Aktívny dolnopriepustný filter RC aplikovaný v projektoch s Arduino: 4 kroky

2024 Autor: John Day | [email protected]. Naposledy zmenené: 2024-01-30 11:57

Projekty Tinkercad »

Dolnopriepustný filter je vynikajúce elektronické obvody na filtrovanie parazitných signálov z vašich projektov. Bežným problémom v projektoch s Arduino a systémami so senzormi pracujúcimi v blízkosti napájacích obvodov je prítomnosť „parazitných“signálov.

Môžu byť spôsobené vibráciami alebo magnetickými poľami v rovnakej oblasti ako snímač.

Tieto signály, ktoré sú väčšinou vysokofrekvenčné, spôsobujú v čase čítania poruchy a v dôsledku toho dochádza v automatizačnom systéme k chybným údajom. Bežným príkladom je spustenie stroja, ktorý vyžaduje vysoký počiatočný prúd.

To spôsobí generovanie vysokofrekvenčného šumu v niekoľkých prvkoch, ktoré sú pripojené k elektrickej sieti vrátane senzorov.

Aby sa zabránilo rušeniu týchto zvukov systémom, medzi senzorovým prvkom a systémom, ktorý ho číta, sa používajú filtre.

Čo sú to pasívne a aktívne filtre?

Zásoby

• 2 rezistory;
• 2 keramické kondenzátory
• 2 elektrolytické kondenzátory;
• Operačný zosilňovač LM358
• Napájacie svorky alebo 9V batéria;

Krok 1: Čo sú to pasívne a aktívne filtre?

Filtre sú obvody, ktoré môžu „čistiť“signál a oddeľovať nežiaduce signály, aby sa zabránilo čítaniu hodnôt, ktoré sa nezhodujú s realitou.

Filtre môžu byť dvoch typov: pasívne a aktívne.

Pasívne filtreFiltre môžu byť pasívne, ktoré sú najjednoduchšie, pretože pozostávajú iba z rezistorov a kondenzátorov.

Aktívne filtre

Aktívne filtre okrem rezistorov a kondenzátorov používajú na zlepšenie filtrovania zosilňovače a digitálne filtre, ktoré sa používajú v procesoroch a mikrokontroléroch.

V tomto článku sa preto dozviete:

Pochopte, ako funguje dolnopriepustný filter;

Konfigurujte hardvér dolnopriepustného filtra s medznou frekvenciou 100 Hz pomocou operačného zosilňovača LM358;

Vypočítajte hodnoty pasívnych komponentov obvodu;

Zostavte dolnopriepustný filter NextPCB.

Ďalej uvádzame proces vývoja aktívneho dolnopriepustného filtra pre naše obvody s Arduino.

Krok 2: Vývoj aktívneho nízkopriepustného filtračného obvodu RC

V tomto projekte bude vyvinutý aktívny dolnopriepustný filter s doskou s plošnými spojmi NEXTPCB, to znamená, že nám umožní prenášať nízke frekvencie. Zvolený frekvenčný rozsah závisí od činnosti obvodu.

V tomto článku použijeme aktívny dolnopriepustný filter, pretože sa používajú pre frekvencie pod 1 MHz, a navyše je možné vykonať zosilnenie signálu, pretože v tomto obvode bude použitý operačný zosilňovač.

Preto bude na základe tohto projektu centrálny dôraz kladený na vývoj aktívneho obvodu dolného priechodu filtra a jeho symetrického napájacieho obvodu. Obrázok 1 zobrazuje hardvér tohto obvodu.

Obvod RC nízkopriepustného filtra skonštruovaného v TinkerCAD je prístupný z nasledujúceho odkazu:

Ako bolo uvedené, v tomto projekte sme použili Arduino na získanie signálu zo senzora. Obvod RC nízkopriepustného filtra na obrázku vyššie má teda 3 dôležité časti:

• Generátor signálu,
• Aktívny filter a;
• Arduino na zber údajov zo senzorov.

Generátor signálu je zodpovedný za simuláciu fungovania senzora a prenos signálu do Arduina. Tento signál je potom filtrovaný cez dolnopriepustný filter RC a následne je filtrovaný signál načítaný a spracovaný spoločnosťou Arduino.

Na vykonanie montáže dolnopriepustného filtra RC budeme teda potrebovať nasledujúce elektronické súčiastky:

• 2 rezistory;
• 2 keramické kondenzátory
• 2 elektrolytické kondenzátory;
• Operačný zosilňovač LM358
• Napájacie svorky alebo 9V batéria

Ďalej uvádzame výpočet hodnôt odporov a kondenzátorov obvodu. Výpočet týchto zložiek je založený na dolnej priepustnej frekvencii filtra aktívneho filtra.

Výpočty rezistorov a kondenzátorov

Pre navrhovaný obvod použijeme dolnú priepustnú frekvenciu filtra 100 Hz. Týmto spôsobom obvod umožní prechod frekvencií pod 100 Hz a nad 100 Hz, signál bude exponenciálne klesať.

Preto pre výpočet kondenzátorov máme: Na začiatku stačí definovať hodnotu C1, v takom prípade je možné definovať komerčnú hodnotu 1 až 100 nF.

Ďalej sme vykonali výpočet kondenzátora C2 podľa nižšie uvedenej rovnice.

Potom pomocou nižšie uvedeného vzorca vypočítajte hodnotu R1 a R2. Vzorec je možné použiť na projekciu hodnoty dvoch rezistorov. Ďalej sa pozrite na vykonaný výpočet.

Kde f*C je dolná priepustná frekvencia filtra filtra, to znamená, že nad touto frekvenciou sa zisk tohto signálu zníži. Hodnota f*C pre tento systém bude 100 Hz.

Preto máme pre R1 a R2 nasledujúcu hodnotu odporu.

Z hodnôt získaných pre odpory a kondenzátor projektu musíme potom vyvinúť napájací obvod pre aktívny filter. Pre tento typ filtra musíme použiť asymetrické napájanie a ďalej predstavíme napájací obvod.

Krok 3: Napájanie

Požadovaný výkon pre tento obvod je symetrický napájací zdroj. Ak nemáte symetrický napájací zdroj, zostavte obvod pomocou kondenzátorov napájaných jednoduchým zdrojom napájania.

Hodnota napätia zdroja však musí byť väčšia ako 10 V, pretože hodnota symetrického zdroja bude vydelená 2.

Obrázok vyššie zobrazuje obvod napájacieho zdroja.

Tento obvod je už v elektronickom diagrame na obrázku 1, pretože sa používa spoločný nesymetrický zdroj.

Po návrhu aktívneho filtračného obvodu a jeho napájacieho obvodu sme vyvinuli modul elektronického filtra, ktorý sa bude používať vo vašich projektoch s Arduino alebo v iných projektoch, ktoré na tento účel potrebujú filter.

Ďalej predstavíme štruktúru elektronickej schémy a návrh vyvinutej elektronickej dosky.

Doska s plošnými spojmi Active Low Pass Filter RC

Krok 4: Doska s plošnými spojmi aktívneho dolnopriepustného filtra RC

Aby sa vyrobila elektronická doska s plošnými spojmi - NEXTPCB, bola vyvinutá elektronická schéma obvodu. Elektronická schéma aktívneho dolnopriepustného filtra RC je znázornená na obrázku 3.

Potom bola schéma exportovaná do PCB Design softvéru Altium a bola navrhnutá nasledujúca doska, ako je znázornené na obrázku 4.

Tri piny boli použité na napájanie obvodu a vstupného signálu a dva piny na výstupe. Dva kolíky slúžia na výstup filtrovaného signálu a GND obvodu.

Po návrhu rozloženia DPS bol vygenerovaný 3D návrh dosky s plošnými spojmi, ktorý je znázornený na obrázku 5.

Z projektu PCB môžete tento modul použiť a použiť ho na svoj projekt pomocou Arduina. Tak budú určité parazitické signály zrušené a váš projekt bude fungovať bez rizika chýb v čítaní signálu.

Záver

Tento aktívny obvod nízkopriepustného filtra RC môže byť široko používaný na filtrovanie výkonu Arduina, filtrovanie signálov sériovej komunikácie, ako na rádiovej frekvencii, ktorá má zvyčajne veľa signálov, ktoré zvyčajne spôsobujú rušenie sériovej komunikácie, za predpokladu, že hodnota medzná frekvencia sa zmení.

Tipom po zostavení tohto obvodu je priblížiť pripojenie k Arduinu, pretože značná časť rušenia je vo vzdialenosti medzi snímačom a mikrokontrolérom a vo väčšine prípadov nemôže byť mikrokontrolér veľmi blízko, pretože umiestnenie snímač môže byť pre Arduino škodlivý.

Navyše, aby bol signál kontinuálnejší, stačí zmeniť prahovú frekvenciu dolnopriepustného filtra na nižšiu frekvenciu, čím sa zmenia hodnoty odporov a kondenzátorov. Má tiež svoje výhody pri vytváraní zosilnenia signálu, ak je signál nízky.

Dôležitá informácia

Všetky súbory sú prístupné v nasledujúcom odkaze: Súbory dosky plošných spojov

Môžete získať vlastných 10 PCB a zaplatiť iba poštovné pri prvom nákupe na NextPCB. Užite si a používajte tento projekt so svojimi projektmi a senzormi Arduino.