Ενεργό φίλτρο χαμηλής διέλευσης RC που εφαρμόζεται σε έργα με Arduino: 4 βήματα

2024 Συγγραφέας: John Day | [email protected]. Τελευταία τροποποίηση: 2024-01-30 08:33

Έργα Tinkercad »

Το φίλτρο χαμηλής διέλευσης είναι εξαιρετικά ηλεκτρονικά κυκλώματα για το φιλτράρισμα παρασιτικών σημάτων από τα έργα σας. Ένα κοινό πρόβλημα σε έργα με Arduino και συστήματα με αισθητήρες που λειτουργούν κοντά σε κυκλώματα ισχύος είναι η παρουσία «παρασιτικών» σημάτων.

Μπορούν να προκληθούν από κραδασμούς ή μαγνητικά πεδία στην ίδια περιοχή με τον αισθητήρα.

Αυτά τα σήματα, τα οποία είναι ως επί το πλείστον υψηλής συχνότητας, προκαλούν διαταραχές κατά την ανάγνωση και, κατά συνέπεια, εμφανίζονται λανθασμένες αναγνώσεις στο σύστημα αυτοματισμού. Ένα κοινό παράδειγμα είναι η εκκίνηση μιας μηχανής που απαιτεί υψηλό αρχικό ρεύμα.

Αυτό θα προκαλέσει τη δημιουργία θορύβου υψηλής συχνότητας σε πολλά στοιχεία που είναι συνδεδεμένα στο ηλεκτρικό δίκτυο, συμπεριλαμβανομένων των αισθητήρων.

Για να αποτρέψετε αυτούς τους θορύβους να επηρεάσουν το σύστημα, χρησιμοποιούνται φίλτρα μεταξύ του στοιχείου αισθητήρα και του συστήματος που το διαβάζει.

Τι είναι τα παθητικά και ενεργά φίλτρα;

Προμήθειες

• 2 αντιστάσεις.
• 2 κεραμικοί πυκνωτές
• 2 Ηλεκτρολυτικοί πυκνωτές.
• Λειτουργικός ενισχυτής LM358
• Τερματικά τροφοδοσίας ή μπαταρία 9V.

Βήμα 1: Τι είναι τα παθητικά και ενεργά φίλτρα;

Τα φίλτρα είναι κυκλώματα που μπορούν να "καθαρίσουν" ένα σήμα, να διαχωρίσουν ανεπιθύμητα σήματα, για να αποφύγουν την ανάγνωση τιμών που δεν ταιριάζουν με την πραγματικότητα.

Τα φίλτρα μπορεί να είναι δύο τύπων: παθητικά και ενεργά.

Παθητικά φίλτρα Τα φίλτρα μπορεί να είναι παθητικά, τα οποία είναι τα πιο απλά, καθώς αποτελούνται μόνο από αντιστάσεις και πυκνωτές.

Ενεργά φίλτρα

Τα ενεργά φίλτρα, εκτός από αντιστάσεις και πυκνωτές, χρησιμοποιούν amp-ops για τη βελτίωση του φιλτραρίσματος και ψηφιακά φίλτρα, τα οποία χρησιμοποιούνται σε επεξεργαστές και μικροελεγκτές.

Επομένως, σε αυτό το άρθρο, θα μάθετε:

Κατανοήστε πώς λειτουργεί το φίλτρο χαμηλής διέλευσης.

Διαμορφώστε το υλικό του φίλτρου χαμηλής διέλευσης με συχνότητα διακοπής 100 Hz χρησιμοποιώντας έναν λειτουργικό ενισχυτή LM358.

Υπολογίστε τις τιμές των παθητικών στοιχείων του κυκλώματος.

Συναρμολογήστε ένα φίλτρο χαμηλής διέλευσης NextPCB.

Παρακάτω, παρουσιάζουμε τη διαδικασία ανάπτυξης του ενεργού φίλτρου χαμηλής διέλευσης για τα κυκλώματά μας με το Arduino.

Βήμα 2: Ανάπτυξη του Active Low Pass Filter RC Circuit

Σε αυτό το έργο θα αναπτυχθεί ένα ενεργό φίλτρο χαμηλής διέλευσης με NEXTPCB - Printed Circuit Board, δηλαδή μας επιτρέπει να περάσουμε χαμηλές συχνότητες. Το εύρος συχνοτήτων που θα επιλεγεί εξαρτάται από τη λειτουργία του κυκλώματος.

Για αυτό το άρθρο θα χρησιμοποιήσουμε ένα ενεργό φίλτρο χαμηλής διέλευσης, καθώς χρησιμοποιούνται για συχνότητες κάτω του 1MHz και, επιπλέον, μπορεί να γίνει ενίσχυση σήματος, καθώς θα χρησιμοποιηθεί ένας ενισχυτής λειτουργίας σε αυτό το κύκλωμα.

Ως εκ τούτου, με βάση αυτό το έργο, η κεντρική εστίαση θα είναι στην ανάπτυξη του ενεργού κυκλώματος φίλτρου χαμηλής διέλευσης και του συμμετρικού κυκλώματος τροφοδοσίας του. Το σχήμα 1 απεικονίζει το υλικό αυτού του κυκλώματος.

Μπορείτε να έχετε πρόσβαση στο κύκλωμα RC φίλτρου χαμηλής διέλευσης που κατασκευάστηκε στο TinkerCAD στον ακόλουθο σύνδεσμο:

Όπως αναφέρθηκε, χρησιμοποιήσαμε το Arduino σε αυτό το έργο για να λάβουμε το σήμα από έναν αισθητήρα. Έτσι, το κύκλωμα RC φίλτρου χαμηλής διέλευσης στο παραπάνω σχήμα έχουμε 3 σημαντικά μέρη:

• Η γεννήτρια σήματος,
• Το ενεργό φίλτρο και?
• Arduino για τη συλλογή δεδομένων αισθητήρων.

Η γεννήτρια σήματος είναι υπεύθυνη για την προσομοίωση της λειτουργίας ενός αισθητήρα και τη μετάδοση του σήματος στο Arduino. Αυτό το σήμα στη συνέχεια φιλτράρεται μέσω του φίλτρου χαμηλής διέλευσης RC και, στη συνέχεια, το φιλτραρισμένο σήμα διαβάζεται και επεξεργάζεται από το Arduino.

Έτσι, για να πραγματοποιήσουμε τη συναρμολόγηση του φίλτρου χαμηλής διέλευσης RC θα χρειαστούμε τα ακόλουθα ηλεκτρονικά εξαρτήματα:

• 2 αντιστάσεις.
• 2 κεραμικοί πυκνωτές
• 2 Ηλεκτρολυτικοί πυκνωτές.
• Λειτουργικός ενισχυτής LM358
• Τερματικά τροφοδοσίας ή μπαταρία 9V

Στη συνέχεια, παρουσιάζουμε τον υπολογισμό των τιμών των αντιστάσεων και των πυκνωτών του κυκλώματος. Ο υπολογισμός αυτών των εξαρτημάτων βασίζεται στη συχνότητα διακοπής φίλτρου χαμηλής διέλευσης του ενεργού φίλτρου.

Υπολογισμοί αντίστασης και πυκνωτή

Για το προτεινόμενο κύκλωμα, θα χρησιμοποιήσουμε συχνότητα διακοπής φίλτρου χαμηλής διέλευσης 100Hz. Με αυτόν τον τρόπο, το κύκλωμα θα επιτρέψει στις συχνότητες να περάσουν κάτω από 100Hz και πάνω από 100Hz, το σήμα θα μειωθεί εκθετικά.

Επομένως, για τον υπολογισμό των πυκνωτών, έχουμε: Αρχικά, αρκεί να ορίσουμε μια τιμή C1, στην οποία περίπτωση μπορεί να οριστεί μια εμπορική αξία από 1 έως 100nF.

Στη συνέχεια, πραγματοποιήσαμε τον υπολογισμό του πυκνωτή C2 σύμφωνα με την εξίσωση παρακάτω.

Στη συνέχεια, χρησιμοποιήστε τον παρακάτω τύπο για να υπολογίσετε την τιμή των R1 και R2. Ο τύπος μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την προβολή της τιμής των δύο αντιστάσεων. Στη συνέχεια, δείτε τον υπολογισμό που εκτελέστηκε.

Όπου f*C είναι η συχνότητα διακοπής φίλτρου χαμηλής διέλευσης, δηλαδή πάνω από αυτή τη συχνότητα, το κέρδος αυτού του σήματος θα μειωθεί. Η τιμή f*C για αυτό το σύστημα θα είναι 100 Hz.

Επομένως, έχουμε την ακόλουθη τιμή αντίστασης για R1 και R2.

Από τις τιμές που λαμβάνονται για τις αντιστάσεις και τον πυκνωτή του έργου, πρέπει στη συνέχεια να αναπτύξουμε το κύκλωμα τροφοδοσίας για το ενεργό φίλτρο. Για αυτόν τον τύπο φίλτρου, πρέπει να χρησιμοποιήσουμε ασύμμετρη παροχή ρεύματος και, στη συνέχεια, θα παρουσιάσουμε το κύκλωμα τροφοδοσίας.

Βήμα 3: Το τροφοδοτικό

Η απαιτούμενη ισχύς για αυτό το κύκλωμα είναι μια συμμετρική παροχή ρεύματος. Εάν δεν έχετε συμμετρική τροφοδοσία, συναρμολογήστε ένα κύκλωμα χρησιμοποιώντας πυκνωτές που τροφοδοτούνται από ένα απλό τροφοδοτικό.

Ωστόσο, η τιμή τάσης του τροφοδοτικού πρέπει να είναι μεγαλύτερη από 10V, καθώς η τιμή της συμμετρικής πηγής θα διαιρεθεί με 2.

Το παραπάνω σχήμα δείχνει το κύκλωμα της τροφοδοσίας.

Αυτό το κύκλωμα βρίσκεται ήδη στο ηλεκτρονικό διάγραμμα στο σχήμα 1, αφού χρησιμοποιείται μια κοινή μη συμμετρική πηγή.

Αφού σχεδιάσαμε το κύκλωμα ενεργού φίλτρου και το κύκλωμα τροφοδοσίας του, αναπτύξαμε μια ηλεκτρονική μονάδα φίλτρου που θα χρησιμοποιηθεί στα έργα σας με το Arduino ή σε άλλα έργα που χρειάζονται φίλτρο για το σκοπό αυτό.

Στη συνέχεια, θα παρουσιάσουμε τη δομή του ηλεκτρονικού σχήματος και τον σχεδιασμό του ανεπτυγμένου ηλεκτρονικού πίνακα.

Η πλακέτα τυπωμένου κυκλώματος του Active Low Pass Filter RC

Βήμα 4: Η πλακέτα τυπωμένων κυκλωμάτων του Active Low Pass Filter RC

Για την κατασκευή της ηλεκτρονικής πλακέτας τυπωμένου κυκλώματος - NEXTPCB, αναπτύχθηκε το ηλεκτρονικό σχηματικό σχήμα του κυκλώματος. Το ηλεκτρονικό σχήμα του Active Low Pass Filter RC φαίνεται στο σχήμα 3.

Στη συνέχεια, το σχήμα εξήχθη στο PCB Design του λογισμικού Altium και σχεδιάστηκε ο παρακάτω πίνακας, όπως φαίνεται στο σχήμα 4.

Τρεις ακίδες χρησιμοποιήθηκαν για την παροχή του κυκλώματος και του σήματος εισόδου και δύο ακίδες στην έξοδο. Οι δύο ακίδες χρησιμοποιούνται για την έξοδο του φιλτραρισμένου σήματος και το GND του κυκλώματος.

Μετά τον σχεδιασμό της διάταξης του PCB, δημιουργήθηκε ο τρισδιάστατος σχεδιασμός της πλακέτας τυπωμένου κυκλώματος και παρουσιάστηκε στο σχήμα 5.

Από το έργο PCB, μπορείτε να χρησιμοποιήσετε αυτήν την ενότητα και να την εφαρμόσετε στο έργο σας με το Arduino. Με αυτόν τον τρόπο, ορισμένα παρασιτικά σήματα θα ακυρωθούν και το έργο σας θα λειτουργήσει χωρίς κίνδυνο σφάλματος στην ανάγνωση του σήματος.

συμπέρασμα

Αυτό το ενεργό κύκλωμα RC φίλτρου χαμηλής διέλευσης μπορεί να χρησιμοποιηθεί ευρέως για φιλτράρισμα της ισχύος του Arduino, φιλτράρισμα των σημάτων σειριακής επικοινωνίας, όπως στη ραδιοσυχνότητα, η οποία συνήθως έχει πολλά σήματα που συνήθως προκαλούν παρεμβολές στη σειριακή επικοινωνία, υπό την προϋπόθεση ότι η τιμή του αλλάζει η συχνότητα διακοπής.

Μια συμβουλή μετά τη συναρμολόγηση αυτού του κυκλώματος είναι να κάνετε τη σύνδεση πιο κοντά στο Arduino, καθώς ένα καλό μέρος της παρεμβολής βρίσκεται στην απόσταση μεταξύ του αισθητήρα και του μικροελεγκτή και στις περισσότερες περιπτώσεις, ο μικροελεγκτής δεν μπορεί να είναι πολύ κοντά, επειδή η θέση του ο αισθητήρας μπορεί να είναι επιβλαβής για το Arduino.

Επιπλέον, για να έχετε ένα πιο συνεχές σήμα, απλώς αλλάξτε τη συχνότητα διακοπής φίλτρου χαμηλής διέλευσης σε χαμηλότερη συχνότητα, αυτό θα αλλάξει τις τιμές των αντιστάσεων και των πυκνωτών. Έχει επίσης τα πλεονεκτήματά του να δημιουργήσει κέρδος στο σήμα, εάν το σήμα είναι χαμηλό.

Σημαντικές πληροφορίες

Μπορείτε να έχετε πρόσβαση σε όλα τα αρχεία στον ακόλουθο σύνδεσμο: Αρχεία της πλακέτας τυπωμένων κυκλωμάτων

Μπορείτε να αποκτήσετε τα δικά σας 10 PCB και να πληρώσετε μόνο το φορτίο κατά την πρώτη αγορά στο NextPCB. Απολαύστε και χρησιμοποιήστε αυτό το έργο με τα Έργα Arduino και τους αισθητήρες σας.