Aktivt lavpasfilter RC anvendt i projekter med Arduino: 4 trin

2024 Forfatter: John Day | [email protected]. Sidst ændret: 2024-01-30 08:26

Tinkercad -projekter »

Lavpasfilteret er fremragende elektroniske kredsløb til at filtrere parasitiske signaler fra dine projekter. Et almindeligt problem i projekter med Arduino og systemer med sensorer, der arbejder tæt på strømkredse, er tilstedeværelsen af "parasitære" signaler.

De kan skyldes vibrationer eller magnetfelter i det samme område som sensoren.

Disse signaler, der for det meste er af høj frekvens, forårsager forstyrrelser på tidspunktet for læsning, og der forekommer derfor fejlagtige aflæsninger i automatiseringssystemet. Et almindeligt eksempel er start af en maskine, der kræver en høj startstrøm.

Dette vil forårsage generering af højfrekvent støj i flere elementer, der er forbundet til det elektriske netværk, herunder sensorer.

For at forhindre, at disse lyde påvirker systemet, bruges filtre mellem sensorelementet og systemet, der læser det.

Hvad er passive og aktive filtre?

Forbrugsvarer

• 2 modstande;
• 2 keramiske kondensatorer
• 2 elektrolytiske kondensatorer;
• Driftsforstærker LM358
• Strømterminaler eller 9V batteri;

Trin 1: Hvad er passive og aktive filtre?

Filtre er kredsløb, der kan "rense" et signal, adskille uønskede signaler for at undgå at læse værdier, der ikke matcher virkeligheden.

Filtre kan være af to typer: passiv og aktiv.

Passive filtre Filtre kan være passive, som er de enkleste, da de kun består af modstande og kondensatorer.

Aktive filtre

Aktive filtre udover modstande og kondensatorer bruger forstærkere til at forbedre filtrering og digitale filtre, der bruges i processorer og mikrokontrollere.

Derfor vil du i denne artikel lære:

Forstå, hvordan lavpasfilter fungerer;

Konfigurer hardware til lavpasfilteret med en afbrydelsesfrekvens på 100 Hz ved hjælp af en operationsforstærker LM358;

Beregn værdierne for de passive komponenter i kredsløbet;

Saml et lavpasfilter NextPCB.

Nedenfor præsenterer vi processen med at udvikle det aktive lavpasfilter til vores kredsløb med Arduino.

Trin 2: Udvikling af det aktive lavpasfilter RC -kredsløb

I dette projekt vil der blive udviklet et aktivt lavpasfilter med NEXTPCB - Printed Circuit Board, det vil sige, at det giver os mulighed for at passere lavfrekvenser. Frekvensområdet, der skal vælges, afhænger af kredsløbets funktion.

Til denne artikel vil vi bruge et aktivt lavpasfilter, da de bruges til frekvenser under 1MHz, og derudover kan signalforstærkning udføres, da der vil blive brugt en operationsforstærker i dette kredsløb.

Derfor vil det centrale fokus på udviklingen af det aktive lavpasfilterkredsløb og dets symmetriske forsyningskredsløb være baseret på dette projekt. Figur 1 illustrerer hardware i dette kredsløb.

Lavpasfilter RC-kredsløbet konstrueret i TinkerCAD kan tilgås på følgende link:

Som nævnt brugte vi Arduino i dette projekt for at erhverve signalet fra en sensor. Således har lavpasfilterets RC -kredsløb i figuren ovenfor tre vigtige dele:

• Signalgeneratoren,
• Det aktive filter og;
• Arduino til indsamling af sensordata.

Signalgeneratoren er ansvarlig for at simulere funktionen af en sensor og transmittere signalet til Arduino. Dette signal filtreres derefter gennem lavpasfilteret RC, og efterfølgende læses og behandles det filtrerede signal af Arduino.

For at udføre samlingen af lavpasfilteret RC skal vi således bruge følgende elektroniske komponenter:

• 2 modstande;
• 2 keramiske kondensatorer
• 2 elektrolytiske kondensatorer;
• Driftsforstærker LM358
• Strømterminaler eller 9V batteri

Dernæst præsenterer vi beregningen af værdierne for kredsløbets modstande og kondensatorer. Beregningen af disse komponenter er baseret på lavpasfilterets afbrydelsesfrekvens for det aktive filter.

Modstands- og kondensatorberegninger

For det foreslåede kredsløb vil vi bruge en lavpasfilterafbrydelsesfrekvens på 100Hz. På denne måde vil kredsløbet tillade frekvenser at passere under 100Hz og over 100Hz, signalet vil falde eksponentielt.

Derfor har vi til beregning af kondensatorer: I første omgang er det nok at definere en værdi på C1, i hvilket tilfælde en kommerciel værdi på 1 til 100nF kan defineres.

Dernæst udførte vi beregningen af kondensator C2 i henhold til nedenstående ligning.

Brug derefter formlen herunder til at beregne værdien af R1 og R2. Formlen kan bruges til at projicere værdien af de to modstande. Se derefter den udførte beregning.

Hvor f*C er lavpasfilterets afskæringsfrekvens, det vil sige over denne frekvens, vil forstærkningen af dette signal falde. F*C -værdien for dette system er 100 Hz.

Derfor har vi følgende modstandsværdi for R1 og R2.

Ud fra de opnåede værdier for projektets modstande og kondensatorer skal vi derefter udvikle strømforsyningskredsløbet til det aktive filter. Til denne type filter skal vi bruge asymmetrisk strømforsyning, og derefter vil vi præsentere forsyningskredsløbet.

Trin 3: Strømforsyningen

Den nødvendige strøm til dette kredsløb er en symmetrisk strømforsyning. Hvis du ikke har en symmetrisk strømforsyning, skal du samle et kredsløb ved hjælp af kondensatorer, der drives af en simpel strømforsyning.

Strømforsyningens spændingsværdi skal dog være større end 10V, da værdien af den symmetriske kilde vil blive divideret med 2.

Figuren ovenfor viser strømforsyningens kredsløb.

Dette kredsløb er allerede i det elektroniske diagram i figur 1, da der bruges en fælles ikke-symmetrisk kilde.

Efter design af det aktive filterkredsløb og dets forsyningskredsløb udviklede vi et elektronisk filtermodul til brug i dine projekter med Arduino eller i andre projekter, der har brug for et filter til dette formål.

Dernæst vil vi præsentere strukturen i det elektroniske skema og designet af det udviklede elektroniske kort.

Printkortet til Active Low Pass Filter RC

Trin 4: Printkortet til det aktive lavpasfilter RC

For at lave det elektroniske printkort - NEXTPCB, blev det elektroniske skema for kredsløbet udviklet. Den elektroniske skema for Active Low Pass Filter RC er vist i figur 3.

Derefter blev ordningen eksporteret til PCB -designet af Altium -softwaren, og det følgende bord blev designet, som vist i figur 4.

Tre ben blev brugt til at levere kredsløbet og indgangssignalet og to ben ved udgangen. De to ben bruges til output af det filtrerede signal og GND for kredsløbet.

Efter designet af PCB -layoutet blev 3D -designet af printkortet genereret og præsenteret i figur 5.

Fra PCB -projektet kan du bruge dette modul og anvende det på dit projekt med Arduino. På denne måde vil visse parasitsignaler blive annulleret, og dit projekt fungerer uden risiko for fejl i signallæsningen.

Konklusion

Dette aktive lavpasfilter RC -kredsløb kan bruges i vid udstrækning til filtrering af Arduino -effekten, filtrering af signaler fra seriel kommunikation, som ved radiofrekvens, som normalt har mange signaler, der normalt forårsager interferens i den serielle kommunikation, forudsat at værdien af skæringsfrekvensen ændres.

Et tip efter samling af dette kredsløb er at gøre forbindelsen tættere på Arduino, da en god del af interferensen er i afstanden mellem sensoren og mikrokontrolleren, og i de fleste tilfælde kan mikrokontrolleren ikke være meget tæt, fordi placeringen af sensoren kan være skadelig for Arduino.

For at få et mere kontinuerligt signal skal du blot ændre lavpasfilterets afbrydelsesfrekvens til en lavere frekvens, dette vil ændre værdierne for modstande og kondensatorer. Det har også sine fordele ved at skabe en forstærkning i signalet, hvis signalet er lavt.

Vigtig information

Alle filer kan tilgås på følgende link: Filer fra printkortet

Du kan få dine egne 10 PCB'er og kun betale fragt ved første køb på NextPCB. Nyd og brug dette projekt med dine Arduino -projekter og sensorer.