Filtre de pas baix actiu RC aplicat en projectes amb Arduino: 4 passos

2024 Autora: John Day | [email protected]. Última modificació: 2024-01-30 08:12

Projectes Tinkercad »

El filtre de pas baix és un circuit electrònic excel·lent per filtrar els senyals paràsits dels vostres projectes. Un problema comú en projectes amb Arduino i sistemes amb sensors que funcionen a prop de circuits d'alimentació és la presència de senyals "paràsits".

Poden ser causats per vibracions o camps magnètics a la mateixa zona que el sensor.

Aquests senyals, que són majoritàriament d’alta freqüència, causen molèsties en el moment de la lectura i, en conseqüència, es produeixen lectures errònies al sistema d’automatització. Un exemple habitual és l’arrencada d’una màquina que requereix un corrent inicial elevat.

Això provocarà la generació de soroll d'alta freqüència en diversos elements connectats a la xarxa elèctrica, inclosos els sensors.

Per evitar que aquests sorolls afectin el sistema, s’utilitzen filtres entre l’element sensor i el sistema que el llegeix.

Què són els filtres passius i actius?

Subministraments

• 2 resistències;
• 2 condensadors ceràmics
• 2 condensadors electrolítics;
• Amplificador operacional LM358
• Terminals d’alimentació o bateria de 9V;

Pas 1: què són els filtres passius i actius?

Els filtres són circuits que poden "netejar" un senyal, separar els senyals no desitjats, per evitar la lectura de valors que no coincideixen amb la realitat.

Els filtres poden ser de dos tipus: passiu i actiu.

Filtres passius Els filtres poden ser passius, que són els més senzills, ja que només consten de resistències i condensadors.

Filtres actius

Els filtres actius, a més de resistències i condensadors, utilitzen amplificadors per millorar el filtratge i filtres digitals, que s’utilitzen en processadors i microcontroladors.

Per tant, en aquest article aprendreu:

Entendre com funciona el filtre de pas baix;

Configureu el maquinari del filtre de pas baix amb una freqüència de tall de 100 Hz mitjançant un amplificador operatiu LM358;

Calculeu els valors dels components passius del circuit;

Munteu un filtre de pas baix NextPCB.

A continuació, presentem el procés de desenvolupament del filtre de pas baix actiu per als nostres circuits amb Arduino.

Pas 2: desenvolupament del circuit actiu de filtre de filtre de pas baix

En aquest projecte es desenvoluparà un filtre de pas baix actiu amb la placa de circuit imprès NEXTPCB, és a dir, que ens permet passar freqüències baixes. El rang de freqüències a triar depèn del funcionament del circuit.

Per a aquest article utilitzarem un filtre actiu de pas baix, ja que s’utilitzen per a freqüències inferiors a 1 MHz i, a més, es pot fer amplificació del senyal, ja que s’utilitzarà un amplificador operacional en aquest circuit.

Per tant, basat en aquest projecte, el focus central estarà en el desenvolupament del circuit actiu de filtre de pas baix i el seu circuit de subministrament simètric. La figura 1 il·lustra el maquinari d’aquest circuit.

Podeu accedir al circuit RC del filtre de pas baix construït a TinkerCAD al següent enllaç:

Com s'ha esmentat, hem utilitzat Arduino en aquest projecte per tal d'adquirir el senyal d'un sensor. Per tant, el circuit RC del filtre de pas baix de la figura superior tenim 3 parts importants:

• El generador de senyal,
• El filtre actiu i;
• Arduino per recopilar dades del sensor.

El generador de senyals és l’encarregat de simular el funcionament d’un sensor i transmetre el senyal a l’Arduino. Aquest senyal es filtra a través del filtre de pas baix RC i, posteriorment, el senyal filtrat és llegit i processat per Arduino.

Per tant, per realitzar el muntatge del filtre de pas baix RC necessitarem els components electrònics següents:

• 2 resistències;
• 2 condensadors ceràmics
• 2 condensadors electrolítics;
• Amplificador operacional LM358
• Terminals d’alimentació o bateria de 9V

A continuació, presentem el càlcul dels valors de les resistències i condensadors del circuit. El càlcul d’aquests components es basa en la freqüència de tall del filtre de pas baix del filtre actiu.

Càlcul de resistències i condensadors

Per al circuit proposat, utilitzarem una freqüència de tall del filtre de pas baix de 100Hz. D’aquesta manera, el circuit permetrà que les freqüències passin per sota de 100Hz i per sobre de 100Hz, el senyal disminuirà exponencialment.

Per tant, per al càlcul de condensadors, tenim: Inicialment, n'hi ha prou amb definir un valor de C1, en aquest cas es pot definir un valor comercial d'1 a 100nF.

A continuació, hem realitzat el càlcul del condensador C2 segons l’equació següent.

A continuació, utilitzeu la fórmula següent per calcular el valor de R1 i R2. La fórmula es pot utilitzar per projectar el valor de les dues resistències. A continuació, consulteu el càlcul realitzat.

On f * C és la freqüència de tall del filtre de pas baix, és a dir, per sobre d’aquesta freqüència, el guany d’aquest senyal disminuirà. El valor f * C d’aquest sistema serà de 100 Hz.

Per tant, tenim el següent valor de resistència per a R1 i R2.

A partir dels valors obtinguts per a les resistències i el condensador del projecte, hem de desenvolupar el circuit d'alimentació del filtre actiu. Per a aquest tipus de filtre, hem d’utilitzar una font d’alimentació asimètrica i, a continuació, presentarem el circuit d’alimentació.

Pas 3: la font d'alimentació

La potència necessària per a aquest circuit és una font d'alimentació simètrica. Si no disposeu d'una font d'alimentació simètrica, munteu un circuit mitjançant condensadors alimentats per una font d'alimentació simple.

No obstant això, el valor de la tensió de la font d'alimentació ha de ser superior a 10 V, ja que el valor de la font simètrica es dividirà per 2.

La figura superior mostra el circuit de la font d'alimentació.

Aquest circuit ja es troba al diagrama electrònic de la figura 1, ja que s’utilitza una font no simètrica comuna.

Després de dissenyar el circuit de filtre actiu i el seu circuit de subministrament, hem desenvolupat un mòdul de filtre electrònic per utilitzar-lo en els vostres projectes amb Arduino o en altres projectes que necessitin un filtre per a aquest propòsit.

A continuació, presentarem l'estructura de l'esquema electrònic i el disseny del tauler electrònic desenvolupat.

La placa de circuit imprès del filtre actiu de pas baix RC

Pas 4: la placa de circuits impresos del filtre actiu de pas baix RC

Per tal de fabricar la placa de circuit imprès electrònic - NEXTPCB, es va desenvolupar l’esquema electrònic del circuit. La figura 3 mostra l’esquema electrònic del filtre actiu de pas baix RC.

Després, l'esquema es va exportar al disseny de PCB del programari Altium i es va dissenyar el següent tauler, tal com es mostra a la figura 4.

Es van utilitzar tres pins per subministrar el circuit i el senyal d’entrada i dos pins a la sortida. Els dos pins s’utilitzen per a la sortida del senyal filtrat i del GND del circuit.

Després de dissenyar la disposició del PCB, es va generar el disseny 3D de la placa de circuit imprès i es va presentar a la figura 5.

Des del projecte PCB, podeu utilitzar aquest mòdul i aplicar-lo al vostre projecte amb Arduino. D'aquesta manera, es cancel·laran certs senyals paràsits i el vostre projecte funcionarà sense risc d'errors en la lectura del senyal.

Conclusió

Aquest circuit actiu de filtre de pas baix de RC es pot utilitzar àmpliament per filtrar la potència de l’Arduino, filtrant els senyals de comunicació serial, com passa en la freqüència de ràdio, que sol tenir molts senyals que solen causar interferències en la comunicació serial, sempre que el valor de es canvia la freqüència de tall.

Un consell després de muntar aquest circuit és fer la connexió més propera a l’Arduino, ja que una bona part de la interferència es troba a la distància entre el sensor i el microcontrolador i, en la majoria dels casos, el microcontrolador no pot estar molt a prop, ja que la ubicació de el sensor pot ser perjudicial per a l'Arduino.

A més, per tenir un senyal més continu, només cal canviar la freqüència de tall del filtre de pas baix per una freqüència més baixa, això canviarà els valors de les resistències i els condensadors. També té els seus avantatges de crear un guany en el senyal, si el senyal és baix.

Informació important

Es pot accedir a tots els fitxers al següent enllaç: Fitxers de la placa de circuit imprès

Podeu obtenir els vostres propis 10 PCB i pagar només el transport en primera compra al NextPCB. Gaudeix i utilitza aquest projecte amb els teus projectes i sensors Arduino.