Активный RC-фильтр низких частот, применяемый в проектах с Arduino: 4 шага

2024 Автор: John Day | [email protected]. Последнее изменение: 2024-01-30 11:49

Проекты Tinkercad »

Фильтр низких частот - это отличная электронная схема для фильтрации паразитных сигналов от ваших проектов. Распространенной проблемой в проектах с Arduino и системами с датчиками, работающими близко к силовым цепям, является наличие «паразитных» сигналов.

Они могут быть вызваны вибрацией или магнитными полями в той же области, что и датчик.

Эти сигналы, которые в основном имеют высокую частоту, вызывают помехи во время считывания и, как следствие, ошибочные показания в системе автоматизации. Типичный пример - запуск машины, требующей высокого начального тока.

Это вызовет генерацию высокочастотного шума в нескольких элементах, подключенных к электрической сети, включая датчики.

Чтобы эти шумы не влияли на систему, между сенсорным элементом и системой, которая его считывает, используются фильтры.

Что такое пассивные и активные фильтры?

Запасы

• 2 резистора;
• 2 керамических конденсатора
• 2 электролитических конденсатора;
• Операционный усилитель LM358
• Клеммы питания или аккумулятор 9В;

Шаг 1. Что такое пассивный и активный фильтры?

Фильтры - это схемы, которые могут «очищать» сигнал, отделять нежелательные сигналы, чтобы избежать считывания значений, не соответствующих действительности.

Фильтры бывают двух типов: пассивные и активные.

Пассивные фильтры Фильтры могут быть пассивными, которые являются самыми простыми, поскольку состоят только из резисторов и конденсаторов.

Активные фильтры

В активных фильтрах, помимо резисторов и конденсаторов, используются усилители для улучшения фильтрации и цифровые фильтры, которые используются в процессорах и микроконтроллерах.

Поэтому из этой статьи вы узнаете:

Понять, как работает фильтр низких частот;

Настроить аппаратную часть ФНЧ с частотой среза 100 Гц с помощью операционного усилителя LM358;

Рассчитайте значения пассивных компонентов схемы;

Соберите фильтр нижних частот NextPCB.

Ниже мы представляем процесс разработки активного фильтра нижних частот для наших схем с Arduino.

Шаг 2: Разработка RC-цепи активного фильтра нижних частот

В этом проекте будет разработан активный фильтр нижних частот с NEXTPCB - Printed Circuit Board, то есть он позволяет нам пропускать низкие частоты. Выбираемый частотный диапазон зависит от работы схемы.

В этой статье мы будем использовать активный фильтр нижних частот, поскольку они используются для частот ниже 1 МГц, и, кроме того, может быть выполнено усиление сигнала, поскольку в этой схеме будет использоваться операционный усилитель.

Поэтому в рамках этого проекта основное внимание будет уделено разработке схемы активного фильтра нижних частот и ее симметричной схемы питания. На рисунке 1 показано оборудование этой схемы.

RC-схема фильтра нижних частот, созданная в TinkerCAD, доступна по следующей ссылке:

Как уже упоминалось, в этом проекте мы использовали Arduino для получения сигнала от датчика. Таким образом, RC-схема фильтра нижних частот на рисунке выше состоит из 3 важных частей:

• Генератор сигналов,
• Активный фильтр и;
• Arduino для сбора данных с датчиков.

Генератор сигналов отвечает за моделирование работы датчика и передачу сигнала на Arduino. Затем этот сигнал фильтруется через фильтр нижних частот RC, а затем отфильтрованный сигнал считывается и обрабатывается Arduino.

Таким образом, для сборки ФНЧ RC нам потребуются следующие электронные компоненты:

• 2 резистора;
• 2 керамических конденсатора
• 2 электролитических конденсатора;
• Операционный усилитель LM358
• Клеммы питания или батарея 9В

Далее мы представляем расчет номиналов резисторов и конденсаторов схемы. Расчет этих компонентов основан на частоте среза фильтра нижних частот активного фильтра.

Расчет резистора и конденсатора

Для предлагаемой схемы мы будем использовать частоту среза фильтра нижних частот 100 Гц. Таким образом, схема позволит частотам проходить ниже 100 Гц и выше 100 Гц, сигнал будет экспоненциально уменьшаться.

Следовательно, для расчета конденсаторов у нас есть: Первоначально достаточно определить значение C1, и в этом случае может быть определено коммерческое значение от 1 до 100 нФ.

Затем мы выполнили расчет конденсатора C2 в соответствии с приведенным ниже уравнением.

Затем используйте формулу ниже, чтобы вычислить значение R1 и R2. Формулу можно использовать для расчета номиналов двух резисторов. Далее смотрим выполненный расчет.

Где f * C - частота среза фильтра нижних частот, то есть выше этой частоты усиление этого сигнала будет уменьшаться. Значение f * C для этой системы будет 100 Гц.

Следовательно, у нас есть следующий номинал резистора для R1 и R2.

Исходя из значений, полученных для резисторов и конденсатора в проекте, мы должны затем разработать схему питания для активного фильтра. Для этого типа фильтра нам нужно использовать асимметричный источник питания, а затем мы представим схему питания.

Шаг 3: блок питания

Требуемая мощность для этой схемы - симметричный источник питания. Если у вас нет симметричного источника питания, соберите схему с использованием конденсаторов, запитанных от простого источника питания.

Однако значение напряжения источника питания должно быть больше 10 В, так как значение симметричного источника будет разделено на 2.

На рисунке выше показана схема блока питания.

Эта схема уже присутствует на электронной схеме на рисунке 1, поскольку используется обычный несимметричный источник.

После разработки схемы активного фильтра и схемы его питания мы разработали модуль электронного фильтра, который будет использоваться в ваших проектах с Arduino или в других проектах, где для этой цели нужен фильтр.

Далее мы представим структуру электронной схемы и дизайн разработанной электронной платы.

Печатная плата активного фильтра нижних частот RC

Шаг 4: Печатная плата активного фильтра нижних частот RC

Для изготовления электронной печатной платы - NEXTPCB была разработана электронная схема схемы. Электронная схема активного фильтра нижних частот RC показана на рисунке 3.

Затем схема была экспортирована в PCB Design программного обеспечения Altium, и была разработана следующая плата, как показано на рисунке 4.

Три контакта использовались для питания схемы и входного сигнала и два контакта на выходе. Два контакта используются для вывода отфильтрованного сигнала и заземления схемы.

После разработки макета печатной платы был создан трехмерный дизайн печатной платы, представленный на рисунке 5.

Из проекта печатной платы вы можете использовать этот модуль и применить его к своему проекту с помощью Arduino. Таким образом, некоторые паразитные сигналы будут отменены, и ваш проект будет работать без риска ошибок при чтении сигналов.

Заключение

Эта активная RC-схема фильтра нижних частот может широко использоваться для фильтрации мощности Arduino, фильтрации сигналов последовательной связи, например, в радиочастоте, которая обычно имеет много сигналов, которые обычно вызывают помехи в последовательной связи, при условии, что значение частота среза изменяется.

Совет после сборки этой схемы - сделать соединение ближе к Arduino, так как большая часть помех находится на расстоянии между датчиком и микроконтроллером, и в большинстве случаев микроконтроллер не может быть очень близко, потому что расположение датчик может нанести вред Arduino.

Кроме того, чтобы получить более непрерывный сигнал, просто измените частоту среза фильтра нижних частот на более низкую частоту, это изменит номиналы резисторов и конденсаторов. Он также имеет свои преимущества в создании усиления сигнала, если сигнал слабый.

Важная информация

Все файлы доступны по следующей ссылке: Файлы печатной платы

Вы можете приобрести свои собственные 10 печатных плат и оплатить только фрахт при первой покупке на NextPCB. Наслаждайтесь и используйте этот проект со своими проектами и датчиками Arduino.