"HAM it up",U/VHF수신기로 HF/MF 수신용 업-컨버터
교류의 주파수가 어느 정도 높아지면 도선을 벗어나 멀리 전파된다는 것을 알아낸 것이 거의 19세기 말입니다. 주파수가 높은 교류 신호는 전선을 통하지도 않고 아주 미약한 전력량으로도 멀리 멀리 신호를 보낼수 있다는 사실을 안 것이죠. 드디어 인간은 무선 통신의 꽃을 피우게 된 겁니다.
하지만 그 시절의 높은 주파수란 것은 겨우 가청 주파수를 조금 넘은 초장파 영역이었죠. 교류 신호를 아크 방전으로 발생 시키는 수준이었거든요. 전선을 둘둘 감은 원형의 코일에 자석을 회전시켜 교류를 만들고 전극 사이에 방전 시켜 고주파를 발생 시킵니다만 이때 발생되는 주파수 범위는 어마무지하게 넓었죠. 그 시절 무선국 수가 얼마 안됐으니 혼신 걱정은 없었나봅니다. 어쨌든 도선을 통하지 않고도 신호를 멀리 보낼 수 있다는 신기함에 너도나도 아크 방전기를 만들어 소위 무선국을 운용합니다. 무선국 수가 늘어나면서 혼신을 뚫기 위한 경쟁으로 대전력 아크 방전기를 경쟁적으로 만들고 결국 전파 환경은 엉망이 됩니다. 다행히 L과 C 를 이용해 필요한 주파수 성분만을 뽑아 낼 수 있는 필터(특정 주파수를걸러내는 LC 회로를 송신기에서는 "필터"라고 하고 수신기에서는 "동조"라고하죠)라는 것을 사용하지만 무자비한 아크방전 송신기을 통제하기는 쉽지 않겠지요. 요즘도 전력 철탑이나 전기 철조망, 네온사인 전력 장치에서 발생하는 간헐적 방전으로 인한 전파 잡음으로 고통을 받는 무선국이 꾀 많은데 그시절은 오죽 했겠어요.
고주파 신호를 인공적으로 만들어 내는 방법은 교류 발전기 처럼 원형 코일에 자석을 회전시키는 겁니다. 이 회전수가 교류 신호의 주파수죠. 이런 기계적인 방법으로 고주파를 만드는 것은 정말 어렵습니다. 1Mhz를 만들자고 초당 백만번 회전 시킬 수 있나요? 낮은 주파수의 교류에서 높은 주파수를 뽑아내기 위해 아크 방전을 시키기는 하는데 도무지 주파수 통제가 어렵구요. 그러고 보니 아크 방전기는 아주 무식한 주파수 변환 장치라고 해도 되겠군요.
발전기 말고 전기회로 부품을 이용해 발진기를 만들 방법이 필요하게 되었습니다. 콘덴서(커패시터)를 충전과 방전을 반복시키면 교류가 만들어 집니다. 두가지 난제가 있죠. 높은 주파수를 만들려면 충방전 시간이 빨라야 하니 적은 용량의 컨덴서가 필요합니다. 그리고 스스로 알아서 충방전을 반복해야 합니다. 1Mhz 주파수를 만드는데 충방전 스위치를 초당 백만번 씩 자동으로 조작해 줘야합니다. 얼마전 인간이 일분간 칠 수 있는 막수의 횟수가 기네스북에 올랐는데 8백회 정도라 합니다. 인력으로는 가당치 않습니다. 그렇다고 제아무리 기계적이라지만 초당 백만번 이라니! 가능하지도 않구요.
필요는 발명을 낳는다고 합니다. 마침내 시간이 지나도 안정된 용량을 유지하면서 빠르게 충방전이 가능한 컨덴서를 찾아냈습니다. 수정(크리스털)이라는 광물질이 특이하게도 그렇다는 군요. 그리고 스위치는 기계적으로 조작하는 방법 말고 전기적으로 조작할 수 있는 진공관(나중에는 트랜지스터)을 발명해 냈습니다. 이어서 전기 스위치인 진공관과 컨덴서를 조합한 피드백 회로를 고안해 냅니다. 자동으로 스위칭이 가능한 발진회로를 발명해 낸겁니다. 드디어 인공적으로 통제가 가능한 주파수 발생 장치를 만들게 되었군요. 그리고 주파수 제어가 않되다시하는 잡음의 원흉 아크 방전방식 송신기의 사용을 법으로 금지합니다.
발진기 만을 가지고 신호를 송출하는 방법은 소위 전신 방식 뿐이죠. 전송할 신호량도 적고 상당한 숙달이 필요합니다. 누구나 사용하긴 불편하기 짝이 없군요. 사람 목소리를 멀리 보내고 싶어졌습니다. 사람 목소리를 전기 신호로 바꿀 수 있습니다. 진동판에 코일을 감고 자석 사이에 놓으면 전기 신호가 나옵니다. 코일사이에 자석을 움직이게 한 발전기와 같은 원리죠. 그런데 신호가 너무 작으니 진공관으로 전기적 증폭을 합니다. 하지만 도선을 벗어나기엔 높은 주파수로 변환해야 합니다.
전기 진동으로 바꾼 사람 목소리를 고주파 전기 신호와 섞는 방법이 필요하게 되었는데 진공관 덕분에 의외로 간단하게 해결 되었습니다. 진공관은 캐소드를 달궈 전자를 금속판에서 튀어나오게하고 이것을 플레이트에서 받아냅니다. 금속을 히터로 가열하면 분자를 구성하는 전자의 일부가 열 에너지를 견디지 못하고 튀어 나오는 현상을 열전자 방출 이라고 합니다. 에디슨 효과라고 부르죠. 그런 금속 금속 물질로 만든 판이 캐소드 입니다. 튀어나온 전자를 받아내는 것이 플레이트 이구요. 캐소드와 플레이트 사이에 철망을 넣어 전자들의 통로를 제어한 것이 3극관으로 전자 스위치가 되는 겁니다. 이 철망을 그리드 라고 하죠. 전자는 음의 성질이 있으니 그리드에 똑같이 음의 전압을 걸면(이것을 "역 바이어스"를 건다 라고 합니다) 전자들이 서로 밀쳐낼 것이고 양의 바이어스를 걸면 더 빨리 이동하겠죠. 캐소드와 플레이트 사이에 그리드를 하나더 넣습니다. 그리고 첫번째 그리드에는 전기신호로 바꾼 사람 목소리를 연결하고 두번째 그리드에는 고주파 발진기의 신호를 넣습니다. 그러면 두 그리드의 조합으로 인해 전자의 흐름이 이주 복잡 미묘해 져서 마치 두개의 교류 신호가 섞이는 현상이 발생됩니다. 1Khz 내외의 사람 목소리와 1Mhz의 발진기 출력 신호를 섞으면 두 신호의 합과 차분 주파성분이 만들어집니다. 999Khz과 1.001Mhz 가 나옵니다.
두 개의 사인파를 섞으면 합과 차분 신호가 나온다는 사실은 이미 2천년전 삼각함수를 발명한 때부터 예견된 것입니다. 실제로 인공적으로 구현한 것은 20세기 초에 이뤄진 것이구요. 사람 목소리를 정보를 포함한 신호원이라하고 발진기에서 나온 고정된 고주파 신호를 반송파라고 합니다. 신호원 과 반송파를 섞는 행위를 변조라 하고 주파수가 서로다른 고주파를 섞는 행위를 믹서라고 합니다.
송신을 아주 낮은 주파수의 신호파를 처음부터 높은 반송파와 섞으면 왜곡이 쉽게 일어납니다. 주파수 차이가 심하여 임피던스 매칭도 어렵죠. 서로 섞일 두 교류의 세기가 잘 조화를 이뤄야 하는데 전압 조절이 쉽지 않다는 겁니다. 수신의 경우에도 마찬가지입니다. 두 개의 교류가 섞인 신호에서 한 신호를 빼내는 방법도 두개의 사인파를 섞고 차분 성분만 걸러내는 것이죠. 1Mhz와 1Khz가 섞인 1.001Mhz에 1Mhz를 섞으면 차분인 1Khz가 나옵니다. 물론 믹서의 출력으로 합한 주파수 2.001Mhz도 나오는데 원하는 것이 아니므로 걸러 내던가 어짜피 우리 귀에 들리지도 않는 주파수대 이니 그냥 둬도 되긴 할겁니다. 그냥 두면 않되겠다 싶으면 LC를 활용해 걸러내도 되겠군요. 대개 좋은 수신기들은 필터를 동원해 걸러내죠. 필요없는 주파수 성분도 어짜피 물리적인 에너지를 가지고 있어서 접지를 통해 열에너지도 없어지면 좋지만 그렇지 못하고 혼변조나 이미지 신호로 재현되어 수신을 어렵게 하거든요.
두개의 교류 신호가 섞이는 현상을 "헤데로다인"이라고합니다. 20세기초 제1차 세계대전 중 암스트롱이라는 사람이 한번의 주파수섞기로 변환하지 말고 여러 차례로 나누면 훨씬 효과젂이라는 사실을 알아냅니다. 소위 "슈퍼" 헤테로다인입니다. 좋은 점은 주파수 합차로 인해 생기는 성분중 원치 않는 성분을 여러차례에 걸쳐 걸러낼 수 있지만 믹서회로의 첨가로 인한 원 신호의 손실이나 불필요한 잡음이 유입된다는 점입니다.
직접 변환 수신기는 한번의 섞음으로 원하는 주파수를 단번에 뽑아내는 겁니다. 당연히 회로가 간단하고 원신호에 대한 손실이 적어 감도가 좋다고 합니다만 이미지 신호를 제대로 걸러내지 못해 혼변조현상이 심하게되겠죠. 주파수를 변환하고 원하는 신호를 뽑아내는 믹서와 필터가 송수신기의 성능을 좌우합니다. 그리고 믹서와 필터를 통과하는 원 신호를 손실 없이 전달 받기 위한 임피던스 매칭이 무전기 회로를 복잡하고 어렵게 만듭니다.
원하는 주파수 만드는 회로를 믹서 또는 업/다운 컨버터라고 합니다.
-계속-
(글을 쓰다보니 외이리 길어졌나 모르겠군요. 정작 할 얘기는 안하고 ㅠㅠ)
월요일, 8월 12, 2013
Tenna Dipper, "실용적" 안테나 아날라이져
"실용적" 안테나 아날라이져
아마추어 무선사에게 안테나 아날라이져는 가져봤으면 하는 생각을 한번 쯤 하게되는 장비일 겁니다. 송신이 필요한 안테나라면 더욱 그렇지만 수신만 하는 안테나라도 임피던스가 잘 맞고 안맞고에 따라 수신 전파의 품질차이는 참으로 크지요. 더구나 SDR 처럼 컴퓨터를 통해 수신기를 구현하는 일이 흔한데 디지털 기기의 동작으로 인한 하모닉 노이즈의 영향을 피할 수 없습니다. 이럴때 수신되는 전파세기를 높여서 디지털 잡음을 묻어버리는 것도 생각하게 됩니다. 방법은 전파 입구인 안테나와 수신기 입력의 임피던스를 맞춰 주는 것입니다.
감도는 좋지만 혼변조에 취약한 SDR 이나 직접변환 수신기(Direct Conversion)의 경우 가급적 잘 공진된 안테나를 필요로 합니다. 더구나 전 단파대를 다 듣고자 하는 BCL 이라면 어디 그런 안테나 설치하기가 쉬운가요. 결국 형편껏 롱-와이어 걸쳐놓게 되는데 당연히 임피던스 따위는 맞지 않을테니 LC 회로를 이용한 안테나 튜너를 장착하게 됩니다. 안테나 튜너는 차단 필터(LPF, Low Pass Filter)이기도 하므로 혼변조 신호를 차단하는데도 효과가 있습니다. 전자공작 카페에 포터블 안테나 튜너 게시판을 보면 그리어렵지 않게 만들 수 있습니다.
http://cafe.daum.net/elechomebrew/Ivec/1
문제는 듣고자 하는 주파수에 맞춰 가변용량 L과 C를 조정하여 변화하는 임피던스를 수신기의 50옴에 맞춰줘야 합니다. 만일 송신기가 있다면 출력을 낮게 두고 되돌아오는 전파세기가 가장 낮은 점을 찾으면 되겠지요. SWR 메터같은 장비가 없다면 간단한 SWR 표시기라도 하나 만들면 좋습니다. 이때 안테나 튜너를 조작하기위해 고주파 발진기 혹은 시그널 제네레이터라도 필요합니다. 송신기가 없을 경우 위와 같은 SWR indicator는 소용없습니다.
http://www.qrpkits.com/swrindicator.html
송신기 없이 직관적으로 안테나 튜너를 조정할 때에는 수신기를 통해 대략 소리가 크게 들리는 지점을 맞추게 됩니다. 안테나 튜너를 조정하는 중에 소리가 살짝 크게 들린다 해도 임피던스가 잘 맞았다고 보기는 어렵긴 하겠군요. 만일 "대략"이 맘에 걸린다면 안테나 아날라이져라도 하나 장만해도 좋구요. 그런데 이 장비 소유하기에 가격이 만만치 않습니다. 그냥 안테나 공진점 맞추는 손쉬운 장치로 딥 메터라는 것이 있기도 합니다. 딥-메터는 공진 주파수를 대략 알려 주긴 합니다.
http://cafe.daum.net/elechomebrew/Dfwy/12
비싼 고급의 안테나 아날라이져라는 측정기는 임피던스를 저항(R)과 리액턴스(X)성분으로 알려주고, SWR 값도 표시하고 뭐 이런저런 측정치를 보여 줍니다. 안테나 아날라이져에서 임피던스 R+Xj 의 측정방법은 아래 링크글을 보시구요.
http://cafe.daum.net/elechomebrew/J0Rs/17
그런데 그런 측정치를 안다고 한 들 취할 대책이 뭐냐는 것이죠. 이제 안테나 아날라이져를 사용하는 "실용적" 목적을 생각해 봅니다. "어느 주파수에 안테나 임피던스가 50옴인지 알고 싶다"면 간단합니다. 주파수 발생기와 위의 SWR Indicator만 있으면 됩니다.
위의 원리는 아주 간단합니다. 우리모두 잘아는 휘트스톤 브릿지(Wheatstone Bridge)라는 겁니다. 아마추어 무선사 자격시험에도 단골로 등장하는 회로인데 옴의 법칙 하나면 금방 이해가 되죠. 이참에 알아두실까요?
먼저 첫번째 그림의 회로를 봅시다. 저항을 이용한 분압(Resistor Voltage Divider)회로죠. R1과 R2의 합성저항을 통하는 전류는 i 입니다. 옴의 법칙(V=iR)에따라,
V=i(R1+R2)
전체 회로의 전류량은 어디서 재든 모두 i 만큼입니다. 하지만 저항 단자의 위치에 따라 전압은 다르죠.
Vout = iR2
위의 두 식에서 공통변수 i를 두고 등가식을 만들면 Vout 이 계산됩니다. 무슨법칙이니 이론이니 뭐 그런거 따지지 않더라도 회로의 전체에 흐르는 전류량은 어느 위치에서 재든 같습니다. 다만 저항 값에 따라 전압의 변화가 있습니다.
이번에는 저항을 좀 복잡하게 달아봅니다. 두번째 그림처럼 구성한 회로를 휘트스톤 브릿지라고 합니다. 휘트스톤 브릿지 회로는 문제 내려고 만든 것이 아니고 측정기의 기본회로이기도 합니다. 미지의 저항값을 측정할 때 사용하지요. 안테나 아날라이져에서도 사용됩니다. 전체 회로에 흐르는 전류는 고정되어 있고 R1과 R2로 흐르는 전류량과 R3와 R4로 흐르는 전류량의 합이됩니다. R1+R2와 R3+R4가 같다면 전류량은 전체 전류량의 절반씩 흐르게 됩니다. 전류를 공통변수로 두고, a와 b 지점의 전압은 저항 분압기에서 본 수식과 같죠. a와 b의 전압차이를 측정해서 동일 하다면 두 분압회로는 평형을 이뤘다고 하죠. 이때 각 저항 값의 관계는 아래와 같습니다.
R2*R3 = R1*R4
만일 R4 값이 미지 저항이라 한다면 나머지 저항치를 조절하여 a 와 b 지점사이의 전압차를 0으로 만들었다고 하죠. 이때 미지 저항 R4는 위의 수식으로 구할 수 있습니다.
위의 SWR Indicator는 바로 휘트스톤 브릿지를 이용한 겁니다. 전압 측정기 대신 LED를 달았구요. R1, R2, R3를 모두 50옴으로 두고 R4를 미지저항으로 삼아 안테나에 연결합니다. 그리고 전력을 인가해보죠. 균형을 이루면 전압차가 없으므로 LED는 켜지지 않습니다. 이때가 바로 R4의 임피던스가 50옴인 것이죠. 안테나 임피던스가 오직 50옴인지 아닌지만 알면되는 겁니다.
휘트스톤 브릿지는 순전히 저항만의 회로인데다 네개의 저항이 모두 같은 값이니 전류 방향이 어느 쪽이되든 분압 법칙은 통합니다. 교류든 직류는 상관 없습니다. 그런데 미지 저항으로 삼은 R4가 리액턴스를 가진 안테나 이므로 전체적으로 교류회로 입니다. a와 b 지점의 전압은 고주파(교류)로 측정합니다. 고주파 전력 성분을 인출해내기 위해 픽-업 코일을 이용합니다. 교류 전압 측정용으로 넓은 단파대에서 고른 특성을 갖는 토로이드 코어를 사용했고 LED를 켜려니 검파해 줬군요. 넓은 단파대역 내에 믿을 만한 전압 측정치를 얻을 순 없습니다. 회로에 인가한 전력량과 브릿지에서 인출한 전력량과 손실량, 그로 인하여 측정되는 임피던스 값이 얼마인지 측정하는 것은 차치하고 어쨌든 LED가 꺼져 임피던스가 50인지 아닌지만 알면 되는겁니다. 소위 정량적 세밀한 분석은 그만두고 정성적으로 임피던스가 딱 50옴에 맞아서 인출되는 전압이 없어야 한다는 조건만 살피는 것이죠. 말 그대로 "실용적" 안테나 아날라이져입니다.
LED를 켜려면 어느정도 출력이 되는 고주파 발생기가 있어야 겠습니다. 위의 SWR Indicator는 QRP 송신기용입니다. 송신기가 없다면 DDS VFO를 사용해도 좋습니다. 그마저도 없다면 간단한 VCO라도 하나 달아보는 것도 좋겠지요. 전자공작 카페의 DDS VFO도 있습니다.
http://cafe.daum.net/elechomebrew/Ipmx/11
DDS VFO나 PLL VCO 칩의 출력만 가지고는 LED에 불을 켤수 있을만큼 출력이 나오지 않기때문에 구동용으로 트랜지스터를 달아줍니다. 고주파 신호 발생기용 VCO로 74HC4046같은 아주 값싸고 좋은(?) PLL을 사용할 수 있습니다. 주파수를 표시해 줘야하니 카페 공제품 주파수 카운터를 사용해도 되겠구요.
http://cafe.daum.net/elechomebrew/Dfwz/9
그래서 이리저리 만들어 몇년째 잘 쓰고 있습니다. 안테나 튜너를 통해 조정하는데 아주 요긴하게 사용중입니다.
http://cafe.daum.net/elechomebrew/Dfye/65
원래 이 안테나 튜너는 외국의 키트 상점에서 Tena Dipper 라고 하는 키트로 판매중입니다.
http://www.qrpkits.com/deluxetennadipper.html
회로도 간단하고 작동 원리도 다 알았으니 하나씩 만들어 보셔도 좋겠죠. 필요한 부품들은 온-라인 부품상에서 손쉽게 구할 수 있습니다. 뭣에 쓰이는 기능인지도 모른 채 혹은 보여주는 수치가 그저 장식일 뿐인 채 고가 장비를 사지만 그래봐야 결국 알고 싶은 것은 지정된 주파수에서 안테나 임피던스가 50옴인지 아닌지 알고 싶었던것 아닌가요? 전자공작 카페의 주파수 카운터와 DDS VFO, 토로이드 코어만 있으면 누구라도 당장 안테나 아날라이져를 마련하게 되는 겁니다. 전자공작 카페에서 제공하는 키트는 고장날까봐 걱정하실 필요도없습니다.
당장 지르십시요! ^^
http://cafe.daum.net/elechomebrew/FrgU/18
http://cafe.daum.net/elechomebrew/Ipmx/8
http://cafe.daum.net/elechomebrew/GFpN/3
아마추어 무선사에게 안테나 아날라이져는 가져봤으면 하는 생각을 한번 쯤 하게되는 장비일 겁니다. 송신이 필요한 안테나라면 더욱 그렇지만 수신만 하는 안테나라도 임피던스가 잘 맞고 안맞고에 따라 수신 전파의 품질차이는 참으로 크지요. 더구나 SDR 처럼 컴퓨터를 통해 수신기를 구현하는 일이 흔한데 디지털 기기의 동작으로 인한 하모닉 노이즈의 영향을 피할 수 없습니다. 이럴때 수신되는 전파세기를 높여서 디지털 잡음을 묻어버리는 것도 생각하게 됩니다. 방법은 전파 입구인 안테나와 수신기 입력의 임피던스를 맞춰 주는 것입니다.
감도는 좋지만 혼변조에 취약한 SDR 이나 직접변환 수신기(Direct Conversion)의 경우 가급적 잘 공진된 안테나를 필요로 합니다. 더구나 전 단파대를 다 듣고자 하는 BCL 이라면 어디 그런 안테나 설치하기가 쉬운가요. 결국 형편껏 롱-와이어 걸쳐놓게 되는데 당연히 임피던스 따위는 맞지 않을테니 LC 회로를 이용한 안테나 튜너를 장착하게 됩니다. 안테나 튜너는 차단 필터(LPF, Low Pass Filter)이기도 하므로 혼변조 신호를 차단하는데도 효과가 있습니다. 전자공작 카페에 포터블 안테나 튜너 게시판을 보면 그리어렵지 않게 만들 수 있습니다.
http://cafe.daum.net/elechomebrew/Ivec/1
문제는 듣고자 하는 주파수에 맞춰 가변용량 L과 C를 조정하여 변화하는 임피던스를 수신기의 50옴에 맞춰줘야 합니다. 만일 송신기가 있다면 출력을 낮게 두고 되돌아오는 전파세기가 가장 낮은 점을 찾으면 되겠지요. SWR 메터같은 장비가 없다면 간단한 SWR 표시기라도 하나 만들면 좋습니다. 이때 안테나 튜너를 조작하기위해 고주파 발진기 혹은 시그널 제네레이터라도 필요합니다. 송신기가 없을 경우 위와 같은 SWR indicator는 소용없습니다.
http://www.qrpkits.com/swrindicator.html
송신기 없이 직관적으로 안테나 튜너를 조정할 때에는 수신기를 통해 대략 소리가 크게 들리는 지점을 맞추게 됩니다. 안테나 튜너를 조정하는 중에 소리가 살짝 크게 들린다 해도 임피던스가 잘 맞았다고 보기는 어렵긴 하겠군요. 만일 "대략"이 맘에 걸린다면 안테나 아날라이져라도 하나 장만해도 좋구요. 그런데 이 장비 소유하기에 가격이 만만치 않습니다. 그냥 안테나 공진점 맞추는 손쉬운 장치로 딥 메터라는 것이 있기도 합니다. 딥-메터는 공진 주파수를 대략 알려 주긴 합니다.
http://cafe.daum.net/elechomebrew/Dfwy/12
비싼 고급의 안테나 아날라이져라는 측정기는 임피던스를 저항(R)과 리액턴스(X)성분으로 알려주고, SWR 값도 표시하고 뭐 이런저런 측정치를 보여 줍니다. 안테나 아날라이져에서 임피던스 R+Xj 의 측정방법은 아래 링크글을 보시구요.
http://cafe.daum.net/elechomebrew/J0Rs/17
그런데 그런 측정치를 안다고 한 들 취할 대책이 뭐냐는 것이죠. 이제 안테나 아날라이져를 사용하는 "실용적" 목적을 생각해 봅니다. "어느 주파수에 안테나 임피던스가 50옴인지 알고 싶다"면 간단합니다. 주파수 발생기와 위의 SWR Indicator만 있으면 됩니다.
위의 원리는 아주 간단합니다. 우리모두 잘아는 휘트스톤 브릿지(Wheatstone Bridge)라는 겁니다. 아마추어 무선사 자격시험에도 단골로 등장하는 회로인데 옴의 법칙 하나면 금방 이해가 되죠. 이참에 알아두실까요?
먼저 첫번째 그림의 회로를 봅시다. 저항을 이용한 분압(Resistor Voltage Divider)회로죠. R1과 R2의 합성저항을 통하는 전류는 i 입니다. 옴의 법칙(V=iR)에따라,
V=i(R1+R2)
전체 회로의 전류량은 어디서 재든 모두 i 만큼입니다. 하지만 저항 단자의 위치에 따라 전압은 다르죠.
Vout = iR2
위의 두 식에서 공통변수 i를 두고 등가식을 만들면 Vout 이 계산됩니다. 무슨법칙이니 이론이니 뭐 그런거 따지지 않더라도 회로의 전체에 흐르는 전류량은 어느 위치에서 재든 같습니다. 다만 저항 값에 따라 전압의 변화가 있습니다.
이번에는 저항을 좀 복잡하게 달아봅니다. 두번째 그림처럼 구성한 회로를 휘트스톤 브릿지라고 합니다. 휘트스톤 브릿지 회로는 문제 내려고 만든 것이 아니고 측정기의 기본회로이기도 합니다. 미지의 저항값을 측정할 때 사용하지요. 안테나 아날라이져에서도 사용됩니다. 전체 회로에 흐르는 전류는 고정되어 있고 R1과 R2로 흐르는 전류량과 R3와 R4로 흐르는 전류량의 합이됩니다. R1+R2와 R3+R4가 같다면 전류량은 전체 전류량의 절반씩 흐르게 됩니다. 전류를 공통변수로 두고, a와 b 지점의 전압은 저항 분압기에서 본 수식과 같죠. a와 b의 전압차이를 측정해서 동일 하다면 두 분압회로는 평형을 이뤘다고 하죠. 이때 각 저항 값의 관계는 아래와 같습니다.
R2*R3 = R1*R4
만일 R4 값이 미지 저항이라 한다면 나머지 저항치를 조절하여 a 와 b 지점사이의 전압차를 0으로 만들었다고 하죠. 이때 미지 저항 R4는 위의 수식으로 구할 수 있습니다.
위의 SWR Indicator는 바로 휘트스톤 브릿지를 이용한 겁니다. 전압 측정기 대신 LED를 달았구요. R1, R2, R3를 모두 50옴으로 두고 R4를 미지저항으로 삼아 안테나에 연결합니다. 그리고 전력을 인가해보죠. 균형을 이루면 전압차가 없으므로 LED는 켜지지 않습니다. 이때가 바로 R4의 임피던스가 50옴인 것이죠. 안테나 임피던스가 오직 50옴인지 아닌지만 알면되는 겁니다.
휘트스톤 브릿지는 순전히 저항만의 회로인데다 네개의 저항이 모두 같은 값이니 전류 방향이 어느 쪽이되든 분압 법칙은 통합니다. 교류든 직류는 상관 없습니다. 그런데 미지 저항으로 삼은 R4가 리액턴스를 가진 안테나 이므로 전체적으로 교류회로 입니다. a와 b 지점의 전압은 고주파(교류)로 측정합니다. 고주파 전력 성분을 인출해내기 위해 픽-업 코일을 이용합니다. 교류 전압 측정용으로 넓은 단파대에서 고른 특성을 갖는 토로이드 코어를 사용했고 LED를 켜려니 검파해 줬군요. 넓은 단파대역 내에 믿을 만한 전압 측정치를 얻을 순 없습니다. 회로에 인가한 전력량과 브릿지에서 인출한 전력량과 손실량, 그로 인하여 측정되는 임피던스 값이 얼마인지 측정하는 것은 차치하고 어쨌든 LED가 꺼져 임피던스가 50인지 아닌지만 알면 되는겁니다. 소위 정량적 세밀한 분석은 그만두고 정성적으로 임피던스가 딱 50옴에 맞아서 인출되는 전압이 없어야 한다는 조건만 살피는 것이죠. 말 그대로 "실용적" 안테나 아날라이져입니다.
LED를 켜려면 어느정도 출력이 되는 고주파 발생기가 있어야 겠습니다. 위의 SWR Indicator는 QRP 송신기용입니다. 송신기가 없다면 DDS VFO를 사용해도 좋습니다. 그마저도 없다면 간단한 VCO라도 하나 달아보는 것도 좋겠지요. 전자공작 카페의 DDS VFO도 있습니다.
http://cafe.daum.net/elechomebrew/Ipmx/11
DDS VFO나 PLL VCO 칩의 출력만 가지고는 LED에 불을 켤수 있을만큼 출력이 나오지 않기때문에 구동용으로 트랜지스터를 달아줍니다. 고주파 신호 발생기용 VCO로 74HC4046같은 아주 값싸고 좋은(?) PLL을 사용할 수 있습니다. 주파수를 표시해 줘야하니 카페 공제품 주파수 카운터를 사용해도 되겠구요.
http://cafe.daum.net/elechomebrew/Dfwz/9
그래서 이리저리 만들어 몇년째 잘 쓰고 있습니다. 안테나 튜너를 통해 조정하는데 아주 요긴하게 사용중입니다.
http://cafe.daum.net/elechomebrew/Dfye/65
원래 이 안테나 튜너는 외국의 키트 상점에서 Tena Dipper 라고 하는 키트로 판매중입니다.
http://www.qrpkits.com/deluxetennadipper.html
회로도 간단하고 작동 원리도 다 알았으니 하나씩 만들어 보셔도 좋겠죠. 필요한 부품들은 온-라인 부품상에서 손쉽게 구할 수 있습니다. 뭣에 쓰이는 기능인지도 모른 채 혹은 보여주는 수치가 그저 장식일 뿐인 채 고가 장비를 사지만 그래봐야 결국 알고 싶은 것은 지정된 주파수에서 안테나 임피던스가 50옴인지 아닌지 알고 싶었던것 아닌가요? 전자공작 카페의 주파수 카운터와 DDS VFO, 토로이드 코어만 있으면 누구라도 당장 안테나 아날라이져를 마련하게 되는 겁니다. 전자공작 카페에서 제공하는 키트는 고장날까봐 걱정하실 필요도없습니다.
당장 지르십시요! ^^
http://cafe.daum.net/elechomebrew/FrgU/18
http://cafe.daum.net/elechomebrew/Ipmx/8
http://cafe.daum.net/elechomebrew/GFpN/3
전문가의 세밀함
전문가의 세밀함
글을 써서 생계를 해결하는 사람을 "작가"라고 한다죠. 작가는 전문적으로 글을 쓰는 직업인입니다. 전문작가의 글을 읽으면 뭔가 다릅니다. 글만 읽어내려가도 머리속에 풍경이 그려질때 참 잘쓴글이라고 평합니다. 전문가가 쓴 글과 비전문가가 쓴글의 차이는 세밀함에 있죠. 오늘 한 일을 적는데 두어마디로 끝내는 경우, 정말 사실만 몇줄 적는 경우는 누구나 작성하는 일지일 뿐입니다. 그나마도 제대로 적지 못하는 경우도 수두룩합니다. 전문 작가는 하루 일을 가지고 장편 다큐멘터리(혹은 소설)을 써내려가는 능력자입니다. 세밀함의 차이죠.
"세밀함"은 작가만 해당되는 것은 아닐 겁니다. 모든 직업 혹은 취미로 하는 일이더라도 전문가라고 말하고 싶다면 세밀함을 갖춰야 겠습니다. 나는 이걸 해봤네 저걸 해봤네 라고 말합니다. 그저 따라하는 것도 취미로서 흥미있는 일이긴 합니다만 그를 전문가라고 말하진 않죠. 따라하긴 합니다만 세밀하게 분석해서 장황 스러우리만큼 정확하게 기술할 수 있어야 전문가입니다. 머리속에 뭔가 아는 것을 글로 써서 정리해 내려면 기초와 이해가 있어야 합니다. "기초"와 "이해"가 없다면 전문가라고 하기 어렵죠. 전문가만이 "모방"에서 "창조"를 이룹니다.
뭔가 하긴 한것 같은데 뭔소린지 모를 보고서를 보면 작문 실력을 의심하기보다 진짜 알고하긴 한 것인지 궁금해집니다. 대개 기초도 없고 이해도 없을 때 횡설수설하기 마련이지요.
글을 써서 생계를 해결하는 사람을 "작가"라고 한다죠. 작가는 전문적으로 글을 쓰는 직업인입니다. 전문작가의 글을 읽으면 뭔가 다릅니다. 글만 읽어내려가도 머리속에 풍경이 그려질때 참 잘쓴글이라고 평합니다. 전문가가 쓴 글과 비전문가가 쓴글의 차이는 세밀함에 있죠. 오늘 한 일을 적는데 두어마디로 끝내는 경우, 정말 사실만 몇줄 적는 경우는 누구나 작성하는 일지일 뿐입니다. 그나마도 제대로 적지 못하는 경우도 수두룩합니다. 전문 작가는 하루 일을 가지고 장편 다큐멘터리(혹은 소설)을 써내려가는 능력자입니다. 세밀함의 차이죠.
"세밀함"은 작가만 해당되는 것은 아닐 겁니다. 모든 직업 혹은 취미로 하는 일이더라도 전문가라고 말하고 싶다면 세밀함을 갖춰야 겠습니다. 나는 이걸 해봤네 저걸 해봤네 라고 말합니다. 그저 따라하는 것도 취미로서 흥미있는 일이긴 합니다만 그를 전문가라고 말하진 않죠. 따라하긴 합니다만 세밀하게 분석해서 장황 스러우리만큼 정확하게 기술할 수 있어야 전문가입니다. 머리속에 뭔가 아는 것을 글로 써서 정리해 내려면 기초와 이해가 있어야 합니다. "기초"와 "이해"가 없다면 전문가라고 하기 어렵죠. 전문가만이 "모방"에서 "창조"를 이룹니다.
뭔가 하긴 한것 같은데 뭔소린지 모를 보고서를 보면 작문 실력을 의심하기보다 진짜 알고하긴 한 것인지 궁금해집니다. 대개 기초도 없고 이해도 없을 때 횡설수설하기 마련이지요.
Intel8080 vs Motorola6800: 디지털 회로의 양방향 병렬 인터페이스 방식
디지털 회로의 양방향 병렬 인터페이스 방식
이크로프로세서는 다수의 주변장치를 가질 수 있습니다. 주변장치는 입력과 출력이 가능합니다. 입출력이 가능한 다수의 주변장치를 한개의 마이크로프로세서와 연결하려면 수많은 도선 연결이 필요합니다. 더구나 디지털 회로는 여러가닥의 전선을 묶은 버스로 구성됩니다.
입력과 출력이란 전기적으로 전류의 흐름을 의미합니다. 양방향으로 전류를 흐르게 하려면 두벌의 전선이 필요합니다. 따라서 데이터 버스가 8비트라면 입출력이 가능한 4개의 주변장치를 위해 64가닥의 도선 연결이 필요합니다.
디지털 회로의 버스 구조는 어마어마한 도선 연결을 필요로 합니다. 뭔가 대책이 필요합니다. 그래서 양방향 버스라는 것을 도입 했습니다. 한 도선을 입력과 출력이 공유하는 것이죠. 그대신 스위치를 달아 적절히 조합하여 전류원과 소비처를 적절히 맞춰줍니다.
왼쪽에서 오른쪽으로 정보를 전송하려면 S1과 S3를 켭니다. 반대로 오른쪽에서 왼쪽으로 정보를 전송하려면 S4와 S2를 켜죠. 만일 S1과 S4를 켰다면 문제가 심각해 집니다. 왼쪽에서 디지털 정보 1을 출력하고 오른쪽에서 0을 출력한다고 해보죠. 디지털 데이터 1은 VCC 를 의미하고 0은 GND 입니다. 이런 상황이 벌어지면 전기적으로 단락된 것과 같아서 전류가 무한히 흘러 회로가 타버릴겁니다. 이것을 전기적으로 데이터 충돌이라고 합니다.
양방향 버스와 제어선을 동원하여 마이크로프로세서와 주변장치의 연결선 수를 줄여봅니다. 제어선은 디지털 신호가 충돌하지 않도록 스위치를 켜고 끄는 역활을 합니다. 디지털 회로 소자에서 스위치 역활을 하는 것이 바로 트라이 스테이트 버퍼 입니다.
스위치를 켜고 끄기위한 제어선의 용도와 절차에 따라 인텔 8080 혹은 모토롤라 6800 방식으로 구분 하게 됩니다.
인텔 방식은 주변장치 내부에 레벨 래치를 두고 있습니다. 읽기(RD#)와 쓰기(WR#) 신호를 별도로 두고 있습니다.
모토롤러 방식은 입출력 장치 내부에 트리거 방식 플립-플롭을 두고 있습니다. 읽기와 쓰기 선을 공유(R/W#)하며 플립플롭 트리거용 신호(E)로 데이터를 래치합니다.
인텔 방식이든 모토롤러 방식이든 모두 칩 셀렉터(CS#)를 사용하는데 입출력 장치의 제어를 활성화 시킵니다. 마이크로프로세서가 디수의 입출력 장치중 한개를 선택할 때 사용하는 제어선입니다. 입출력 장치를 지정하기위해 대개 주소 버스를 디코딩하여 칩 셀렉트 신호를 만들어냅니다.
인텔 방식은 구식입니다. 작은 신호변화에도 반응하는 레벨 트리거 방식은 거의 사용되지 않습니다. 요즘처럼 빠르게 작동하는 반도체에서 클럭의 간격이 매우 작은데 제어용 신호간격을 유지하는것이 바람직하지 않을 뿐더러 글리치같은 일종의 잡음에 반응하면 곤란하니까요.
요즘은 모토롤라 방식이 주로 사용됩니다. 레벨 트리거는 플립플롭이 작동하기 위해 래치 제어가 일정한 간격이 유지되어야 합니다만 엣지 트리거 방식 플립 플롭은 작동하는 간격이 거의 0에 가깝기 때문에 속도를 다투는 요즘 장점이 많습니다. 엣지 트리거 방식 플립 플롭은 게이트수가 약간 더 들어가긴 합니다만 고집적 회로 시대라 단점이라고 할 것이 없습니다.
위와 같이 구성한 경우를 양방향 공통 버스 인터페이스라고 합니다. 다수의 입출력장치가 한 벌의 버스선을 공유하고 데이터 버스는 입출력을 겸하고 있습니다. 이러한 버스 방식은 칩마다 장착할 수 있는 핀의 갯수가 제한되므로 이를 극복하기 위한 방편입니다. 입력과 출력을 위해 먼저 제어신호가 나오고 읽기 혹은 쓰기를 하며 제어를 종료하는 일정한 절차를 필요로합니다. 이런 절차를 입출력 트랜잭션(transaction)이라고 합니다. 입출력 트랜잭션에는 제어 절차가 포함되어 시간적으로 손해입니다.
요즘처럼 대규모 반도체 집적화가 가능하므로 마이크로프로세서와 주변장치기능을 모두 한 칩에 집적화 시킵니다. 칩 내부에는 땜질을 할 필요가 없으므로 엄청나게 많은 수의 연결선을 배치할 수 있습니다. 도선의 굵기가 흔히 말하는 반도체 공정기술의 선폭과 같습니다. 수십 나노미터 폭의 도선을 사용할 수 있고 가닥의 수도 제한 없을 지경입니다. 배선의 길이도 기판에 연결하는 것보다 엄청나게 짧습니다. 그래서 칩 내부의 병렬 버스 연결방식은 공통버스를 사용하지 않습니다. 양방향 버스도 사용하지 않습니다. 따라서 트랜잭션에 제어절차가 간소화되어 입출력 속도를 높입니다. 버스의 폭(선갯수)도 8비트가 아닌 64비트 128비트로 늘려 놓습니다. 필요하다면 입출력 장치의 갯수에 따라 여러 벌의 버스를 배치하여 초고속의 데이터 전송이 가능하게 됩니다. 메모리처럼 빠른 속도가 가능한 버스와 느리게 작동할 외부 입출력 장치용 버스를 구분하여 버스 효율을 높입니다. 이런 버스를 온-칩 버스라고 하며 ARM 사에서 규정한 AMBA가 바로 이에 해당합니다.
이크로프로세서는 다수의 주변장치를 가질 수 있습니다. 주변장치는 입력과 출력이 가능합니다. 입출력이 가능한 다수의 주변장치를 한개의 마이크로프로세서와 연결하려면 수많은 도선 연결이 필요합니다. 더구나 디지털 회로는 여러가닥의 전선을 묶은 버스로 구성됩니다.
디지털 회로의 버스 구조는 어마어마한 도선 연결을 필요로 합니다. 뭔가 대책이 필요합니다. 그래서 양방향 버스라는 것을 도입 했습니다. 한 도선을 입력과 출력이 공유하는 것이죠. 그대신 스위치를 달아 적절히 조합하여 전류원과 소비처를 적절히 맞춰줍니다.
왼쪽에서 오른쪽으로 정보를 전송하려면 S1과 S3를 켭니다. 반대로 오른쪽에서 왼쪽으로 정보를 전송하려면 S4와 S2를 켜죠. 만일 S1과 S4를 켰다면 문제가 심각해 집니다. 왼쪽에서 디지털 정보 1을 출력하고 오른쪽에서 0을 출력한다고 해보죠. 디지털 데이터 1은 VCC 를 의미하고 0은 GND 입니다. 이런 상황이 벌어지면 전기적으로 단락된 것과 같아서 전류가 무한히 흘러 회로가 타버릴겁니다. 이것을 전기적으로 데이터 충돌이라고 합니다.
양방향 버스와 제어선을 동원하여 마이크로프로세서와 주변장치의 연결선 수를 줄여봅니다. 제어선은 디지털 신호가 충돌하지 않도록 스위치를 켜고 끄는 역활을 합니다. 디지털 회로 소자에서 스위치 역활을 하는 것이 바로 트라이 스테이트 버퍼 입니다.
스위치를 켜고 끄기위한 제어선의 용도와 절차에 따라 인텔 8080 혹은 모토롤라 6800 방식으로 구분 하게 됩니다.
인텔 방식은 주변장치 내부에 레벨 래치를 두고 있습니다. 읽기(RD#)와 쓰기(WR#) 신호를 별도로 두고 있습니다.
모토롤러 방식은 입출력 장치 내부에 트리거 방식 플립-플롭을 두고 있습니다. 읽기와 쓰기 선을 공유(R/W#)하며 플립플롭 트리거용 신호(E)로 데이터를 래치합니다.
인텔 방식이든 모토롤러 방식이든 모두 칩 셀렉터(CS#)를 사용하는데 입출력 장치의 제어를 활성화 시킵니다. 마이크로프로세서가 디수의 입출력 장치중 한개를 선택할 때 사용하는 제어선입니다. 입출력 장치를 지정하기위해 대개 주소 버스를 디코딩하여 칩 셀렉트 신호를 만들어냅니다.
인텔 방식은 구식입니다. 작은 신호변화에도 반응하는 레벨 트리거 방식은 거의 사용되지 않습니다. 요즘처럼 빠르게 작동하는 반도체에서 클럭의 간격이 매우 작은데 제어용 신호간격을 유지하는것이 바람직하지 않을 뿐더러 글리치같은 일종의 잡음에 반응하면 곤란하니까요.
요즘은 모토롤라 방식이 주로 사용됩니다. 레벨 트리거는 플립플롭이 작동하기 위해 래치 제어가 일정한 간격이 유지되어야 합니다만 엣지 트리거 방식 플립 플롭은 작동하는 간격이 거의 0에 가깝기 때문에 속도를 다투는 요즘 장점이 많습니다. 엣지 트리거 방식 플립 플롭은 게이트수가 약간 더 들어가긴 합니다만 고집적 회로 시대라 단점이라고 할 것이 없습니다.
위와 같이 구성한 경우를 양방향 공통 버스 인터페이스라고 합니다. 다수의 입출력장치가 한 벌의 버스선을 공유하고 데이터 버스는 입출력을 겸하고 있습니다. 이러한 버스 방식은 칩마다 장착할 수 있는 핀의 갯수가 제한되므로 이를 극복하기 위한 방편입니다. 입력과 출력을 위해 먼저 제어신호가 나오고 읽기 혹은 쓰기를 하며 제어를 종료하는 일정한 절차를 필요로합니다. 이런 절차를 입출력 트랜잭션(transaction)이라고 합니다. 입출력 트랜잭션에는 제어 절차가 포함되어 시간적으로 손해입니다.
요즘처럼 대규모 반도체 집적화가 가능하므로 마이크로프로세서와 주변장치기능을 모두 한 칩에 집적화 시킵니다. 칩 내부에는 땜질을 할 필요가 없으므로 엄청나게 많은 수의 연결선을 배치할 수 있습니다. 도선의 굵기가 흔히 말하는 반도체 공정기술의 선폭과 같습니다. 수십 나노미터 폭의 도선을 사용할 수 있고 가닥의 수도 제한 없을 지경입니다. 배선의 길이도 기판에 연결하는 것보다 엄청나게 짧습니다. 그래서 칩 내부의 병렬 버스 연결방식은 공통버스를 사용하지 않습니다. 양방향 버스도 사용하지 않습니다. 따라서 트랜잭션에 제어절차가 간소화되어 입출력 속도를 높입니다. 버스의 폭(선갯수)도 8비트가 아닌 64비트 128비트로 늘려 놓습니다. 필요하다면 입출력 장치의 갯수에 따라 여러 벌의 버스를 배치하여 초고속의 데이터 전송이 가능하게 됩니다. 메모리처럼 빠른 속도가 가능한 버스와 느리게 작동할 외부 입출력 장치용 버스를 구분하여 버스 효율을 높입니다. 이런 버스를 온-칩 버스라고 하며 ARM 사에서 규정한 AMBA가 바로 이에 해당합니다.
목요일, 7월 12, 2007
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