Aktiver Tiefpassfilter RC in Projekten mit Arduino angewendet - Gunook

2024 Autor: John Day | [email protected]. Zuletzt bearbeitet: 2024-01-30 07:16

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Der Tiefpassfilter ist eine hervorragende elektronische Schaltung, um parasitäre Signale aus Ihren Projekten herauszufiltern. Ein häufiges Problem bei Projekten mit Arduino und Systemen mit Sensoren, die in der Nähe von Stromkreisen arbeiten, ist das Vorhandensein von „parasitären“Signalen.

Sie können durch Vibrationen oder Magnetfelder im Bereich des Sensors verursacht werden.

Diese meist hochfrequenten Signale stören beim Auslesen und es kommt zu Fehlauslesungen im Automatisierungssystem. Ein gängiges Beispiel ist das Anlaufen einer Maschine, die einen hohen Anfangsstrom benötigt.

Dies führt zur Erzeugung von hochfrequentem Rauschen in mehreren Elementen, die mit dem Stromnetz verbunden sind, einschließlich Sensoren.

Um zu verhindern, dass diese Geräusche das System beeinträchtigen, werden zwischen dem Sensorelement und dem System, das es ausliest, Filter eingesetzt.

Was sind passive und aktive Filter?

Lieferungen

• 2 Widerstände;
• 2 Keramikkondensatoren
• 2 Elektrolytkondensatoren;
• Operationsverstärker LM358
• Stromanschlüsse oder 9V Batterie;

Schritt 1: Was sind passive und aktive Filter?

Filter sind Schaltungen, die ein Signal „reinigen“und unerwünschte Signale trennen können, um zu vermeiden, dass Werte gelesen werden, die nicht der Realität entsprechen.

Es gibt zwei Arten von Filtern: passiv und aktiv.

Passive FilterFilter können passiv sein, was die einfachsten sind, da sie nur aus Widerständen und Kondensatoren bestehen.

Aktive Filter

Aktive Filter verwenden zusätzlich zu Widerständen und Kondensatoren Verstärker-Ops, um die Filterung zu verbessern, und digitale Filter, die in Prozessoren und Mikrocontrollern verwendet werden.

Daher erfahren Sie in diesem Artikel:

Verstehen Sie, wie Tiefpassfilter funktionieren;

Konfigurieren Sie die Hardware des Tiefpassfilters mit einer Grenzfrequenz von 100 Hz mit einem Operationsverstärker LM358;

Berechnen Sie die Werte der passiven Komponenten der Schaltung;

Bauen Sie einen Tiefpassfilter NextPCB zusammen.

Im Folgenden stellen wir den Entwicklungsprozess des aktiven Tiefpassfilters für unsere Schaltungen mit Arduino vor.

Schritt 2: Entwicklung der RC-Schaltung des aktiven Tiefpassfilters

In diesem Projekt wird mit NEXTPCB - Printed Circuit Board ein aktiver Tiefpassfilter entwickelt, d.h. er ermöglicht es uns, tiefe Frequenzen durchzulassen. Der zu wählende Frequenzbereich hängt vom Betrieb der Schaltung ab.

Für diesen Artikel verwenden wir einen aktiven Tiefpassfilter, wie er für Frequenzen unter 1MHz verwendet wird, und zusätzlich kann eine Signalverstärkung erfolgen, da in dieser Schaltung ein Operationsverstärker verwendet wird.

Ausgehend von diesem Projekt wird daher der Schwerpunkt auf der Entwicklung der aktiven Tiefpassfilterschaltung und ihrer symmetrischen Versorgungsschaltung liegen. Abbildung 1 veranschaulicht die Hardware dieser Schaltung.

Die in TinkerCAD konstruierte Tiefpassfilter-RC-Schaltung kann unter folgendem Link abgerufen werden:

Wie bereits erwähnt, haben wir in diesem Projekt Arduino verwendet, um das Signal von einem Sensor zu erfassen. Somit hat die Tiefpassfilter-RC-Schaltung in der obigen Abbildung 3 wichtige Teile:

• Der Signalgenerator,
• Der aktive Filter und;
• Arduino zum Sammeln von Sensordaten.

Der Signalgenerator ist dafür verantwortlich, die Funktionsweise eines Sensors zu simulieren und das Signal an den Arduino zu übertragen. Dieses Signal wird dann durch den Tiefpassfilter RC gefiltert und anschließend wird das gefilterte Signal von Arduino gelesen und verarbeitet.

Daher benötigen wir für die Montage des Tiefpassfilters RC die folgenden elektronischen Komponenten:

• 2 Widerstände;
• 2 Keramikkondensatoren
• 2 Elektrolytkondensatoren;
• Operationsverstärker LM358
• Stromanschlüsse oder 9V Batterie

Als nächstes präsentieren wir die Berechnung der Werte der Widerstände und Kondensatoren der Schaltung. Die Berechnung dieser Komponenten basiert auf der Tiefpassfilter-Grenzfrequenz des aktiven Filters.

Widerstands- und Kondensatorberechnungen

Für die vorgeschlagene Schaltung verwenden wir eine Tiefpassfilter-Grenzfrequenz von 100 Hz. Auf diese Weise lässt die Schaltung Frequenzen unter 100 Hz und über 100 Hz passieren, das Signal nimmt exponentiell ab.

Daher gilt für die Berechnung von Kondensatoren: Zunächst reicht es, einen Wert von C1 zu definieren, dann kann ein kommerzieller Wert von 1 bis 100nF definiert werden.

Als nächstes haben wir die Berechnung des Kondensators C2 gemäß der folgenden Gleichung durchgeführt.

Verwenden Sie dann die folgende Formel, um den Wert von R1 und R2 zu berechnen. Die Formel kann verwendet werden, um den Wert der beiden Widerstände zu projizieren. Als nächstes sehen Sie sich die durchgeführte Berechnung an.

Wo f*C die Grenzfrequenz des Tiefpassfilters ist, dh oberhalb dieser Frequenz, nimmt die Verstärkung dieses Signals ab. Der f*C-Wert für dieses System beträgt 100 Hz.

Daher haben wir den folgenden Widerstandswert für R1 und R2.

Aus den erhaltenen Werten für die Widerstände und den Kondensator des Projekts müssen wir dann die Stromversorgungsschaltung für den aktiven Filter entwickeln. Für diesen Filtertyp müssen wir eine asymmetrische Stromversorgung verwenden und als Nächstes die Versorgungsschaltung vorstellen.

Schritt 3: Das Netzteil

Die benötigte Leistung für diese Schaltung ist ein symmetrisches Netzteil. Wenn Sie kein symmetrisches Netzteil haben, bauen Sie eine Schaltung mit Kondensatoren auf, die von einem einfachen Netzteil gespeist werden.

Der Spannungswert des Netzteils muss jedoch größer als 10 V sein, da der Wert der symmetrischen Quelle durch 2 geteilt wird.

Die obige Abbildung zeigt die Schaltung des Netzteils.

Diese Schaltung ist bereits im elektronischen Schaltplan in Abbildung 1 enthalten, da eine gemeinsame unsymmetrische Quelle verwendet wird.

Nach dem Entwurf der aktiven Filterschaltung und ihrer Versorgungsschaltung haben wir ein elektronisches Filtermodul entwickelt, das Sie in Ihren Projekten mit Arduino oder in anderen Projekten verwenden können, die zu diesem Zweck einen Filter benötigen.

Als nächstes werden wir die Struktur des elektronischen Schemas und das Design der entwickelten elektronischen Platine vorstellen.

Die Leiterplatte des Active Low Pass Filter RC

Schritt 4: Die Leiterplatte des aktiven Tiefpassfilters RC

Um die elektronische Leiterplatte - NEXTPCB - herzustellen, wurde der elektronische Schaltplan der Schaltung entwickelt. Der elektronische Schaltplan des aktiven Tiefpassfilters RC ist in Abbildung 3 dargestellt.

Dann wurde das Schema in das PCB-Design der Altium-Software exportiert und das folgende Board entworfen, wie in Abbildung 4 gezeigt.

Drei Pins wurden verwendet, um die Schaltung und das Eingangssignal zu liefern, und zwei Pins am Ausgang. Die beiden Pins werden für die Ausgabe des gefilterten Signals und den GND der Schaltung verwendet.

Nach dem Design des PCB-Layouts wurde das 3D-Design der Leiterplatte generiert und in Bild 5 dargestellt.

Aus dem PCB-Projekt können Sie dieses Modul verwenden und es mit Arduino auf Ihr Projekt anwenden. Auf diese Weise werden bestimmte Störsignale gelöscht und Ihr Projekt funktioniert ohne das Risiko von Fehlern bei der Signalauslesung.

Abschluss

Diese aktive Tiefpassfilter-RC-Schaltung kann weit verbreitet zum Filtern der Leistung des Arduino verwendet werden, um die Signale der seriellen Kommunikation zu filtern, wie bei der Hochfrequenz, die normalerweise viele Signale hat, die normalerweise Störungen in der seriellen Kommunikation verursachen, vorausgesetzt, der Wert von die Grenzfrequenz wird geändert.

Ein Tipp nach dem Zusammenbau dieser Schaltung besteht darin, die Verbindung näher am Arduino herzustellen, da ein guter Teil der Interferenzen in der Entfernung zwischen dem Sensor und dem Mikrocontroller liegt und in den meisten Fällen der Mikrocontroller nicht sehr nah sein kann, da die Position von Der Sensor kann für den Arduino schädlich sein.

Um ein kontinuierlicheres Signal zu erhalten, ändern Sie einfach die Grenzfrequenz des Tiefpassfilters auf eine niedrigere Frequenz, dies ändert die Werte der Widerstände und Kondensatoren. Es hat auch seine Vorteile, eine Verstärkung im Signal zu erzeugen, wenn das Signal niedrig ist.

Wichtige Informationen

Alle Dateien sind unter folgendem Link abrufbar: Dateien der Leiterplatte

Sie können Ihre eigenen 10 PCBs erwerben und zahlen nur die Fracht beim ersten Kauf auf der NextPCB. Genießen und verwenden Sie dieses Projekt mit Ihren Arduino-Projekten und -Sensoren.