에 먼저 (마이컴) RS232C 통신포트를 통해, (PC에 연결된) 다운로더 프로그램의 접속을 확인해 봅니다.
만일 대기하고 있는 다운로더를 발견하면 먼저 새로운 프로그램을 내려 받고나서, (새 프로그램을) 실행시킵니다. 접속된 다운로더를 찾지 못한다면 내장된 예전 프로그램을 실행시킵니다(이 확인 시간은 아주 짧으므로 사용자는 부트로더의 존재를 감지할 수 없습니다).
※ 부트로더의 동작은 작은 OS인, (마이컴 ROM에 내장된) 모니터 프로그램을 연상시키네요.
※ 사용한 PIC 부트로더는 Carlos Buelna씨가 개발/배포한 공개 소프트웨어 입니다. 단 PIC 전용 C 프로그램인 “HI-TECH C”의 컴파일/링크로 생성된 hex 파일만을 사용할 수 있습니다 (다른 어셈블러나 C 컴파일러에서 생성된 hex 파일은 프로그램 실행이 보증되지 않으므로 주의) .
Carlos Buelna씨의 부트로더 자료는 http://www.microchipc.com/PIC16bootload/16F87xA/ 참조.

▶ 회로도 (The circuit diagram) : : 내장 부트로더를 이용한 임베디드 프로그램 로딩 (loading)

“MY 로거” PIC16F873A에는 부트로더가 내장되어 판매되므로 PC에 다운로더 프로그램인 CD2m을 카피하면 준비가 완료됩니다.
오른쪽 그림에 부트로더의 사용법과 CD2m 다운로더의 실행화면을 보였습니다.

먼저 PC의 COM 포트와 “MY 로거” 를 RS232C 케이블로 연결시킵니다. 이 때 연결한 PC측 COM 포트의 번호를 확인하고, CD2m 다운로더의 “COM 포트 번호”와 일치시켜 줍니다. (디폴트값은 “COM1”입니다. 즉 COM 1번 포트에 케이블을 연결하면 셋팅을 변경할 필요가 없습니다)
※ RS232C 통신속도를 정의하는 “보오 레이트”는 19200 bps로 변경할 수 없습니다. (따라서 CD2m 다운로더의 보오 레이트도 19200으로 셋팅합니다. 그 이유는 “MY 로거”내의 부트로더 프로그램이 19200 bps 전용이기 때문입니다)

RS232C 케이블 연결과 다운로더 셋팅이 끝나면 그림내 플로우의 ②번부터, 번호 순대로 진행하면 됩니다. 주의점은 ⑤번의 “MY 로거” 리셋 스위치 취급입니다. ⑤번에서 리셋 스위치를 누르고 있는 채로 (스위치를 손에서 떼면 안됨) ⑥번으로 가서 CD2m 다운로더 “Start” 버튼을 클릭합니다. 클릭하자마자 ⑦번으로 진행하여, 누르고 있던 “MY 로거” 리셋 스위치를 떼면 됩니다.
이유는 부트로더는 리셋 직후에 동작하고, 이 때는 PC측의 다운로더가 미리 대기하고 있어야 되기 때문입니다. PB 스위치를 손에서 떼면 리셋이 풀리면서 “MY 로거” 16F873A의 부트로더가 실행되기 시작합니다 (리셋 스위치를 왼손으로 누르고 있는 것이 편리 오른손은 마우스를 사용해야 하니까요).
부트로더와 CD2m 다운로드의 접속이 성공하면 “다운로드 진행바”가 증가하는 것을 볼 수 있습니다. 다운로딩이 끝나면, 바로 “MY 로거” 프로그램이 실행되는 것을 볼 수 있습니다. 한 번에 성공하지 못하면 (당황하지 말고) 두 세번 시도해서 (다운로딩) 감각을 익혀둡니다. 업로딩은 지원하지 않습니다.
※ “MY 로거”의 리셋 버튼을 누르면 (“MY 로거”의) LED 4 가 꺼집니다. LED 1은 전원상태를 체크하며, LED 4 는 녹색으로 PIC16F873A 마이크로 콘트롤러가 “정상적으로 동작하고 있음”을 표시해 줍니다.
※ 다운로드용 임베디드 프로그램은 *.hex 형식의 파일이어야 합니다.
※ 시중에서 구입한 PIC16F873A는 내부 ROM이 비어 있으므로 부트로더도 들어있지 않습니다. 따라서 처음에 한 번은 (롬라이터를 사용해서) 부트로더 프로그램을 PIC16F873A ROM안에 구워 넣어야 합니다.
※ 펌웨어 업데이트용 / MY 로거 Ver. 2.0 펌웨어 프로그램 (임베디드 프로그램) 다운로드는 http://www.circuitry.co.kr/bbs.php?table=beginner&query=view&uid=50&p=1 페이지를 참조하세요.

“MY 로거” 통신 프로그램 + mscomm32 (ocx) 설치법

▶ 회로설명 (circuit description)
이번 시간에는 PC측에서 원격으로 “MY 로거”를 통제할 수 있는 통신 프로그램을 설명합니다. 먼저 시간의 “MY 로거”의 간단한 사용법에서 설명한 바와 같이, PC측 통신 프로그램은 둘 혹은 세 자리의 명령문자나 두 자리 명령문자 + 한 자리 ASCII 숫자를 사용합니다. (실제 사용법은 나중의 사례에서 살펴 볼 예정입니다) 또 명령의 종류에 따라, “MY 로거”는 결과를 PC측에 (ASCII 문자로) 알려줍니다. “MY 로거” 통신 프로그램은 명령을 송신하고, 돌아온 결과를 수신하고 처리해서 사용자에게 보여줍니다.
※ “MY 로거” 통신 프로그램은 VB 6.0 을 사용하여 작성되었습니다. VB에서는 RS232C 통신을 위해 mscomm32라는 ocx를 사용합니다. MS사에 의하면 ocx는 (유사한 dll과 달리) PC Window에 등록해야 이용할 수 있다고 되어 있습니다. 따라서 통신 프로그램을 사용하기 전에, mscomm32.ocx를 사용하는 PC에 반드시 등록해야 하며, (등록법은) mscomm32.zip 안의 txt 파일이나 아래의 그림을 참조해 주시기 바랍니다.
▶ 회로도 (The circuit diagram) : : PC에서 사용하는 “MY 로거” 통신 프로그램

그림에서 처럼, 통신 프로그램의 사용은 정말 간단합니다. 사용자는 “MY 로거”가 연결된 COM 포트를 지정하고 오픈한 후, 송신창에서 원하는 명령을 문자와 숫자로 보냅니다. “MY 로거”는 (필요하다면) 즉각 응답할 것이며 결과는 수신창에 문자와 애스키 숫자의 두 가지 형태로 (분명하게) 나타날 것입니다.
지금까지 “MY 로거”의 복잡한 설명들에 당황하신 분들도 통신 프로그램과 “MY 로거”사이의 사용법이 통합적이고 간단하다는 것을 알게되어 안도하시리라 믿습니다.
필자의 생각으로는(꼼꼼하게) 잘 정의된 전략을 구사한다면, 소프트웨어건 하드웨어건 아니면 이들이 결합한 어떤 것이건 혹은 한 발 더 나아가 실험자체에 이르기까지 최종결과가 단순하고 우아한 형태로 귀착된다고 확신합니다.
“MY 로거”는 일반 DAQ 보드의 성능을 일부 포기하고, 표준 애스키 문자만을 사용한다는 전략과 설계원칙을 고수함으로써 다양한 기능과 간단한 사용법이라는 두 마리 토끼를 잡는 수확을 거두게 되었습니다. 우리는 이 결과를 충분히 활용할 것이며 컴퓨터를 이용한 흥미있는 실험이라는 최종 목적에 가까워졌음을 자축할 수 있게 되었습니다.
※“MY 로거” 통신 프로그램과 VB 소스 (comm_update.zip 10.6k), mscomm32.oxc mscomm32.reg, 등록방법(mscomm32.zip 51k) 다운로드는 http://www.circuitry.co.kr/bbs.php?table=beginner&query=view&uid=51&p=1 페이지를 참조하세요.

“MY 로거” Digitial I/O (Logic In/Out) 시험

▶ 회로도 (The circuit diagram) :   “MY 로거” DI/O 단자 동작시험

▶ 회로설명 (circuit description)
이번 시간에는 “MY 로거”의 디지털 입/출력 동작을 시험해 보겠습니다. “MY 로거”는 2개의 외부단자 중 (아래쪽의) 2번 외부단자를 디지털 입/출력에 배정하고 있습니다.
“MY 로거”는 (외부단자 2의) 4개의 디지털 단자중 두 개를 입력(DI) 단자에 두 개를 출력(DO) 단자로 배정하고 있으며, 각 단자명은 DI 1/DI 2, DO 1/DO 2, 단자 배치는 아래의 그림과 같습니다.
디지털 출력 명령은 o10, o11, o20, o21의 4가지로, 처음의 ‘o’문자는 output을, 두 번째 1, 2 문자는 단자를, 세 번째 0, 1 문자는 단자상태를의미합니다. 그러므로 “o11” 명령은 DO 1단자의 상태를 High, 5V로 셋트합니다. 명령 후 테스터로 DO 1단자전압을 측정하면, 약 5V가 출력되는 것이 확인됩니다.
다시 “o11”명령으로, DO 1단자상태를 Low. 0V로 환원할 수 있으며 이 때의 단자전압은 약 0V 입니다.
※ 리턴 문자는 없습니다.
※ 전원이 투입되거나, 리셋 버튼을 눌렀다 떼면 DO 1/DO 2출력단자는 각각 Low, 0V 초기상태로 셋트됩니다.

디지털 입력 동작 명령은 i1, i2의 두 가지로, 처음의 ‘i’문자는 input을, 두번째 1, 2문자는 단자를 의미합니다. 그러므로 “i1″ 명령은 DI 1단자의 상태가 High 인지 Low 인지를 “MY 로거”에 문의하게 됩니다. 명령을 받은 “MY 로거”는 DI 1단자상태를 체크한 후, (단자상태가) High, 5V 이면 ‘T’문자로 Low, 0V 이면 ‘F’문자를 보내줍니다(‘T’ 문자는 truth, ‘F’ 문자는 false를 의미) .
“i2”명령은 DI 2입력단자에 적용되며, 명령의 의미는 “i1”에서와 동일합니다. 그림에 “MY 로거” 디지털 입/출력단자와 시험회로가 나와 있습니다. 출력단자를 시험하기 위해서는 달랑 LED만 필요합니다. 전류제한 저항은 “MY 로거” 내부의 330Ω으로 충분합니다 (“MY 로거” 회로도 참조).
입력단자의 시험회로도 스위치만으로 충분합니다 (그냥 선을 잇고 떼는 것으로도 O.K ) .
※ “MY 로거”의 외부출력 단자는 튼튼한 스크류 터미널입니다. 그러므로 납땜없이 선을 연결하고 제거할 수 있어 여러가지 실험에 무척 편리합니다.

실험회로를 보면 내/외부의 전원이 전혀 필요없다는 것을 알 수 있습니다. (외부회로와 GND는 연결하여야 함) 이러한 조건은 외부 응용회로를 “MY 로거”와 무관하게 설계할 수 있도록 만들어 주므로, (인터페이스 회로 설계에서) 무척 중요한 포인트가 됩니다.
DI/O 실험결과 “MY 로거”를 이용해서, PC에서 (원격으로) 디지털 출력전압을 제어하거나 입력단자의 전압을 확인하는 작업이 매우 간단하다는 것을 확인하게 되었습니다. 응용하기에는 입/출력 단자수가 부족하다는 걱정이 든다구요? 응용하기 나름이랍니다. 앞으로 여러가지 사용 예를 보실 테니까요.

“MY 로거” A/D (Analog to Digital Conversion) 시험

▶ 회로설명 (circuit description)
이번 시간에는 “MY 로거”의 아날로그 입력 동작들을 시험해 보겠습니다. “MY 로거” 는 2개의 외부단자 중 (위 쪽의) 1번 외부단자를 아날로그 입력들에 배정하고 있습니다.
“MY 로거”는 (외부단자 1의) 4개 단자에서 네 개 전부를 아날로그 입력단자로 배정하고 있으며, 각 단자명은 A/D 1, A/D 2, A/D 3, A/D 4 이고 단자 배치는 아래의 그림과 같습니다.

▶ 회로도 (The circuit diagram)  : “MY 로거” A/D 단자 동작시험

아날로그 입력 명령은 a1, a2, a3, a4, a5의 다섯 가지로, 처음의 ‘a’문자는 analog를, 두 번째 1-5 문자는 단자를 의미합니다. 그러므로 ‘a1’명령은 A/D 1단자의 전압을 “MY 로거”에 문의하게 됩니다. 명령을 받은 “MY 로거”는 A/D 1단자의 전압을 체크한 후, 상위 하위의 두 문자를 보내줍니다.
PC측에 위치한 통신 프로그램에서는 “MY 로거”에서 보내온 (상위, 하위) 두 문자를 각각 애스키 숫자로 변환한 후 (필요한) 계산을 거쳐 사용하게 됩니다.
※ “a2”, “a3”, “a4”명령은 각각 A/D 2, A/D 3, A/D 4입력단자에 적용되며, 명령의미는 “a1”과 동일

명령중에 “a5” 명령은 입력 전압을 체크하는데 사용됩니다. 그러나 입력전압의 범위는 7.5 ~ 15V 까지 폭이 넓은 반면에, 16F873A의 A/D 입력범위는 0~5V 이므로 입력 전압과 측정 전압간에 범위가 일치하지 않습니다. 이 문제를 해결하기 위해 “MY 로거”에서는 저항으로 입력 전압을 1/4로 분압하여 측정하고 있습니다. 그러므로 “a5” 명령으로 측정한 전압에 4배를 해 주어야 정확한 입력 전압을 읽을 수 있습니다.
※ “MY 로거”는 데이터 로거(Data Logger)의 특성상 독립적으로 (고립되어) 동작시킬 수 있어야 합니다. 이 경우에 전원으로는 전지나 배터리를 사용하게 되므로 항상 돌발적인 전원 전압 강하에 유의할 필요가 있습니다. 이런 이유로 16F873A의 A/D 단자중 하나를 내부전원 감시용으로 배치하였습니다.

그림에 “MY 로거” 디지털 입/출력단자와 시험회로가 나와 있습니다.
아날로그 입력을 시험하기 위해서는 단지 (터미널 단자끼리) 연결만 하면 충분합니다(“MY 로거”회로도 참조).
※ “MY 로거”의 외부출력 단자는 튼튼한 스크류 터미널입니다. 그러므로 납땜없이 선을 연결하고 제거할 수 있어 여러가지 실험에 무척 편리합니다.

실험 회로를 보면 내/외부의 전원이 전혀 필요없다는 것을 알 수 있습니다. (외부회로와 GND는 연결하여야 함) 이러한 조건은 외부 응용회로를 “MY 로거”와 무관하게 설계할 수 있도록 만들어 주므로, (인터페이스 회로 설계에서) 무척 중요한 포인트가 됩니다.
A/D 실험결과 “MY 로거”를 이용해서, PC에서 (원격으로) 아날로그 입력단자의 전압을 측정하는 작업이 매우 간단하며 결과가 정확하다는 사실을 확인하게 되었습니다. “MY 로거”는 여러 응용에 충분한 4ch A/D를 갖추고 있으므로 이제부터 재미있는 사용들이 예상되지 않으시는지요.
PWM 출력를 이용한 D/A (Digital to Analog Conversion) 시험

▶ 회로설명 (circuit description)

이번 시간에는 “MY 로거” 내부의 PWM 신호를 사용한 아날로그 출력을 시험해 보겠습니다. 단 “MY 로거”에는 외부단자의 부족으로 “MY 로거” 출력단자가 없습니다. 그러므로 시험을 위해 “MY 로거” 내부의 16F873A 12, 13번 단자에서 선을 (외부로) 뽑아내야 합니다.
※ “MY 로거” 내부에서 (외부로) 선을 끌어 내 오는데는 납땜작업이 꼭 필요합니다. 납땜작업전에 반드시 16F873A 칩을 IC 소켓에서 먼저 제거하여야 합니다.(IC 소켓에서 칩을 분리할 때는 전원을 끈 후에, 작은 드라이버를 사용하면 편리합니다. 작업후에는 16F873A 칩의 1번을 확인하고 IC 소켓에 끼우십시요. )

(PWM 신호를 사용한) 아날로그 출력 명령은 d1+숫자, d2+숫자의 두 가지로, 처음의 ‘d’ 문자는 digital to analog의 의미를, 두 번째 1, 2문자는 PWM 출력 핀을, 세 번째 “숫자”는 듀티비를 의미합니다. 듀티비는 명령 중 세 번째인 “숫자” 값 0~127에 의해 0~100%까지 변화합니다. (주파수는 변하지 않습니다) 그러므로 “d1+숫자” 명령은 16F873A 13번, PWM 1단자에서, “숫자” 값으로 듀티비를 셋팅한 펄스열이 출력되도록 “MY 로거”에 지시합니다.
예를들면 “d1+0” 명령은 0%듀티비, “d1+63” 명령은 50% 듀티비, “d1+127” 명령은 100%의 듀티비를 가진 펄스열을 생성하고 PWM 1단자에서 출력되도록 만듭니다.
※ 아날로그 출력 명령의 리턴 문자는 없습니다.
※ 듀티비 = (펄스 1 주기의) ON 시간 / OFF 시간 x 100 (%)

▶ 회로도 (The circuit diagram) :  PWM 출력을 사용한 “MY 로거” D/A 실험

(출력된 PWM 펄스를 사용하여 직류전압을 만드는) 아날로그 출력 시험에는 “MY 로거” 외부에 2단 (로우패스) 필터 회로가 필요합니다. 필터회로는 PWM 펄스열을 입력으로 받아서, (펄스열의) 평균값에 해당하는 직류전압(DC)을 출력해 줍니다.
※ 2단 (로우패스) 필터회로를 만들 때 “MY 로거”의 GND와 필터의 GND를 반드시 연결하십시요.
※ 제작시 16F873A의 PWM 신호핀 순서에 주의하여야 합니다.

PWM 펄스에서 변화된 직류전압은 0% 듀티비에서 0V, 50% 듀티비에서 2.5V, 100% 듀티비에서 5V가 출력되며, 출력 직류전압은 (필터의 출력단에서) 테스터로 확인할 수 있습니다.
※ 16F873A에서 출력된 PWM 펄스는 5V의 전압크기를 가집니다. 100%의 듀티비 펄스는 (항상) ON 상태이므로 결과적으로 직류(DC) 5V를 의미합니다. 반면에 0% 듀티비는 (항상) OFF 상태의 펄스입니다. (펄스라고 말하기도 뭐하군요.) 그러므로 0% 듀티비 펄스는 직류(DC) 0V와 같은 의미가 됩니다.

실험회로를 보면 내/외부의 전원이 전혀 필요없다는 것을 알 수 있습니다. (외부회로와 GND는 연결하여야 함) 이러한 조건은 외부 응용회로를 “MY 로거”와 무관하게 설계할 수 있도록 만들어 주므로, (인터페이스 회로 설계에서) 무척 중요한 포인트가 됩니다.
D/A 실험결과 “MY 로거”를 이용해서, PC에서 (원격으로) 아날로그 단자에 원하는 전압을 출력하는 작업이 가능하다는 사실을 확인하게 되었습니다. (외부의 2 단 로우패스 필터회로 필요) “MY 로거”는 두 개의 D/A 기능을 가지고 있으므로 모터 속도제어등의 재미있는 사용들이 예상되는군요.

▶왕초보 전자회로의 기초 로직회로 강의를 종료합니다.
수고하셨습니다.

글 |스네일앤 스네이크

※ 상기 내용은 디바이스마트와 스네일앤 스네이크의 협의를
통하여 사용을 득한 내용입니다.

데이터 로거(data logger) 개념+ 저렴한 “나의 로거” 설계

▶ 회로도 (The circuit diagram) : 인터페이스란 물리세계와 컴퓨터 세계의 국경에 세워진 검문소

▶ 회로설명 (circuit description)
필자는 (누구나) 어떤 새로운 일을 배울 때면, (반드시) 목적이 있거나 또는 있어야 한다고 생각합니다. 예를 들면 새로운 게임을 습득하려고 할 때 화려한 그래픽, 현란한 사운드, 탄탄한 스토리, 친구들과의 협동 또는 경쟁, 승리의 기쁨 등을 마음속에 그리고 있다고 할 수 있습니다. 영화나 만화, 소설책에서는 새롭고 특이한 모험과 악의 응징, 지순하고 열렬한 사랑, 인간애 또는 무지막지한 공포와 반전을 기대합니다. 음악에서는 정열적이거나 차분하게 정리되는 마음을 월드컵 축구와 같은 운동경기에서는 (각본없는 드라마에서 느낄 수 있는) 예기치 않은 감동을 마음속에 두고 있습니다. 그렇다면 전자회로에서는 (이들과는 다른) 감동적이고 가슴 벅찬 새로운 어떤 것을 기대할 수 있을까요? 한 마디로 어떤 목적이 있기에(보통 사람들이) 전자회로를 공부할 만한 가치가 있는 것인가요?

답은 자연세계 안에서 여러분을 관객이 아닌 주인공으로 만들어 준다는 것입니다. 다시 설명하면 (우리가 살아가는) 물리세계의 변화나 기계의 동작을 관측하고 해석해서 그들을 (원하는 대로) 움직일 재주와 능력이 있는 주연(not 관객)이자 창작자의 반열로 여러분을 초대하는 것입니다.
즉 영화의 감독, 연극 무대나 드라마의 PD, 책의 작가, 만화가, 팝이나 가요, 교향곡의 작곡가, 그림의 화가, 게임의 제작자나 스토리 메이커와 같은 수준이라고 보시면 이해하기 쉽겠지요.

살아가는 인생이란 연극 가운데서 주인공의 역활을 맡고자 하는 마음은 누구에게나 공통적인 욕망입니다. 문제는 나의 재능(talent)에 적합한 어떤 역활의 주인공을 선택하느냐 하는 것이지요.
인생의 주인공은 인간세계와 자연세계의 크게 두 부류로 나누어 집니다. 물론 두 세계를 총괄하는 신(神)이라는 총 감독이 있기는 하지만 복잡하게 분화되어 있는 세상에서 나만의 (작은) 역활을 찾아내는 것이 그렇게 어렵지만은 않을 것입니다.
“전자회로를 이해”한다는 뜻은 (자연세계 안에서) 나를 주인공으로 하여 씌여진 대본을 읽을 수 있는, 아이템(기술) 중 하나를 찾았다는 점을 의미합니다. 또 하나의 아이템은 “컴퓨터 언어”이며 마지막 아이템은 “센서와 엑튜에이터”입니다.
※ PC 자체와 Basic, C, C++와 갈은 컴퓨터 언어는 이미 널리 보급되어 있습니다. (필요하다면 쉽게 배울 수 있는 책과 자료도 많이 있고요.) 센서는 처음부터 끝까지 (다 배우고 나서) 사용할 수 있는 것이 아닙니다.

내가 관심있는 분야가 나타나면, 그 때 집중적으로 탐구하는 형식으로 공부하는 방법이 유효합니다. (종류가 워낙 다양하기 때문이죠.) 모터와 솔레노이드로 대표되는 엑튜에이터는 몇몇만 이해하면 충분합니다. 그러므로 전자회로만 활용할 수 있으면, 여행준비의 50%는 완료되는 셈이지요.
우리의 자연세계 이해와 통제(제어)를 위한 여행에서 전자회로의 습득은 “인터페이스 영역”을 담당하는 회로를 제작하는데 목적이 있습니다. “인터페이스 영역”이란 컴퓨터”세계와 물리세계의 국경선에 세워진 검문소(초소)와 같은 것으로, 그림에서 ②, ③번을 합한 부분입니다. 이 부분을 거쳐서 컴퓨터 명령은 전압과 전류로 변환되어 물리세계로 전달되며, (센서에 의해 전압/전류로 바뀐) 물리세계의 신호는 컴퓨터의 언어가 이해할 수 있는 디지털 데이터로 전환되는 것입니다.
“인터페이스 영역”은 데이터 수집/제어 보드와 시그널 컨디셔너라는 고가의 장치로 판매되고 있습니다. 전용 소프트웨어도 마찬가지입니다. 이 이야기는 우리에게 들어가고 싶어도 (입장권이 비싸서) 문 앞에 서 있을 수 밖에 없는, 테마동산 앞의 어린이를 연상시킵니다. 이 어린이는 우리의 호기심을 의미합니다.
오늘날 보통 사람들까지도 PC를 보유하고 있습니다. 교육에 의해 컴퓨터 언어를 구사할 수 있는 사람도 많아졌습니다. 더구나 우리나라는 세계최고의 인터넷 환경을 자랑합니다. 인터넷의 발달로 (과거에는 꿈도 꿀 수 없었던) 자료의 공유와 고급정보의 습득이 용이해졌습니다. 기술의 발달로 전자부품과 각종 센서, 모터의 종류는 나날이 풍부해지고 가격은 이미 저렴합니다. 어떻게든 인터페이스라는 (최후의) 장벽을 부수고, 새로운 공기를 맛 보고 싶지 않으십니까? 필자는 이와같은 강한 욕구와 충동을 느낍니다.

위의 그림에서처럼, 지금까지 소개한 전자회로와 마이컴의 지식만으로 ②, ③번 “인터페이스 영역”의 기술적 내용을 충분히 이해할 수 있습니다.
필자의 전략을 말씀드리지요. ②번의 로거/콘트롤러는 (반복해서) 사용되며, 반드시 마이컴을 사용해서 개발해야 합니다. 마이컴은 초보자가 단시간에 습득하기 힘듭니다. (동작의 이해는 가능합니다) 그러므로 ②번은 전문가가 개발합니다. 단 사양 (즉 성능)을 크게 낮춰서 개발합니다. 걱정하지 마십시요. 성능을 낮춰도 80~90%의 대상에는 적용 가능합니다. 그렇게 되면 개발시간이 단축되고 개발비가 적게 들 뿐만 아니라, 만들어진 로거/컨트롤러의 가격도 함께 저렴해집니다.
※ ②번의 로거/콘트롤러부의 정식명칭은 A/D를 중시한 DAQ (Data Acqusition) 보드와 D/A, I/O, Counter/Timer 보드입니다. 대부분의 보드(board)는 PC 슬롯에 장착되는 구조를 채택하고 있습니다.

로거(Logger)란, 본래 PC와 분리되어 독자적으로 데이터를 수집/저장하는 장치를 일컫는 용어입니다.
③번 “시그날 컨디셔닝” 부분은 ④, ⑤번의 대상에 따라 달라집니다.
이 부분에 (지금까지 공부해 온) 전자회로로 직접 제작합니다. 브레드보드에 만들어도 좋고, 만능기판에 납땜해 만들어도 좋습니다. 어차피 ③번 부분은 전자회로로 구성되는 부분이니까요.
※ ④, ⑤번 (물리세계의) 대상 선정과 측정/제어방법은, 본 홈페이지의 프로젝트 테마로 꾸분히 개발되어 나갈 것입니다. (개발된 테마의 개선과 확장에는 많은 분들의 도움이 필요하게 되겠지요.)

①번 PC 부분은 프로그래밍만 남습니다. ②번을 (표준 포트를 사용하도록 설계하면) 따로 프로그램을 작성하지 않고, (응용 프로그램 만으로) 간단히 동작을 확인할 수 있습니다. 그러나 기본 동작의 확인만으로는 성에 차지 않게 될 것입니다. 내 생각대로 동작시켜 보려면, 프로그램을 확장해서 작성하면 됩니다. 표준 통신포트를 이용하므로, 현존하는 모든 프로그램 언어를 활용할 수 있습니다. 도전 하십시요.

▶ 회로도 (The circuit diagram) : : 나의 로거 설계전략 (MY Logger Design Strategy)

지금까지 제시한 데이터 인터페이싱의 핵심을 이루는 로거/콘트롤러 (Logger/Controller)의 설계전략을 설명 하겠습니다.
설계전략의 기본은,

1. 간단한 사용
2. A/D, D/A, I/O 통합기능
3. 샘플링 레이트로 수 회 samples/sec 정도를 목표 (1초에 2~3 회 자료수집과 명령수행이 가능)
4. 펌 웨어 업그레이드 기능
5. 저가형 설계 (안정화 전원회로를 내장한) 등으로 요약할 수 있습니다.

이 정도 성능이면 필요한 (초급 수준의) 신호처리 회로를 제작하고, PC에서 작성한 간단한 프로그램만으로 대다수의 (기초) 실험을 수행하면서 자료 수집과 해석 및 제어 실험을 만끽해 볼 수 있습니다.
1번 목표를 위해 PC의 표준 I/O 포트인 RS-232 통신방식으로 명령을 받고, (수집한) 자료와 (명령)수행 결과를 PC로 전송하도록 설계합니다.
명령과 데이터 형식은 ASCII 방식을 사용 (문자교환방식)
2번 목표를 위해 5 ch A/D 컨버터가 내장된 PIC16F873A 마이크로 콘트롤러를 채택하였습니다.
3번 목표를 위해 RS-232 통신/문자명령 처리등을 위한 임베디드 프로그램을, C 언어로 개발합니다.
4번 목표를 위해 부트로더(boot Loader) 프로그램을 내장합니다. PIC용 부트로더는 사용법과 자료가 인터넷에 공개되어 있습니다. 부트로더를 채택함으로써 언제라도 새로운 버젼의 펌웨어를 업그레이드 할 수 있게되어 로거/콘트롤러의 활용도가 높아지고 기능변경과 개선이 용이하게 됩니다.
5번 목표를 위해 다소 투박하더라도 표준형태의 부품을 사용합니다. 또 (자신에게 맞는 형태의) 로거/콘트롤러를 제작하고 싶은 사람들을 위해 부품만도 따로 공급합니다(PCB 형태의 완제품도 판매).

마이컴에 익숙한 사람이라면, 자신만의 로거/콘트롤러를 설계하고 만들 수 있으리라고 생각됩니다. 왜냐하면 로거/콘트롤러 프로그래밍에 특별히 어려운 부분은 없기 때문입니다(회로도는 다음 페이지에).
그러나 필자의 의견으로는 굳이 로거/콘트롤러를 따로 설계해서 제작하지 않기를 권합니다. 그 이유는 (앞으로 프로젝트를 진행하면서 점차 밝혀 지겠지만) 이제부터 진행하려는 프로젝트에서, 로거/콘트롤러는 일종의 (부분적인) 부품에 불과하다는 점을 이해하게 될 것이기 때문입니다.
정말 재미있고 흥미를 자아내는 주제는 실제 세상에서 데이터를 수집하고 해석해서 의미를 알아내고, 모터를 제어해서 원하는 동작을 만드는 등의 문제를 해결해 나가는 것입니다.

이 과정에서 로거/콘트롤러가 중요한 부품이기는 하지만, 한 편으로는 사용할 수 있으면 충분하다고 볼 수도 있는 것입니다. 왜냐하면 로거/콘트롤러 그 자체만으로는 어떤 문제가 해결되지 않으며, 반드시 다른 부분들과 조합되어 사용되어야 하기 때문입니다. 이런 이유로 대학과 연구소에서도 고가의 DAQ 보드를, (설계하지 않고) 구입해서 사용하는 것입니다. 결론적으로 로거/콘트롤러는 (최종)목적에 도달하기 위한 하나의 필요품일 뿐입니다.

제작한 “원격로거(remote logger) = MY 로거” 명칭 및 회로도

▶ 회로설명 (circuit description)
전 지금까지 제시한 (우리의) 목적과 사양에 맞는 원격로거를 설계/제작/테스트 하였으며, 이름은 “MY 로거”라고 붙였습니다.
※ 브레드보드에서 테스트한 “MY 로거”는 1.0 버젼, PCB에 제작하도록 설계한 타입은 2.0 버젼
설계/제작한 “MY 로거”의 사용법, 펌웨어 업그레이드, 통신 프로그램, 실험예 등등을 설명하기에 앞서 필요한 각부의 명칭과 회로도를 먼저 소개합니다.

▶ 회로도 (The circuit diagram) “MY 로거”각부의 명칭과 기능

“MY 로거”는 PC나 노트북 컴퓨터의 COM 포트와 연결되어 사용됩니다 (펌웨어 업그레이드도 동일).
“MY 로거”는 4개의 A/D 채널과 2개의 디지털 입력(DI), 2개의 디지털 출력(DO)을 제공합니다. 그러나 펌웨어를 교체하면 디지털 입/출력 단자의 수를 조정할 수 있어 편리합니다(최대 8 단자).
※ 2 단자의 PWM 출력을 제공합니다. (PWM 출력을 RC 필터링하여 간이 D/A로 사용할 수 있습니다. ) 단 “MY 로거” PCB내부에서 (외부로) 선을 연결해야 합니다. (납땜필요)

“MY 로거”는 4개의 LED로 동작상태를 쉽게 모니터할 수 있습니다. 또 항상 입력 전압을 감시하도록 설계되어 있으므로, 원격사용에 적합합니다.
“MY 로거”는 견고한 커넥터, 잭, 터미널을 사용하여, 다루기 편리하고 튼튼합니다.
“MY 로거”는 일반부품으로 설계하였으므로 부품조달이 용이하고 제작비가 저렴합니다.
※ “5V 출력 핀”에서 제공되는 전류는, 내부의 7805에서 공급되므로 100mA를 넘기지 않도록 주의해야 합니다. (7805 정전압 IC의 최고 정격은 1A 이지만, 방렬판이 없으므로 큰 전류의 공급은 무리)

▶ 회로도 (The circuit diagram) : : 원격 로거/콘트롤러 회로도 (Ver 2.0)

“MY 로거”회로는 평범한 마이컴회로 범주이므로 일반적인 설명은 생략합니다.
전원잭에서 공급되는 전원의 +/_ 방향에 영향을 받지 않도록, 브릿지 회로(D1~D4)를 이용하였습니다.
마이컴 단자에 직렬 연결된 330Ω 저항은, 실수로 출력단자가 GND에 연결되였을 때 마이컴 파손을 막기 위한 목적입니다.
회로도의 점퍼(Jumper)는 “MY 로거”의 A/D 4단자를 전부 DI 입력로 사용할 때, 마이컴 단자에 100k 풀업저항을 연결하기 위한 용도입니다. 이 때 (삽입되어 있지않은) R16~19, 100K저항도 추가로 연결하여야 합니다. (“MY 로거”를 “콘트롤러” 입력전용으로 사용할 때 변경하면 O.K)
※ R16~19 저항은 “MY 로거” 제작시에 조립되지 않으며, 따로 공급됨.

“MY 로거”의 외부전원을 전지나 배터리, 태양전지로 연결할 경우를 대비해서 (가급적 소비전력이 적도록) LED 전류제한 저항을 10k로 설계하였습니다. 그 결과 LED 밝기가 희미하나 고장은 아닙니다.

“MY 로거”의 간단한 사용법

▶ 회로설명 (circuit description)

이전 시간의 설명들에서 PC에 RS232 (통신)방식으로 연결해서 원격으로 조종할 수 있는, 원격 로거/콘트롤러의 필요과 사양등의 전체 윤곽을 이해하셨을 것입니다.
이번 시간에는 (설명한 개념으로 설계/제작된) “MY 로거”의 사용법을 설명합니다. 옛 속담에 “구슬이 서 말이라도 꿰어야 보배” 라는 말이 있습니다. 그러므로 만들어진 “MY 로거”가 진가를 발휘하려면 적절한 성능에 더해서, 쉽게 사용할 수 있으며 깔끔한 동작이 보증되어야 할 것입니다.
(설계/제작한) “MY 로거”는 RS232C 통신을 이용한 원격조정이 목적이므로, 가장 간단하면서도 보편적으로 널리 사용되는 애스키 코드(ASCII code) 형식을 명령과 데이터 전달에 사용합니다.
※ 애스키 코드(ASCII code) : ASCII는 American Standard Code for Information Interchange의 약자로 1963년에 미국에서 제정된 (정보교류용) 표준코드 입니다. 그 목적은 각 시스템간에 정보를 교류한다는 것이었지만, 이것이 자리잡는데에는 무려 15년이라는 시간이 소요 되었습니다. ASCII code는 컴퓨터 코드체계를 선점하여, 가장 큰 영향력을 발휘하였으며 현재까지도 호환성이 좋으며 나중에는 확장판(Latin-1, Extended ASCII)이 발표 되기도 하였습니다.
애스키 코드의 형식은 영문 알파벳을 컴퓨터가 인식하도록 하기 위해, (각 문자마다 정해진) 8비트 이진법 숫자 체계를 약속한 것으로, 현재 영문 텍스트포맷의 표준으로 되어 있습니다.

▶ 회로도 (The circuit diagram) : : “MY 로거”의 초 간단 사용법 (MY Logger Command)

“MY 로거”사용법은 간단합니다. 먼저 준비작업으로 PC COM 포트와 “MY 로거”를 (RS232C 통신) 케이블로 연결하고, “MY 로거”에 전원을 연결하면 O.K 입니다(케이블 길이는 10m 까지 허용).

준비가 끝나면 PC에서 정해진 문자열을 (케이블이 연결된) COM 포트로 보내면, “MY 로거”가 수신하고 명령을 해독해서 수행하고, 신속하게 결과를 보내 줍니다.
예로 “MY 로거”의 1번 디지털 입력핀의 상태를 알고 싶으면(“MY 로거”로) “i1” 문자열을 보냅니다. 그러면 “MY 로거”는 1번 디지털핀의 전압을 검사해서 High면 T, Low면 F 문자를 보내옵니다. 만일 1번 디지털 출력핀을 High 상태로 셋팅하고 싶으면, “o11” 문자열을 보내면 끝입니다. (간단하지 않나요?) “MY 로거” 명령어는 2개 또는 3개의 문자들로 이루어집니다. 첫 번째는 명령의 종류를, 두 번째는 포트번호를, 세 번째 문자는 데이터를 의미합니다. (그림참조)

※ 주1 : T는 입력단자가 High 상태 (약 5 V), F는 입력단자가 Low 상태 (약 0 V) 임을 의미합니다.
※ 주2 : “MY 로거”는 0~5V 입력전압을 10 bit A/D로 변환한 후상위, 하위의 두 문자로 나누어 보내줍니다. 측정된 전압값은 (보내진 상위, 하위) 두 문자를 애스키 (10진 값에 해당하는) 숫자로 변환하고 약간의 수정을 거치고, 계산하여 구합니다. (전압값 계산과정은 PC에서 이루어집니다)
※ 주3 : “a5”명령으로 “MY 로거”의 입력 잭에 공급되는 전압의 1/4 값을 측정합니다. 전압을 다운하여 측정하는 이유는 공급전압이 5V 보다 훨씬 높을 수 있기 때문입니다.
※ 주4 : 테이터로 0~127 값에 대응하는 ASCII 문자를 (“MY 로거”로) 보냅니다. “MY 로거”에서는 데이터 문자의 애스키 숫자에 비례하는 PWM 듀티비를 계산한 후, 지정된 포트에 펄스열을 출력합니다. 0~5V 범위의 아날로그 전압은 PWM 출력펄스를, 한 번 더 (RC 로우패스)필터를 거쳐 만들어집니다.
※ 명령은 아니지만 리셋버튼이 눌렸다 떼어지거나 전원이 새로 투입되면, “MY 로거”는 (정해진) “초기 문자열”을 보내옵니다. (Ex : Logger! Ver 2.0)
※ ‘rr’리셋 명령은 잘못된 명령을 보냈거나 또는 (노이즈와 같은) 이유로 “MY 로거”가 응답하지 않을 때 사용합니다. 리셋 명령은 “MY 로거”의 명령 해석루틴을 초기화시켜 새로 시작하도록 합니다.
※ 명령 문자열은 필요에 의해 추가/삭제될 수 있습니다. (임베디드 프로그램 변경이 필요함)
※ “MY 로거”RS232 통신사양 : 19200 bps (bit per second), 8 bit data, 1 stop bit, No parity

▶ 회로설명 (circuit description)
PC와 “MY 로거”의 통신에서 명령어와 데이터에 사용되는 애스키 코드(ASCII code)에 대해 설명하겠습니다.
아래에 위치한 그림의 표를 보면, (128개의) 애스키 코드는 키보드에서 표현여부에 따라 특수문자와 보통문자로 나누어집니다. 그리고 각 문자에는 0에서 127사이의 고유번호가 부여되어 있습니다.
PC나 마이컴은 모두 디지털 로직을 바탕으로 동작하므로, 모든 데이터는 High와 Low의 이진 데이터로 표현됩니다. 그러므로 0~127의 10진 숫자는, 7비트의 2진 숫자로 바뀌어 사용됩니다. (2^7=128)
※ 마이컴의 자료이동에 사용되는 최소 데이터 단위는 관례적으로 “8 비트”이므로, 부득이 여분의 최상위 비트는 표준 애스키 코드에 사용되지 않습니다.

애스키 코드(ASCII code)에 의하면 ‘A’라는 문자는 10진수 65로, ‘A’= 65라는 식이 성립됩니다. 즉 숫자가 문자로 대치되는 것이며, 반대로 문자도 숫자로 표현될 수 있습니다. 명백히 이런 변환이 필요한 이유는 인간(人間)은 문자로 표현해야 이해가 가능하지만, 컴퓨터는 (문자를 다룰 수 없으며) 오직 숫자로만 의사전달과 계산이 가능하기 때문입니다.
그러므로 컴퓨터와 인간, 서로간의 차이를 극복하기 위해서 문자와 숫자 사이의 관계를 약속한 문서가 필요해 집니다. 바로 애스키 코드(ASCII code)입니다.
애스키 코드(ASCII code)에 의해 “문자 = 숫자”가 되므로 혼란스러운 일이 많이 발생합니다. 예를들면 문자끼리 더하기를 할 수 있습니다.
‘A’ + ‘*’= 65 + 42 = 107 = ‘k’ 가 됩니다. 문자 ‘0’은 10진 숫자로 48 입니다. 따라서 ‘0’ + ‘1’ = 48 + 49 = 97 = ‘a’ 가 되고 맙니다. 원래 문자끼리 더할 수는 없는 것이므로, 내용을 모르는 사람에게는 이해할 수 없는 수수께끼로 되는 것입니다. 세상에는 이와 같은 일이 많습니다.
또 하나의 중요한 점은 이제 한 쪽에서 문자를 보내도, 받는 쪽에서 숫자로 사용할 수도 있다는 것입니다. 반대의 경우도 발생합니다. 이제 컴퓨터 (논리) 세계에서, 숫자와 문자는 같은 의미를 같는다는 점을 반드시 마음속에 새겨 두어야 혼란을 피할 수 있습니다.
※ 키보드로 표현되지 않는 특수문자는, 오로지 숫자로 표현하여야 합니다. “MY 로거”에서는 숫자 데이터를 전송하기 위해 애스키 문자를 이용하므로, 0~127 사이의 모든 문자를 사용하고 있습니다. 따라서 특수문자를 표현에는 (해당하는 애스키) 숫자를 기입합니다.

“MY 로거” 사용법을 설명하면서 간단하게 사용한다는 것과, 기술 의미를 설명한다는 것은 다르다는 것을 느꼈습니다. 성능이 약하다고는 하나, 고가의 DAQ 보드를 대체하려는 로거가 간단하기만 하다면, 이 또한 앞 뒤가 맞지 않습니다. 그러나 사용자의 입장에서 보면 (굳이 어려운 내부기술을 모르더라도) 재미있고 유용하게 사용할 수 있으면 충분하다고 생각합니다.
다만 설계자의 입장에서, 자세한 내부 구조를 설명해 두는 것이 여러모로 유용하리라고 믿고 있습니다. 특히 PC측 소프트웨어를 작성하려면 이 정도의 예비 지식은 반드시 필요하리라고 생각하므로, 초보자께서는 이해하여 주시기 부탁 드립니다.

▶ 회로도 (The circuit diagram) :  애스키 코드 (ASCII code)와 RS-232C 통신의 테이터 구

다음편에서 계속 됩니다.

글 |스네일앤 스네이크

※ 상기 내용은 디바이스마트와 스네일앤 스네이크의 협의를
통하여 사용을 득한 내용입니다.

CMOS 4011을 사용한 게이트 회로 (NAND Gate)

▶ 회로설명 (circuit description)
이번 시간에는 (먼저 시간의 후속으로) 4011, NAND 게이트를 주제로 한 실험입니다. 로직 IC와 논리 게이트 종류만 달라졌을 뿐, 실험의 모든 목표와 순서는 먼저 시간의 NOR 게이트와 완전히 같습니다.
NAND 게이트는 로직 회로에서 가장 많이 사용되는 게이트입니다.
반면에 NOR 게이트는 (동일한 기능에도 불구하고) 많이 사용되지 않습니다. 이유는 모릅니다. 그러나 디지털 회로를 접하다 보면 NAND 게이트를 자주 만나게 될 가능성이 아주 높습니다.
로직 게이트 실험은 NAND와 NOR 게이트만으로 충분합니다. 다만 논리동작 자체에 만족하기 보다는 “CMOS 논리 IC에서 로직의 High, Low 상태란 것이 어떤 전압값으로 나타나는가?”라는 의문을 가져보는 편이 훨씬 유용합니다. (TTL IC를 실험하는 경우도 마찬가지) 왜냐하면 전원전압이 달라짐에 따라 로직의 High, Low 상태도 달라지기 때문입니다. 전압의 변화는 테스터로 충분히 확인할 수 있으며, 익숙해지면 (굳이 출력단자에 Tr과 LED를 연결해 확인하지 않아도) 전압만으로 로직 IC의 상태를 간단히 체크할 수 있어 로직회로의 설계와 제작에 큰 도움이 됩니다.
로직회로에 사용된 논리 IC의 입/출력 상태를 마음대로 읽어낼 수 있으면, 이미 로직 IC는 내 손안에 들어와 있는 것입니다. 언제라도 원하는 논리조건을 실제 회로로 구현해서 사용할 수 있게 되었으니까요.

▶ 회로도 (The circuit diagram) : CMOS Logic IC 4011 (NAND gate) – 4011 메뉴얼

▶ 회로동작 설명 (circuit operation)
4011 Logic IC는 4개의 NAND 게이트를 가지고 있습니다.
(핀 배치는 그림참조)

※ 로직 IC에서 핀 번호를 매기는 방법은 일반 IC와 마찬가지 입니다.
(좌측 상단이 1 번, 반 시계 방향으로 돌아가며 번호 매김) 언제나 IC상단의 턱을 확인하여, 1번 핀의 위치를 확실히 해 두고 작업해야 합니다.
로직 IC를 사용할 때 게이트 번호에 열중하다가, IC자체의 전원과 GND 단자를 회로에 연결하지 않는 경우가 종종 발생합니다. 더구나 실제의 로직 회로도는, (로직 IC의 전원연결에 대해 언급하지 않고) 오직 게이트 사이의 연결만 설명하는 것이 관례입니다. 그러므로 로직 IC를 사용할 때 항상 “로직IC자체의 전원과 GND를 연결해야함”을 머리속에 넣고 있어야, 회로 완성후에 당황하지 않을 수 있습니다.

1. 첫 번째 시험회로는 NAND 게이트의 진리표를 확인하는 것입니다. 동시에 High→Low 입력상태 변환과 출력 시험회로도 함께 실험합니다. 회로에서 입력 A와 입력 B의 처음상태는 둘 다 High 입니다.

NAND게이트 진리표에 의하면, 출력은 Low상태가 됩니다. 로직 IC의 출력이 Low이면, 출력전압은 GND와 (거의) 같은 0V가 되므로 출력단자에서 흐르는 전류는 없습니다. 베이스 전류에 없으므로 트랜지스터의 콜렉터 전류도 없으며, LED는 꺼진 상태가 됩니다.
PB1이나 PB2를 누르면 NOR게이트의 입력 A와 입력 B는 High→Low 상태로 전환됩니다. 이유는 푸시버튼을 누름으로써 입력 단자가 전원 보다 GND에 더 (전기적으로) 가까와졌기 때문입니다. 전원과 입력단자 사이에는 10K 저항이 놓여 있으니까요. 이 경우는 진리표에 따라 출력단자가 High, 즉 6V가 되므로 출력단자에서 10K 저항을 거쳐 Tr로 베이스 전류가 흐르고, 그 결과 콜렉터 전류도 흐르게 됩니다. 물론 LED는 켜지게 됩니다.
※ 회로도에 보면 입력 A단자에 1번, 입력 B단자에 2번, 출력단자에 3번으로 결정되어 있습니다. (즉 40114개의 게이트 중에 좌측 상단의 것을 사용한 것입니다) 그러나 이 것은 설계자가 임의로 정한 것입니다. 4011 IC내 다른 번호의 게이트 입/출력으로도 시험해 보십시요. 같은 결과가 나와야 합니다.

2. NAND 게이트 실험이 성공적으로 끝나면 회로도 안의 붉은 점선으로 표기된 “등가회로 대치부분”을 회로도 아래의 ①, ②, ③, ④ 4개의 등가회로로 하나씩 바꿔 넣고, (앞 페이지의) 진리표에 따라 실험해 보십시요. 이 실험은 NAND 로직 게이트를 조합하여, 다른 모든 종류의 게이트를 만들어 낼 수 있다는 것을 보여주는 것이 목적입니다.
※ ①번의 NOT 게이트만 제외하면, 모두 두 개의 입력과 하나의 출력을 가지고 있으므로 회로를 쉽게 대치할 수 있을 것입니다.
NOT 게이트는 입력이 하나이므로, 두 개 중 어느 입력을 사용해도 O.K) ”AND, OR, NOT의 기본 세가지 게이트만 있으면 (메모리를 제외한) 모든 논리회로를 만들 수 있고, NAND 게이트만 조합하면 기본 게이트를 만들 수 있으므로 결국 NAND 게이트 IC만 이해하면, 게이트 회로 공부는 끝이로군!” 이라는 느낌을 가져보십시요. (NOR 게이트도 마찬가지임)

3. (NAND) 로직 게이트 조합실험이 무사히 끝나면 NAND 게이트 2개를 응용한 세트/리세트 논리회로 (Set/Reset Logic Circuit)를 실험해 보겠습니다.
일반적인 게이트 회로에서 입력 부분에 스위치나 스위치 회로가 연결되는 경우가 많이 나타납니다. 소위 스위치라는 종류의 부품이 동작할 때는 기계적인 접점의 형태이거나, 전기적 변환이 이루어지는 형태이거나 결국은 전기 흐름의 끊어짐(불연속)이 발생합니다. 이 불연속 동작을 로직 회로의 입력측에서 보면, 몇 번의 펄스가 반복해서 들어오는 것으로 보여지게 됩니다. 결국 단 한번의 스위치 동작이, 로직 회로에서는 몇 개의 (확실하지 않은 수의) 펄스 입력이 나타나는 결과로 되어 버리지요.
이래서야 곤란하기 때문에 로직 회로의 스위치가 있는 입력 부분에 슈미터 트리거 회로나 Set/Reset 로직회로를 사용해서, 미리 방지를 해 줍니다. Set/Reset 로직회로는 2개의 입력을 가지고 있는데, 하나의 입력에 몇 개의 펄스가 들어오더라도 처음의 하나만 유효한 펄스로 간주하고 (나머지는 무시하는) 회로입니다. 다른 입력에 펄스가 들어와야, 다시 (처음 입력이) 준비상태로 들어갑니다. 그래서 이름도 세트/리세트 회로입니다.
즉 “리세트” 될 때 까지는, “세트” 입력이 딱 한 번만 동작하는 거지요.
두 번째 회로를 시험해보면 PB1, PB2를 누름에 따라, 출력 LED의 점등이 깨끗하게 동작하는 것을 느낄 수 있습니다. (첫 번째 회로는 입력 푸시버튼의 (불안정) 상태가 그대로 출력 LED에 반영됩니다. 스위치를 일부러 살며시 문질러 시험해 보십시요.) 눈으로는 확인할 수 없지만, 스위치 접점의 불안정 상태은 완전히 걸러져서 딱 1회분의 입력만이 출력으로 전달된답니다.
※ 가지고 있는 테스터로 제작한 로직 회로의 입력과 출력전압을 반드시 확인하고, 마음속에 기억하여 두시기 바랍니다. (조합회로도 마찬가지 입니다.) 향후에 CMOS 로직 IC를 이용하여 회로를 만들 때 회로내에서 동작하는 로직 IC의 입/출력 상태를, 테스터 전압 측정만으로 정확하게 알아낼 수 있습니다. (단 펄스의 유무나 동작확인은 테스터로 무리입니다)

CMOS 4013 (D-F/F), 4093의 펄스열 분주회로

▶ 회로설명 (circuit description)

지금까지 로직회로에 사용되는 여러 게이트들을 4001, 4011 CMOS IC로 실험해 보았습니다. 실험에 의해, 이제 로직회로를 어떻게 제작하고 동작을 확인하는지에 대한 감을 잡으셨을 것입니다. 테스터로 High, Low 상태확인도 익숙해 졌을 테고요. 로직회로는 한 번 실험해 보면 금방 이해할 수 있으며, 쉽게 응용할 수 있는 성질을 가지고 있습니다.
이번 시간에는 게이트와 함께 로직회로의 기본 블록을 이루는 플립플롯을 공부해 보겠습니다. 플립플롯은 J/K형과 D형이 기본이지만 결국 하는 일은 (논리상태의) 기억 즉 메모리 기능입니다. 메모리란 어떤 상태를 일정시간 유지하는 것이므로, 결국 논리상태의 시간지연을 가져옵니다. 이렇게 시간지연이 나타나는 현상에는 타이밍 챠트(Timing chart)가 동작분석과 이해를 돕는데 유용하게 사용되고 있습니다.

※ D형 플립플롯은 J/K형에 NOT게이트를 하나 추가해서 만들어집니다. 결국 기본은 J/K형 플립플롯 하나 뿐입니다.
일반적인 플립플롯 IC는 Q와 Q바 (Q 위에 줄이 그어진 문자) 라는 두 개의 출력단자를 가지고 있습니다. 출력 Q와 Q바의 상태는 언제나 반대입니다. 즉 Q가 High이면 Q바는 Low 상태이며, Q가 Low이면 Q바는 High 상태가 됩니다. (즉 Q바 = Q + NOT)
플립플롯을 사용한 논리회로에는, Q와 Q바의 상태를 함께 활용하는 경우를 많이 발견할 수 있습니다.

일반적으로 D F/F은 D, ck의 2개 입력과 Q, Q바의 2개 출력을 갖고 있습니다. D F/F의 동작을 설명하기 위해 먼저 입력단자 D의 상태가 High, Low 둘 중 어느 하나로 되어 있다고 가정합니다. 이 상태에서 다른 입력단자 ck에 펄스를 입력 시킵니다. 그러면 (IC의 종류에 따라) 펄스의 상승순간이나 하강순간에서 입력 D의 상태가 출력 Q로 복사됩니다. (즉 D = Q) 물론 Q바의 상태는 Q와 반대로 됩니다.
※ 펄스의 상승순간을 상승에지(rising edge), 하강순간을 하강에지(falling edge)라고 부릅니다.

▶ 회로동작 설명 (circuit operation)
CMOS 4013 IC는 2개의 D F/F을 가지고 있으며, ck 입력단자에 가해지는 펄스상태가 Low에서 High로 되는 순간, 입력 D의 상태가 출력 Q로 전달됩니다. 한 마디로 4013 IC는 상승에지(rising edge)형 D F/F 입니다. (핀 배치는 그림참조)

CMOS 4093는 4개의 NAND 게이트를 가지고 있는 로직 IC 입니다. 핀 배치는 4011과 동일하며, 차이점은 입력단자가 “슈미트 입력” 특성으로 설계되어 있다는 것입니다. (4093 NAND 게이트 심볼안에 표기된 기호가 “슈미트 입력”을 나타냅니다)

※ “슈미트 입력” 특성은 IC의 입력단자의 High, Low 상태를 받아들이는 회로에 의해 나타납니다. 보통의 로직 IC 입력회로는, 어떤 (일정한) 입력전압을 기준으로 High와 Low 상태를 판정합니다. 즉 기준 이상의 전압은 High, 이하는 Low 상태로 인식하게 되는 거지요. 그러므로 기준전압 부근에서는 판정하기가 애매한 상태로 되고 맙니다. 만일 기준전압 근방에서 입력전압이 상하로 변동하면 바로 몇 개의 High, Low 상태로 받아들입니다. (기계식 접점을 가진 스위치가 입력단자에 연결되었을 때 발생하는 문제임)

반면에 “슈미트 입력”은 기준전압을 2개 정해 놓습니다. “슈미트 입력” 회로는 낮은 기준 전압을 통과한 입력 전압이 높은 기준전압까지 통과할 때 오직 한 번만 High 상태로 인정합니다. 반대로 High→Low 상태는 높은 기준 전압에서 내려온 입력전압이 낮은 기준전압을 통과하면 (역시) 한 번만 받아들입니다.

그러므로 “슈미트 입력”의 특성은 세트/리세트 입력회로 특성과 같습니다. 차이점은 “슈미트 입력”은 입력단자 안의 회로에 들어 있으며, 세트/리세트 회로는 (일반) 로직 게이트로 만들어진다는 정도입니다.

▶ 실험회로의 첫 번째는, D F/F 하나를 사용한 2분주 회로입니다.
4093 IC의 1, 2, 3 핀으로 이루어진 NAND 게이트는 R1, C1과 함께 약 1Hz의 구형파 펄스열을 발생시킵니다. 발생된 펄스열은 5, 6, 4 핀으로 구성된 NAND 게이트 출력에 연결된 LED로 확인할 수 있습니다. (R2, 3.3k 저항에 의해 약 1mA 전류로 LED를 구동하므로 출력 Tr이 필요없음.
단 LED는 밝지 않음. 4093 게이트의 출력 sink 전류는 2mA 정도)
D F/F의 Q 단자 출력상태를 LED로 확인하기 위해 Tr 출력 확인회로를 사용하였습니다. Q바 출력의 상태는 Q 출력과 반대임을 테스터로 (반드시) 확인해 두시기 바랍니다.
회로의 핵심은 그림에 나타난 타이밍 챠트에 잘 나타나 있습니다.

1. 처음 전원이 (회로에) 투입되면 4013 D F/F의 Q는 High, Q바는 Low 상태가 됩니다.
2. (회로에 보면, 입력 D 단자에 Q바 단자가 연결되어 있으므로..) D는 Low 상태
3. 입력펄스(Clock)의 상승에지가 D F/F의 ck입력에 가해지는 순간, Q = D = Low가 되고 Q바 = High
4. 이제 D = Q바 = High 상태로 바뀝니다.
5. 다음의 입력펄스(Clock)에 의해, Q = D = High가 되고 Q바 = Low 상태로 됩니다.
6. 다시 2번으로 가서 계속됩니다.

결과는 2번의 입력펄스(Clock)로, D F/F 출력의 상태가 한 번의 (긴 주기) 펄스로 변화 하였습니다. 즉 입력펄스 갯수의 2분주(÷2) 회로로 작동한 것입니다.
※ 1 Hz 입력펄스(Clock)의 변화가 너무 빠르므로 찬찬히 타이밍 챠트를 확인하기 힘듭니다. 왜 지금까지 실험한 세트/리세트(Set/Reset) 논리회로의 출력을 입력펄스(Clock) 대신으로 하지 않으십니까? PB 스위치로 하나하나 펄스를 발생시켜 가면서 차분히 관찰하여 보십시요.

▶ 두 번째 실험회로는, D F/F 두 개를 연속으로 사용한 2분주, 4분주 회로입니다. 단 초단 D F/F의 입력앞에 부가된 NOT 게이트가, 4013 동작을 입력펄스 하강부분에서 동작하는 D F/F 처럼 변화시켰음에 주의 하십시요. (8, 9, 10 핀으로 구성된 NAND 게이트 사용)
첫 번째 2분주 실험회로와 (원리적으로) 같은 동작을 보이므로 실험으로 그림의 타이밍 챠트를 확인하여 보십시요. (그림의 여백 부족으로 D F/F Q바들의 파형은 타이밍 챠트에서 생략되어 있습니다. 함께 그려넣고 논리를 따져보면 훨씬 쉽게 이해할 수 있습니다)
※ 첫 번째 실험과 마찬가지로 세트/리세트(Set/Reset) 논리회로의 출력을 사용하여 관찰하십시요.

CMOS 4017, 4093을 사용한 10진 카운터 회로

▶ 회로설명 (circuit description)
4번째로 마지막 실험입니다. 이번 시간에는 플립플롯을 여러개 사용하여 설계된 카운터 IC를 실험해 보겠습니다. 카운터 IC의 종류는 2진, 10진, 16진등 여러가지가 있으나, 실험에 사용한 CMOS 4017 IC는 10진 카운터입니다.
역시 카운터의 동작도 예의 타이밍 챠트 (Timing Chart)를 사용하여 분석하면 알기 쉽습니다.

▶ 회로도 (The circuit diagram)
CMOS Logic IC 4017 (10진 카운터 IC) – 4017, 4093 메뉴얼

▶ 회로동작 설명 (circuit operation)
CMOS 4017 IC는 한 개의 10진 카운터를 내장하고 있으며, 입력펄스의 상승에지 순간마다 하나씩 카운터의 수가 증가합니다. (핀 배치는 그림참조)
함께 사용한 4093(슈미터 입력) NAND 게이트 IC의 핀 배치는 4011과 같습니다. 4093을 사용한 1Hz 구형파 발진회로와 발생파형의 LED 확인회로는, 먼저 시간의 회로 및 동작설명과 동일합니다.
4017 10진 카운터 IC의 (14번핀) 입력으로 인가된 1Hz Clock 펄스의 숫자는, 출력단자에 연결된 10 개 LED의 점등으로 확인할 수 있습니다. 각 LED의 정확한 점등시점과 유지시간은… 그림 하단의 타이밍 챠트를 참조하고, 카운터 동작은 실험으로 확인하십시요.

※ 1Hz 입력펄스(Clock)의 변화가 너무 빠르므로 찬찬히 타이밍 챠트를 확인하기 힘들 것입니다. 먼저 시간에 실험한 세트/리세트(Set/Reset) 논리회로의 출력으로 입력펄스(Clock)를 대신하여 보십시요. PB 스위치를 사용하여 필요한 펄스를 하나씩 하나씩 발생시킬 수 있으므로, 카운터 IC의 동작을 차분하게 관찰할 수 있습니다.
※ ÷10 출력단자는 실험에 사용하지 않습니다. 확인하기 위해서는 LED와 저항을 연결하여 보십시요.

▶왕초보 전자회로의 기초 로직회로 강의를 종료합니다.
수고하셨습니다. 다음 강의에 만나뵙겠습니다.

글 |스네일앤 스네이크

※ 상기 내용은 디바이스마트와 스네일앤 스네이크의 협의를
통하여 사용을 득한 내용입니다.

AND, OR, NOT, NAND, NOR, XOR gate 진리표 (Truth Table)

▶ 회로설명 (circuit description)

이번 시간에는 로직블록의 종류와 입/출력 상태의 관계를 보여주는 진리표(Truth Table)에 대해 설명합니다. 만약 처음으로 로직회로를 접하는 분이 있다면, 단순하면서도 다양한 기본 블록의 쓰임새에 매료 당하게 될 것입니다.
로직블록의 최대 매력(魅力)은 기본 종류가 딱 4개 뿐이라는 것입니다.
기묘하게도 기본이 되는 종류의 숫자가 적을수록 더 강력한 응용과 확장성을 가지는 경우가 많습니다. 예로 (유클리트) 기하학에서 도형의 기본형도 마찬가지입니다. 원, 삼각형, 사각형의 세 종류면 기초 수학에는 충분합니다. 고급 응용단계에서 타원, 포물선, 쌍곡선이 추가되는 정도지요.
물론 여기에 점(點)과 선(線), 좌표(座標)의 개념이 필요하겠군요.
어쨌거나 도형의 기본형은 세 개 (혹은 6개) 뿐입니다. 수 많은 응용에 비하면, 놀랄만큼 적은 숫자입니다.
로직도 마찬가지입니다. AND게이트, OR게이트, NOT게이트의 세 종류면 논리회로는 전부 만들 수 있습니다. 여기에 메모리 역할을 하는 JK F/F (엄밀하게는 D F/F. D F/F은 JK F/F에 NOT 게이트를 하나 더해서 만듬) 하나만 추가하면 (세상의) 모든 로직 회로는 다 만들 수 있습니다.
아 그래요? 다 만들 수 있다고요…??? 그렇죠 뭐… 원래 그렇게 되어있는 것 아닌가요? ← 흠! 이렇게 심드렁하게 생각하시는 건 아니죠?
사실 현재의 마이컴까지도, (파고 들어가면) 이 네 가지 기본 로직 요소로 분해되고 맙니다. 이 이야기는, 온갖 종류의 (디지털) 무기고 열쇠가 손에 들어왔다는 뜻이며 역으로 세상의 모든 (디지털) 무기를 분해하는 방법을 보여주고 있다는 점에서, 중대한 의미를 지니고 있습니다.
(이제, 중요하다고 동의하는데 한 표 어떻습니까?)

▶ 회로도 (The circuit diagram) : 로직 기본블록 + AND, NOT, NAND 게이트 진리표 (Truth Table)

설명드린 대로 로직회로는 AND, OR, NOT, JK F/F의 4종류면 풀 세트가 완비됩니다. 그러나 편리와 효율성을 위해 NAND, NOR, XOR 게이트와 D F/F의 4종을 더해서, 모두 8종류를 설명합니다.
※ “NAND = AND + NOT”, “NOR = OR + NOT”의 의미입니다. NAND 혹은 NOR 게이트 만을 사용하여 AND, OR, NOT, XOR 기본 게이트를 전부 만들 수 있는 장점이 있으므로, (한 종류의 IC로 설계하면 여러모로 편리하므로) 표준 로직 IC로 폭 넓게 사용됩니다.

① AND gate : 입력(단자)의 상태가 모두 High가 되어야만, 출력(단자)의 상태가 High로 되는 논리 게이트입니다. 반대로 (여러개의) 입력 중에 하나라도 Low가 있으면, 출력은 Low가 됩니다. 이러한 정의를 표로 만든 것이 진리표(Truth Table) 입니다. 가만히 들여다보면 두 입력 A와 B가 모두 “1″일때만 출력 X가 “1″이 된다는 것을 알아차릴 수 있습니다. (진리표는 가로로 읽습니다. 행 단위임)
※ 논리회로에서 입 / 출력 단자의 High 상태는 “1″, Low 상태는 “0″ 으로 표시합니다.
※ 논리회로에서 상태는 둘 밖에 없습니다.
즉 High와 Low, 1과 0뿐입니다. 어중간한 상태란 없습니다.
그래서 디지털은 “이진논리에 따른다.”라고 합니다.

② NOT gate : 입력 단자가 하나뿐인, 가장 간단한 논리 게이트입니다. 입력 단자와 출력단자의 상태는 반대가 됩니다. 더 드릴 말씀이 없습니다.

③ NAND gate : 가장 쓸모가 많아서 널리 사용되는 논리 게이트입니다. 2~3개를 연결하면, AND, OR, NOT, XOR등 모든 게이트로 변신합니다. NOT를 의미하는 작은 원을 가진 심볼 모양에 주의 하십시요. (AND에서 NOT으로 이어지는) NAND 게이트의 진리표를 해독할 수 있으면, 몇 단계로 복잡하게 연결된 논리 게이트 상태도 (같은 요령으로) 해독하는 능력을 갖게 됩니다.

▶ 회로도 (The circuit diagram) : OR, NOR, XOR (JK F/F, D F/F) 게이트 진리표 (Truth Table)

④ OR gate : 입력(단자)의 상태가 하나라도 High가 되면, 출력(단자)의 상태가 High로 되는 논리 게이트입니다. 반대로 (여러개의) 입력이 전부 Low가 되어야만, 비로소 출력은 Low가 됩니다. AND게이트와 반대 의미가 있습니다.
⑤ XOR gate : OR 게이트의 변형입니다. 동작은 OR 게이트와 같으나, 입력이 전부 High이면 출력이 Low가 된다는 점이 다릅니다. 가끔 유용하게 사용됩니다.

⑥ NOR gate : NAND 게이트와 의미는 같습니다. (NAND 게이트가 NOR 게이트보다 많이 사용됩니다)

⑦ 플립플롯 (JK F/F, D F/F) 진리표 : 많이 사용되는 대표적인 플립플롯은, 1 bit 메모리 기능을 갖고 있는 D F/F 입니다. 로직회로에 직접적으로 사용되기 보다는, 카운터 IC나 Latch IC로 특화되어 사용됩니다. 여러가지 종류의 IC마다 사용법이 조금씩 달라지므로 실제 사용하는 회로안에서 설명하겠습니다.
※ 플립플롯은 입력 단자도 많고, 상태도 복잡하여 진리표가 유효하지 않습니다. 특히 입력펄스의 Low → High 순간 (riging edge) 이나, High → Low 순간 (falling edge)에 상태변환이 일어나므로 오히려 그림과 말로 설명하는 편이 좋습니다.

로직 게이트의 입력/출력 연결조건 + 기본회로 알아보기

▶ 회로설명 (circuit description)
로직 게이트의 사용은 쉽고, 재미있습니다. (계산해서) 설계한대로 연결하고, 입력조건만 맞춰주면 (스스로 알아서) 잘 동작합니다.
전문가가 만드나 초보자가 만드나 전혀 차별하지 않고 동작해 줍니다.
비록 초보자가 지저분하게 연결해도 (기특하게) 잘만 작동합니다.
그러면 실제로 로직 게이트를 구현하고 있는 로직 IC의 입력과 출력을 연결하는데 필요한 몇몇 약속들을 먼저 알아봅시다

▶ 회로도 (The circuit diagram) : 입/출력 단자의 연결조건 맞추기

이제부터는, 같은 종류의 로직 패밀리 IC를 사용한다는 전제하에 설명합니다. 로직 패밀리 IC는 트랜지스터를 사용한 TTL계열의 74LSxxx시리즈와, FET를 사용한 CMOS계열의 40xx, 45xx 시리즈가 대표적입니다.

그림 ① 로직 IC의 입력끼리는 몇 개라도 서로 연결할 수 있습니다. (제한이 없습니다)
그림 ② 로직 IC의 출력은 서로 연결할 수 없습니다.

이유는 “마법의 갈고리” 즉 “입력 싱크전류”를 만족시키기 위해 로직 IC 출력회로는 (상당히 큰) 전류를 공급하거나 흡수할 수 있도록 설계되어 있습니다. 만약 서로 연결된 두 출력이 같은 논리상태라면 문제가 없지만 서로 다른 상태인 경우, 상태 High인 IC 출력단자에서 상태 Low인 IC 출력단자 쪽으로 큰 전류가 흐르게 됩니다. 이런 과전류 상태에서 몇 분 정도는 문제가 없지만, IC는 점차 과열되고 결국 파손되어 버립니다. 이런 경우에 IC를 만져보면 (부분적으로) 뜨끈, 따뜻합니다.

그림 ③ 로직 IC의 입력과 출력은 바로 연결합니다. 특히 1 : 1로 하나씩 연결하는 경우는 만사 O.K 입니다.
그림 ④ 하나의 로직 IC의 출력에 여러개의 입력을 연결하는 경우에도 바로 연결하면 됩니다. 연결되는 입력의 갯수가 10개 이하이면 아무런 문제가 없습니다. (우리에게는 충분히 여유있는 갯수이지요.)

※ 일반적으로 로직 IC의 출력 하나에 10~20개의 입력을 연결하는 경우는, 메뉴얼을 참고하는 편이 바람직합니다. 소위 “팬 아웃(Fan Out)”의 문제가 발생할 수 있기 때문입니다.

그림 ⑤ 회로에서 맨 처음 로직 IC의 입력상태를 정하려면, 전원이나 GND에 연결하면 됩니다. (전원에 연결하면 High 상태, GND에 연결하면 Low 상태)

※ 입력의 상태를 High → Low나 Low → High로 변환시키려면 스위치와 함께 저항이 필요해집니다. (저항이 없으면 전원과 GND가 쇼트되므로, 회로가 동작하지 않습니다) 이 경우에 입력단자에 저항을 거쳐 전원이나 GND에 연결하게 되는데 역시 동작에는 문제가 없습니다.

입력단자에 직렬로 연결된 외부저항의 유무가 입력 상태에 영향을 미치지 않는 이유는 로직 IC 입력회로의 내부 임피던스가 크기 때문입니다.
(임피던스란 저항을 의미 엄밀히는 교류저항) 입력회로의 내부 임피던스가 크면 부가된 외부 저항으로 변화한 입력 전류가 적고, 그 결과 상태에 별 영향이 없게 됩니다.

그림 ⑥ 로직 IC의 출력단자는 전원이나 GND에 바로 연결할 수 없습니다. (이유는 ②번과 동일)

▶ 회로도 (The circuit diagram) : Logic IC 입력의 High / Low 상태 만들기 + 출력 확인하기

1. 로직 IC 입력 회로
① 그림은 입력을 High 상태로,
② 그림은 Low 상태로 만드는 회로입니다.

2. 로직 IC 입력의 상태를 전환하는 회로
① 그림은 스위치를 누르면 입력 상태가 High에서 Low로 전환되는 회로이며,
② 그림은 입력상태가 Low에서 High로 바뀌는 회로입니다. 로직 회로에서 입력상태를 변환시키는 설계에 많이 사용됩니다.

3. (CMOS) 로직 IC 출력 시험회로
TTL로직 IC인 경우 출력의 싱크전류를 이용하면 LED를 바로 점등할 수 있습니다. 그러나 CMOS로직 IC의 출력인 경우, (출력 소스, 싱크전류가 적어서) 반드시 트랜지스터를 사용해야 LED를 점등시킬 수 있습니다.
① 그림은 출력 High상태에서 (NPN)Tr이 구동되고 LED가 켜집니다.
② 그림은 반대로 출력이 Low인 상태에서 (PNP)Tr이 구동되어 LED가 켜지는 회로입니다. (10K 저항은 베이스 전류 제한용이며, 220Ω 저항은 LED 전류제한용 입니다)

이 회로들을 사용하면, 로직 IC의 출력상태를 점검할 수 있어 편리합니다.

CMOS 4001을 사용한 게이트 회로 (NOR Gate)

▶ 회로설명 (circuit description)
이제 실험으로 로직 IC를 이해 할 시점입니다. 대표적인 로직 IC 패밀리는 TTL, CMOS 두 종류가 있지만 TTL 계열은 전원전압 조건이 5V의 ±5% 안에 들어야 한다는 무척이나 까다로운 편이라서, 역시 3~15V의 전원전압 범위를 자랑하는 CMOS 계열을 택했습니다.
CMOS 계열은 넓은 전원전압 범위 + 저 전력의 장점으로 실제 회로설계에도 널리 사용되고 있으며, CPU나 메모리 IC, LSI, VLSI 칩 등에 광범위하게 사용되는 MOS-FET를 기본소자로 사용하고 있다는 장점이 있습니다. 반면에 트랜지스터를 기본 소자로 채택한 TTL은 전원조건이 까다롭고 소비전류도 많은 편이지만, 수십 MHz의 고속 동작에 강하다는 특유의 장점을 자랑합니다.
아마도 전문가가 아닌 영역에서 고속동작 로직을 필요로 하는 경우는 적기 때문에, 전원 호환성이 우수하고, 주변 설계가 용이한 CMOS 계열 로직 IC를 실험하는 편이 여러모로 유용하다고 생각합니다.

로직 IC의 실험목적은
1. AND, OR, NOT, XOR 기본 게이트의 입/출력 진리표로 동작확인
2. NAND, NOR 게이트를 조합하여 기본 게이트를 만들기
3. NAND, NOR 게이트로 세트/리세트 논리회로 (Set/Reset Logic Circuit)를 만들고 동작시켜보기
4. 로직 입력상태를 High→Low, Low→High로 변환시키는 회로 만들기
5. 트랜지스터로 로직 IC의 출력단자 상태를 확인하는 회로 만들기” 등 총 다섯가지 입니다.

그 실험 중에서 이번 시간에는 4001, NOR 게이트를 주제로 한 실험을 준비하였습니다.

▶ 회로동작 설명 (circuit operation)
4001 Logic IC는 4개의 NOR게이트를 가지고 있습니다.
(핀 배치는 그림참조)

※ 로직 IC에서 핀 번호를 매기는 방법은 일반 IC와 마찬가지 입니다. (좌측 상단이 1번, 반 시계 방향으로 돌아가며 번호 매김) 언제나 IC 상단의 턱을 확인하여, 1번 핀의 위치를 확실히 해 두고 작업해야 합니다.
로직 IC를 사용할 때 게이트 번호에 열중하다가, IC자체의 전원과 GND 단자를 회로에 연결하지 않는 경우가 종종 발생합니다. 더구나 실제의 로직 회로도는, (로직 IC의 전원연결에 대해 언급하지 않고) 오직 게이트 사이의 연결만 설명하는 것이 관례입니다. 그러므로 로직 IC를 사용할 때 항상 ”로직 IC자체의 전원과 GND를 연결해야함”을 머리속에 넣고 있어야, 회로 완성 후에 당황하지 않을 수 있습니다.

1. 첫 번째 시험회로는 NOR 게이트의 진리표를 확인하는 것입니다.

동시에 Low→High 입력상태 변환과 출력 시험회로도 함께 실험합니다.
회로에서 입력 A와 입력 B의 처음상태는 둘 다 Low입니다. NOR게이트 진리표에 의하면, 출력은 High 상태가 됩니다. 로직 IC의 출력이 High 이면, 출력전압은 전원전압과 (거의) 같은 6V가 되므로 출력단자에서 10K 저항을 거쳐 트랜지스터로 베이스 전류가 흐릅니다. 베이스 전류에 의해 트랜지스터의 콜렉터 전류가 흐르므로, LED가 켜지게 됩니다.
PB1이나 PB2를 누르면 NOR게이트의 입력 A와 입력 B는 Low→High 상태로 전환됩니다. 이유는 푸시버튼을 누름으로써 입력단자가 GND 보다 전원에 더 (전기적으로) 가까와졌기 때문입니다. GND와 입력단자 사이에는 10K 저항이 놓여 있으니까요. 이 경우는 진리표에 따라 출력단자가 Low, 즉 0V가 되므로 Tr에 공급되는 베이스 전류가 흐르지 않게되고, 그 결과 콜렉터 전류도 차단됩니다. 물론 LED도 꺼지게 됩니다.
※ 회로도에 보면 입력 A단자에 1번, 입력 B단자에 2번, 출력단자에 3번으로 결정되어 있습니다. (즉 4001 4 개의 게이트 중에 좌측 상단의 것을 사용한 것입니다) 그러나 이 것은 설계자가 임의로 정한 것입니다. 4001 IC 내 다른 번호의 게이트 입/출력으로도 시험해 보십시요. 같은 결과가 나와야 합니다.

2. NOR 게이트 실험이 성공적으로 끝나면 회로도 안의 붉은 점선으로 표기된 “등가회로 대치부분”을 회로도 아래의 ①, ②, ③, ④ 4개의 등가회로로 하나씩 바꿔 넣고, (앞 페이지의) 진리표에 따라 실험해 보십시요. 이 실험은 NOR 로직 게이트를 조합하여, 다른 모든 종류의 게이트를 만들어 낼 수 있다는 것을 보여주는 것이 목적입니다.
※ ①번의 NOT 게이트만 제외하면, 모두 두 개의 입력과 하나의 출력을 가지고 있으므로 회로를 쉽게 대치할 수 있을 것입니다. (NOT 게이트는 입력이 하나이므로, 두 개 중 어느 입력을 사용해도 O.K)

AND, OR, NOT의 기본 세가지 게이트만 있으면 (메모리를 제외한) 모든 논리회로를 만들 수 있고, NOR 게이트만 조합하면 기본 게이트를 만들 수 있으므로 결국 NOR 게이트 IC만 이해하면, 게이트 회로 공부는 끝이로군!” 이라는 느낌을 가져보십시요… (NAND 게이트도 마찬가지임)

3. (NOR) 로직 게이트 조합실험이 무사히 끝나면 NOR게이트 2개를 응용한 세트/리세트 논리회로 (Set/Reset Logic Circuit)를 실험해 보겠습니다.
일반적인 게이트 회로에서 입력 부분에 스위치나 스위치 회로가 연결되는 경우가 많이 나타납니다. 소위 스위치라는 종류의 부품이 동작할 때는 기계적인 접점의 형태이거나, 전기적 변환이 이루어지는 형태이거나 결국은 전기 흐름의 끊어짐(불연속)이 발생합니다. 이 불연속 동작을 로직 회로의 입력 측에서 보면, 몇 번의 펄스가 반복해서 들어오는 것으로 보여지게 됩니다. 결국 단 한번의 스위치 동작이, 로직 회로에서는 몇 개의 (확실하지 않은 수의) 펄스 입력이 나타나는 결과로 되어 버리지요.

이래서야 곤란하기 때문에 로직 회로의 스위치가 있는 입력 부분에 슈미터 트리거 회로나 Set/Reset 로직회로를 사용해서, 미리 방지를 해 줍니다. Set/Reset 로직회로는 2개의 입력을 가지고 있는데, 하나의 입력에 몇 개의 펄스가 들어오더라도 처음의 하나만 유효한 펄스로 간주하고 (나머지는 무시하는) 회로입니다. 다른 입력에 펄스가 들어와야, 다시 (처음 입력이) 준비상태로 들어갑니다. 그래서 이름도 세트/리세트 회로입니다.
즉 “리세트” 될 때 까지는, “세트” 입력이 딱 한 번만 동작하는 거지요.
두 번째 회로를 시험해보면 PB1, PB2를 누름에 따라, 출력 LED의 점등이 깨끗하게 동작하는 것을 느낄 수 있습니다. (첫 번째 회로는 입력 푸시버튼의 (불안정) 상태가 그대로 출력 LED에 반영됩니다. 스위치를 일부러 살며시 문질러 시험해 보십시요.) 눈으로는 확인할 수 없지만, 스위치 접점의 불안정 상태은 완전히 걸러져서 딱 1회분의 입력만이 출력으로 전달된답니다.
※ 가지고 있는 테스터로 제작한 로직 회로의 입력과 출력전압을 반드시 확인하고, 마음속에 기억하여 두시기 바랍니다. (조합회로도 마찬가지 입니다.) 향후에 CMOS 로직 IC를 이용하여 회로를 만들 때 회로내에서 동작하는 로직 IC의 입/출력 상태를, 테스터 전압 측정만으로 정확하게 알아낼 수 있습니다. (단 펄스의 유무나 동작확인은 테스터로 무리입니다)

다음편에 계속 됩니다.

글 |스네일앤 스네이크

※ 상기 내용은 디바이스마트와 스네일앤 스네이크의 협의를
통하여 사용을 득한 내용입니다.

“앞면이냐? 뒷면이냐?”(Heads-or-Tails)

▶ 회로설명 (circuit description)
우리 나라에는 흔하지 않지만 외화에 보면 종종 동전을 던져 순서를 정하거나 선택을 하는 경우가 나옵니다. 바둑에서 흑 백의 돌을 가리는 방법도 마찬가지이지만, 본질은 정확히 50%의 확률이 나타나는 상황하에서 어느 한 쪽을 선택하고 (선택이 옳았는지…) 운을 시험해 보는 것입니다.
이와같은 동전 던져 맞추는 과정을 전자회로로 만들어 보면 어떨까요? 핵심은 정확히 50%의 확률상황을 만들고, 선택의 순간을 재빨리 잡아 표시하도록 하여 의지의 선택이 끼어들 수 없도록 만드는 것입니다.
그렇다면 회로적으로 50%의 확률상황을 어떻게 만들 수 있으까요? 555로 고속의 구형파를 발생시키고, JK F/F (JK 플립플롯) IC를 사용하여 매 구형파마다 JK F/F 출력의 (2가지) 상태를 바꾸어 나갑니다.
시험자가 스위치를 떼는 순간 JK F/F 입력에 공급되는 펄스가 멈추게 되므로, JK F/F 출력은 스위치를 떼기 직전의 상태를 보존하여 전해주게 되는 것입니다.

※ JK F/F IC는 J, K 입력을 모두 High로 두면, 출력은 매 입력펄스마다 토글됩니다. 토글이란 이전상태가 High면 Low가 되고, Low면 High로 번갈아 바뀌어 가는 상태를 의미하는 “디지털 로직” 용어입니다.

▶ 회로도 (The circuit diagram) : Heads-or-Tails 회로

▶ 회로동작 설명 (circuit operation) :
555는 T=(R1+2xR2) x C1 / 1.44 = 약 0.5ms 주기의 구형파를 발생합니다. 즉 1초당 약 2,000개의 펄스가 만들어지고 있는 것이지요. 4027은 CMOS 페밀리 IC로 2개의 JK F/F을 내장하고 있습니다. (이 회로에서는 하나만 사용)
4027 JK F/F의 6번 J단자와 5번 K단자를 전원에 함께 묶어 High 상태로 만들어 두었으므로 이제 매 번의 입력 펄스마다 출력상태가 반전되는 T 플립플롯 (T F/F)으로 동작합니다. 좀 더 정확히 묘사하면 입력펄스가 상승하는 순간에 출력상태가 반전됩니다. (상승에지에서 동작)
SW1을 누르면, 고속의 555 출력펄스가 4027 T F/F 입력으로 연결되므로 적색과 녹색의 LED가 번갈아 켜집니다. (초당 2,000번의 횟수로…) 그러나 LED의 깜박이는 점멸속도가 워낙 빠르므로 우리 눈에는 그저 두 LED가 같이 켜져있는 듯이 보이게 됩니다. SW1을 떼는 순간 (T F/F 입력이 차단되므로) LED는 적색 혹은 녹색중에 하나만 켜진 상태로 얼어붙게 됩니다.

※ 로직 IC 중에서 트랜지스터로 구성된 TTL 페밀리 IC는 연결되지 않은 입력단자는 High 상태가 됩니다. 반면에 FET로 구성된 CMOS 페밀리 IC는 입력단자를 반드시 전원(High)이나 GND(Low)에 연결해서 상태를 고정해 두어야 IC의 정상적인 동작을 기대할 수 있습니다. 그 이유는 CMOS IC인 경우 입력단자가 오픈(아무데도 연결되지 않은 상태)되어 있으면, 상태가 오락가락하며 안정되지 않기 때문입니다.

스위치를 누르고 어느 색깔의 LED가 켜질 지 마음속으로 정하십시요.
자 하나, 둘, 셋 스위치에서 손을 떼십시요. 결과가 어떻습니까? 색을 맞추셨나요? 아니면 원하는 색이 켜졌나요? 아니면 그 반대인가요? 어떤 경우에는 보이지 않는 반반 확률의 손에 선택의 방향타를 맡겨 보심이 어떠하신지요.

경찰차의 싸이렌 소리를 만들어보면…

▶ 회로설명 (circuit description)
세 번째 555 응용 “메트로놈” 회로에서 짧은 펄스에 의한 소리발생 회로를 실험해 보았습니다. 이번에는 (좀 더 본격적으로…) 2개의 555로 2가지 주파수를 발생시켜 서로 높낮이가 다른 두 소리를 만들고, 이 두 주파수를 섞어서 (주파수 변조시켜) 소리의 음색를 변화시키는 회로를 실험해 보겠습니다.
555 IC를 사용한 회로에서 외부 펄스의 주파수를 내부 (펄스)와 섞으려면, 5번 control voltage 단자에 (원하는 주파수의) 구형파를 외부에서 공급해 주면 됩니다. 나머지는 기본회로와 동일합니다.

▶ 회로도 (The circuit diagram) : 경찰차의 싸이렌 소리 발생회로 (주파수 변조)

▶ 회로동작 설명 (circuit operation)
555 (IC1)의 주파수는 (T = (R1+R2) x C1 / 1.44 ) 약 0.14 초이며, D1의 역활로 듀티비가 50%인 느린 대칭 구형파를 발생시킵니다.
IC2 555는 IC1보다 약 100배 빠른 주파수의 구형파를 발생시키고, C3를 거쳐 스피커를 구동합니다.
IC2 회로만을 (단독으로) 동작시키면 높고 단조로운 소리가 스피커에서 나오게 됩니다. 이제 IC2의 5번 단자에 IC1의 느린 구형파 출력을 연결하여 변화를 보겠습니다. (10K 저항을 직렬로 연결해 줍니다)
실험해 보면 높고, 낮은 두 주파수가 연결되어서 “삐~뽀~ 삐~뽀~” 하는 2련의 연속음이 (스피커에서) 발생됩니다. (그렇게 예쁜 소리는 아닙니다.) 이 주파수 혼합실험을 통해, 555로 발생시킨 (전기적) 주파수가 어떻게 실제 소리로 (변환되어) 나타나는지 관찰 할 수 있으리라 기대됩니다.

PWM방식으로 소형 모터의 회전속도를 변화시켜 보자… .

▶ 회로도 (The circuit diagram)
PWM 방식을 사용한 직류모터 속도가변 회로

▶ 회로설명 (circuit description)
저속에서 힘(토크)이 좋은 직류모터의 속도를 변화시키는 회로는 모터제어의 핵심입니다. 서보모터 속도/위치 제어는 로봇관절과 같은 정밀 응용분야에서 사용되지만, 비교적 간단히 구현할 수 있는 일반 직류모터의 속도제어는 실 생활의 여러 분야에서 사용되고 있습니다.
이번에는 (상업적으로 사용되고 있는) PWM 방식을 선택하여 소형 직류모터의 속도를 변화시킬 수 있는 회로를 시험해 보겠습니다. 이와 같이 모터회전을 조종할 수 있는 회로에, 회전속도를 검출하여 피드백(Feedback)하는 부분과 연산부를 더하면 모터의 회전속도를 “제어”할 수 있는 구성으로 발전하게 됩니다. (회로자체는 새로 설계해야 함.)

▶ 회로동작 설명 (circuit operation)
먼저 PWM 펄스열을 만드는 부분을 생각해 보겠습니다.
PWM이란 Pulse Width Modulation의 약자로, 펄스의 듀티비를 0~100% 까지 변화시키는 것입니다.
(회로에서 양 끝의 0%와 100% 듀티비는 나오지 않을 수도 있으나 모터의 속도변화 실험에는 문제가 없습니다)
그림의 555 회로에서 전하가 C1에 충전되는 경로는 R1 → VR1의 1_2 단자 → D1 → C1 이며, 방전되는 경로는 C1 → D2 → VR1의 3_2 단자 → 555 7번핀 → GND 입니다. 555의 두 번째 응용회로에서 설명드린 대로, 555 출력 구형파의 ON 시간은 C1에 전하가 충전되는 시간에 비례하며, (구형파의) OFF시간은 C1에서 전하가 빠져나가는(방전되는) 시간에 따라 정해집니다. 회로에서 전하의 경로를 짚어보면 C1에 전하가 충전되고 방전되는 시간은, VR1 노브의 회전각에 (서로) 반비례하는 것을 알 수 있습니다. 즉 C1에 충전되는 시간을 길게 VR1을 세팅하면, C1에서 방전되는 시간은 짧아지게 되며 반대의 경우도 마찬가지로 됩니다.

VR1에 의해서 정해진 듀티비의 555 출력 구형파는 (베이스 전류제한 저항) R3를 거쳐 Tr1을 ON/OFF 합니다. 정확히 표현하면 구형파가 ON인 시간구간에는 베이스 전류가 흘러 Tr1도 ON되며, (구형파가) OFF인 동안에는 (베이스 전류가 없으므로) Tr1이 OFF 됩니다. 트랜지스터의 ON/OFF 응답은 아주 빠르기 때문에 555 출력 파형의 ON/OFF 짧은 구간이 충실히 재현되어, 모터의 응답으로 변환됩니다.

Tr1이 ON 되어있는 동안에 전원(6V) → R4 (10Ω) → 직류 모터의 a_b 단자 → 콜렉터(C) → 에미터(E) → GND로 전류가 흐릅니다. 이 동안 모터는 (전원에서) 회전력을 얻게 됩니다. 반대로 Tr1이 OFF 되어있는 동안에는, 전원에서 흐르는 전류는 (Tr1에서) 차단되고 모터의 a 단자 → 모터 내부 → 모터의 b 단자 → D3 → 모터의 a 단자로 (뱅글뱅글) 순환하는 전류가 흐르게 됩니다. (물론 회전력은 얻지 못합니다.) 이 현상은 모터의 회전자 코일(coil)에 흐르는 전류는 갑자기 (크기와 방향이) 변할 수 없다는, 전류의 관성효과 때문으로 D3가 생략되면 (경로가 막힌 전류의 몸부림으로…) TR1의 콜렉터 에미터 사이가 (야금야금) 파괴되어 버립니다. (이와같이 트랜지스터 보호 목적으로 모터 전류의 퇴로 확보를 위해 사용되는 다이오드를 플라이휠 다이오드라고 부릅니다)

직감적으로 판단할 수 있는 것처럼, 555 출력 구형파의 듀티비 변화에 따라 Tr1의 ON 비율이 변화하므로 모터에 전류가 흐를 수 있는 (전체적인) 통전시간이 달라지고, 결과적으로 모터의 회전수가 변화한다는 사실을 이해할 수 있습니다.

▶ 동작시험/조정 (testing and tuning)
소형모터의 (매끄럽게 돌아가는) 미세한 회전변화을 확인하기에는 어려움이 따르므로 회전축에 사각형 종이 조각을 끼워두면 (속도변화를 판별하기) 편리합니다.

다음편에 계속 됩니다.

왕초보 전자회로 강좌특집 3부 – 2 글 |스네일앤 스네이크 ※ 상기 내용은 디바이스마트와 스네일앤 스네이크의 협의를 통하여 사용을 득한 내용입니다.

점점 게을러지는 LED를 만나보자.

▶ 회로도 (The circuit diagram) : 점점 게을러지는 LED 회로

▶ 회로설명 (circuit description)
이쯤에서 슬슬 555의 동작원리를 설명해 둘 필요가 있습니다.
지금까지 4회에 걸쳐 555의 역사 및 연속발진과 펄스발진의 기본회로를 계산식과 함께 설명하고, 555 IC의 작동를 검사할 수 있는 회로까지 선을 보였습니다. 그러나 어디에도 555가 “어떤 원리로 동작하는지” 감을 잡을 수 있는 단서는 없었습니다. “이거 초보자 회로라고 싹 무시하는거 아냐? 누굴 붕어빵 장사로 아나?”라는 항의가 들리는 듯 합니다.
맞습니다. 원리를 모르면 기본 회로조차 활용할 수 없습니다. 그러나 장황하게 미주알 고주알 설명한다는 것은 역시 피해야 하겠습니다. 우선 전체적인 원리부터 파악해 나가기로 하면 어떻겠습니까?

먼저 첫 번째 이야기 즉 “재미있는 555 Timer IC 이야기” 페이지를 참조해 보겠습니다. 두 번째 그림인 555 IC 내부구조를 소개한 그림 내에서 각 5K 저항인 R7, R8, R9를 찾아 보십시요. 이 세개의 연결된 저항이 중요한 역할을 합니다. R7의 한 단자는 전원(Vcc, VDD)에 연결되어 있고, R9의 한 단자는 GND(0V)에 연결되고, 각 저항값이 모두 5K로 같으므로 이 R7, R8, R9 세 저항으로 구성된 회로는 전원 전압을 3등분 한다는 것을 알아채는 것이 핵심입니다.
즉 R7와 R8의 연결점은 Vcc의 2/3 값이며, R8과 R9의 연결점은 Vcc의 1/3 값이 되는 것이지요.
555 IC는 (지금 설명한) 내부의 2/3 Vcc, 1/3 Vcc를 상한, 하한의 기준전압으로 하고 이 2개의 기준전압과 외부에서 가해지는 전압을 비교함으로써 출력의 상태를 결정합니다.
555 Timer IC는 (외부에서) 6번핀에 가해지는 전압이 2/3 Vcc보다 높아지는 순간 3번 출력핀을 ON으로 셋트(set)하고, 2번핀에 가해지는 전압이 1/3 Vcc보다 낮아지는 순간 3번 출력핀이 OFF로 리셋(reset)시킵니다. 2, 3번 핀의 전압이 2/3 Vcc에서 1/3 Vcc로 떨어지거나, 반대로 1/3 Vcc에서 2/3 Vcc로 올라가는 동안에는 출력핀의 상태가 변하지 않습니다. (디지털회로의 SET-RESET FLIP-FLOP 동작과 같습니다)

마지막으로 하나만 더 555 단독으로 지속적인 구형파(ON-OFF 상태만을 가지고 있는 사각파)를 만들어 내는데 사용하도록 출력이 ON 상태일 때, 7 번핀이 (555 내부에서) GND로 연결되도록 회로가 설계되어 있습니다. (출력이 OFF인 상태에서 7번핀은(내부에서) 아무데도 연결되지 않는, 소위 오픈(OPEN) 상태로 됩니다. 즉 555 내, 외부의 회로에 아무런 영향도 주지 못합니다) 지금까지 설명한 2, 6, 7번핀의 기능이 555 동작의 핵심이 됩니다.

▶ 회로동작 설명 (circuit operation)
① 스위치(SW1)를 닫으면 R4를 통해서 C3에 전하가 채워지고, 그 결과 C3 전압은 6V가 됩니다.
② C3 전압의 압력으로, (직렬연결된) R1과 R2를 통해서 C1에 전하가 채워집니다. 그 결과 C1의 전압은 0V 에서부터 상승하기 시작합니다. 555는 (연결된) 2번과 6번핀으로 C1의 전압을 관찰하고 있습니다.
③ 드디어 C1의 전압이 2 V (1/3 Vcc)를 넘어섭니다. 555는 이 순간을 2번핀을 통해서 알아채고 출력을 리셋(reset)시켜 OFF 상태로 만듭니다. 그러나 555의 초기상태 출력이 OFF 상태였으므로, 외관상 출력변화는 관찰되지 않습니다. (LED가 계속 켜져 있습니다)
④시간이 흘러감에 따라 C1의 전압이 점점 상승하여, 마침내 4V (2/3 Vcc)를 넘어섭니다. 이 순간을 555는 6번핀으로 낚아채어, 출력을 ON으로 셋트(set) 시킵니다. 이제 출력에 연결된 LED가 꺼져 변화가 감지됩니다. 동시에 555의 7번핀이 (555 내부에서) GND로 연결됩니다. 전류 상황이 바뀌었습니다. 이제 C3의 전하는 R1을 거쳐서, 555 7번핀을 통해 GND로 흘러갑니다. 동시에 C1에 축적되었던 전하도 R2와 555 7번핀을 거쳐서 GND로 흘러듭니다. 그 결과 (충전시보다 2배의 속도로) C1의 전압이 하강하기 시작합니다.
⑤ C1 전압이 점점 떨어져서 2V(1/3 Vcc)이하로 내려섭니다. 555는 2 번핀으로 감지하고, 출력을 리셋(reset)시키고 7번핀을 오픈(OPEN) 상태로 만듭니다. LED는 다시 켜집니다. 또 다시 전류흐름이 바뀝니다. (555 7번핀이 GND에서 분리되었으므로) C3의 전하가 R1과 R2를 통해서 C1으로 이동합니다. 그 결과 C1의 전압이 (2V에서) 다시 상승하기 시작합니다.
⑥ 4번으로 돌아갑니다. (즉 4번 상황과 5번 상황이 무한히 반복됩니다.) 지금까지 설명한 내용은 정상적인 555동작을 보여주고 있습니다. 그러나 이번 회로에서는 약간 조건을 비틀어 놓았습니다. 그림의 회로에서 스위치(SW1)를 열어버리면 어떻게 되겠습니까? C1에 공급되는 전하를 C3(100uF)에서 공급받는 점은 변함이 없지만, C3는 이제 전원과 분리되어 있으므로 소비되는 전하를 보충할 길이 없습니다. C3의 고갈되어 가는 전하는, C3 전압이 떨어지는 결과로 되어 C1에 전하가 충전되어 가는 속도를 점점 늦추게 됩니다. 결국 C1의 전압이 점점 늦게 상승하게 되므로 LED의 깜박임도 서서히 늦어지게 되고, 최후에는 완전히 멈추게 됩니다.

전자 메트로놈(Metronome)을 만들어보면…

▶ 회로도 (The circuit diagram) : 메트로놈 회로

▶ 회로설명 (circuit description)
이번에는 555의 구형파 출력을 소리로 변환하는 회로를 실험하는 것입니다. 우리는 인간(人間)의 귀가 20-20,000Hz의 주파수의 (공기)진동을 소리로 감지(感知)할 수 있다는 것을 알고 있습니다. 555가 출력하는 구형파의 상승, 하강 부분에는 여러가지 주파수의 진동이 섞여 있습니다.
다만 전기적 진동이지요. 이 전기 진동을 공기의 진동으로 변환하여 우리가 소리로 인지할 수 있도록 해 주는 부품이 바로 스피커입니다.
그런데 이번 실험에서는, 555로 출력되는 구형파의 주파수 변화를 바로 소리의 높낮이로 연결하지는 않습니다. 오히려 주파수보다는 시간을 중시합니다. 구형파 한 주기 내에서의 ON시간을 (OFF 폭보다) 훨씬 짧게 만들어 주면 “똑” 하고 짧게 끊어지는 소리가 나옵니다. (한 마디로 듀티비가 큰 파형을 만들어 주는 것입니다.) 이런 조건하에서 전체 주파수를 변화시켜 보면, (음색에는 영향을 주지 않고) “똑” 소리와 다음에 이어지는 “똑” 소리 사이의 시간만이 달라지는 것을 알 수 있습니다.

▶ 회로동작 설명 (circuit operation)
먼저 시간의 설명에 따르면 555출력은 6번핀의 전압이 2/3 Vcc에 도달했을 때 ON상태가시작되고, 2번핀이 1/3 Vcc 아래로 떨어지면 OFF로 환원됩니다. 우리의 목적은 555출력 구형파에서, 짧은 시간의 ON 시간을 갖도록 설계하는 것이므로 VR1과 R1 저항값의 비율을 크게해 주는 것이 포인트가 됩니다.
회로에서 보면, C1의 전압은 직렬연결된 VR1과 R1을 거쳐 전원에서 유입되는 전하에 의해 상승합니다. 반면에 (555 출력이 ON 상태일 때) R1을 거쳐 7번핀과 연결된 GND로 빠져나가는 전하에 의해 C1 전압은 하강합니다. 이 회로에 설계된 외부저항(VR1, R1)의 값을 관찰해 보면 VR1의 값이 R1보다 큰 값으로 되어 있습니다. 이런 이유로 C1에 충전되는 전압은 서서히 상승하지만, 방전은 상대적으로 빠르게 일어나서 일종의 톱니 모양의 파형을 나타내게 됩니다.
555의 출력 구형파를 소리로 변환시키는 스피커 회로는 의외로 간단합니다. 특이한 점이 있다면 C3, 10uF 콘덴서를 출력단자와 스피커사이에 직렬로 연결해 둔 것입니다. 이유는? 스피커에 직류성분을 뺀 교류신호만을 인가해 주기 위해, 콘덴서를 직렬로 삽입한 것입니다. 소리의 발생은 신호의 변화부분(교류)만이 필요하다는 것을 짐작할 수 있는 대목입니다.

▶ 동작시험/조정 (testing and tuning)
VR1의 노브를 돌려 저항값을 변화시키면, 소리의 빠르기를 조정할 수 있습니다.

CDS로 어두워지는 하늘를 감지하는
회로를 만들어보자

▶ 회로도 (The circuit diagram) : 일몰 경보기 회로

▶ 회로설명 (circuit description)
이번에는 CDS라는 재미있는 부품을 소개하겠습니다.
아시다시피 전자회로의 부품중에는 센서(sensor)라고 불리우는 종류가 있습니다. 센서란 자연의 여러가지 물리/화학적 변화를 전기신호로 변환해 주는 (전기/전자)부품을 의미합니다.
짐작하시겠지만, 두뇌에 해당하는 마이컴이나 컴퓨터, 여러가지 전자회로만으로는 실질적으로 의미있는 일을 수행하기 어렵습니다. 인간(人間)도 마찬가지지요. 오감(五感)과 근육과 뼈로 이루어진 입과 손발이 없다면 달랑 머리만으로 사람이라 말하기 어렵겠지요?
정리하면, 우리 인간의 오감(보고, 듣고, 냄새맡고, 맛보고, 촉감으로 느끼는…)에 해당하는 역할을 담당하도록 개발된 부품종류를 센서(sensor)라고 부릅니다. 현대문명의 발전은 센서의 발달수준과 병행한다고 해도 과언이 아닐 것입니다.
이번 회로에서는 여러가지 센서(sensor) 가운데 빛과 관련된 센서중의 하나인 CDS를 사용합니다. CDS는 빛의 세기를 감지할 수 있는 소자(素子)로, 값이 저렴하고 사용이 간단해서 널리 사용되는 부품입니다.

▶ 회로동작 설명 (circuit operation) 

회로도에 보면 555의 4번 리셋(reset) 단자가 R3와 cds1의 연결점에 이어져 있습니다. 메뉴얼에 의하면, 리셋(reset) 단자의 전압이 약 2/3 Vcc보다 높아져야 555가 동작한다고 되어 있으므로 이 회로에서는 리셋단자가 대략 4V 보다 커지면 (555가 동작하여) 스피커에서 소리가 날 것으로 예상할 수 있습니다.
CDS의 양단 저항은 밝은 빛이 닿으면 약 200Ω 정도, 빛이 전혀 닿지 않을 때에는 약 2MΩ까지 증가하므로, 리셋 단자 전압은 약 1.0V (CDS가 밝은 빛에 있어서, 200Ω인 경우) 에서 약 5.7V (CDS가 2MΩ인 경우) 까지 변화하게 됩니다. 이 말은 리셋 전압이 밝은 대낮에는 1V, 깜깜한 밤에는 5.7V라는 의미로 1V에서 5.7V까지 변화하는 동안에 반드시 4V를 거쳐가야 하므로, 날이 어둑어둑해 가는 무렵 어디에선가 555가 갑자기 깨어나서 소리를 지르게 될 것입니다. (집에가서 밥 먹을 시간이라고…)

▶ 동작시험/조정 (testing and tuning)
CDS의 표면을 손으로 천천히 막아나가 입사되는 빛을 점차 차단해 가다보면, 어느 시점에서 555가 동작하고 스피커에서 소리가 나게 됩니다.

전자회로로 5분짜리 타이머를 만들어보자.

▶ 회로설명 (circuit description)
일상 생활에서의 5분은 긴 시간이라고 전혀 생각되지 않습니다.
물론 생사의 위기에 직면해 있는 순간이라면 이야기가 달라지겠습니다만 보통의 5분은 일상에서 흔히 지나치는 평범한 순간 순간들일 뿐입니다.
반면에 마이크로 컴퓨터 세계에서의 5분은 정말로 다른 의미의 시간이라고 밖에는 말할 수 없습니다. 눈 깜짝할 순간에 불과한 1초 동안에 수백만회의 명령을 수행할 수 있는 오늘날 PC의 입장에서 보면, 5분이란 시간은 수 많은 일거리 뒤편에 감추어진 오아시스 만큼이나 까마득하고 아득하게 느껴집니다.
전자회로 하드웨어의 세계에서도 5분이란 기나 긴 시간에 해당합니다.
전자회로에서 흔히 사용되는 단위가 ms (1/1000 초) 나 us (1/1000 x 1/1000 초) 라는 것을 생각해 보면, 300초에 해당하는 5분이 얼마나 오래 지속되는 시간인지 쉽게 가늠해 볼 수 있습니다.
이제 이 길고 긴(?) 5분이라는 시간경과를 알려주는 타이머를 555를 사용하여 만들어 봅시다. 555의 기본적 펄스회로를 응용하면 5분이나 10분을 지속하는 장시간 펄스도 간단히 만들 수 있습니다.
아마 다른 회로나 마이컴 프로그램으로 5분 경과를 나타내고 한다면 결과에 도달하기가 수월치 않을 겁니다.

▶ 회로도 (The circuit diagram) : 5 분 타이머 회로

▶ 회로동작 설명 (circuit operation)
555 기본회로편의 “펄스 발생회로” 페이지를 참조하면 타이머 회로의 기본요소를 쉽게 파악할 수 있습니다. 차이점이 있다면 4번 리셋(reset) 핀의 처리 정도입니다.
누군가가 SW1을 눌러 타이머를 작동시키고 있다고 가정합시다. 그런데 어떤 이유로 (먼저 타이머 동작을 취소하고) 다시 지금부터 5분을 셀 필요가 생겼다고 합시다. 이런 경우에 555 2번의 트리거 핀을 재 동작시키는 것만으로는 충분하지 않습니다. 트리거의 기능이란 총의 방아쇠와 같아서 단지 시작 순간을 지시할 뿐이지, 한 번 시작한 일을 되돌리는 기능은 없기 때문입니다. 이와같은 경우에 필요한 것은 리셋으로 모든 진행을 취소하고 처음부터 다시 시작하는 기능을 갖고 있습니다. 회로에 보면 4번 리셋단자가 SW1에 연동되어 있어서 SW1을 눌렀다 떼면, 555의 트리거와 리셋이 (0V에서 5V로 상승하는 순간) 동시에 작동하게 됩니다.
SW1을 누르면 두 LED가 모두 꺼집니다. (준비) SW1을 떼면 (땅!), 555 3번 출력은 High 상태로 되고 T = 1.1 x (VR1+R1) x C1 [초] 동안 지속됩니다. 그 동안에 LED1의 녹색 램프가 켜져 있습니다. 정해진 시간이 경과하면 555 3번 출력은 Low로 되고 (555 3번 출력이 0V 이므로) 이번에는 LED2 적색 램프가 켜져서 종료를 표시해 줍니다.
T = 1.1 x (VR1+R1) x C1 식에 의하면, 5분 즉 T = 300초를 맞추기 위해서 VR1+R1값이 약 2.7㏁이 되어야 합니다. R1 값이 2.2㏁이므로 VR1 양단값이 약 0.5㏁ (500㏀)이 되도록 노브를 돌려줍니다.
사용한 C1 100uF 전해콘덴서의 오차가 10% 이므로, 정확한 타이머 값은 시계를 보고 보정해야 한다는 점을 잊지 마시기 바랍니다.

다음편에서 계속 됩니다.

왕초보 전자회로 강좌특집 3부 – 1 글 |스네일앤 스네이크 ※ 상기 내용은 디바이스마트와 스네일앤 스네이크의 협의를 통하여 사용을 득한 내용입니다.

재미있는 555 Timer IC 이야기

이 페이지에서는 심각한 이야기는 없습니다.
편안한 마음으로 즐기시기 바랍니다.

때는 “마법의 돌”로 불리우는 트랜지스터의 전성기이며, 새로 개발되는 IC들이 호시탐탐 세력을 확장하려고 노리고 있던 1970년대 초반, 미국 시그네틱스(Signetics)사 엔지니어인 Hans R. Camenzind씨가 개발한 오실레이터/타이머 IC인 제품명 SE/NE555가 시판되기 시작하였습니다.
초창기에 “The IC Time Machine”라는 예명으로 불리운 SE/NE555는 상업적으로 개발된 최초의 Timer IC 였습니다.
SE/NE555는 값싸고, 안정하고, 사용하기 쉬운 특징으로 회로 설계자와 땜쟁이들 모두에게 호평 받으며 전대미문의 판매고를 올리기 시작하였습니다. 오늘날 MC1455와 같은 CMOS 버젼으로 재 설계된 555는, 2003년 한 해만도 약 10억개가 판매되었으며 대부분 한국의 삼정전자에서 만들어져 전 세계로 공급되었습니다. 555는 하이테크 회로의 설계에는 물론이고 취미 회로와 장난감에서부터 NASA의 우주선까지를 망라하는 (믿을 수 없을 정도로) 광범위한 응용예를 가지게 되었습니다. (주 : 우주선의 회로에 사용하는 555는 NASA에서 요구하는 저온 동작 특성을 만족하는 것입니다)
555를 개발한 Hans Camenzind씨의 2004년 6월에 이루어진 인터뷰에 의하면 “나에게 555 family는 놀라움 그 자체입니다. 나는 555가 범용으로 사용되도록 개발했습니다. 그런데 이렇게까지 널리 사용될 줄은 전혀 생각하지 못했습니다. 지금 555가 사용되는 응용회로의 종류를 생각하다 보면 흥분을 억제할 수 없습니다. 그리고 사용되는 양이라니…
발매된 이듬해부터 지금까지 30년동안 시판되는 어떤 IC보다도 월등한 양이 판매되고 있습니다. 원래는 타이머(timer)와 발진기(oscillator)에 응용하도록 설계되었는데, 지금은 처음 생각을 완전히 넘어가고 말았습니다.”
OP-AMP IC가 대량으로 사용되는 것을 생각하면, 555가 30년 동안 1위의 판매량을 고수하고 있다는 말은 의아하게 들린다.
그러나 OP-AMP는 서로다른 사양의 약 500 종류의 IC가 경합하는 까닭에, 단일 IC의 판매량으로는 555에 미치지 못한다고 합니다.
자세한 내용은 아래의 참고자료들을 참조하십시요.

www.semiconductormuseum.com/Transistors/LectureHall/Camenzind/Camenzind_Index.htm
www.uoguelph.ca/~antoon/gadgets/555/555.html

▶ 555 IC의 내부구조
단지 25개의 트랜지스터와 2개의 다이오드만을 사용하고 있다.

555는 응용회로 설계에 사용하기에 아주 편리한 특성을 가지고 있습니다. 우선 외관적으로 8핀 뿐이므로, 간단하고 만만해 보입니다.
동작하는 전압의 범위도 4_15V로 신축성이 있어 까다롭지 않고, 동작 주파수 범위도 1/50Hz에서 1MHz까지 넓은 영역에서 동작합니다. (1/20Hz_300KHz 사용권장) 온도특성도 50ppm/℃로 아주 우수한 편이며, 회로의 동작은 555 외부에 자리잡은 저항(R), 콘덴서(C) 값과 연결방법만으로 정해집니다. 이와같이 555를 사용한 회로의 안정성과 정확도는, 555 IC 외부의 저항(R)과 콘덴서(C)의 특성에만 의존하므로 쉽게 고급 기능의 회로를 만들 수 있다는 장점이 있습니다.
이런 이유들로 555는 어디에서나 발견할 수 있는 IC가 되었습니다. 그러므로 적절히 사용하기만 한다면, 초보자를 위한 우리의 응용회로에서도 훌륭히 임무를 완수하여 줄 것을 믿어 의심치 않습니다.

원래 어느정도 지식을 갖추고 있는 사람이 더 많이 공부하는 것이 쉽지, 초보자 입장에서 새로운 지식을 습득하는 것이 훨씬 어려운 법입니다.
이런 이유로 초보자용 교재일수록 대가가 기술하고, 고급의 장비를 사용하여 실험하도록 배려하는 것입니다. (미국의 과학교재인 PSSC 시리즈나 전파과학사의 현대과학신서(現代科學新書)를 보십시요. 대학에서 요구하는 고급 장비와 기자재들을 고려해 보십시요)
필자는 전자회로에 입문(入問)한 용감한 여러분들이 최상의 부품과 최적의 회로로 학습하기를 진심으로 바라고 있습니다.
아마 아날로그 회로에 경험이 많은 누구라도, 초보자 실험용으로 적합한 IC로 555를 꼽는데 주저하지 않을 것이며, 필자의 의견도 이와 다르지 않습니다. 이런 이유로 해외의 수 많은 Hobby 사이트에도 555 응용회로는 빠지지 않는 것입니다.

필자도 고등학교 시절 우연히 아버님이 계시던 연구소에서 근무하는 친절한 연구원으로부터 555를 소개받았던 기억이 있습니다. 그 분이 종이에 그려준 간단한 회로도로 (만능기판에 납땜해) 제작해 보았으나 동작에는 실패하고 말았습니다. (그 분이 한참 주물러서 결국 동작하였습니다. 브레드보드가 없던 옛날이었습니다. ) 그 후 까맣게 잊고 있었으나, 이 경험이 필자에게 전자회로에 친근감을 갖는 계기가 되었다고 생각합니다. 1~2년 후에 전자회로에 입문하게 되었으며 다시 몇 년 후에는 독학으로 국내에 막 도입된 Z80 마이크로 프로세서 회로를 설계하고 프로그래밍하여 그 분을 놀라게 할 수 있었으니까요.

555 연속발진(Astable circuit)에 필요한

기본회로와 계산식

▶ 회로설명 (circuit description) 

555 Timer IC의 응용회로는 1. 연속발진 회로 2. 펄스회로의 두 가지로 크게 나누어집니다. 연속발진 회로는 동일한 주기의 구형파(사각모양의 신호파)를 무한히 발생시키는 회로로 수 많은 응용분야를 가지고 있습니다. 대표적인 사례로 일정한 높이의 소리를 발생시키는 회로를 들 수 있습니다.

▶ 회로동작 설명 (circuit operation)
1. 첫 번째 그림이 연속발진 기본회로입니다.
555 IC의 8번핀은 전원에, 1번핀은 GND에, 4번 reset 핀을 전원에 연결하고 2번핀과 6번핀을 서로 연결해 두면 준비가 끝납니다.
3번핀으로 출력이 나오므로 (눈으로 확인하기 위해) LED를 연결하면서LED가 파손되는 것을 방지하기 위해 전류제한 저항 R3를 LED에 직렬로 연결합니다.
출력되는 구형파의 주파수(f), 주기(T), ON 시간 (T1), OFF 시간 (T2)는 555 IC의 외부에 부착되는 R1, R2, C의 값으로 결정되며, 계산은 (회로도) 우측의 식에 따릅니다. 단 출력되는 구형파의 크기는 전원전압의 값에 따라 진폭이 달라집니다.

※ 555 IC의 동작전압 범위는 3~15V 입니다.
※ 세라믹 콘덴서 C2는 동작 안정용입니다.
간단한 회로에는 생략해도 O.K
※ 전해 콘덴서 C3은 전원전압 안정용입니다. 보통의 경우 없어도 무방합니다.
※ 출력되는 구형파의 주파수가 조금만 높아져도(LED의 깜박거림이 감지되지 않아) 눈으로 T1과 T2 영역을 구별하기 힘들어지고 마치 켜져있는 것처럼 보이므로 주의를 요합니다.

2. 두 번째 그림은 R1과 C1 두 개의 외부부품만으로 동작하는 연속발진 회로입니다.
555의 7번핀을 사용하지 않으며 회로연결과 계산식이 기본회로와 다르므로 주의하여야 합니다.

3. 세 번째 그림은 기본회로에서 다이오드를 사용해 변형시킨 연속발진 회로입니다. 계산식에 의하면 T1과 T2가 각각 R1과 R2에만 영향을 받으므로 임의로 듀티비(T1/T, T2/T)를 설계하고 싶을 때 사용하는 회로입니다. 의외로 사용예가 많습니다.

▶ 동작시험/조정 (testing and tuning)
낮은 주파수(수 십 Hz 미만)에서는 555의 3번 출력핀에 연결된 LED의 깜박거림을 관찰하여 동작을 확인합니다. 주파수가 높아지면 오실로스코프를 사용하지 않는 한 직접적인 확인이 어렵습니다.
역으로 이와같은 확인의 어려움이, IC 외부의 R과 C값만으로 정확한 발진값이 보장되는 555가 널리 사용되는 이유이기도 합니다. 회로를 설계하고 동작을 확인해야 하는 입장에서 보면 555의 정확도와 신뢰성은 백만원군의 가치와 크게 다르지 않습니다.

555 펄스발생(Monostable circuit)에 필요한

기본회로와 시험방법

▶ 회로설명 (circuit description)
555의 펄스 발생회로는 최소 10ms에서 최장 1 시간 이상의 폭을 가진 단일펄스를 생성할 수 있으므로 트리거 회로나 기준신호 발생등 다양한 응용분야에서 활약하고 있습니다.
대표적인 사례로는 타이머 회로를 들 수 있습니다.

▶ 회로동작 설명 (circuit operation)
1. 첫 번째 그림이 펄스발생 회로입니다. 딱 하나밖에 없습니다. 555 IC의 8번핀은 전원에, 1번핀은 GND에, 4번 reset 핀을 전원에 연결해 두면 준비가 끝납니다.
2번 trigger 핀은 R2 풀업저항을 거쳐 전원에 연결되어 있습니다.
GND에 연결된 스위치를 눌러 555 2번핀의 상태가 Low로 되는 순간 3번 핀에서 (R1과 C에 의해 정해진 폭의) 펄스가 출력됩니다. 이와같이 특정한 핀의 상태를 전환하는 회로에서, 전원에 연결된 풀업저항을 생략하면 스위치를 누르는 순간 전원이 GND와 쇼트되어 버립니다. 실험시에 논리값에 몰두하다가 무심코 풀업저항(R2)의 사용을 잊어버리는 경우가 종종 생기므로 주의하시기 바랍니다. 3번핀으로 출력이 나오므로 (눈으로 확인하기 위해) LED를 연결하면서 LED가 파손되는 것을 방지하기 위해 전류제한 저항 R3를 LED에 직렬로 연결합니다.
출력되는 펄스의 폭(T)은 555 IC의 외부에 부착되는 R1, C의 값으로 결정되며, 계산은 (회로도) 우측의 식에 따릅니다.
단 출력되는 펄스의 크기는 전원전압의 값에 따라 진폭이 달라집니다.

※ 555 IC의 동작전압 범위는 3~15V 입니다.
※ 세라믹 콘덴서 C2는 동작 안정용입니다. 간단한 회로에는 생략해도 O.K
※ 전해 콘덴서 C3은 전원전압 안정용입니다. 보통의 경우 없어도 무방합니다.

▶ 회로도 (The circuit diagram) : 기본적인 555타이머 IC 펄스발생 회로

2. 두 번째 그림은 펄스발생 회로를 응용한 회로입니다.
스위치 대신 외부의 다른 회로에서 오는 펄스신호를 사용하여 트리거(trigger)합니다. (입력펄스의 하강에지 사용) 예를들어 10ms의 실날같은 펄스폭을 출력하는 회로를 설계하여 만들었다고 생각해 봅시다. 어떻게 하면 펄스가 제대로 발생하는지를 확인해 볼 수 있을까요?
답은 그림에서 소개한 회로를 만들어 시험해 보는 것입니다. 이 회로는 (LED로 구별할 수 없는) 짧은 입력펄스를 받아 R1과 C로 정해지는 긴 폭의 펄스를 생성하므로 적당한 R1과 C 값을 선택하면 3번 출력핀의 LED로 입력펄스의 유무를 눈으로 확인할 수 있습니다.

555 2번의 트리거(trigger)단자는 전압이 H → L 상태에서 동작합니다. (출력펄스의 시작점이 됩니다.) 이 회로에서는 R4, R5, C3, D의 4개 부품으로, 입력펄스의 하강부분(하강에지, falling edge)에서 555 트리거(trigger)에 필요한 짧은 펄스를 만드는 사전작업을 합니다. 사전작업 파형은 회로내에 Vx로 나타내었으며 그림 우측 하단의 타이밍챠트(timing chart)에서 관찰할 수 있습니다. (회로내의 D에 의해 입력펄스의 상승부분(상승에지, rising edge)은 Vx 파형에 거의 나타나지 않습니다)
만약 입력펄스의 상승부분(상승에지, rising edge)에서 555를 트리거(trigger)하고 싶으면, 그림 좌측 하단의 회로를 사용합니다. (즉 (A)와 (B) 사이에 삽입합니다) 사용한 트랜지스터 회로는 (A)신호의 파형을 반전해서 (B)로 전달해주는 역할을 해 줍니다.

▶ 동작시험/조정 (testing and tuning) :
첫 번째 회로의 동작은 적당한 값의 R1과 C를 정하고 R2, 스위치를 555에 연결한 후 스위치를 눌러 출력단자에 연결된 LED의 점등을 관찰합니다.
두 번째 회로는, 첫 번째 회로의 출력(A)을 두 번째 회로의 입력(B)에 연결하고 스위치를 눌러 동작을 시험합니다. (첫 번째 회로의 LED와 두번째 회로의 LED 관찰) 다음에는 트랜지스터를 사용한 반전회로를 (A)와 (B)사이에 넣어 시험합니다. (첫 번째 회로의 R1과 C의 값을 작게 정하면 눈에 보이지 않는 펄스출력을 두 번째 회로에서 감지하는 것을 확인할 수 있습니다)
긴 폭의 펄스(수 십 Hz 미만)에서는 555의 3번 출력핀에 연결된 LED의 점등을 관찰하면 동작을 쉽게 확인할 수 있습니다. 그러나 펄스폭이 짧아지면 고가의 메모리 오실로스코프를 사용하지 않는 한 직접적인 확인이 불가능합니다.

555 Timer IC의 작동을 확인할 수 있는 회로를 만들어보자

▶ 회로설명 (circuit description)
555 IC를 사용하여 회로를 만들려면, 우선 사용하려고 하는 555가 정상적으로 동작한다는 보장이 있어야 합니다.
회로를 제작하다가 원하는대로 작동하지 않으면 먼저 사용하고 있는 부품이 의심이 가는 법입니다. 저항이야 테스터로 값을 재보면 되고 콘덴서는 외관이 멀쩡하면 보통 문제는 없습니다. 그러다 보면 언제나 의혹의 눈길이 IC로 향하게 됩니다 (혹시 요놈이 죽은 건 아닐까…???)
그렇다면 이런 의심의 검은 구름이 마음속에 뭉개뭉개(?) 일어날 때 도대체 어떤 방법으로 IC가 건재하다는 것을 확인할 수 있을까요?
해답은 하나! 동작시켜 보는 것 뿐이랍니다.

▶회로도 (The circuit diagram) : 555 Timer IC의 작동을 확인하는 회로

▶ 회로동작 설명 (circuit operation)
먼저 설명한 555 (연속발진) 기본회로를 사용하였습니다.
차이가 있다면, 555 3번핀 출력단자에 LED 2개를 사용하여 출력파형의 High상태와 Low상태를 모두 모니터링할 수 있도록 한 정도입니다.
회로안에 주파수를 결정하는 파라미터로 R1 100k, R2 10k, C1 10uF를 사용하였으므로 그림의 아래측에 계산된 바와같이 1.2Hz의 주파수의 구형파가 출력단자에 나타납니다. 1.2Hz의 주파수란 뜻은 약 0.8초의 주기(T, 주파수의 역수)라는 의미로, (약 0.8초의) 1 주기의 신호안에 High, Low 상태가 완결된다는 의미를 가집니다. 회로에서 6V 전원을 사용하므로, 출력상태가 High인 경우는 6V, Low인 경우는 0V가 출력단자에 나타나게 됩니다.

555 출력이 High인 구간에서 3번핀의 전압은 약 6V가 됩니다. 이 경우에 회로안의 LED1은 (555 출력단자에서 LED를 거쳐 GND로 전류가 흐르므로) 켜지게 됩니다. LED2 는 (LED 양단전압이 모두 6V로 전류가 흐를 수 없어) 꺼져있는 상태가 됩니다.
555 출력이 Low인 구간이 되면 3번핀의 전압은 약 0V가 됩니다.
이 경우에 LED1은 (LED 양단전압이 모두 0V 이므로 전류가 흐를 수 없어) 꺼져 버립니다. 반대로 LED2는 (전원에서 LED 2를 거쳐 555 출력단자 속으로 전류가 흐르므로) 켜지게 됩니다.
555 시험회로에서 얼핏 생각하면 LED2는 필요없어 보이기도 합니다.
555 출력단자에서 6V가 나오는 것은 의미가 있지만, 0V로 되는 것은 굳이 고려할 필요가 없다고 생각되기 때문입니다. 그러나 한 번 더 깊이 생각해보면 전압이 0V로 된다는 것만이 고려사항이 아니고, 전압 0V일 때 출력단자로 흡입(sink)되는 전류도 함께 생각할 필요가 있다는 점을 이해할 수 있습니다.
그러므로 소개한 회로처럼, 어떤 부품이나 IC의 동작을 시험하는 장치가 되면 시험대상을 여러가지 다각도로 진단하여 완전한 검사가 되도록 고심할 필요가 있습니다. 시험장치는 이러한 까다로운 조건들을 충족시켜야 하고 믿을 수 있어야 하므로 고급 기술을 필요로 하며 비싼 값으로 판매되는 것입니다.

▶ 동작시험/조정 (testing and tuning)
LED1과 LED2가 약 0.8초 구간안에서 번갈아가며 켜지고 꺼집니다. (LED1이 켜져있는 경우 LED2는 꺼지게 되며, LED2가 켜져있는 경우 LED1은 꺼집니다)
이렇게 두 LED가 번갈아가며 동작하면 555 IC의 상태는 양호하다고 판단할 수 있습니다.

다음편에서 계속 됩니다.

글 |스네일앤 스네이크

※ 상기 내용은 디바이스마트와 스네일앤 스네이크의 협의를
통하여 사용을 득한 내용입니다.

일곱번째 회로 만들기 / 코일

이번 시간에는 준비한 8 가지 기초회로 중의 일곱번째로 555 (Timer IC)의 펄스열 발생회로를 사용하여
코일의 특성을 이해할 수 있는 회로입니다.

회로의 부품중에 코일이 추가 되었으므로, 아래에 설명합니다. (공통부품인 브레드보드와 전원, 부품배치와 회로도 보는 법에 대해서는 앞에서 미리 설명을 드렸습니다)
그림  “회로도 이해하기 (9)”에 회로도, 실체도, 부품리스트, 동작테스트 방법 및 주의사항이 나옵니다. 이 구성은 모든 회로예제에서 마찬가지입니다.

※ 처음 회로를 제작하시는 분은 “실체도”를 똑같이 제작하시기 바랍니다. 다음에 회로동작을 확인한 후 자신의 생각대로 부품배치를 바꿔서 동작시켜 보십시요.

▶ 회로설명
실험에 사용한 555 Timer IC 회로는 (여섯번째 회로와 같은) 펄스열 발생회로 입니다. 그러므로 555 IC의 3 번 출력핀에서는 주기(T)가 약 1.4초 간격인 펄스열이 발생됩니다. 발생된 펄스를 전압으로 관측하면 주기 T의 구형파(square wave)가 나타납니다.
이 출력전압에 의한 전류는 2 줄기로 나누어져 GND(0V)로 흘러갑니다.
(① R2 → LED1 ② D1 → L1, C2 → R3 → LED2) 한 줄기의 전류는 R2를 거쳐 LED1으로 전달되므로 LED1은 약 1.4초의 간격으로 점등/소등을 되풀이합니다. 다른 줄기의 전류는 D1을 거친 후에 L1과 C2로 구성된 로우패스 필터 (LPF)에서 직류로 변환됩니다. 이 직류전압에 의한 전류가 R3을 거쳐 LED2로 흐르므로 LED2는 (점멸하지 않고) 켜져있게 됩니다.

▶ 추가실험
L, C로 구성된 로우패스 필터 (LPF)를 낮은 주파수에서 동작하게 만들려면 L과 C를 곱한 값이 매우 커져야 합니다.
실험에 사용된 L1은 쉽게 구입할 수 있는 반면에 크기가 330μH로 너무 작습니다. (코일값이 커지면 따로 주문해야 하므로 소량으로 구입하기 어렵습니다) 그 때문에 회로의 필터에서 코일이 담당하는 역할이 콘덴서의 역할에 비해 너무 미미해 졌습니다. 그 결과로 LC 로우패스 필터(LPF)의 우수한 점이 우리 회로에서는 확실히 나타나지 않습니다.
ㅛR과 C의 부품으로 구성되는 로우패스 필터를 만드려면 코일만 저항으로 바꾸면 됩니다. 실험을 위해 코일자리를 100Ω 미만 값의 저항으로 대치하여 (바꾸어서) 동작을 확인해 봅니다. LED2의 동작은 LC 필터와 같은 결과를 보여줍니다.

▶ 부품설명 : 코일 (Inductor, 정격 단위는 헨리 [H로 표기] )

코일은 신기한 부품입니다. 전선을 길게 쭉 뻗어 놓으면 아무 일도 일어나지 않습니다. 그러나 전선을 같은 방향으로 둘둘 감아 놓으면 교류 에너지를 저장하는 코일이라는 부품이 됩니다. 코일 값을 크게 하려면 코일 가운데 페라이트(ferrite) 코아를 넣습니다. (페라이트 코아의 모양은 I형, O형이 있습니다)
코일은 전자회로에서는 필터회로, 안테나 회로등에 사용되는 정도지만, 발전기, 변압기, 모터등의 전력용 기기에서는 전기 에너지와 기계 에너지를 상호교환 하는 핵심부품으로 중요한 역할을 수행합니다. 코일에 전류가 흐르면 코일 주변에는 자기장이 형성되는데, 하나의 자기장이 영구자석이나 또 다른 코일의 자기장과 상호작용하는 과정에서 힘이나 토오크가 발생됩니다. 이런 이유로 힘이나 토오크를 발생시키는 장치를 설계하거나 성능을 개선하기 위해 코일이 발생하는 공간자속의 분포를 해석하는 작업이 매우 중요하게 되었습니다. 인터넷에 찾아보면 PC를 사용하여 코일의 자기장을 계산하는 finite element analysis (FEA) 공개 프로그램을 발견할 수 있을 것입니다.

※ FEA 에 관심있는 분은 David Meeker의 free modelling package, FEMM v4.0 을 참조하십시요.
여덟번째 회로 만들기 (단안정 멀티바이브레이터)

새롭게 추가된 부품은 없습니다.

(공통 부품인 브레드보드와 전원, 부품배치와 회로도 보는 법에 대해서는 앞에서 미리 설명을 드렸습니다)
그림_“회로도 이해하기 (10)”에 회로도, 실체도, 부품리스트, 동작테스트 방법 및 주의사항이 나옵니다. 이 구성은 모든 회로예제에서 마찬가지입니다.

※ 처음 회로를 제작하시는 분은 “실체도”를 똑같이 제작하시기 바랍니다. 다음에 회로동작을 확인한 후 자신의 생각대로 부품배치를 바꿔서 동작시켜 보십시요.

▶ 회로설명
555 IC의 2 번핀 상태를 주목해 봅시다. 스위치(S1)이 열려있으면 555 IC의 2 번핀은 R3를 통해 전원으로 연결되어 있으므로 ‘H’상태입니다. 스위치(S1)을 닫으면 (여전히 전원에는 R3가 연결되어 있지만) S1을 통해 GND(0V)로 곧바로 연결되므로 ‘L’상태로 바뀝니다. (저항을 통하지 않는 쪽이 영향을 크게 미칩니다. 이렇게 저항과 스위치로 ‘H’와 ‘L’을 변경하는 회로는 아주 많이 사용됩니다. )

※ 만일 회로에서 R3를 없애서 2 번핀이 바로 전원에 연결되어 있다면?
→ 스위치(S1)을 닫는순간 전원과 GND(0V)가 단락(short) 상태로 됩니다. 이런 경우는 전원인 전지가 커다란 전류때문에 뜨거워지고 내부가 파손(소손)됩니다. (회로가 단락(short)되는 것은 최악의 상황으로 무조건 피해야 합니다.)

555 IC의 사양에 의하면 2 번핀은 트리거(Trigger) 핀이며 ‘H’→ ‘L’로 상태가 바뀌는 순간 동작합니다. 우리 555 IC 회로의 구성은 “단안정 멀티바이브레이터” 이며, 2 번핀이 트리거될 때 주기(T)의 구형펄스가 딱 하나 발생합니다. 발생한 펄스는 3 번핀에 연결된 R2와 LED1에 의해 확인할 수 있습니다.
※ T (주기) = 1.1 × R1 × C1 (초)

▶ 추가실험
R1과 C1의 값을 변경하고, 변화된 LED1의 주기를 계산값과 비교해 봅니다.
원하는 시간에, 원하는 길이의 펄스를 딱 하나 발생시킬 수 있는 능력은 얼핏 생각하기 보다 훨씬 중요한 뜻을 가지고 있습니다. 하나가 맘대로 된다는 말은, 하나를 두번 되풀이 하여 (원하는) 둘을 만들 수 있다는 뜻입니다. 따라서 같은 논리를 여러번 되풀이 하면 결과적으로 내가 원하는 어떤 형태의 펄스열이라도 만들 수 있게 됩니다. 우리 인류는 이렇게 발생시킨 펄스열을 사용하는 능력을 개발하여 최근의 디지탈 통신(communication)과 같은 수 많은 일을 할 수 있게 되었습니다.

※ 원하는 시간에 임의 형태의 펄스열을 주고받는 그 자체가 바로 통신(communication) 입니다.

어느덧 우리 강의도 마지막 회에 도달하였습니다. 강의 시작에서 말씀드렸듯이 본 강의의 목적은 전자회로의 초보자로 하여금 회로도를 이해하고 실제부품을 사용하여 전자회로를 제작할 수 있도록 안내하는 것입니다. 회로도는 일종의 언어라고 말씀드렸습니다. 언어를 이해하려면 단어와 문법을 알아야 합니다. 회로도에서 부품의 심볼과 사용하는 용어는 단어에 해당하며 여러가지 약속과 규칙은 문법에 해당합니다.

그런 이유로 강의에서 10 가지 기본부품과 관련된 심볼, 용어를 설명하였고 회로도에 관련된 약속을 설명하였으며 몇 가지의 실제회로를 제작하면서 동작을 실험해 보았습니다. 그렇다면 회로도의 약속을 제작자가 100% 준수하였다는 것을 어떻게 알 수 있겠습니까? 그 답은 제작된 회로를 동작시켜 확인해 보는 것입니다. 회로가 잘 동작한다는 것은 회로도가 충실히 재현되었다는 것을 의미하게 때문입니다.

우리 강의는 대학의 정규 커리큘럼이 아니므로 수강비도 없지만 기말시험도 없습니다. (시험이 꼭 나쁘지 만은 않습니다. 대학에서 시험이 없다면 우리가 강의에서 획득하는 지식의 양은 지금의 반의 반도 안될 것입니다) 그러나 부품을 구입하여 회로를 제작하고 동작시켜 보았으면 여러분은 이 강좌를 수료할 수 있는 자격을 스스로 획득한 것입니다.

강좌를 수료하고 나니 느낌이 어떻습니까? 그동안 고생은 하였지만 분명히 뿌듯한 기분을 가질 수 있을 것입니다. 그렇습니다! 이제 우리는 전자회로를 만들 수 있습니다. 회로도를 보아도 예전처럼 기하적인 그림으로 보이지는 않을 것입니다. 여러분은 회로도를 특수한 의미를 가지고 있는 설계도이며 부품을 구해서 만들어 볼 수 있는 구체적인 안내서로 바라볼 수 있을 것입니다.

이제는 다음 단계를 이야기 하겠습시다. 필자가 여러분에게 이런저런 좋은 말로 전자회로를 공부해 보시라는 이유는 센서와 인터페이스, 마이컴, 컴퓨터 기술을 적절하게 구사할 수 있으면 로봇(robot)과 같이 과학기술을 응용하는 전문분야의 연구에 입문(入門)할 수 있기 때문입니다.
센서(sensor)의 원리를 이해하는 문제는 센서의 종류마다 다르지만 사용방법은 결국 전자회로로 귀착됩니다. 인터페이스는 아날로그부(센서, 파워부)와 디지탈부(컴퓨터부)를 연결해주는 부분으로 전자회로로 이루어 집니다. 마이컴도 동작은 (마이컴)프로그램에 달려 있지만 동작시키는 모든 준비는 전자회로의 영역을 벗어나지 못합니다. (마이컴도 결국은 하나의 IC에 불과하니까요.) 컴퓨터도 프로그램을 빼고 생각하면 그 자체로 커다란 전자회로 뭉치일 뿐입니다. 인터넷을 위시한 통신도 결국은 마찬가지 입니다.

자 이제 전자회로를 어느정도 이해할 수 있으니 우리의 목표인 로봇(robot)이나 코일 건(coil gun), 과학실험장치와 같은 응용기기의 개발과 제작에 성큼 한발 다가섰습니다. 다음 목표는 현대 전자부품의 꽃인 마이컴(micro computer)을 이해하고 사용하는 것입니다.
지금의 우리시대는 온통 마이컴과 컴퓨터로 대표되는 디지탈(digital) 왕국으로 변해버렸습니다. 심지어 전자회로도 과거의 영화를 멀리하고 마이컴의 주변으로 활동범위를 축소, 제한하고 있습니다. 그러므로 지금 단계에서 전자회로의 공부에 깊이 빠져들 필요는 없습니다. “모든 길은 로마로 통한다”라는 말은 현대에서 “모든 회로는 마이컴으로 통한다”로 바꾸어야 할 정도가 되었습니다.

지금에 보면 전기/전자/컴퓨터 기술자와 연구자는 마이컴 이해여부에 따라서 두 집단으로 나뉘어진다고 말해도 과언이 아닙니다. 그러나 마이컴은 책 한두권 또는 강좌 한 두개를 섭렵한다고 해서 쉽게 이해되는 대상은 아닙니다. 마이컴 기술은 전자회로의 지식과 프로그래밍의 이해를 배경으로 하여 설명됩니다. 우리의 주변상황은 프로그램을 배우기는 상대적으로 용이하나 전자회로는 배울 곳이 거의 없습니다. (그 이유는 전자회로가 배울만한 가치가 없어서가 아니라 전자회로를 알고 활용하는 사람이 적어 가르치는 곳이 드물기 때문입니다)

그러나 마이컴을 내장된 프로그램에 따라 동작이 정해지는 IC로 생각한다면 사용하는 방법은 어렵지 않습니다. 그냥 일반 로직 IC와 같이 사용하면 되니까요… 마이컴이 배우기 어렵다는 말의 의미는 수 많은 종류의 마이컴마다 서로다른 프로그램 작성법 때문입니다. (마이컴은 종류마다 하드웨어(hardware)가 다르게 설계되므로, 하드웨어와 밀접한 관계를 맺고있는 기계어 명령도 종류마다 다릅니다) 또 마이컴에 사용되는 프로그램은 일반 개인용 PC에서 작성되고 기계어 코드(machine code)가 생성되지만, 개발된 프로그램의 동작을 확인해 보려면 마이컴에 옮겨담는 과정을 거쳐, 마이컴이 동작할 수 있는 회로안에서 작동시키고 시험하는 과정을 반복해야 합니다. 어떤 프로그램도 완전하게 작동하려면 많은 버그(bug)를 잡아내는 수정과정이 필요하므로 설명한 프로그램 개발과정이 (시간이나 비용면에서) 만만치 않으리라는 예상을 쉽게 할 수 있습니다. (시뮬레이션 프로그램을 사용하거나 전문적인 ICE 장비를 사용하는 방법도 있습니다. 그러나 시뮬레이션방법은 제약이 많으며 전문 ICE 장비는 고가(高價)이며 학습기간도 많이 필요합니다.)

이와같이 마이컴의 프로그램을 작성하고 시험하는 방법을 배우는 것은 큰 도전입니다. 학습에 필요한 노력과 시간, 자금도 많이 필요합니다. (대학생인 경우 1 종류 마이컴 습득에 6 개월정도) 그러나 일단 배워서 사용할 수 있게되면 자부심으로 목에 힘 주고 활보할 수 있습니다. 우리의 응용 프로젝트 개발에서도 마이컴은 당연히 많이 사용될 것입니다. (마이컴을 사용하면 사용하지 않을 때보다 훨씬 간단하고 신뢰할 수 있는 회로를 만들 수 있습니다) 그러나 마이컴의 사용방법도 지금까지 우리가 공부해온 “회로도 보고 제작하기”의 범위를 벗어나지 않습니다.

※ 오픈 프로젝트나 다른 공동작업을 할 때는, 이미 마이컴에 기록되어 있는 프로그램을 수정할 필요가 생깁니다. (기능이 추가되거나 변경, 개선될 때) 이런 경우를 대비하여 마이컴의 롬(ROM)안에 미리 부트로더(bootloder) 프로그램을 기입해 놓으면 새로운 프로그램을 PC의 COM 포트(RS232C)에 연결하여 (마이컴으로) 다운로드할 수 있습니다.
※ 부트로더(bootloder) 프로그램의 사용은 원칩 마이컴 롬(ROM)에 플레시롬을 사용한 경우에 한정됩니다. 우리의 응용 프로젝트에는 마이크로칩사의 원칩 마이컴 16F87x 시리즈를 사용하므로 부트로더를 사용할 수 있는 환경입니다.

▶ 왕초보 전자회로 강의를 종료합니다. 수고하셨습니다.
다음 강의에 만나 뵙겠습니다.

글 |스네일앤 스네이크

※ 상기 내용은 디바이스마트와 스네일앤 스네이크의 협의를
통하여 사용을 득한 내용입니다.

네번째 회로 만들기 / 트랜지스터

이번 시간에는 준비한 8 가지 기초회로 중의 네번째로 트랜지스터의 특성을 이해할 수 있는 회로입니다.
회로의 부품에 트랜지스터(Tr)가 추가 되었으므로 이 부품도 함께 설명합니다.

(공통부품인 브레드보드와 전원, 부품배치와 회로도 보는 법에 대해서는 앞에서 미리 설명을 드렸습니다)
그림_“회로도 이해하기 (6)”에 회로도, 실체도, 부품리스트, 동작테스트 방법 및 주의사항이 나옵니다. 이 구성은 모든 회로예제에서 마찬가지입니다.

※ 처음 회로를 제작하시는 분은 “실체도”를 똑같이 제작하시기 바랍니다. 다음에 회로동작을 확인한 후 자신의 생각대로 부품배치를 바꿔서 동작시켜 보십시요.

▶ 회로설명
스위치(S1)을 닫으면 R1을 통해 C1으로 전하가 천천히 모입니다. 그 결과 C1의 전압이 서서히 상승합니다. 상승되가는 C1의 전압은 R2를 거쳐 Tr1의 베이스 전류(Ib)를 0 으로부터 천천히 증가시켜 갑니다. 트랜지스터(Tr)의 특성에 의해 콜렉터 전류(Ic)는 베이스 전류에 비례하여 증가하므로 LED1이 서서히 밝아집니다. ( Ic = hfe (증폭률) × Ib )
반대로 스위치(S1)을 열면 C1에 모여있는 전하가 (베이스 전류(Ib)를 통해서 완전히 방전될 때 까지) 서서히 감소하므로, 콜렉터 전류(Ic)도 따라서 감소하게 되고 그 결과 LED1이 서서히 어두워지면서 마침내는 완전히 꺼져버립니다. R3의 역할은 C1에 모여있는 전하를 완전히 방전시켜서, 다시 스위치(S1)을 닫을 때 전원을 투입한 처음상황과 똑같은 회로동작을 재현하도록 만드는 것입니다.

※ 베이스 전류 (Ib) = 베이스(B)에서 에미터(E)로 흐르는 전류
※ 콜렉터 전류 (Ic) = 콜렉터(C)에서 에미터(E)로 흐르는 전류
※ hfe(증폭률)은 트랜지스터 마다 다릅니다. (대개 50 – 200 정도입니다)
※ 제작할 때 사용한 트랜지스터(2SC1815)의 B, C, E 배열의 순서에 주의합시다.

▶ 추가실험
이 회로는 트랜지스터(TR)의 정상동작 여부을 시험해보는 회로로 사용하면 편리합니다. (대부분의 트랜지스터에서 잘 동작합니다.) 만약 다른 형번의 트랜지스터를 가지고 있으면 B, C, E를 잘 맞춰서 동작시켜 봅시다. 다른 응용은 (트랜지스터의 B, C, E 순서가 아리송할 때) 확실한 B, C, E 순서를 확인해 보는 회로로 사용할 수 있습니다. (트랜지스터의 B, C, E 배선이 하나라도 틀리면 회로는 전혀 동작하지 않습니다.)
지금까지의 회로에는 리드(lead)가 2 개 있는 부품만 사용되었습니다. (전지, 저항, LED, 스위치, 다이오드, 콘덴서) 이번 시간에는 세간에 “세발의 마술사”로 불리우면서 한 시대를 풍미한 트랜지스터(TR)를 소개하게 되었습니다. 지금은 이미 트랜지스터를 집적한 IC, LSI가 널리 사용되는 시대가 되었으므로, 트랜지스터가 단독으로 활약한는 부분으로는 인터페이스 부, 대(大)전류 제어부, 고주파 증폭부 등등으로 사용범위가 축소되었습니다. 그러나 IC, LSI를 비롯한 현대의 모든 전자소자가 궁극으로는 트랜지스터를 기본으로 설계/제조/집적되었으므로, 트랜지스터를 이해해야 하는 필요성은 예나 지금이나 마찬가지 입니다. (트랜지스터의 친척인 FET는 트랜지스터를 배우고 나면 이해가 간단합니다)’

트랜지스터 동작의 핵심(key point)
① 트랜지스터는 (전압이 아닌) 전류로 동작한다. ② 작은 (베이스) 전류로 큰 (콜렉터) 전류를 조절(control)할 수 있다. (이 기능으로 트랜지스터는 회로안에서 전류증폭기로 동작하며, 전압/전류 앰프(amplifier)가 됩니다)

※ 트랜지스터가 증폭한다는 말은 오해의 소지가 있습니다. 세상의 어떤물질이나 장치도 흡수한 에너지를 키워서 방출할 수는 없습니다. (물리적 기본법칙에 위배) 트랜지스터가 증폭한다는 말은 적은 에너지인 베이스 전류로 큰 에너지인 전원을 조절하고 변화시킬 수 있다는 뜻입니다. (이 때문에 증폭기능이 있는 모든 전자회로에는 반드시 전원(電源)이 필요한 것입니다)
※ 트랜지스터가 증폭하는 전류크기의 비는 hfe 값으로 나타내며 hfe = Ic / Ib 입니다.
※ Ic : 콜렉터 전류, Ib : 베이스 전류, hfe : 증폭률

트랜지스터 사용의 핵심(key point)
① 선형적(직선적) 전류 증폭기 모드 ② ON-OFF 영역에서만 동작하는 스위치 모드의 2 가지 모드로 동작시킬 수 있다.
첫번째 증폭기 모드가 트랜지스터를 아날로그 영역에서 사용하는 것이며, 두번째의 스위치 모드가 트랜지스터를 디지탈 영역에서 사용하는 것입니다. 디지탈 IC나 컴퓨터 칩에서는 트랜지스터를 스위치 모드에서 동작시킵니다.
반면에 라디오 IC나 오디오 IC, OP-AMP IC에서는 트랜지스터를 증폭기 모드로 동작시킵니다. 트랜지스터의 두 모드를 섞어서 사용할 수는 없습니다. 주변회로의 구성이 완전히 다르기 때문입니다. (우리의 네번째 회로에서는 트랜지스터의 증폭기 모드로 회로를 구성하여 실험하고 있습니다)

※ 초보자는 제작시에 트랜지스터의 두 모드를 구분하지 않아도 됩니다. 하지만 알고는 있어야 합니다. 대화하거나 질문할 때 요긴하게 쓰일 수도 있으니까요.

▶ 부품설명 : 트랜지스터 (Transister)
트랜지스터(TR)를 사용한 회로도를 해석하거나 제작시에 부품으로 사용하는 경우에는, 트랜지스터 종류에는 PNP과 NPN의 2 가지가 있다는 점에 유의해야 합니다.
트랜지스터는 외관과 모양이 여러가지이며 제조회사마다 B, C, E 리드(lead)의 배열을 배치하는 순서도 다르므로 부품 설명서에서 외양과 리드(lead) 배열을 반드시 확인하고 사용하는 습관을 들여야 합니다. (트랜지스터 pdf 파일형태의 부품 설명서는 온라인에서 쉽게 구할 수 있습니다)

네번째 회로 만들기 / 트랜지스터

이번 시간에는 준비한 8 가지 기초회로 중의 다섯번째로 2개의 트랜지스터를 사용한
“비안정 멀티바이브레이터”회로를 설명합니다.새롭게 추가되는 부품은 없습니다.함께 설명합니다.

(공통부품인 브레드보드와 전원, 부품배치와 회로도 보는 법에 대해서는 앞에서 미리 설명을 드렸습니다)

아래의 “회로도 이해하기 (7)”에 회로도, 실체도, 부품리스트, 동작테스트 방법 및 주의사항이 나옵니다. 이 구성은 모든 회로예제에서 마찬가지입니다.

※ 처음 회로를 제작하시는 분은 “실체도”를 똑같이 제작하시기 바랍니다. 다음에 회로동작을 확인한 후 자신의 생각대로 부품배치를 바꿔서 동작시켜 보십시요.

▶ 회로설명
실험에 사용한 “비안정 멀티바이브레이터” 회로는 일정한 주기를 갖고 무한히 진동하는 회로 입니다. 이렇게 무한진동이 발생하는 회로를 발진회로라고 부르며, 이 회로는 2 가지 전압상태만을 무한히 되풀이 함으로 펄스발진회로라고 불려집니다. (펄스발진회로는 디지탈 회로의 범주에 속한다)

※ 상승구간 (T1) = 0.69 × R1 × C1 (초)
※ 하강구간 (T2) = 0.69 × R2 × C2 (초)※ T (전체주기) = T1 (상승구간) + T2 (하강구간) = 1.38 × R1 × C1

(초)회로동작의 자세한 풀이는 상당히 복잡하여 우리의 학습범위를 벗어나므로 여기서 자세히 설명하지 않습니다. 회로를 제작하는 것도 생각하는 것 보다는 까다로우므로 서두르지 말고 차분히 제작에 임하시기를 권합니다. (이 정도의 회로만 제작할 수 있으면 앞으로 그다지 어려운 회로는 없다.) 회로가 성공적으로 동작하면 번갈아 가며 아름답게 반짝이는 한 쌍의 불빛과 만날 수 있습니다.

▶ 추가실험
R1, C1과 R2, C2의 값을 변경시켜 보면 T1과 T2가 변화되는 것을 LED1과 LED2의 점등시간의 변화로 확인할 수 있습니다.
단지 트랜지스터가 2 개 얽혀진 회로도 상당히 복잡하다는 것을 느낄 수 있습니다. 실험에 사용한 “비안정 멀티바이브레이터”의 회로동작을 전기적으로 해석하려고 하면 몇 개의 수식과 함께 수 페이지의 공간이 필요하게 됩니다. 회로해석이 이와같이 금방 복잡해지기 때문에, 원칙적으로는 트랜지스터만으로 모든 회로를 설계할 수 있지만, 빠르고 정확하게 설계하기 위해서는 전용의 로직 IC를 사용하게 됩니다. (디지탈 회로는 TTL이나 CMOS 종류의 로직 IC로, 아날로그 회로는 OP-AMP IC를 주로 사용한다) 더욱 복잡한 디지탈 회로가 필요하게 되거나 제작후에 동작기능이 변경될 가능성이 있는 경우가 되면 프로그램이 가능한 로직 IC 즉 마이컴의 사용을 강력히 고려하는 단계로 발전하게 됩니다.
이 이야기는 2 개의 트랜지스터를 사용한 복잡도를 가진 회로를 해석하고 제작할 수 있으면 개별부품만을 사용한 제작은 거의 마스터했다고 해도 과언이 아니라는 뜻입니다. 10 여년 전만해도 트랜지스터를 여러개 사용된 복잡한 회로도 많이 설계되었으나, 현재에는 IC를 사용해 회로를 (의미별로) 단위 블럭화한 후 단위블럭을 모아서 커다란 전체회로를 만드는 기법이 주로 사용되고 있습니다.
언뜻 보기에 매우 복잡해 보이는 회로도 실제로는 간단한 단위블럭으로 해체하여 해석하고 시험해 볼 수 있는 경우가 대부분 입니다. 이런 이유로 막막해 보이는 회로공부도 차분히 노력하다 보면 어느새 실력이 부쩍 늘어있는 경우를 왕왕 발견하는 것입니다.

여섯번째 회로 만들기 / 555

이번 시간에는 준비한 8 가지 기초회로 중의 여섯번째로 555 (Timer IC)를 이용한 펄스열 발생 회로입니다.
회로의 부품중에 555 Timer IC가 추가 되었으므로 이 부품도 함께 설명합니다.

공통부품인 브레드보드와 전원, 부품배치와 회로도 보는 법에 대해서는 앞에서 미리 설명을 드렸습니다)
아래의 “회로도 이해하기 (8)”에 회로도, 실체도, 부품리스트, 동작테스트 방법 및 주의사항이 나옵니다. 이 구성은 모든 회로예제에서 마찬가지입니다.

※ 처음 회로를 제작하시는 분은 “실체도”를 똑같이 제작하시기 바랍니다.
다음에 회로동작을 확인한 후 자신의 생각대로 부품배치를 바꿔서 동작시켜 보십시요.

▶ 회로설명
실험에 사용한 회로는 555 Timer IC를 사용한 펄스발진 회로로 연속된 펄스열을 발생시킵니다.
회로에 사용한 R1, C1의 값으로 555 IC의 3 번 출력핀에연결된 LED에 표시되는 펄스의 전체주기(T)는 약 1.4초가 됩니다. (555 IC 사양참조) 555 응용회로는 여러가지가 있으나, 실험에서 사용한 회로는 상승구간(T1)과 하강구간(T2)의 길이가 같으며 각각 1.4 /2 = 0.7초 입니다. 그 결과 555 IC의 3 번 출력핀에 연결된 LED1은 점등/소등 현상을 반복하게 됩니다. (출력핀의 상태가 상승구간일 때 LED1 점등, 하강구간일 때 LED1 소등)

※ T (전체주기) = T1 (상승구간) + T2 (하강구간) = R1 × C1 / 0.72 (초)
※ T1 (상승구간) = 0.69 × R1 × C1 (초)
※ T2 (하강구간) = 0.69 × R1 × C1 (초)
※ 펄스 (pulse) : 펄스의 의미는 (손목에 손가락을 대서 맥박을 느낄 때 처럼) 순간적으로 나타났다 바로 사라지는 현상을 표현하는 말입니다. 디지탈 세계에는 (한 자리에서) 단지 두 가지 상태만이 존재하므로, 관측하는 모든 현상은 펄스나 펄스의 열로 보여지게 됩니다. (펄스에도 여러종류가 있으나 우리 강좌에서는 펄스의 종류를 따로 구분하지 않습니다)

▶ 추가실험
R1과 C1의 값을 변경하고, 변화된 LED1의 주기를 계산값과 비교해 봅니다.

▶ 부품설명 : 555 (Timer IC)

555 Timer IC는 재주가 많은 특이한 IC 입니다. (실제로 필자가 전자회로의 세계에 입문한 동기도 555 IC를 만났기 때문입니다) 555 IC는 IC 외부에 연결하는 저항과 콘덴서를 사용하여 일정한 주기의 펄스열 또는 (하나의) 펄스를 발생시키는 기능을 가지고 있습니다. 555는 몇 개의 저항과 콘덴서만으로 작동하므로 사용하기가 쉽우며, 펄스의 주기나 주파수의 계산도 간단합니다.
555가 사용하는 전원범위는 4.5V 에서 16V 까지이며, 발생시킬 수 있는 펄스간격도 최저 약 1 시간에서 최고 0.00005초 까지로 범위가 매우 넓습니다. 이러한 기능을 이용하여 정확한 타이머를 만들 수도 있고 재미있는 소리와 반짝이는 불빛을 발생시키기도 합니다.
IC 외부에 연결된 저항과 콘덴서의 값으로 주기가 정해지는 출력펄스를 발생하므로, 거꾸로 출력된 펄스의 시간을 측정함으로써 연결된 콘덴서의 용량값을 측정할 수도 있습니다. (저항값의 측정도 마찬가지 입니다. 물리적 세계를 측정하는 센서(sensor) 에는 물리량의 변화를 저항값의 변화로 변환시켜 출력하는 타입의 센서가 많으므로 555를 사용하면 쉽게 측정회로를 설계할 수 있습니다)
이와같이 555 IC의 응용을 주제로 하면 책 한권 만드는 분량이 될 정도로 쓰임새가 다양한 IC 입니다.

다음편에서 계속 됩니다.