Aktivni nizkoprepustni filter RC, uporabljen v projektih z Arduinom: 4 koraki

2024 Avtor: John Day | [email protected]. Nazadnje spremenjeno: 2024-01-30 12:03

Tinkercad projekti »

Nizkoprepustni filter je odlično elektronsko vezje za filtriranje parazitskih signalov iz vaših projektov. Pogosta težava pri projektih z Arduinom in sistemih s senzorji, ki delujejo blizu napajalnih vezij, je prisotnost "parazitskih" signalov.

Lahko jih povzročijo vibracije ali magnetna polja na istem območju kot senzor.

Ti signali, ki so večinoma visokofrekvenčni, povzročajo motnje v času branja in posledično pride do napačnih odčitkov v sistemu za avtomatizacijo. Pogost primer je zagon stroja, ki zahteva visok začetni tok.

To bo povzročilo nastanek visokofrekvenčnega hrupa v več elementih, priključenih na električno omrežje, vključno s senzorji.

Da bi preprečili, da bi ti šumi vplivali na sistem, se med senzorskim elementom in sistemom, ki ga odčita, uporabljajo filtri.

Kaj so pasivni in aktivni filtri?

Zaloge

• 2 upori;
• 2 keramična kondenzatorja
• 2 elektrolitska kondenzatorja;
• Operacijski ojačevalnik LM358
• Napajalne sponke ali 9V baterija;

1. korak: Kaj so pasivni in aktivni filtri?

Filtri so vezja, ki lahko "očistijo" signal, ločijo neželene signale, da se izognejo branju vrednosti, ki ne ustrezajo resničnosti.

Filtri so lahko dveh vrst: pasivni in aktivni.

Pasivni filtri Filtri so lahko pasivni, ki so najpreprostejši, saj so sestavljeni le iz uporov in kondenzatorjev.

Aktivni filtri

Aktivni filtri poleg uporov in kondenzatorjev uporabljajo ojačevalnike za izboljšanje filtriranja in digitalne filtre, ki se uporabljajo v procesorjih in mikrokrmilnikih.

Zato se boste v tem članku naučili:

Razumeti, kako delujejo nizkoprepustni filtri;

S pomočjo operacijskega ojačevalnika LM358 konfigurirajte strojno opremo nizkoprepustnega filtra s krajno frekvenco 100 Hz;

Izračunajte vrednosti pasivnih komponent vezja;

Sestavite nizkoprepustni filter NextPCB.

Spodaj predstavljamo postopek razvoja aktivnega nizkoprepustnega filtra za naša vezja z Arduinom.

2. korak: Razvoj aktivnega vezja aktivnega nizkoprepustnega filtra

V tem projektu bo razvit aktivni nizkoprepustni filter z NEXTPCB - tiskanim vezjem, kar pomeni, da nam omogoča prehajanje nizkih frekvenc. Izbrano frekvenčno območje je odvisno od delovanja vezja.

Za ta članek bomo uporabili aktivni nizkoprepustni filter, saj se uporabljajo za frekvence pod 1 MHz, poleg tega pa je mogoče narediti ojačanje signala, saj bo v tem vezju uporabljen operacijski ojačevalnik.

Zato bo na podlagi tega projekta osrednji poudarek na razvoju aktivnega nizkoprepustnega filtrirnega vezja in njegovega simetričnega napajalnega vezja. Slika 1 prikazuje strojno opremo tega vezja.

RC vezje nizkoprepustnega filtra, zgrajeno v TinkerCAD-u, je dostopno na naslednji povezavi:

Kot smo že omenili, smo v tem projektu uporabili Arduino za pridobivanje signala s senzorja. Tako imamo RC vezje nizkoprepustnega filtra na zgornji sliki 3 pomembne dele:

• Generator signala,
• Aktivni filter in;
• Arduino za zbiranje podatkov senzorjev.

Generator signala je odgovoren za simulacijo delovanja senzorja in prenos signala na Arduino. Ta signal se nato filtrira skozi nizkoprepustni filter RC, nato pa filtriran signal prebere in obdela Arduino.

Tako bomo za montažo nizkoprepustnega filtra RC potrebovali naslednje elektronske komponente:

• 2 upori;
• 2 keramična kondenzatorja
• 2 elektrolitska kondenzatorja;
• Operacijski ojačevalnik LM358
• Napajalni priključki ali 9V baterija

Nato predstavljamo izračun vrednosti uporov in kondenzatorjev vezja. Izračun teh komponent temelji na mejni frekvenci nizkoprepustnega filtra aktivnega filtra.

Izračuni upora in kondenzatorjev

Za predlagano vezje bomo uporabili rezalno frekvenco nizkoprepustnega filtra 100Hz. Na ta način bo vezje omogočilo prehod frekvenc pod 100Hz in nad 100Hz, signal se bo eksponentno zmanjšal.

Zato imamo za izračun kondenzatorjev: Sprva je dovolj, da določimo vrednost C1, v tem primeru je mogoče opredeliti komercialno vrednost od 1 do 100 nF.

Nato smo izvedli izračun kondenzatorja C2 po spodnji enačbi.

Nato uporabite spodnjo formulo za izračun vrednosti R1 in R2. Formulo lahko uporabimo za projiciranje vrednosti dveh uporov. Nato si oglejte izvedeni izračun.

Kjer je f*C mejna frekvenca nizkoprepustnega filtra, to je nad to frekvenco, se bo dobiček tega signala zmanjšal. Vrednost f*C za ta sistem bo 100 Hz.

Zato imamo za R1 in R2 naslednjo vrednost upora.

Iz vrednosti, pridobljenih za upore in kondenzator projekta, moramo nato razviti napajalno vezje za aktivni filter. Za to vrsto filtra moramo uporabiti asimetrično napajanje, nato pa bomo predstavili napajalno vezje.

3. korak: Napajanje

Potrebna moč za to vezje je simetrično napajanje. Če nimate simetričnega napajalnika, sestavite vezje s kondenzatorji, ki jih napaja preprost napajalnik.

Vrednost napetosti napajalnika pa mora biti večja od 10 V, saj se vrednost simetričnega vira deli z 2.

Na zgornji sliki je prikazano vezje napajalnika.

To vezje je že v elektronskem diagramu na sliki 1, saj se uporablja skupni nesimetrični vir.

Po načrtovanju aktivnega filtrirnega vezja in njegovega napajalnega vezja smo razvili elektronski filtrirni modul, ki se bo uporabljal pri vaših projektih z Arduinom ali pri drugih projektih, ki za ta namen potrebujejo filter.

Nato bomo predstavili strukturo elektronske sheme in zasnovo razvite elektronske plošče.

Tiskano vezje aktivnega nizkoprepustnega filtra RC

4. korak: Tiskano vezje aktivnega nizkoprepustnega filtra RC

Za izdelavo elektronskega tiskanega vezja - NEXTPCB je bila razvita elektronska shema vezja. Elektronska shema aktivnega nizkoprepustnega filtra RC je prikazana na sliki 3.

Nato je bila shema izvožena v PCB Design programske opreme Altium in oblikovana je bila naslednja plošča, kot je prikazano na sliki 4.

Za napajanje tokokroga in vhodnega signala so bili uporabljeni trije zatiči, na izhodu pa dva zatiča. Dva zatiča se uporabljata za izhod filtriranega signala in GND vezja.

Po oblikovanju postavitve tiskanega vezja je bila ustvarjena 3D zasnova tiskanega vezja in predstavljena na sliki 5.

V projektu PCB lahko uporabite ta modul in ga uporabite za svoj projekt z Arduinom. Tako bodo nekateri parazitski signali preklicani in vaš projekt bo deloval brez tveganja napak pri branju signala.

Zaključek

To aktivno RC vezje nizkoprepustnega filtra se lahko široko uporablja za filtriranje moči Arduina, filtriranje signalov serijske komunikacije, tako kot v radijski frekvenci, ki ima običajno veliko signalov, ki običajno povzročajo motnje v serijski komunikaciji, pod pogojem, da vrednost se mejna frekvenca spremeni.

Nasvet po sestavljanju tega vezja je, da povezavo povežete z Arduinom, saj je velik del motenj v razdalji med senzorjem in mikrokrmilnikom, v večini primerov pa mikrokrmilnik ne more biti zelo blizu, ker lokacija senzor je lahko škodljiv za Arduino.

Poleg tega, če želite imeti bolj stalen signal, preprosto spremenite rezalno frekvenco nizkoprepustnega filtra na nižjo frekvenco, to bo spremenilo vrednosti uporov in kondenzatorjev. Ima tudi prednosti ustvarjanja ojačitve signala, če je signal nizek.

Pomembna informacija

Do vseh datotek lahko dostopate na naslednji povezavi: Datoteke tiskanega vezja

Lahko kupite 10 PCB -jev in pri prvem nakupu na NextPCB plačate samo tovor. Uživajte in uporabite ta projekt s svojimi Arduino projekti in senzorji.