Actief laagdoorlaatfilter RC toegepast in projecten met Arduino - Ajarnpa

2024 Auteur: John Day | [email protected]. Laatst gewijzigd: 2024-01-30 11:15

Tinkercad-projecten »

Het laagdoorlaatfilter is een uitstekende elektronische schakeling om parasitaire signalen uit uw projecten te filteren. Een veelvoorkomend probleem bij projecten met Arduino en systemen met sensoren die dicht bij stroomcircuits werken, is de aanwezigheid van "parasitaire" signalen.

Ze kunnen worden veroorzaakt door trillingen of magnetische velden in hetzelfde gebied als de sensor.

Deze signalen, die meestal van hoge frequentie zijn, veroorzaken storing op het moment van uitlezen en bijgevolg treden er foutieve uitlezingen op in het automatiseringssysteem. Een bekend voorbeeld is het starten van een machine die een hoge aanvangsstroom vereist.

Dit zal leiden tot het genereren van hoogfrequente ruis in verschillende elementen die zijn aangesloten op het elektrische netwerk, inclusief sensoren.

Om te voorkomen dat deze geluiden het systeem beïnvloeden, worden filters gebruikt tussen het sensorelement en het systeem dat het leest.

Wat zijn passieve en actieve filters?

Benodigdheden

• 2 weerstanden;
• 2 keramische condensatoren
• 2 Elektrolytische condensatoren;
• Operationele versterker LM358
• Stroomaansluitingen of 9V batterij;

Stap 1: Wat zijn passieve en actieve filters?

Filters zijn circuits die een signaal kunnen "opschonen", ongewenste signalen kunnen scheiden, om te voorkomen dat waarden worden gelezen die niet overeenkomen met de werkelijkheid.

Er kunnen twee soorten filters zijn: passief en actief.

Passieve filtersFilters kunnen passief zijn, wat het eenvoudigst is, omdat ze alleen uit weerstanden en condensatoren bestaan.

Actieve filters

Actieve filters gebruiken, naast weerstanden en condensatoren, amp-ops om de filtering te verbeteren, en digitale filters, die worden gebruikt in processors en microcontrollers.

Daarom leer je in dit artikel:

Begrijp hoe laagdoorlaatfilters werken;

Configureer de hardware van het laagdoorlaatfilter met een afsnijfrequentie van 100 Hz met behulp van een operationele versterker LM358;

Bereken de waarden van de passieve componenten van het circuit;

Monteer een laagdoorlaatfilter NextPCB.

Hieronder presenteren we het proces van het ontwikkelen van het actieve laagdoorlaatfilter voor onze circuits met Arduino.

Stap 2: Ontwikkeling van het actieve laagdoorlaatfilter RC-circuit

In dit project zal een actief laagdoorlaatfilter worden ontwikkeld met NEXTPCB - Printed Circuit Board, dat wil zeggen dat het ons in staat stelt om lage frequenties door te laten. Het te kiezen frequentiebereik is afhankelijk van de werking van de schakeling.

Voor dit artikel zullen we een actief laagdoorlaatfilter gebruiken, omdat ze worden gebruikt voor frequenties onder 1 MHz, en bovendien kan signaalversterking worden gedaan, omdat in dit circuit een operationele versterker zal worden gebruikt.

Daarom zal op basis van dit project de centrale focus liggen op de ontwikkeling van het actieve laagdoorlaatfiltercircuit en zijn symmetrische voedingscircuit. Figuur 1 illustreert de hardware van dit circuit.

Het laagdoorlaatfilter RC-circuit gebouwd in TinkerCAD is toegankelijk via de volgende link:

Zoals gezegd hebben we in dit project Arduino gebruikt om het signaal van een sensor te verkrijgen. Dus, het laagdoorlaatfilter RC-circuit in de bovenstaande afbeelding hebben we 3 belangrijke onderdelen:

• De signaalgenerator,
• Het actieve filter en;
• Arduino voor het verzamelen van sensorgegevens.

De signaalgenerator is verantwoordelijk voor het simuleren van de werking van een sensor en het doorgeven van het signaal aan de Arduino. Dit signaal wordt vervolgens gefilterd door het laagdoorlaatfilter RC en vervolgens wordt het gefilterde signaal gelezen en verwerkt door Arduino.

Om de montage van het laagdoorlaatfilter RC uit te voeren, hebben we dus de volgende elektronische componenten nodig:

• 2 weerstanden;
• 2 keramische condensatoren
• 2 Elektrolytische condensatoren;
• Operationele versterker LM358
• Stroomaansluitingen of 9V batterij

Vervolgens presenteren we de berekening van de waarden van de weerstanden en condensatoren van het circuit. De berekening van deze componenten is gebaseerd op de afsnijfrequentie van het laagdoorlaatfilter van het actieve filter.

Weerstands- en condensatorberekeningen

Voor het voorgestelde circuit zullen we een laagdoorlaatfilter-afsnijfrequentie van 100 Hz gebruiken. Op deze manier laat het circuit frequenties onder 100Hz en boven 100Hz passeren, het signaal zal exponentieel afnemen.

Daarom hebben we voor de berekening van condensatoren: In eerste instantie is het voldoende om een waarde van C1 te definiëren, in welk geval een commerciële waarde van 1 tot 100 nF kan worden gedefinieerd.

Vervolgens hebben we de berekening van condensator C2 uitgevoerd volgens de onderstaande vergelijking.

Gebruik dan onderstaande formule om de waarde van R1 en R2 te berekenen. De formule kan worden gebruikt om de waarde van de twee weerstanden te projecteren. Zie vervolgens de uitgevoerde berekening.

Waar f*C de afsnijfrequentie van het laagdoorlaatfilter is, d.w.z. boven die frequentie, zal de versterking van dit signaal afnemen. De f*C-waarde voor dit systeem is 100 Hz.

Daarom hebben we de volgende weerstandswaarde voor R1 en R2.

Uit de waarden die zijn verkregen voor de weerstanden en condensator van het project, moeten we vervolgens het voedingscircuit voor het actieve filter ontwikkelen. Voor dit type filter moeten we een asymmetrische voeding gebruiken en vervolgens zullen we het voedingscircuit presenteren.

Stap 3: De voeding

Het benodigde vermogen voor deze schakeling is een symmetrische voeding. Als je geen symmetrische voeding hebt, monteer dan een circuit met behulp van condensatoren die gevoed worden door een eenvoudige voeding.

De spanningswaarde van de voeding moet echter groter zijn dan 10V, omdat de waarde van de symmetrische bron wordt gedeeld door 2.

Afbeelding hierboven toont het circuit van de voeding.

Deze schakeling staat al in het elektronische schema in figuur 1, aangezien een gemeenschappelijke niet-symmetrische bron wordt gebruikt.

Na het ontwerpen van het actieve filtercircuit en zijn voedingscircuit, hebben we een elektronische filtermodule ontwikkeld die kan worden gebruikt in uw projecten met Arduino of in andere projecten die hiervoor een filter nodig hebben.

Vervolgens zullen we de structuur van het elektronische schema en het ontwerp van het ontwikkelde elektronische bord presenteren.

De printplaat van het actieve laagdoorlaatfilter RC

Stap 4: De printplaat van het actieve laagdoorlaatfilter RC

Om de elektronische printplaat te maken - NEXTPCB, werd het elektronische schema van de schakeling ontwikkeld. Het elektronische schema van het actieve laagdoorlaatfilter RC wordt getoond in figuur 3.

Vervolgens werd het schema geëxporteerd naar het PCB-ontwerp van de Altium-software en werd het volgende bord ontworpen, zoals weergegeven in figuur 4.

Drie pinnen werden gebruikt om het circuit en het ingangssignaal te voeden en twee pinnen aan de uitgang. De twee pinnen worden gebruikt voor de uitvoer van het gefilterde signaal en de GND van het circuit.

Na het ontwerpen van de lay-out van de PCB, werd het 3D-ontwerp van de printplaat gegenereerd en weergegeven in figuur 5.

Vanuit het PCB-project kunt u deze module gebruiken en toepassen op uw project met Arduino. Op deze manier worden bepaalde parasitaire signalen geannuleerd en werkt uw project zonder risico op fouten in de signaaluitlezing.

Conclusie

Dit actieve laagdoorlaatfilter RC-circuit kan op grote schaal worden gebruikt voor het filteren van de kracht van de Arduino, het filteren van de signalen van seriële communicatie, zoals in radiofrequentie, die meestal veel signalen heeft die meestal interferentie veroorzaken in de seriële communicatie, op voorwaarde dat de waarde van de afsnijfrequentie wordt gewijzigd.

Een tip na het monteren van dit circuit is om de verbinding dichter bij de Arduino te maken, aangezien een groot deel van de interferentie in de afstand tussen de sensor en de microcontroller zit, en in de meeste gevallen kan de microcontroller niet erg dichtbij zijn, omdat de locatie van de sensor kan schadelijk zijn voor de Arduino.

Om een meer continu signaal te krijgen, hoeft u alleen maar de afsnijfrequentie van het laagdoorlaatfilter te wijzigen in een lagere frequentie, dit zal de waarden van de weerstanden en condensatoren veranderen. Het heeft ook zijn voordelen om een versterking in het signaal te creëren, als het signaal laag is.

Belangrijke gegevens

Alle bestanden zijn toegankelijk via de volgende link: Bestanden van de printplaat

U kunt uw eigen 10 PCB's verkrijgen en alleen de vracht betalen bij de eerste aankoop op de NextPCB. Geniet van en gebruik dit project met je Arduino-projecten en sensoren.