Aktivní nízkoprůchodový filtr RC aplikovaný v projektech s Arduino: 4 kroky

2024 Autor: John Day | [email protected]. Naposledy změněno: 2024-01-30 08:20

Projekty Tinkercad »

Dolní propust je vynikající elektronické obvody k odfiltrování parazitních signálů z vašich projektů. Běžným problémem v projektech s Arduinem a systémy se senzory pracujícími v blízkosti silových obvodů je přítomnost „parazitních“signálů.

Mohou být způsobeny vibracemi nebo magnetickými poli ve stejné oblasti jako snímač.

Tyto signály, které jsou většinou vysokofrekvenční, způsobují v době čtení rušení a následně v automatizačním systému dochází k chybným odečtům. Běžným příkladem je spuštění stroje, který vyžaduje vysoký počáteční proud.

To způsobí generování vysokofrekvenčního šumu v několika prvcích, které jsou připojeny k elektrické síti, včetně senzorů.

Aby se zabránilo tomu, že tyto zvuky ovlivňují systém, jsou mezi senzorovým prvkem a systémem, který jej čte, použity filtry.

Co jsou pasivní a aktivní filtry?

Zásoby

• 2 rezistory;
• 2 keramické kondenzátory
• 2 elektrolytické kondenzátory;
• Operační zesilovač LM358
• Napájecí svorky nebo 9V baterie;

Krok 1: Co jsou pasivní a aktivní filtry?

Filtry jsou obvody, které mohou „vyčistit“signál, oddělit nežádoucí signály, aby se zabránilo čtení hodnot, které neodpovídají realitě.

Filtry mohou být dvou typů: pasivní a aktivní.

Pasivní filtry Filtry mohou být pasivní, které jsou nejjednodušší, protože se skládají pouze z rezistorů a kondenzátorů.

Aktivní filtry

Aktivní filtry kromě rezistorů a kondenzátorů využívají ke zlepšení filtrování zesilovače a digitální filtry, které se používají v procesorech a mikrokontrolérech.

V tomto článku se tedy dozvíte:

Pochopte, jak funguje dolní propust;

Konfigurujte hardware dolního propusti s mezní frekvencí 100 Hz pomocí operačního zesilovače LM358;

Vypočítejte hodnoty pasivních komponent obvodu;

Sestavte dolní propust NextPCB.

Níže uvádíme postup vývoje aktivního nízkoprůchodového filtru pro naše obvody pomocí Arduina.

Krok 2: Vývoj aktivního nízkoprůchodového filtru RC obvodu

V tomto projektu bude vyvinut aktivní dolní propust s NEXTPCB - deskou s tištěnými obvody, to znamená, že nám umožňuje předávat nízké frekvence. Zvolený frekvenční rozsah závisí na provozu obvodu.

Pro tento článek použijeme aktivní dolní propust, protože se používají pro frekvence pod 1MHz, a navíc lze provést zesílení signálu, protože v tomto obvodu bude použit operační zesilovač.

Proto bude na základě tohoto projektu hlavní důraz kladen na vývoj aktivního nízkoprůchodového filtračního obvodu a jeho symetrického napájecího obvodu. Obrázek 1 znázorňuje hardware tohoto obvodu.

Obvod RC dolní propusti zkonstruovaný v TinkerCAD je přístupný na následujícím odkazu:

Jak již bylo zmíněno, v tomto projektu jsme použili Arduino, abychom získali signál ze senzoru. Obvod RC nízkoprůchodového filtru na obrázku výše má tedy 3 důležité části:

• Generátor signálu,
• Aktivní filtr a;
• Arduino pro sběr dat ze senzorů.

Generátor signálu je zodpovědný za simulaci fungování senzoru a přenos signálu do Arduina. Tento signál je poté filtrován přes dolní propust RC a následně je filtrovaný signál načten a zpracován Arduinem.

K montáži dolní propusti RC budeme tedy potřebovat následující elektronické součástky:

• 2 rezistory;
• 2 keramické kondenzátory
• 2 elektrolytické kondenzátory;
• Operační zesilovač LM358
• Napájecí svorky nebo 9V baterie

Dále uvádíme výpočet hodnot odporů a kondenzátorů obvodu. Výpočet těchto složek je založen na dolní mezní frekvenci filtru aktivního filtru.

Výpočty rezistorů a kondenzátorů

Pro navrhovaný obvod použijeme dolní mezní frekvenci filtru 100 Hz. Tímto způsobem obvod umožní procházet frekvencím pod 100 Hz a nad 100 Hz, signál bude exponenciálně klesat.

Pro výpočet kondenzátorů tedy máme: Zpočátku stačí definovat hodnotu C1, v takovém případě lze definovat komerční hodnotu 1 až 100 nF.

Dále jsme provedli výpočet kondenzátoru C2 podle níže uvedené rovnice.

Poté použijte níže uvedený vzorec pro výpočet hodnoty R1 a R2. Vzorec lze použít k promítnutí hodnoty dvou rezistorů. Dále se podívejte na provedený výpočet.

Kde f*C je dolní mezní frekvence filtru, tj. Nad touto frekvencí se zisk tohoto signálu sníží. Hodnota f*C pro tento systém bude 100 Hz.

Proto máme pro R1 a R2 následující hodnotu odporu.

Z hodnot získaných pro odpory a kondenzátor projektu musíme poté vyvinout napájecí obvod pro aktivní filtr. Pro tento typ filtru musíme použít asymetrické napájení a dále představíme napájecí obvod.

Krok 3: Napájení

Požadovaný výkon pro tento obvod je symetrický napájecí zdroj. Pokud nemáte symetrický napájecí zdroj, sestavte obvod pomocí kondenzátorů napájených jednoduchým napájecím zdrojem.

Hodnota napětí napájecího zdroje však musí být větší než 10 V, protože hodnota symetrického zdroje bude vydělena 2.

Obrázek výše ukazuje obvod napájecího zdroje.

Tento obvod je již v elektronickém diagramu na obrázku 1, protože je použit společný nesymetrický zdroj.

Po návrhu aktivního filtračního obvodu a jeho napájecího obvodu jsme vyvinuli elektronický filtrační modul, který bude použit ve vašich projektech s Arduinem nebo v jiných projektech, které k tomu potřebují filtr.

Dále představíme strukturu elektronického schématu a návrh vyvinuté elektronické desky.

Deska s plošnými spoji Active Low Pass Filter RC

Krok 4: Deska s plošnými spoji aktivního nízkoprůchodového filtru RC

Aby byla vyrobena elektronická deska s plošnými spoji - NEXTPCB, bylo vyvinuto elektronické schéma obvodu. Elektronické schéma Active Low Pass Filter RC je znázorněno na obrázku 3.

Poté bylo schéma exportováno do návrhu PCB softwaru Altium a byla navržena následující deska, jak ukazuje obrázek 4.

Tři piny byly použity pro napájení obvodu a vstupního signálu a dva piny na výstupu. Dva piny se používají pro výstup filtrovaného signálu a GND obvodu.

Po návrhu rozvržení desky plošných spojů byl vygenerován 3D návrh desky s plošnými spoji, který je znázorněn na obrázku 5.

Z projektu PCB můžete tento modul použít a aplikovat na svůj projekt pomocí Arduina. Tímto způsobem budou některé parazitní signály zrušeny a váš projekt bude fungovat bez rizika chyb ve čtení signálu.

Závěr

Tento aktivní RC obvod s nízkým průchodem může být široce používán pro filtrování výkonu Arduina, filtrování signálů sériové komunikace, jako na rádiové frekvenci, která má obvykle mnoho signálů, které obvykle způsobují rušení v sériové komunikaci, za předpokladu, že hodnota mezní frekvence se změní.

Tip po sestavení tohoto obvodu je přiblížit připojení k Arduinu, protože značná část interference je ve vzdálenosti mezi snímačem a mikrokontrolérem a ve většině případů nemůže být mikrokontrolér příliš blízko, protože umístění senzor může být pro Arduino škodlivý.

Navíc, aby byl signál spojitější, stačí změnit mezní frekvenci dolní propusti filtru na nižší frekvenci, tím se změní hodnoty odporů a kondenzátorů. Má také své výhody při vytváření zesílení signálu, pokud je signál nízký.

Důležitá informace

Všechny soubory jsou přístupné v následujícím odkazu: Soubory desky plošných spojů

Můžete získat vlastních 10 desek plošných spojů a platit pouze dopravné při prvním nákupu na NextPCB. Užijte si a používejte tento projekt se svými projekty a senzory Arduino.