Aktivt lågpassfilter RC tillämpas i projekt med Arduino: 4 steg

2024 Författare: John Day | [email protected]. Senast ändrad: 2024-01-30 12:39

Tinkercad -projekt »

Lågpassfiltret är utmärkta elektroniska kretsar för att filtrera bort parasitiska signaler från dina projekt. Ett vanligt problem i projekt med Arduino och system med sensorer som arbetar nära strömkretsar är närvaron av "parasitiska" signaler.

De kan orsakas av vibrationer eller magnetfält i samma område som sensorn.

Dessa signaler, som för det mesta är högfrekventa, orsakar störningar vid tidpunkten för avläsning och följaktligen uppstår felaktiga avläsningar i automationssystemet. Ett vanligt exempel är start av en maskin som kräver en hög startström.

Detta kommer att orsaka högfrekvent brus i flera element som är anslutna till det elektriska nätverket, inklusive sensorer.

För att förhindra att dessa ljud påverkar systemet används filter mellan sensorelementet och systemet som läser det.

Vad är passiva och aktiva filter?

Tillbehör

• 2 motstånd;
• 2 keramiska kondensatorer
• 2 elektrolytkondensatorer;
• Driftförstärkare LM358
• Strömuttag eller 9V batteri;

Steg 1: Vad är passiva och aktiva filter?

Filter är kretsar som kan "rengöra" en signal, separera oönskade signaler för att undvika att läsa värden som inte matchar verkligheten.

Filter kan vara av två typer: passiva och aktiva.

Passiva filter Filter kan vara passiva, som är de enklaste, eftersom de bara består av motstånd och kondensatorer.

Aktiva filter

Aktiva filter, förutom motstånd och kondensatorer, använder förstärkare för att förbättra filtreringen och digitala filter, som används i processorer och mikrokontroller.

Därför lär du dig i den här artikeln:

Förstå hur lågpassfilter fungerar;

Konfigurera hårdvaran i lågpassfiltret med en gränsfrekvens på 100 Hz med en operationsförstärkare LM358;

Beräkna värdena för de passiva komponenterna i kretsen;

Montera ett lågpassfilter NextPCB.

Nedan presenterar vi processen för att utveckla det aktiva lågpassfiltret för våra kretsar med Arduino.

Steg 2: Utveckling av Active Low Pass Filter RC Circuit

I detta projekt kommer ett aktivt lågpassfilter att utvecklas med NEXTPCB - Printed Circuit Board, det vill säga det tillåter oss att passera lågfrekvenser. Frekvensområdet som ska väljas beror på kretsens funktion.

För den här artikeln kommer vi att använda ett aktivt lågpassfilter, eftersom de används för frekvenser under 1MHz, och dessutom kan signalförstärkning göras, eftersom en operationsförstärkare kommer att användas i denna krets.

Baserat på detta projekt kommer därför det centrala fokuset att ligga på utvecklingen av den aktiva lågpassfilterkretsen och dess symmetriska matningskrets. Figur 1 illustrerar hårdvaran i denna krets.

Lågpassfilterets RC-krets konstruerad i TinkerCAD kan nås på följande länk:

Som nämnts använde vi Arduino i detta projekt för att få signalen från en sensor. Således har lågpassfilterets RC -krets i figuren ovan tre viktiga delar:

• Signalgeneratorn,
• Det aktiva filtret och;
• Arduino för insamling av sensordata.

Signalgeneratorn är ansvarig för att simulera funktionen hos en sensor och överföra signalen till Arduino. Denna signal filtreras sedan genom lågpassfiltret RC och därefter läses och bearbetas den filtrerade signalen av Arduino.

För att montera lågpassfiltret RC behöver vi således följande elektroniska komponenter:

• 2 motstånd;
• 2 keramiska kondensatorer
• 2 elektrolytkondensatorer;
• Driftförstärkare LM358
• Strömuttag eller 9V batteri

Därefter presenterar vi beräkningen av värdena på kretsens motstånd och kondensatorer. Beräkningen av dessa komponenter baseras på lågpassfiltrets avstängningsfrekvens för det aktiva filtret.

Motstånds- och kondensatorberäkningar

För den föreslagna kretsen använder vi en lågpassfilteravstängningsfrekvens på 100Hz. På detta sätt kommer kretsen att låta frekvenser passera under 100Hz och över 100Hz, signalen kommer att minska exponentiellt.

Därför har vi för beräkningen av kondensatorer: Inledningsvis är det tillräckligt att definiera ett värde på C1, i vilket fall ett kommersiellt värde på 1 till 100nF kan definieras.

Därefter utförde vi beräkningen av kondensatorn C2 enligt ekvationen nedan.

Använd sedan formeln nedan för att beräkna värdet på R1 och R2. Formeln kan användas för att projicera värdet på de två motstånden. Se därefter beräkningen som utförts.

Där f*C är lågpassfilterets avstängningsfrekvens, det vill säga ovanför frekvensen, kommer förstärkningen för denna signal att minska. F*C -värdet för detta system är 100 Hz.

Därför har vi följande motståndsvärde för R1 och R2.

Från de värden som erhållits för motstånden och kondensatorn i projektet måste vi sedan utveckla strömförsörjningskretsen för det aktiva filtret. För denna typ av filter måste vi använda asymmetrisk strömförsörjning och därefter presenterar vi matningskretsen.

Steg 3: Strömförsörjningen

Nödvändig effekt för denna krets är en symmetrisk strömförsörjning. Om du inte har en symmetrisk strömförsörjning, montera en krets med kondensatorer som drivs av en enkel strömförsörjning.

Strömförsörjningens spänningsvärde måste dock vara större än 10V, eftersom värdet för den symmetriska källan kommer att divideras med 2.

Figuren ovan visar strömförsörjningens krets.

Denna krets finns redan i det elektroniska diagrammet i figur 1, eftersom en vanlig icke-symmetrisk källa används.

Efter att ha utformat den aktiva filterkretsen och dess matningskrets utvecklade vi en elektronisk filtermodul som kan användas i dina projekt med Arduino eller i andra projekt som behöver ett filter för detta ändamål.

Därefter presenterar vi strukturen för det elektroniska systemet och utformningen av det utvecklade elektroniska kortet.

Kretskortet för Active Low Pass Filter RC

Steg 4: kretskortet för Active Low Pass Filter RC

För att göra det elektroniska kretskortet - NEXTPCB, utvecklades kretsens elektroniska schema. Den elektroniska schemat över Active Low Pass Filter RC visas i figur 3.

Därefter exporterades systemet till PCB -designen för Altium -programvaran och följande kort utformades, som visas i figur 4.

Tre stift användes för att mata kretsen och insignalen och två stift vid utgången. De två stiften används för utsignalen från den filtrerade signalen och kretsens GND.

Efter utformningen av kretskortets layout genererades 3D -designen för kretskortet och presenterades i figur 5.

Från PCB -projektet kan du använda den här modulen och tillämpa den på ditt projekt med Arduino. På så sätt kommer vissa parasitiska signaler att avbrytas och ditt projekt fungerar utan risk för fel i signalavläsningen.

Slutsats

Denna aktiva lågpassfilter RC -krets kan användas i stor utsträckning för att filtrera Arduinoeffekten, filtrera signalerna från seriell kommunikation, som i radiofrekvens, som vanligtvis har många signaler som vanligtvis orsakar störningar i seriekommunikationen, förutsatt att värdet på avstängningsfrekvensen ändras.

Ett tips efter montering av denna krets är att göra anslutningen närmare Arduino, eftersom en bra del av störningen är på avståndet mellan sensorn och mikrokontrollen, och i de flesta fall kan mikrokontrollern inte vara särskilt nära, eftersom platsen för sensorn kan vara skadlig för Arduino.

För att få en mer kontinuerlig signal, ändra bara lågpassfilterets avstängningsfrekvens till en lägre frekvens, detta kommer att ändra värdena på motstånden och kondensatorerna. Det har också sina fördelar med att skapa en förstärkning i signalen, om signalen är låg.

Viktig information

Alla filer kan nås på följande länk: Filer på kretskortet

Du kan skaffa dina egna 10 PCB och bara betala frakten vid första köpet på NextPCB. Njut av och använd detta projekt med dina Arduino -projekt och sensorer.