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『전기전자컴퓨터공학기초』는 공학도로서 반드시 알아야할 기초적인 전기, 전자, 컴퓨터 공학 기술을 소개한다. 직접 여러 가지 전자부품으로 회로를 만들어보고, 센서와 모터를 연결해서 간단한 물건들을 만들어보고, 컴퓨터 프로그래밍을 통해 좀 더 복잡한 과제를 수행해 나가다 보면 각자의 전공 분야에 디지털 기술을 응용하는데 필요한 기초를 습득할 수 있을 것이다.

본서는 전기전자 계열 전공자는 물론, 비 전공자라고 할지라도 공학도로서 반드시 알아야할 기초적인 전기, 전자, 컴퓨터 공학 기술을 소개한다.
주요내용은 1. 실험의 기초지식, 2. 저항, 전압 및 전류의 측정, 3. 오옴의 법칙, 4. 교류신호와 함수발생기, 5. 오실로스코프 사용법, 6. 연산 증폭기의 기초, 7. 아날로그 디지털 신호 변환, 8. Arduino 개요, 9. Arduino 개발환경 설치, 10. Arduino 기본 문법, 11. Switch를 이용한 LED 제어, 12. Joystick(가변 저항)을 이용한 LED 밝기 조절, 13. 조도 센서를 이용한 LED 제어, 14. 온도/습도 센서를 통한 온도/습도 측정, 15. 적외선 센서를 통한 거리 측정, 16. 초음파 센서를 통한 거리 측정, 17. DC 모터 제어, 18. Term 프로젝트 등이다.
직접 여러 가지 전자부품으로 회로를 만들어보고, 센서와 모터를 연결해서 간단한 물건들을 만들어보고, 컴퓨터 프로그래밍을 통해 좀 더 복잡한 과제를 수행해 나가다 보면 각자의 전공 분야에 디지털 기술을 응용하는데 필요한 기초를 습득할 수 있을 것으로 기대된다.

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1.2 실험실습법 소개

1.2.1 실험공구 소개

전기, 전자회로 실험에 자주 사용되는 공구 중 PCB 기판 위에서 사용되는 회로 제작용 공구들의 이름과 용도에 대해 간략히 설명하도록 한다.

1.2.2 실험보고서 작성시 유의사항 및 작성법

실험진행 시 모든 실험을 위해 실험수행자는 원칙적으로 실험예비보고서와 실험결과보고서를 작성, 제출하여야 한다. 실험예비보고서는 실험을 수행하기 전에 관련된 이론과 실험의 목적을 알아보기 위한 과정이며, 실험결과보고서는 실험수행 후 도출해낸 결과값을 앞서 공부한 이론과 비교해보고 실험이 제대로 진행되었는지 확인할 수 있는 과정이다.
보고서는 반드시 아래의 절차에 따라 작성될 필요는 없으나, 담당교수나 조교의 특별한 지시가 없는 한 아래의 절차에 따라 작성하도록 권장한다.
실험보고서의 표지는 다음의 내용을 포함하여야 한다.
실험예비(또는 결과)보고서

과 목 명 :
실험제목 :
소 속 :
실험분반 및 조:
조원(이름과 학번) :
담당교수 :
제출일자 :

단 실험이 조별이 아닌 개인별로 진행되는 경우, ‘실험분반 및 조’와 ‘조원’ 부분에 개인 인적사항을 기록하도록 한다.
다음으로 실험예비보고서 본문에는 아래와 같은 내용을 포함하여야 한다.
1. 실험목적
2. 관련이론
3. 실험준비물(부품 및 장비 등)
4. 실험절차
5. 기타

마지막으로 실험결과보고서 본문에는 일반적으로 다음과 같은 내용을 포함하여야 한다.
1. 실험조건
2. 실험결과
3. 검토

1.3 PCB 기판 사용법

PCB 기판은 전기, 전자 회로를 구성할 때 주로 사용되는 재료이다. PCB 기판은 일반적으로 두 가지 형태가 있는데, 첫 번째 형태는 그림 1.1과 같이 단순히 리드선과 부품의 연결용 다리를 납땜할 수 있는 홈만으로 구성되어 있다. 이와 같은 기판은 회로구성을 사용자가 임의의 방향으로 할 수 있으며 가격이 저렴하지만, 전원과 접지선을 직접 구성해야 한다는 번거로움이 있다.
두 번째 형태는 아래의 그림 1.2와 같이 납땜을 위한 홈들과 그 주위에 직선 형태로 깔려 있는 도선으로 구성되어 있다. 이와 같은 PCB 기판은 전원과 접지선를 직접 배선할 필요 없이 직선 형태로 깔려 있는 도선에 연결하여 사용할 수 있으며 사용이 편리하지만 가격이 비싸다는 단점이 있다. 또한, 전원과 접지 사이의 거리가 가깝기 때문에 회로 구성시 단락(전원과 접지가 연결되는 현상)이 일어나지 않도록 각별히 주의해야 한다.

1.4 브레드보드 사용법

어떤 회로를 만들기 위해 항상 PCB 기판에 일일이 납땜하고 수정하기 위해 납땜을 뜯어내는 일은 굉장히 번거로운 작업일 것이다. 이러한 번거로움을 덜기 위해 브레드보드를 사용한다. 일명 빵판이라 불리는 브레드보드는 회로를 설계하거나 제작하기 전에 모의실험을 위해 주로 사용되어 진다. 브레드보드를 이용하여 회로를 구성하는 경우, 한 부분에서 다른 부분으로 도선을 연결하기 위해 일일이 납땜을 하지 않아도 된다. 대신 특정 부분을 다른 부분과 연결하기 위해 리드선의 양 끝을 연결하고자 하는 부위의 홈에 넣어 줌으로서 연결이 완성된다.
브레드보드의 내부 구성도는 그림 1.4에 나타나 있다. 세로로 전부 연결된 라인은 전원연결을 위해 구성되어 있고, 가로로 5개씩 묶여있는 홈들은 회로 소자들의 핀을 삽입하기 위한 것이다.
각각의 소자를 브레드보드에 삽입하기 위한 방법을 알아보자. 예를 들어 저항 1개를 전원에 연결한다고 가정해 보자. 가로로 5개씩의 홈은 한줄로 연결되어 있기 때문에 저항의 양쪽 핀 2개를 개의 홈에 모두 삽입할 시 저항은 제대로 동작하지 못하고 단락된 상태가 된다. 이러한 실수는 자칫 전원의 (+)극과 (-)극의 단락으로 이어져 회로의 소자가 소실되는 것 뿐만 아니라, 안전사고로 까지 이어질 수 있으므로 각별히 주의하도록 한다. 그림 1.5에는 전원에 제대로 연결된 저항의 모습이 나타나 있다.
3핀으로 된 소자도 그림 1.6과 같이 세로로 꽂아서 핀끼리 단락되는 일이 없도록 주의해야 한다. 양쪽에 핀이 있는 회로 소자의 경우는 아래의 그림 1.6과 같이 연결하여야 한다.

1.5 전원공급기 사용법

전원공급기는 테스트 및 회로제작에 필요한 직류 전원을 공급해주는 장치이며, 채널 수에 따라 공급할 수 있는 전원의 수가 정해진다. 직류전원을 얻으려면 일반적으로 배터리와 같은 직류전원을 사용하면 되지만 직류전압의 크기가 변하는 경우의 회로 특성을 실험하기 위해서는 배터리만으로는 어렵다. 직류전원의 전압크기를 일정 범위 내에서 자유롭게 가변하여 공급하기 위해서는 아래의 그림 1.7과 같은 직류전원공급기를 사용한다. 일반적인 직류전원공급기는 2개의 직류전원을 공급할 수 있는 출력단자를 가지고 있다.
이제 전원공급기의 각 기능을 살펴보자. 먼저 전압을 조정하기 위한 다이얼이 한 채널당 2개씩 존재한다. COARSE라고 써진 다이얼로 전압의 크기를 근사적으로 맞춘 후 FINE이라고 써진 다이얼로 미세하게 전압을 조정할 수 있다. 그리고 CURRENT는 전류랑을 조절해주는 단자이며 DC OUT스위치는 설정된 전원을 출력단자에서 출력하게 만들어 준다. DC SET은 현재 설정된 전류량을 볼 수 있으며 전류량을 재조정할 때 이 버튼을 누른 후 바꾸어 주어야 한다.
그 다음 전원공급기의 중요한 표시등인 CC와 CV에 대해 알아보자. CC(Constant Current)모드란 원하는 전류값을 입력하면 부하저항의 크기에 따라 전압의 값이 유동적으로 정해지는 것을 말한다. 부하에 전원을 연결한 상태에서 CC표시등이 켜졌다는 것은 부하에 흐르는 전류보다 설정된 전류값이 작을 경우이다. 전원공급기는 설정전류까지만 흐르도록 동작하며 공급전압이 낮아지게 된다. 회로를 구성하고 회로에 흐르는 전류값보다 여유롭게 공급전류를 설정했는데도 불구하고 CC표시등에 불이 들어온다면, 회로에 단락이 일어났거나 구성상 문제가 있음을 의심해 볼 필요가 있다.
우리가 일상 생활에 사용하는 기기에서 전원공급기의 역할을 하는 장치로 SMPS (Switched-Mode Power Supply)를 사용한다. 이 장치는 전력원(가정용 220V 등)으로부터 전력을 받아서 전류나 전압 특성을 변화시켜 기기에 전달하는 역할을 한다. SMPS의 기본 구성으로는 교류 입력 전압을 직류전압으로 변환하는 평활회로, DC-DC 컨버터, 출력정류 평활회로, 궤환 제어회로 등으로 구성된다.
DC-DC 컨버터는 짧은 시간동안 일정한 주기로 on-off를 반복하며 이 주기에 따라 출력 DC전압을 변화시킬 수 있다. 한 주기동안 스위치가 on되어 있는 비율을 Duty cycle이라고 하며 스위치가 on 되어있는 시간이 길수록 입력 전압과 가까워지며, on되어 있는 시간이 짧을수록 전압이 낮아진다.
그림 1.9와 같이 스위치 타이밍을 조절해 만들어진 전압을 평활화 하는 회로를 통해 원하는 DC 출력전압을 생성해 낸다. 궤환 제어 회로는 DC 출력 전압을 원하는 값과 비교해 duty cycle를 조절하여 DC 출력전압을 재 조정하는 역할을 한다.

1.6 디지털멀티미터 사용법

전압을 측정하는데 사용되는 기기를 전압측정기(볼트미터), 전류를 측정하는데 사용되는 기기를 전류측정기(암미터), 저항을 측정하는데 사용되는 기기를 저항측정기(옴미터)라 한다. 멀티미터는 위의 세 가지 기기가 하나의 기기로 만들어진 것을 말한다. 최근에는 휴대가능한 멀티미터(일명 테스터기)를 이용하여 손쉽게 측정가능하다.
멀티미터를 이용하여 저항, 전압 및 전류를 측정하기 전에 프로브의 사용법부터 간단하게 알아보도록 한다. 프로브(Probe)는 측정하고자 하는 지점과 멀티미터를 접촉하는 역할을 한다. 검정색은 보통 COM단자(공통단자)에 연결하며 붉은색 프로브는 측정하고자 하는 범주를 선택하여 단자에 연결한다. 붉은색과 검정색이 다른 역할을 하는 선은 아니지만 기준점과 측정점을 명확히 인식하기 위해 일반적으로 위의 방식대로 연결한다.
저항, 전압 및 전류를 측정하기 위해 멀티미터와 회로를 연결해야 한다. 연결 방법에는 병렬연결과 직렬연결 두가지가 있다. 직렬연결이란 말 그대로 구성된 회로와 멀티미터가 직렬로 연결된 경우이며, 병렬연결은 측정하고자 하는 소자와 멀티미터가 병렬로 연결된 경우이다. 전류를 측정할 때 직렬연결을 사용한다. 직렬연결은 측정하고자 하는 부분을 먼저 개방한 후 프로브의 양 끝을 회로의 개방된 부분 양 끝에 연결하여 준다. 직렬연결로는 전류를 측정할 수 있으며, 전류측정단자에서 COM 단자로 흘러들어가는 전류를 표시한다. 멀티미터에서 음의 전류(-)값을 나타낸다면 전류가 반대쪽으로 흐르고 있음을 의미한다.
먼저 저항을 측정하는 방법을 알아보자. 멀티미터를 이용하여 저항을 측정하는 경우, 먼저 버튼을 눌러 저항을 측정할 수 있게 한다. Range(범위)를 적합하게 설정한 후 측정용 프로브를 연결한다. 검정색 프로브는 COM 단자에 연결하고, 적색 프로브는 이 써진 단자에 연결해 준다. 검정색과 적색 프로브를 측정하고자 하는 저항 양단에 접촉하고 멀티미터에 표시된 저항값을 읽는다. 저항을 측정할 때, 전원이 연결된 회로에서 저항값을 측정하지 않도록 주의한다.
다음으로 전압을 측정하고자 하는 경우, 측정하려는 전압의 종류에 따라 AC 또는 DC 버튼을 눌러준다. 그리고 적합한 전압의 측정범위를 선택해준다. 이 때, 전압의 측정범위를 잘 모르는 경우에는 측정범위가 가장 큰 버튼을 선택하여 측정한 후 적합한 범위를 다시 조정하도록 한다. 적색 프로브는 전압측정단자에, 검정색 프로브는 COM 단자에 연결한다. 측정용 프로브는 전압 측정부위에 병렬로 연결한다. 예를 들어 저항에 걸리는 전압을 측정하고자 할 때에는 그림 1.13과 같이 저항의 양단에 프로브를 연결하면 병렬로 접속되어 전압측정이 가능하다.
전류를 측정하기 위한 방법은 위의 전압이나 저항측정법과 약간 다르다. 전류를 측정하기 위해서는 전류의 종류에 따라 AC 또는 DC 전류 측정버튼을 눌러준다. 그리고 측정하고자 하는 전류의 적합한 측정범위를 선택해 준다. 만약 전류의 측정범위를 잘 모르는 경우 측정범위가 가장 큰 버튼을 선택하여 전류를 측정한 후 가장 적합한 측정범위 버튼을 다시 선택한다. 검정색 프로브를 COM 단자에 연결하고 적색 프로브를 측정범위에 따라 또는 단자에 연결해 준다. 여기까지는 전압측정 방법과 동일했지만 전류를 측정하기 위해서는 그림 1.14와 같이 전류를 측정하고자 하는 부분에 프로브를 ‘직렬’로 연결로 연결해 준다. 직렬로 연결하기 위해서는 측정점 회로부분을 개방한 후 프로브를 전류방향에 맞추어 연결해 주면 된다.

1. 실험의 기초지식 11
2. 저항, 전압 및 전류의 측정 25
3. 오옴의 법칙 35
4. 교류신호와 함수발생기 43
5. 오실로스코프 사용법 53
6. 연산 증폭기의 기초 63
7. 아날로그 디지털 신호 변환 79
8. Arduino 개요 91
9. Arduino 개발환경 설치 103
10. Arduino 기본 문법 119
11. Switch를 이용한 LED 제어 159
12. Joystick(가변 저항)을 이용한 LED 밝기 조절 177
13. 조도 센서를 이용한 LED 제어 187
14. 온도/습도 센서를 통한 온도/습도 측정 195
15. 적외선 센서를 통한 거리 측정 205
16. 초음파 센서를 통한 거리 측정 215
17. DC 모터 제어 227
18. Term 프로젝트 239

머리말
과학 기술의 발달과 함께 우리 주위의 모든 기계 장치들은 점점 그 작동원리를 짐작조차 할 수 없을 정도로 복잡해져 버렸고, 보통 사람들에게는 이제 더 이상 기술과 마술을 구분하기 어려운 세상이 되어가고 있다. 그러다보니 공학을 전공한 사람에 대해 주변 사람들이 가지는 ‘나는 모르겠지만 공학도라면 뭔가 알고 있을 것이고 문제가 생기면 해결해줄 것이라’는 환상도 점차 커지게 되었다. 하지만, 실제로는 공과대학에서 4년간 공부를 하고 졸업한 공학도라고 하더라도, 현대 과학에서 이루어지는 마술 같은 기술, 특히 전자나 컴퓨터관련 기술에 대해 제대로 아는 사람은 많지 않을 것이다. 물론 해당 학문을 전공한 사람이라면 다르겠지만 재료공학, 화학공학, 환경공학, 생물공학, 에너지 공학 등 다른 분야를 전공한 사람들은 아마 졸업할 때까지 납땜 인두도 한번 구경 못해본 사람이 대부분일 것이다.
현대 공학의 큰 특징은 바로 디지털화로, 컴퓨터를 이용한 자동화, IoT로 대표되는 사물의 지능화 등이라 할 수 있다. 이는 앞서 말한 공학의 제 분야에 모두 필수적인 요소가 되어가고 있으며 더 이상 컴퓨터 공학을 응용하지 않으면 공학 연구가 어려워진 것이 현실이다. 그러나 한 사람이 모든 과학 분야의 지식을 다 알고 있었던 르네상스 시대 이전이라면 모를까 지금의 컴퓨터 공학자가 모든 공학 분야의 지식을 이해하고 거기에 맞는 응용 기술을 개발한다는 것은 당연히 불가능하다고 할 수 있다. 이런 문제는 여러 분야의 공학자가 전자나 컴퓨터관련 기술을 어느 정도 습득하고, 이를 자기 분야에 응용할 수 있게 된다면 해결이 가능할 것이다.
이 책에서는 전기전자 계열 전공자는 물론, 비 전공자라고 할지라도 공학도로서 반드시 알아야할 기초적인 전기, 전자, 컴퓨터 공학 기술을 소개하고자 한다. 직접 여러 가지 전자부품으로 회로를 만들어보고, 센서와 모터를 연결해서 간단한 물건들을 만들어보고, 컴퓨터 프로그래밍을 통해 좀 더 복잡한 과제를 수행해 나가다 보면 각자의 전공 분야에 디지털 기술을 응용하는데 필요한 기초를 습득할 수 있을 것으로 기대된다.

2015년 8월

1. 실험의 기초지식

목적

ㆍ PCB 기판의 사용법을 이해한다.
ㆍ 브레드보드의 사용법을 이해한다.
ㆍ 멀티미터의 사용법을 이해한다.
ㆍ 전원공급기의 사용법을 이해한다.
ㆍ 실험공구 이용법 및 보고서 작성 요령을 익힌다.

1.1 안전교육

실험의 진행에 앞서서 안전교육에 대한 내용이 선행되어야 한다. 이 절에서는 안전한 실험 진행을 위한 교육을 소개하고자 한다. 안전교육은 전남대학교 연구환경 안전망 홈페이지에서 스스로 해보기 바란다.

ㆍ ‘전남대학교 홈페이지’로 검색 또는 http://www.jnu.ac.kr 로 접속합니다.

ㆍ ‘전남대학교연구환경안전망’으로 검색 또는 http://safety.jnu.ac.kr 로도 접속할 수 있습니다.

ㆍ 등록한 학생(학부, 대학원)의 경우는 자동으로 등록이 되어 학번과 이름만을 기입하여 로그인을 하면 교육을 수강할 수 있습니다.
ㆍ 연구원, 교직원등의 기존가입자는 아이디와 이름을 입력하고 로그인 합니다.
ㆍ 신규가입자(수료한 대학원생이나 연구원, 연구보조원, 교직원등)는 자체가입을 클릭하면, 오른쪽에 팝업창이 뜨는데, 내용을 기입하고 등록을 합니다. ⇒ 등록 후 연구실안전관리센터의 교육담당자가 승인을 하면 교육을 시작할 수 있습니다.

ㆍ 홈페이지 메인에 있는 안전교육 버튼을 클릭합니다.
ㆍ 수강하기를 선택하여 필수 2과목, 선택 4과목으로 총 6과목을 이수하여야 합니다.

ㆍ 평가를 하여 60점 이상이 되어야 수료를 할 수 있습니다.
ㆍ 수료후 학과(학부)사무실에 수료증을 제출합니다.