QUCS Hierarchical Design - OPAMP Comparator Level Detector 계층 회로 시뮬레이션 방법

QUCS Hierarchical Design

QUCS Subcircuits - Comparator Voltage Level Meter

지난 포스트에서는 QUCS의 Subcircuit Components를 사용하여 계층 구조 회로도 시뮬레이션 방법에 대해 알아보았습니다. 이번 포스트에서는

계층 구조회로도를 만들기 위해 기존 회로도를 부품처럼 사용하는 다른 방법을 소개

합니다. QUCS 사용 방법 관련 포스트는 회로의 자세한 설명은 생략하고 QUCS 사용법을 중심으로 설명합니다. 궁금한 점 있으시면 댓글로 부탁드립니다.^^

---

OPAMP를 사용한 레벨 미터 회로

아래 회로는 Opamp 비교기를 사용하여 입력 전압 레벨을 측정하는 회로입니다. OPAMP 의 V-단자로 입력되는 전압을 1V 간격으로 레벨을 측정하는 회로입니다. 아래 그림의 최하단의 표를 보면 1V마다 BIT1~4가 증가하는 것을 확인 할 수 있습니다. 이번 포스트에서는 아래의 레벨 미터 회로에서 빨간색으로 표시된 OPAMP 비교기를 Subcircuits 으로 추가하여 사용하는 방법을 소개 합니다.OPAMP 비교기를 사용한 레벨 미터

계층 구조 회로도 : Subcircuits

계층 구조 회로도 필요성

위의 회로는 사실 간단하지만, 빨간색으로 테두리를 친 부분은 OPAMP 비교기로 사용할 수 있는 부분입니다. 이런 OPAMP 비교기는 레벨 미터 분해능을 더 세분화하는 경우 더 많이 필요하고, 다른 회로에서 비교 기능이 필요한 경우 동일하게 사용될 수 있습니다. 이렇게 자주 사용하는 기능 블록의 회로는 QUCS에서 Subcircuits 기능을 사용하여 다른 회로에서 기능 블럭 회로를 하나의 부품으로 취급하여 사용 할 수 있습니다. 

계층 구조 회로 작성 방법 두 가지

QUCS 에서 회로 기능 블럭을 부품으로 사용하는 방법은 크게 2가지가 있습니다. 첫 번째 방법은 지난 포스트에서 소개했고, 두번째 방법을 이번 포스트에서 소개합니다.

• Subcircuit Component를 추가하면서 일시적으로 다른 회로를 참조하는 방법

• 생성된 Project에 회로들을 추가하여 라이브러리처럼 사용

OPamp Comparator 회로 만들기

회로도 작성

Subcircuit으로 사용할 회로를 먼저 설계하고 검증을 하기 위해 아래 그램과 같이 Opamp 를 사용한 비교기 회로도를 작성합니다. QUCS 에서 이상적으로 동작하는 OPAMP 는 기본적으로 ±20V 양전원을 사용해서 출력을 단전원으로 만들기 위해 트랜지스터를 추가하였습니다.

QUCS OPAMP Comparator

위 회로를 그리기 위해 참조한 부품의 위치는 아래와 같습니다.

• Components Tap > Lumped Components

• R1, R2 : Resistor US

• Components Tap > Source

• V3 : AC Voltage

• V1, V2 : DC Voltage

• Components Tap > Nonlinear Components

• OP1 : Opamp

• T1 : npn Transistor

설계 검증

아래 회로를 검증하기 위해 아래와 같이 시뮬레이션 블록 추가 및 설정을 완료하고 F2키를 눌러 시뮬레이션을 실행합니다. Transient Simulation 블록은 Components Tap > SImulation 에서 찾을 수 있습니다. AC 전원의 주파수를 1kHz로 설정하여 transient simulation의 Stop 시간은 5ms 로 설정하였습니다.

Simulation 블록 추가 및 설정

F2 키를 눌러 시뮬레이션 계산이 완료되면 Components > Disgram 에서 Cartesian 을 추가하여 입력과 출력이 정상적으로 출력이 되는지 확인합니다. OPAMP 입력 Vin 전압이 2.5V 기준으로 Vout 전압이 5V, 0V 가 반전되는 것을 확인 할 수 있습니다.

OPAMP Comparator 시뮬레이션 결과

Subcircuit 으로 수정

위의 회로에서 바로 지우면 아까우니, 회로를 다른 이름으로 저장하고 아래 그림과 같이 Port를 추가하여 Subcircuit 으로 사용될 수 있도록 입출력 포트를 작성합니다. F9 키를 눌러 Circuit Symbol을 적당하게 수정합니다.

SubCircuit 회로도 만들기 및 Circuit Symbol 수정

수정이 완료되면 회로도를 저장합니다. 저는 이 회로를 Sub_Comp 로 저장하였습니다. 

Subcircuit 사용 시뮬레이션

프로젝트 생성

QUCS의 Main Dock > Project 탭에서 New를 선택하여 새로운 프로젝트를 생성합니다. 

QUCS 프로젝트 생성

프로젝트 생성 후 프로젝트가 생성된 폴더를 찾습니다. 폴더 위치를 찾는 방법은 상단 메뉴에서 File > Save As를 눌러 어디에 저장되어 있는지 확인 할 수 있습니다. 확인 후, Subcircuit 으로 사용하기 위해 생성한 Sub_Comp 파일을 프로젝트 폴더로 복사합니다.

📌 Save As를 누른 이유는 프로젝트 폴더를 빨리 찾기위해서입니다.

QUCS 프로젝트 폴더에 Subcircuit 으로 사용할 회로 복사

Subcircuit 추가가 완료되면 QUCS 의 Main Dock > Project 탭에서 프로젝트를 선택하고 Open을 누르면 Content Tap에서 Schamatics 항목에서 프로젝트 폴더에 등록된 회로도(.sch) 파일이 추가됩니다. 아래 그림과 같이 추가된 Sub_Comp.sch 를 누르면 회로도에서 부품을 추가하는 것 같이 Circuit Symbol을 사용하여 회로도 작성이 가능합니다.

프로젝트 참조 회로 등록 확인

회로도 작성

추가된 Sub_Comp.sch 의 Symbom 과 일반 컴포넌트를 조합하여 아래와 같이 회로도를 작성합니다. 

Subcircuit 활용 회로도 작성

시뮬레이션 설정 및 결과 확인

회로도 작성이 완료되면 아래와 같이 Transient Simualtion 추가 및 설정 후 F2 키를 눌러 시뮬레이션을 실행합니다. 시뮬레이션이 완료되면 Dialograms 메뉴에서 Cartesian을 추가하여 Vin.Vt, Vout1~4.Vt 를 개별 그래프에 추가합니다. 그래프 설정이 완료되면 아래와 같이 시뮬레이션 결과를 확인 할 수 있습니다.

시뮬레이션 설정 및 결과

---

마무리

본 포스트에서 간단한 회로를 사용하여 QUCS Subcircuit 를 사용법을 설명하였습니다. 본문에서는 1개의 Subcircuit 만 사용했지만, 자주 사용하는 블록들을 Subcircuit으로 등록해 놓으면 여러 기능 블록이 조합된 복잡한 회로를 통합적으로 분석이 가능합니다. 필요하면 참고해주세요.

끝까지 읽어주셔서 감사합니다.^^

관련포스트

👉 무료 회로 시뮬레이션 QUCS 사용법 관련글 목록 보기