Aktywny filtr dolnoprzepustowy RC stosowany w projektach z Arduino: 4 kroki

2024 Autor: John Day | [email protected]. Ostatnio zmodyfikowany: 2024-01-30 11:28

Projekty Tinkercad »

Filtr dolnoprzepustowy to doskonałe obwody elektroniczne do filtrowania pasożytniczych sygnałów z Twoich projektów. Częstym problemem w projektach z Arduino i układach z czujnikami pracującymi blisko obwodów zasilania jest obecność sygnałów „pasożytniczych”.

Mogą być spowodowane wibracjami lub polami magnetycznymi w tym samym obszarze co czujnik.

Sygnały te, w większości o wysokiej częstotliwości, powodują zakłócenia w czasie odczytu iw konsekwencji w układzie automatyki występują błędne odczyty. Typowym przykładem jest rozruch maszyny, która wymaga wysokiego prądu początkowego.

Spowoduje to generowanie szumu o wysokiej częstotliwości w kilku elementach podłączonych do sieci elektrycznej, w tym w czujnikach.

Aby zapobiec wpływowi tych dźwięków na system, między elementem czujnika a systemem, który go odczytuje, stosuje się filtry.

Czym są filtry pasywne i aktywne?

Kieszonkowe dzieci

• 2 rezystory;
• 2 kondensatory ceramiczne
• 2 Kondensatory elektrolityczne;
• Wzmacniacz operacyjny LM358
• Zaciski zasilania lub bateria 9V;

Krok 1: Czym są filtry pasywne i aktywne?

Filtry to obwody, które mogą „oczyścić” sygnał, odseparować niechciane sygnały, aby uniknąć odczytywania wartości, które nie pasują do rzeczywistości.

Filtry mogą być dwojakiego rodzaju: pasywne i aktywne.

Filtry pasywneFiltry mogą być pasywne, które są najprostsze, ponieważ składają się tylko z rezystorów i kondensatorów.

Filtry aktywne

Filtry aktywne, oprócz rezystorów i kondensatorów, wykorzystują wzmacniacze do poprawy filtrowania oraz filtry cyfrowe, które są stosowane w procesorach i mikrokontrolerach.

Dlatego w tym artykule dowiesz się:

Dowiedz się, jak działa filtr dolnoprzepustowy;

Skonfiguruj sprzęt filtru dolnoprzepustowego z częstotliwością odcięcia 100 Hz za pomocą wzmacniacza operacyjnego LM358;

Oblicz wartości elementów biernych obwodu;

Zamontuj filtr dolnoprzepustowy NextPCB.

Poniżej przedstawiamy proces opracowania aktywnego filtra dolnoprzepustowego dla naszych układów z Arduino.

Krok 2: Opracowanie obwodu RC z aktywnym filtrem dolnoprzepustowym

W tym projekcie zostanie opracowany aktywny filtr dolnoprzepustowy za pomocą NEXTPCB - Printed Circuit Board, czyli pozwala nam przepuszczać niskie częstotliwości. Wybór zakresu częstotliwości zależy od działania obwodu.

W tym artykule użyjemy aktywnego filtra dolnoprzepustowego, ponieważ są one używane dla częstotliwości poniżej 1 MHz, a dodatkowo można wykonać wzmocnienie sygnału, ponieważ w tym obwodzie zostanie użyty wzmacniacz operacyjny.

Dlatego w oparciu o ten projekt główny nacisk zostanie położony na opracowanie aktywnego obwodu filtra dolnoprzepustowego i jego symetrycznego obwodu zasilania. Rysunek 1 ilustruje sprzęt tego obwodu.

Obwód RC filtra dolnoprzepustowego zbudowany w TinkerCAD można uzyskać pod następującym linkiem:

Jak wspomniano, w tym projekcie użyliśmy Arduino w celu pozyskania sygnału z czujnika. Tak więc obwód RC filtra dolnoprzepustowego na powyższym rysunku mamy 3 ważne części:

• Generator sygnału,
• Aktywny filtr i;
• Arduino do zbierania danych z czujników.

Generator sygnału odpowiada za symulację działania czujnika i przesyłanie sygnału do Arduino. Sygnał ten jest następnie filtrowany przez filtr dolnoprzepustowy RC, a następnie przefiltrowany sygnał jest odczytywany i przetwarzany przez Arduino.

Zatem do wykonania montażu filtra dolnoprzepustowego RC potrzebne będą następujące elementy elektroniczne:

• 2 rezystory;
• 2 kondensatory ceramiczne
• 2 Kondensatory elektrolityczne;
• Wzmacniacz operacyjny LM358
• Zaciski zasilania lub bateria 9V

Następnie przedstawiamy obliczenia wartości rezystorów i kondensatorów obwodu. Obliczenie tych składników opiera się na częstotliwości odcięcia filtra dolnoprzepustowego aktywnego filtra.

Obliczenia rezystora i kondensatora

Dla proponowanego obwodu użyjemy częstotliwości odcięcia filtra dolnoprzepustowego 100Hz. W ten sposób obwód pozwoli na przejście częstotliwości poniżej 100Hz, a powyżej 100Hz sygnał zmniejszy się wykładniczo.

Dlatego do obliczenia kondensatorów mamy: Początkowo wystarczy określić wartość C1, w którym to przypadku można określić wartość handlową od 1 do 100nF.

Następnie wykonaliśmy obliczenia kondensatora C2 zgodnie z poniższym równaniem.

Następnie użyj poniższego wzoru, aby obliczyć wartości R1 i R2. Wzór może być użyty do rzutowania wartości dwóch rezystorów. Następnie zobacz wykonane obliczenia.

Gdzie f*C jest częstotliwością odcięcia filtra dolnoprzepustowego, to znaczy powyżej tej częstotliwości, wzmocnienie tego sygnału zmniejszy się. Wartość f*C dla tego systemu wyniesie 100 Hz.

Dlatego mamy następującą wartość rezystora dla R1 i R2.

Z otrzymanych wartości dla rezystorów i kondensatora projektu musimy następnie opracować obwód zasilania filtru aktywnego. Do tego typu filtra musimy zastosować zasilanie asymetryczne, a następnie przedstawimy obwód zasilania.

Krok 3: Zasilacz

Wymaganą mocą dla tego obwodu jest zasilanie symetryczne. Jeśli nie masz zasilacza symetrycznego, zmontuj obwód za pomocą kondensatorów zasilanych z prostego zasilacza.

Jednak wartość napięcia zasilacza musi być większa niż 10V, ponieważ wartość źródła symetrycznego zostanie podzielona przez 2.

Rysunek powyżej przedstawia obwód zasilacza.

Obwód ten znajduje się już na schemacie elektronicznym na rysunku 1, ponieważ używane jest wspólne niesymetryczne źródło.

Po zaprojektowaniu obwodu filtra aktywnego i jego obwodu zasilania opracowaliśmy moduł filtra elektronicznego do wykorzystania w Twoich projektach z Arduino lub w innych projektach, które potrzebują do tego filtra.

Następnie przedstawimy strukturę schematu elektronicznego oraz projekt opracowanej płytki elektronicznej.

Płytka drukowana aktywnego filtra dolnoprzepustowego RC

Krok 4: Płytka drukowana aktywnego filtra dolnoprzepustowego RC

W celu wykonania elektronicznej płytki drukowanej NEXTPCB opracowano elektroniczny schemat obwodu. Schemat elektroniczny aktywnego filtra dolnoprzepustowego RC pokazano na rysunku 3.

Następnie schemat został wyeksportowany do PCB Design oprogramowania Altium i zaprojektowano następującą płytkę, jak pokazano na rysunku 4.

Do zasilania obwodu i sygnału wejściowego wykorzystano trzy piny oraz dwa piny na wyjściu. Dwa piny służą do wyprowadzenia przefiltrowanego sygnału i GND obwodu.

Po zaprojektowaniu układu płytki drukowanej wygenerowano projekt 3D płytki drukowanej, który przedstawiono na rysunku 5.

Z projektu PCB możesz użyć tego modułu i zastosować go do swojego projektu za pomocą Arduino. W ten sposób niektóre pasożytnicze sygnały zostaną anulowane, a Twój projekt będzie działał bez ryzyka błędów w odczycie sygnału.

Wniosek

Ten aktywny obwód RC z filtrem dolnoprzepustowym może być szeroko stosowany do filtrowania mocy Arduino, filtrowania sygnałów komunikacji szeregowej, tak jak w przypadku częstotliwości radiowych, która zwykle ma wiele sygnałów, które zwykle powodują zakłócenia w komunikacji szeregowej, pod warunkiem, że wartość zmienia się częstotliwość graniczna.

Wskazówka po złożeniu tego układu jest taka, aby połączenie było bliżej Arduino, ponieważ duża część zakłóceń jest w odległości między czujnikiem a mikrokontrolerem, a w większości przypadków mikrokontroler nie może być bardzo blisko, ponieważ lokalizacja czujnik może być szkodliwy dla Arduino.

Ponadto, aby uzyskać bardziej ciągły sygnał, wystarczy zmienić częstotliwość odcięcia filtra dolnoprzepustowego na niższą, co zmieni wartości rezystorów i kondensatorów. Ma również swoje zalety tworzenia wzmocnienia sygnału, jeśli sygnał jest niski.

Ważna informacja

Wszystkie pliki są dostępne pod następującym linkiem: Pliki płytki drukowanej

Możesz nabyć własne 10 płytek PCB i zapłacić tylko fracht przy pierwszym zakupie na NextPCB. Ciesz się i używaj tego projektu ze swoimi projektami Arduino i czujnikami.