Active Low Pass Filter RC นำไปใช้กับโปรเจ็กต์กับ Arduino: 4 ขั้นตอน

2024 ผู้เขียน: John Day | [email protected]. แก้ไขล่าสุด: 2024-01-30 13:03

โครงการทิงเกอร์แคด »

ตัวกรองสัญญาณความถี่ต่ำเป็นวงจรอิเล็กทรอนิกส์ที่ยอดเยี่ยมในการกรองสัญญาณปรสิตออกจากโครงการของคุณ ปัญหาทั่วไปในโครงการที่มี Arduino และระบบที่มีเซ็นเซอร์ทำงานใกล้กับวงจรไฟฟ้าคือการมีสัญญาณ "ปรสิต"

อาจเกิดจากการสั่นสะเทือนหรือสนามแม่เหล็กในบริเวณเดียวกับเซ็นเซอร์

สัญญาณเหล่านี้ซึ่งส่วนใหญ่เป็นความถี่สูงทำให้เกิดการรบกวนในขณะที่อ่าน ดังนั้นจึงเกิดการอ่านที่ผิดพลาดในระบบอัตโนมัติ ตัวอย่างทั่วไปคือการสตาร์ทเครื่องที่ต้องการกระแสไฟเริ่มต้นสูง

ซึ่งจะทำให้เกิดสัญญาณรบกวนความถี่สูงในหลายองค์ประกอบที่เชื่อมต่อกับเครือข่ายไฟฟ้ารวมถึงเซ็นเซอร์

เพื่อป้องกันไม่ให้เสียงเหล่านี้ส่งผลกระทบต่อระบบ ตัวกรองจะถูกใช้ระหว่างองค์ประกอบเซ็นเซอร์กับระบบที่อ่านค่านั้น

ฟิลเตอร์แบบพาสซีฟและแอคทีฟคืออะไร?

เสบียง

• 2 ตัวต้านทาน;
• ตัวเก็บประจุเซรามิก 2 ตัว
• 2 ตัวเก็บประจุด้วยไฟฟ้า;
• แอมพลิฟายเออร์ปฏิบัติการ LM358
• ขั้วไฟฟ้าหรือแบตเตอรี่ 9V;

ขั้นตอนที่ 1: ตัวกรองแบบพาสซีฟและแอคทีฟคืออะไร

ตัวกรองคือวงจรที่สามารถ "ล้าง" สัญญาณ แยกสัญญาณที่ไม่ต้องการ เพื่อหลีกเลี่ยงการอ่านค่าที่ไม่ตรงกับความเป็นจริง

ตัวกรองสามารถเป็นได้สองประเภท: แบบพาสซีฟและแอคทีฟ

ตัวกรองแบบพาสซีฟตัวกรองเป็นแบบพาสซีฟซึ่งเป็นแบบที่ง่ายที่สุด เนื่องจากประกอบด้วยตัวต้านทานและตัวเก็บประจุเท่านั้น

ตัวกรองที่ใช้งาน

ตัวกรองแบบแอคทีฟ นอกเหนือจากตัวต้านทานและตัวเก็บประจุ ใช้ amp-ops เพื่อปรับปรุงการกรอง และตัวกรองดิจิทัล ซึ่งใช้ในโปรเซสเซอร์และไมโครคอนโทรลเลอร์

ดังนั้น ในบทความนี้ คุณจะได้เรียนรู้:

ทำความเข้าใจว่าตัวกรองความถี่ต่ำทำงานอย่างไร

กำหนดค่าฮาร์ดแวร์ของตัวกรองความถี่ต่ำด้วยความถี่ตัด 100 Hz โดยใช้เครื่องขยายเสียงปฏิบัติการ LM358

คำนวณค่าของส่วนประกอบแบบพาสซีฟของวงจร

ประกอบตัวกรองความถี่ต่ำ NextPCB

ด้านล่างนี้ เรานำเสนอขั้นตอนการพัฒนาตัวกรองสัญญาณความถี่ต่ำแบบแอคทีฟสำหรับวงจรของเรากับ Arduino

ขั้นตอนที่ 2: การพัฒนาวงจร RC Low Pass Filter แบบแอคทีฟ

ในโครงการนี้ ฟิลเตอร์กรองความถี่ต่ำแบบแอคทีฟจะได้รับการพัฒนาด้วย NEXTPCB - แผงวงจรพิมพ์ นั่นคือช่วยให้เราส่งผ่านความถี่ต่ำได้ ช่วงความถี่ที่จะเลือกขึ้นอยู่กับการทำงานของวงจร

สำหรับบทความนี้ เราจะใช้ตัวกรองสัญญาณความถี่ต่ำแบบแอคทีฟ เนื่องจากใช้สำหรับความถี่ที่ต่ำกว่า 1MHz และนอกจากนี้ การขยายสัญญาณสามารถทำได้ เนื่องจากวงจรนี้จะใช้แอมพลิฟายเออร์ในการดำเนินงาน

ดังนั้น ตามโครงการนี้ จุดศูนย์กลางจะอยู่ที่การพัฒนาวงจรกรองความถี่ต่ำแบบแอคทีฟและวงจรการจ่ายแบบสมมาตร รูปที่ 1 แสดงฮาร์ดแวร์ของวงจรนี้

วงจร RC ตัวกรองความถี่ต่ำที่สร้างใน TinkerCAD สามารถเข้าถึงได้ที่ลิงค์ต่อไปนี้:

ดังที่ได้กล่าวมาแล้ว เราใช้ Arduino ในโครงการนี้เพื่อรับสัญญาณจากเซ็นเซอร์ ดังนั้นวงจร RC ตัวกรองความถี่ต่ำในรูปด้านบนเรามี 3 ส่วนที่สำคัญ:

• เครื่องกำเนิดสัญญาณ,
• ตัวกรองที่ใช้งานและ;
• Arduino สำหรับการรวบรวมข้อมูลเซ็นเซอร์

เครื่องกำเนิดสัญญาณมีหน้าที่จำลองการทำงานของเซ็นเซอร์และส่งสัญญาณไปยัง Arduino สัญญาณนี้จะถูกกรองผ่านตัวกรองความถี่ต่ำ RC จากนั้น Arduino อ่านและประมวลผลสัญญาณที่กรองแล้ว

ดังนั้น ในการประกอบตัวกรองความถี่ต่ำ RC เราจะต้องใช้ส่วนประกอบอิเล็กทรอนิกส์ต่อไปนี้:

• 2 ตัวต้านทาน;
• ตัวเก็บประจุเซรามิก 2 ตัว
• 2 ตัวเก็บประจุด้วยไฟฟ้า;
• แอมพลิฟายเออร์ปฏิบัติการ LM358
• ขั้วต่อสายไฟหรือแบตเตอรี่ 9V

ต่อไปเราจะนำเสนอการคำนวณค่าของตัวต้านทานและตัวเก็บประจุของวงจร การคำนวณส่วนประกอบเหล่านี้ขึ้นอยู่กับความถี่ตัดของตัวกรองความถี่ต่ำของตัวกรองที่ทำงานอยู่

การคำนวณตัวต้านทานและตัวเก็บประจุ

สำหรับวงจรที่เสนอ เราจะใช้ความถี่ตัดผ่านตัวกรองความถี่ต่ำที่ 100Hz ด้วยวิธีนี้วงจรจะยอมให้ความถี่ผ่านต่ำกว่า 100Hz และสูงกว่า 100Hz สัญญาณจะลดลงแบบทวีคูณ

ดังนั้นสำหรับการคำนวณตัวเก็บประจุ เรามี: ในขั้นต้น การกำหนดค่า C1 ก็เพียงพอแล้ว ซึ่งในกรณีนี้ มูลค่าทางการค้า 1 ถึง 100nF สามารถกำหนดได้

ต่อไป เราทำการคำนวณตัวเก็บประจุ C2 ตามสมการด้านล่าง

จากนั้นใช้สูตรด้านล่างเพื่อคำนวณค่าของ R1 และ R2 สูตรนี้สามารถใช้แสดงค่าของตัวต้านทานสองตัวได้ ถัดไป ดูการคำนวณที่ดำเนินการ

โดยที่ f*C คือความถี่คัทออฟฟิลเตอร์กรองความถี่ต่ำ นั่นคือ สูงกว่าความถี่นั้น อัตราขยายของสัญญาณนี้จะลดลง ค่า f*C สำหรับระบบนี้จะเท่ากับ 100 Hz

ดังนั้นเราจึงมีค่าความต้านทานต่อไปนี้สำหรับ R1 และ R2

จากค่าที่ได้รับสำหรับตัวต้านทานและตัวเก็บประจุของโครงการ เราต้องพัฒนาวงจรแหล่งจ่ายไฟสำหรับตัวกรองแบบแอคทีฟ สำหรับตัวกรองประเภทนี้ เราจำเป็นต้องใช้แหล่งจ่ายไฟแบบอสมมาตร ต่อไปเราจะนำเสนอวงจรจ่ายไฟ

ขั้นตอนที่ 3: พาวเวอร์ซัพพลาย

กำลังไฟฟ้าที่ต้องการสำหรับวงจรนี้คือแหล่งจ่ายไฟแบบสมมาตร หากคุณไม่มีแหล่งจ่ายไฟแบบสมมาตร ให้ประกอบวงจรโดยใช้ตัวเก็บประจุที่ขับเคลื่อนด้วยแหล่งจ่ายไฟแบบธรรมดา

อย่างไรก็ตาม ค่าแรงดันไฟฟ้าของแหล่งจ่ายไฟต้องมากกว่า 10V เนื่องจากค่าของแหล่งกำเนิดสมมาตรจะถูกหารด้วย 2

รูปด้านบนแสดงวงจรของแหล่งจ่ายไฟ

วงจรนี้มีอยู่แล้วในไดอะแกรมอิเล็กทรอนิกส์ในรูปที่ 1 เนื่องจากมีการใช้แหล่งที่ไม่สมมาตรทั่วไป

หลังจากออกแบบวงจรกรองแบบแอคทีฟและวงจรจ่ายไฟ เราได้พัฒนาโมดูลตัวกรองอิเล็กทรอนิกส์เพื่อใช้ในโครงการของคุณกับ Arduino หรือในโครงการอื่นๆ ที่ต้องการตัวกรองเพื่อการนี้

ต่อไปเราจะนำเสนอโครงสร้างของโครงร่างอิเล็กทรอนิกส์และการออกแบบบอร์ดอิเล็กทรอนิกส์ที่พัฒนาขึ้น

แผงวงจรพิมพ์ของ Active Low Pass Filter RC

ขั้นตอนที่ 4: แผงวงจรพิมพ์ของ Active Low Pass Filter RC

เพื่อที่จะสร้างแผงวงจรพิมพ์อิเล็กทรอนิกส์ - NEXTPCB ได้มีการพัฒนาวงจรอิเล็กทรอนิกส์ของวงจร แผนผังอิเล็กทรอนิกส์ของ Active Low Pass Filter RC แสดงในรูปที่ 3

จากนั้นโครงร่างถูกส่งออกไปที่ PCB Design ของซอฟต์แวร์ Altium และได้ออกแบบบอร์ดต่อไปนี้ดังแสดงในรูปที่ 4

สามพินถูกใช้เพื่อจ่ายวงจรและสัญญาณอินพุตและสองพินที่เอาต์พุต พินทั้งสองใช้สำหรับเอาต์พุตของสัญญาณกรองและ GND ของวงจร

หลังจากออกแบบเลย์เอาต์ของ PCB แล้ว การออกแบบ 3D ของแผงวงจรพิมพ์ก็ถูกสร้างขึ้นและนำเสนอในรูปที่ 5

จากโครงการ PCB คุณสามารถใช้โมดูลนี้และนำไปใช้กับโครงการของคุณด้วย Arduino ด้วยวิธีนี้ สัญญาณปรสิตบางอย่างจะถูกยกเลิก และโครงการของคุณจะทำงานโดยไม่มีความเสี่ยงจากข้อผิดพลาดในการอ่านสัญญาณ

บทสรุป

วงจร RC ตัวกรองความถี่ต่ำแบบแอคทีฟนี้สามารถใช้กันอย่างแพร่หลายในการกรองกำลังของ Arduino กรองสัญญาณของการสื่อสารแบบอนุกรมเช่นเดียวกับในความถี่วิทยุซึ่งมักจะมีสัญญาณจำนวนมากที่มักจะทำให้เกิดการรบกวนในการสื่อสารแบบอนุกรมโดยมีเงื่อนไขว่าค่าของ ความถี่ตัดทอนจะเปลี่ยนไป

เคล็ดลับหลังจากประกอบวงจรนี้คือทำให้การเชื่อมต่อใกล้ชิดกับ Arduino เนื่องจากส่วนที่ดีของการรบกวนคือระยะห่างระหว่างเซ็นเซอร์และไมโครคอนโทรลเลอร์และในกรณีส่วนใหญ่ไมโครคอนโทรลเลอร์ไม่สามารถอยู่ใกล้ได้มากนักเนื่องจากตำแหน่งของ เซ็นเซอร์อาจเป็นอันตรายต่อ Arduino

นอกจากนี้ เพื่อให้มีสัญญาณที่ต่อเนื่องมากขึ้น เพียงแค่เปลี่ยนความถี่คัทออฟฟิลเตอร์กรองความถี่ต่ำเป็นความถี่ที่ต่ำกว่า ซึ่งจะเปลี่ยนค่าของตัวต้านทานและตัวเก็บประจุ นอกจากนี้ยังมีข้อดีในการสร้างเกนในสัญญาณหากสัญญาณต่ำ

ข้อมูลสำคัญ

ไฟล์ทั้งหมดสามารถเข้าถึงได้ในลิงค์ต่อไปนี้: ไฟล์ของแผงวงจรพิมพ์

คุณสามารถรับ PCB 10 ตัวและชำระค่าขนส่งเฉพาะในการซื้อครั้งแรกบน NextPCB สนุกและใช้โปรเจ็กต์นี้กับโปรเจ็กต์ Arduino และเซ็นเซอร์ของคุณ