How the energy loss occurs?

필터의 종류

1. Low Pass Filter 저역통과 여파기

2. High Pass Filter 고역통과 여파기

3. Band Pass Filter 대역통과 여파기

4. Band Stop Filter 대역소거 여파기

1. Low pass Filter

이 필터는 저주파를 통과시키는 필터이다.

높은 주파수가 차단되고 낮은 주파수가 흘려보낸다.

물론 직류도 통과 한다.

인덕터는 고주파가 통과하기 힘들고 커패시터는 저주파가 통과하기 힘들다.

고주파는 인덕터를 통과하기 힘들어 출력에 거의 나타나지 않는데다가,

통과하기 쉬운 커패시터는 접지와 Short(단락)된거와 마찬가지가 되어 고주파 성분에 있어서는

거의 나타나지 않는다.

반면 저주파는 인덕터를 잘 통과하지만 커패시터를 통과하기 힘들어 Vout에 출력이 나타난다.

만일 1kHz의 주파수 이하만 통과 시키려면 옴의 법칙을 이용하여 XC / (XL + XC) 값이 0.7(루트2 분의1)이 나와야 한다.

Xc = 1/jwC

XL = jwL

w (오메가) = 2πf        f = 주파수

j = 루트(-1)     (허수)

2. High Pass Filter

이 필터는 저주파를 차단하고 고주파를 통과시키는 필터이다.

직류는 절대 통과하지 못한다.

입력과 출력사이에 커패시터가 있다.

저주파는 이 커패시터의 저항이 높게 느껴지며 인덕터의 저항은 낮게 느껴진다.

그래서 Vout의 값은 낮아진다.

반면 고주파는 커패시터는 저항이 낮게 느껴지지만 인덕터는 저항이 높게 느껴져서

출력값이 높아진다. (옴의법칙을 생각하면 쉽게 이해할 수 있다.)

이것도 역시 위와 마찬가지이다.

C와 L의 위치가 다름으로 XL / (XL + XC)로 한 값이 0.7이 나와야 한다.

3. Band Pass Filter

대역통과 여파기라 하며 특정한 대역을 통과시킨다.

즉 너무 낮은 주파수역시 통과시키지 않으며 너무 높은 주파수 역시 통과시키지 않는다.

라디오 TV 휴대폰등 다양한 분야에 사용되는 필터이다.

대역통과필터는 저역통과와 고역통과를 합친 꼴이 되는데,

하지만 이 두필터를 잘못 연결하면 대역소거필터가 될 수도 있다.

하지만 실제로 이렇게 설계 하지 않을 것이다.

인덕터와 커패시터를 직렬로 연결하면, 특정한 주파수에서 저항이 0이 된다.

반면에 인덕터와 커패시터를 병렬로 연결하면, 특정한 주파수에서 저항이 무한이 된다.

이걸 이용하여 대역통과 필터를 만든다.

여기서 두개의 커패시터는 같은 값이며 인덕터 역시 같은 값이다.

그러면 특정 주파수만 통과시키는 필터가 된다.

항상 특정주파수만 통과시키는 것은 아니다.

특정 주파수를 가장 잘 통과시키며 특정주파수보다 높아지거나 낮아지면 Vout에 나타나는 출력이 떨어진다. 그렇게 떨어진 출력이 대략 70%정도 되는 주파수 대역의 폭을 대역폭 이라고 한다.

(정확히 1/루트2 한 값이다. 이 값은 약 0.707이 나온다)

이것의 중심주파수는 Xc + XL = 0이 되는 주파수이다.

4. Band Stop Filter

이 필터는 특정 주파수를 통과시키지 못하게 만드는 장치이다.

대역통과 여파기와 반대개념으로 설계하면 된다.

위와같이 특정 주파수는 통과할 수 없도록 입력과 출력사이에 인덕터와 커패시터의 병렬로 연결 하였다.

그리고 출력과 접지사이에 특정주파수가 통과하여 출력에 나타나지 않도록 직렬연결 시켰다.

위와 마찬가지 차단 주파수는 Xc + XL = 0 이다.

이외 인덕터와 커패시터만 이용하는것이 아닌 Op-Amp를 이용하여 필터를 설계 할 수 있다.

Op-Amp를 이용한 필터 설계는 Op-Amp의 특성을 먼저 보고 보자.

디코더에 의해 특정 LED에 신호를 주고 클럭이 동작하면 그 LED는 신호에 따라 켜지거나 꺼진다.

그리고 플립플롭에 의해 기억됨으로 상태를 유지한다.

LED가 많아질 수록 플립플롭의 갯수는 증가하며, 동시에 디코더의 비트수도 역시 증가한다.

실제 디스플레이는 어떤방식으로 설계하는지는 모르겠지만 대충 이렇지 않을까 생각하고 있다.

만일 위의 방식으로 1600 × 900 화질을 출력하려면

플립플롭 역시 1440000개 있어야 하며, 디코더의 입력단자는 X는 10개 Y는 11개 입력의 디코더가 필요하다.

컬러를 구사하기 위해서는 두가지 방법이 있는데,

LED의 밝기를 조절하는방법과 LED의 각 색깔별로 여러개를 장착하여 해당갯수만큼 켜고 끄는 것이다.

기본적으로 LED가 3개는 더 필요하다.

게다가 밝기를 조절하려면 단순히 플립플롭의 기억소자만으로 되는 것이 아니라 PWM으로 제어를 하거나,

DAC를 이용하여 아날로그 신호로 변환해야 한다.

보통 컬러를 표현할 때 한색깔은 8bit임으로 플립플롭이 LED하나에 8개가 필요하게 된다.

Display를 제어하기 위한 입력단자.

먼저 Vcc와 Ground 두개가 사용된다.

RGB별로 각각 8개 총 24개가 사용된다.

위치를 표시하기 위해 X는 10 Y는 11개 하여 21개가 사용된다.

이렇게 하면 총 47개의 입력단자가 필요하게 된다.

실제 디스플레이는 어떤방식으로 구사한지는 모르겠다.

하지만 내 나름 디스플레이 회로를 구사하였다.

오늘은 주파수와 필터에 대해 알아보자.

일단 이에 앞서 커패시터(capacitor)와 인덕터(inductor)의 개념을 알아야 한다.

커패시터는 실제 전기적으로 절연이 되어있다.

하지만 넓은 금속판이 매우 가까이 있지만 붙어있지는 않아 전류가 흐르진 못한다.

두 금속판이 매우 가까워서 생기는 특성이 있는데 이것을 정전용량이라 한다.

커패시터의 기호(Symbol)인데 실제 원리를 적용하여 만들어낸 것이다.

두개의 금속판을 가까이 붙이고 전압을 가하게 되면,

양극에 전하가 충전이 된다.(간단히 전기가 충전된다고 생각하면 된다)

그리고 양극에 전압이 사라지면 그 전하는 다시 방전하게 된다.

이러한 특성은 직류는 흘리지 못하지만 교류는 흐를수 있게된다.

인덕터는 도선을 감아놓은 코일이다.

도선에 전류를 흘리면 자기장이 발생하는데 인덕터 처럼 코일형태로 감아놓게되면

강한 자성이 발생한다.

이러한 강한 자성은 전류가 변화하는 것을 억제한다.(이거에 대한 정확한 원리는 전자기학에..)

그러하여 직류는 아무런 저항이 없이 지나가지만 주파수가 높을수록 통과하기 힘들어 진다.

기호는 다음과 같다.

자 이제 주파수는 어떤것일까???

먼저 주기라는 것이 있다.

주기는 들어본적이 있나요????

아마 중학교때 성교육을 받을 때 월경주기나 아니면 과학시간에 지구의 자전주기 공전주기 등등

들어보았을 것이다.

주기라는 것은 일정한 패턴의 움직임이나 변화를 1회를 완수한 시간을 말한다.

즉 지구가 태양 한바퀴를 도는 시간은 1년이기 때문에

지구의 공전주기는 1년이 된다.

그럼 주파수는 어떤 것일까???

주파수는 일정한 패턴의 움직임이나 변화를 단위시간(일정시간)안에 몇번 반복했는지에 대한 횟수 이다.

보통 단위는 Hz(헤르츠)를 사용하는데, 이 단위는 1초동안의 반복횟수이다.

즉 내가 1초에 박수를 5번친다면 박수의 주파수는 5Hz인 것이다.

반대로 주기는 0.2초가 될 것이다. 즉 주기와 주파수는 역수관계이다.

소리는 진동이다.

이것은 누구나 아는 상식이다.

피아노가 있는데 피아노의 '도'를 치면 피아노 안에 있는 '도'에 해당하는 줄이 진동을 하며 '도'음을 낸다.

이 피아노줄은 그 줄이 가지고 있는 고유 주파수가 있다.

이 줄에다 '레'라는 소리를 크게 옆에서 진동시켜도 이 줄은 잘 떨리지 않지만

'도'라는 소리를 옆에서 소리를 내면 함께 진동하게 되는데

이것을 '공명'이라고 한다.

다리를 설계할때도 이 공명현상을 고려하는데,

대형트럭이 지나가도 끄떡없던 다리가 사람 몇사람이 지나가다 무너질 수도 있다.

이것은 그 다리가 지니고 있는 고유주파수과 사람의 발걸은의 주파수가 일치하면,

다리가 점차 심하게 흔들리고 결국 무너지게 되는 것이다.

공진주파수

전기적신호도 역시 주파수라는 성분을 가지고 있으며 또한 공명과 같은 현상도 있다.

이를 '공진'이라하며, 그 주파수를 '공진주파수'라 한다.

인덕터와 커패시터의 특성에 의해서 이 둘을 조합하게 되면,

특정 주파수에 대하여 저항이 0이 되어버린다.

이때 주파수를 '공진주파수'라고 한다.

이러한 특성을 이용하여 라디오나 TV 휴대폰등에서 우리들이 반드시 필요한 신호만을

추출할 수 있게 된다.