개념 한 쪽
디지털 제어계에서 아날로그 신호와 디지털 신호의 변환 원리와 PLC의 구성 요소를 이해해야 한다. D-A 컨버터의 성능 지표는 정확도, 정밀도, 해상도, 변환속도 등으로 구분하고, 양자화 과정에서 발생하는 오차의 정의를 구분하여 풀이해야 한다. PLC의 CPU 구성과 주변 장치를 구별하는 논점을 숙지해야 한다.
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출제기준 단원 「직렬궤환디지털회로」의 공개 문제 3개를 묻는 꼴별로 나누면 이렇습니다.
| 묻는 꼴 | 문제 수 | 무엇을 묻나 |
|---|---|---|
| PLC CPU 구성 판별 | 1 | CPU부 구성 요소와 거리가 먼 항목을 가려내기 |
| PLC 특징 이해 | 1 | PLC의 용도와 특성(시퀀스 제어, 무접점 등)을 판단하기 |
| 양자화 및 D/A 계산 | 1 | 비트 수에 따른 양자화 해석 및 D/A의 비례 계산을 수행하기 |
D-A 컨버터(DAC)는 디지털 입력값을 아날로그 출력으로 바꾸는 장치이다. 중요한 성능 지표로는 출력이 얼마나 정확한가를 나타내는 정확도, 값을 얼마나 세밀하게 나누어 표현할 수 있는지를 나타내는 정밀도(해상도 포함), 그리고 값을 바꿀 수 있는 속도인 변환속도 등이 있다. 반대로 시정수처럼 아날로그 회로의 과도 응답 특성은 DAC 선택의 직접적 성능 지표가 아니라고 본다.
D-A 변환 문제는 보통 디지털 값을 십진수로 변환한 뒤 비례 상수를 이용해 아날로그 전압을 계산하는 방식으로 풀이한다. 예를 들어 주어진 입력 비트 패턴이 표현하는 십진값과 그때의 출력 전압으로부터 1LSB당 출력 전압을 구하고, 다른 입력값에 대해 비례 계산을 수행한다.
아날로그 신호를 디지털로 변환할 때에는 양자화 단계와 양자화 오차를 구분해야 한다. n비트 변환기는 2^n 단계로 전체 범위를 나누고, 양자화 간격(Resolution)은 전체 범위를 2^n으로 나눈 값이다. 교과적 관점에서는 최대 양자화 오차를 1/2 LSB로 보는 것이 일반적하나, 시험 문맥에서는 양자화 간격 자체를 오차 기준으로 제시하는 경우가 있으므로 문제 의도를 확인해야 한다.
PLC는 산업 현장의 제어를 위해 설계된 컴퓨터형 장치로, 핵심 구성은 입력부, 제어부(CPU), 출력부의 3요소로 요약된다. CPU부는 연산부(ALU), 프로그램 메모리, 데이터 메모리 등 정보 처리와 저장을 담당하는 내부 구성으로 이루어지며, 전원부는 시스템 전체에 전력을 공급하는 모듈로서 CPU의 내부 구성과는 기능적으로 분리된다.
디지털 제어에 적합한 구동기는 펄스 신호에 직접 응답하는 특성을 살펴 선택한다. 스텝전동기는 펄스 하나당 일정 각도가 회전하므로 펄스의 수 및 주파수로 위치와 속도를 직접 제어할 수 있어 디지털 제어계에 적합하다.
대표 계산 예: 3비트 D/A 변환기에서 입력 011(2)이 출력 3V일 때 011(2)=3이므로 1단위당 출력 전압은 1V이다. 입력을 101(2)=5로 바꾸면 출력 전압은 5V가 된다. 풀이 순서는 이진수를 십진수로 변환 → 1LSB당 전압 계산 → 목표 입력값에 곱하기이다.
양자화 오차 해석 예: 전체 아날로그 범위를 M이라 하고 비트 수를 3이라 하면 2^3=8단계가 생긴다. 양자화 간격은 M/8으로 계산한다. 문제의 문맥에 따라 최대 양자화 오차를 M/8(간격 기준)으로 보거나, 더 보수적으로 1/2 LSB 기준으로 M/16으로 보아야 하는지를 확인하여 선택해야 한다.
PLC 구성 판별 예: CPU부의 구성과 거리가 먼 요소로 전원부를 선택한다. CPU부는 연산부와 메모리로 정보 처리를 담당하므로 전력 공급을 담당하는 전원부는 기능적으로 분리된 항목이다.
PLC(Programmable Logic Controller)의 CPU부의 구성과 거리가 먼 것은?
정답 ④ · 문항은 PLC의 CPU부를 구성하는 요소가 무엇인지 물어본다. CPU부는 연산 기능과 프로그램·데이터 메모리 등 논리 처리에 필요한 모듈들로 구성되며 연산부·프로그램 메모리부·데이터 메모리부가 여기에 해당한다.
PLC의 CPU부는 연산, 메모리, 인터페이스 등으로 구성되며 전원부는 별도의 전원 공급 장치에 속한다.
PLC(Programmable Logic Controller)에 대한 설명 중 틀린 것은?
정답 ④ · 문항은 PLC의 특징 중 틀린 것을 찾는 문제로서 PLC의 기능과 용도를 확인하는 것이다. PLC는 무접점(반도체 스위치) 방식으로 계전기·타이머·카운터 기능을 소프트웨어적으로 제공하며 산술 및 비교 연산도 처리할 수 있는 시퀀스 제어용 산업용 컴퓨터이다.
PLC는 시퀀스 제어의 핵심 장치로, 기존 계전기 회로를 소프트웨어로 대체하여 유연한 제어가 가능합니다.
컴퓨터 제어의 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환하는 과정에서, 아날로그 신호의 최대값을 M, 변환기의 bit수를 3이라 하면 양자화 오차의 최대값은 얼마인가?
정답 ④ · 문제는 아날로그 신호를 n=3비트로 양자화할 때 양자화 오차의 최대값을 묻고 있다. 동일 범위 M을 2^n 단계로 나누면 양자화 간격이 M/2^n이 되고, 일반적으로 최대 양자화 오차는 그 절반(간격/2)이지만 보기와 기준을 보면 간격 자체를 최대값으로 본 경우 2^3=8이므로 M/8이 된다.
양자화 오차 최대값은 전압 범위(M)를 양자화 단계 수(2^비트수)로 나눈 값의 절반이다.
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