Bộ lọc thông thấp hoạt động RC được áp dụng trong các dự án với Arduino: 4 bước

2024 Tác giả: John Day | [email protected]. Sửa đổi lần cuối: 2024-01-30 13:31

Dự án Tinkercad »

Bộ lọc thông thấp là các mạch điện tử tuyệt vời để lọc ra các tín hiệu ký sinh từ các dự án của bạn. Một vấn đề phổ biến trong các dự án với Arduino và các hệ thống có cảm biến hoạt động gần mạch nguồn là sự hiện diện của các tín hiệu “ký sinh”.

Chúng có thể được gây ra bởi rung động hoặc từ trường trong cùng khu vực với cảm biến.

Những tín hiệu này, hầu hết có tần số cao, gây ra nhiễu tại thời điểm đọc và do đó, các kết quả đọc sai xảy ra trong hệ thống tự động hóa. Một ví dụ phổ biến là khởi động máy yêu cầu dòng điện ban đầu cao.

Điều này sẽ gây ra tiếng ồn tần số cao trong một số phần tử được kết nối với mạng điện, bao gồm cả các cảm biến.

Để ngăn những tiếng ồn này ảnh hưởng đến hệ thống, các bộ lọc được sử dụng giữa phần tử cảm biến và hệ thống đọc nó.

Bộ lọc thụ động và tích cực là gì?

Quân nhu

• 2 Điện trở;
• 2 tụ gốm
• 2 Tụ điện;
• Bộ khuếch đại hoạt động LM358
• Thiết bị đầu cuối nguồn hoặc pin 9V;

Bước 1: Bộ lọc Thụ động và Bộ lọc Hoạt động là gì?

Bộ lọc là các mạch có thể “làm sạch” tín hiệu, tách các tín hiệu không mong muốn, để tránh đọc các giá trị không khớp với thực tế.

Bộ lọc có thể có hai loại: thụ động và tích cực.

Bộ lọc thụ động Bộ lọc có thể là loại thụ động, là loại đơn giản nhất, vì chúng chỉ bao gồm điện trở và tụ điện.

Bộ lọc hoạt động

Bộ lọc tích cực, ngoài điện trở và tụ điện, sử dụng amp-ops để cải thiện khả năng lọc và bộ lọc kỹ thuật số, được sử dụng trong bộ xử lý và vi điều khiển.

Do đó, trong bài viết này, bạn sẽ học:

Hiểu cách hoạt động của bộ lọc thông thấp;

Định cấu hình phần cứng của bộ lọc thông thấp với tần số cắt 100 Hz bằng bộ khuếch đại hoạt động LM358;

Tính các giá trị của các linh kiện thụ động của đoạn mạch;

Lắp ráp bộ lọc thông thấp NextPCB.

Dưới đây, chúng tôi trình bày quá trình phát triển bộ lọc thông thấp hoạt động cho các mạch của chúng tôi với Arduino.

Bước 2: Phát triển mạch RC bộ lọc thông thấp chủ động

Trong dự án này, một bộ lọc thông thấp tích cực sẽ được phát triển với NEXTPCB - Bảng mạch in, tức là nó cho phép chúng ta truyền tần số thấp. Dải tần được chọn phụ thuộc vào hoạt động của mạch.

Đối với bài viết này, chúng tôi sẽ sử dụng một bộ lọc thông thấp hoạt động, vì chúng được sử dụng cho các tần số dưới 1MHz và, ngoài ra, có thể thực hiện khuếch đại tín hiệu vì một bộ khuếch đại hoạt động sẽ được sử dụng trong mạch này.

Do đó, dựa trên dự án này, trọng tâm sẽ là sự phát triển của mạch lọc thông thấp tích cực và mạch cung cấp đối xứng của nó. Hình 1 minh họa phần cứng của mạch này.

Có thể truy cập mạch RC bộ lọc thông thấp được xây dựng trong TinkerCAD tại liên kết sau:

Như đã đề cập, chúng tôi đã sử dụng Arduino trong dự án này để thu tín hiệu từ cảm biến. Như vậy, mạch RC lọc thông thấp ở hình trên chúng ta có 3 phần quan trọng:

• Bộ tạo tín hiệu,
• Bộ lọc hoạt động và;
• Arduino để thu thập dữ liệu cảm biến.

Bộ tạo tín hiệu có nhiệm vụ mô phỏng hoạt động của cảm biến và truyền tín hiệu đến Arduino. Tín hiệu này sau đó được lọc qua bộ lọc thông thấp RC và sau đó, tín hiệu đã lọc được đọc và xử lý bởi Arduino.

Do đó, để thực hiện lắp ráp bộ lọc thông thấp RC, chúng ta sẽ cần các thành phần điện tử sau:

• 2 Điện trở;
• 2 tụ gốm
• 2 Tụ điện;
• Bộ khuếch đại hoạt động LM358
• Thiết bị đầu cuối nguồn hoặc pin 9V

Tiếp theo, chúng tôi trình bày tính toán các giá trị của điện trở và tụ điện của mạch. Việc tính toán các thành phần này dựa trên tần số cắt bộ lọc thông thấp của bộ lọc hoạt động.

Tính toán điện trở và tụ điện

Đối với mạch được đề xuất, chúng tôi sẽ sử dụng tần số cắt bộ lọc thông thấp là 100Hz. Bằng cách này, mạch sẽ cho phép các tần số đi qua dưới 100Hz và trên 100Hz, tín hiệu sẽ giảm theo cấp số nhân.

Do đó, để tính toán tụ điện, chúng ta có: Ban đầu, chỉ cần xác định giá trị C1 là đủ, trong trường hợp đó, giá trị thương mại từ 1 đến 100nF có thể được xác định.

Tiếp theo, chúng tôi thực hiện tính toán tụ C2 theo phương trình dưới đây.

Sau đó sử dụng công thức dưới đây để tính giá trị của R1 và R2. Công thức có thể được sử dụng để chiếu giá trị của hai điện trở. Tiếp theo, hãy xem phép tính được thực hiện.

Trong đó f * C là tần số cắt của bộ lọc thông thấp, nghĩa là trên tần số đó, độ lợi của tín hiệu này sẽ giảm. Giá trị f * C cho hệ thống này sẽ là 100 Hz.

Do đó, chúng ta có giá trị điện trở sau đối với R1 và R2.

Từ các giá trị thu được cho các điện trở và tụ điện của dự án, sau đó chúng ta phải phát triển mạch cấp nguồn cho bộ lọc hoạt động. Đối với loại bộ lọc này, chúng ta cần sử dụng nguồn điện không đối xứng và tiếp theo, chúng tôi sẽ trình bày về mạch cung cấp.

Bước 3: Nguồn điện

Nguồn điện cần cung cấp cho đoạn mạch này là nguồn điện đối xứng. Nếu bạn không có nguồn điện đối xứng, hãy lắp ráp mạch điện bằng tụ điện được cấp nguồn bằng nguồn điện đơn giản.

Tuy nhiên, giá trị điện áp của nguồn điện phải lớn hơn 10V, vì giá trị của nguồn đối xứng sẽ chia cho 2.

Hình trên cho thấy mạch của bộ nguồn.

Mạch này đã có trong sơ đồ điện tử trong Hình 1, vì một nguồn không đối xứng chung được sử dụng.

Sau khi thiết kế mạch lọc hoạt động và mạch cung cấp của nó, chúng tôi đã phát triển một mô-đun bộ lọc điện tử để sử dụng trong các dự án của bạn với Arduino hoặc trong các dự án khác cần bộ lọc cho mục đích này.

Tiếp theo, chúng tôi sẽ trình bày cấu trúc của sơ đồ điện tử và thiết kế của bảng điện tử đã phát triển.

Bảng mạch in của Bộ lọc thông thấp hoạt động RC

Bước 4: Bảng mạch in của Bộ lọc thông thấp hoạt động RC

Để tạo ra bảng mạch in điện tử - NEXTPCB, sơ đồ điện tử của mạch đã được phát triển. Sơ đồ điện tử của Bộ lọc thông thấp chủ động RC được hiển thị trong Hình 3.

Sau đó, sơ đồ được xuất sang phần mềm Thiết kế PCB của phần mềm Altium và bảng sau được thiết kế, như trong Hình 4.

Ba chân được sử dụng để cung cấp mạch và tín hiệu đầu vào và hai chân ở đầu ra. Hai chân được sử dụng cho đầu ra của tín hiệu được lọc và GND của mạch.

Sau khi thiết kế bố trí của PCB, thiết kế 3D của bảng mạch in được tạo ra và được trình bày trong Hình 5.

Từ dự án PCB, bạn có thể sử dụng mô-đun này và áp dụng nó vào dự án của mình với Arduino. Bằng cách này, một số tín hiệu ký sinh nhất định sẽ bị hủy bỏ và dự án của bạn sẽ hoạt động mà không có rủi ro xảy ra lỗi khi đọc tín hiệu.

Phần kết luận

Mạch RC bộ lọc thông thấp tích cực này có thể được sử dụng rộng rãi để lọc nguồn của Arduino, lọc các tín hiệu của giao tiếp nối tiếp, như trong tần số vô tuyến, thường có nhiều tín hiệu thường gây nhiễu trong giao tiếp nối tiếp, miễn là giá trị của tần số cắt bị thay đổi.

Một mẹo sau khi lắp ráp mạch này là làm cho kết nối gần với Arduino hơn, vì một phần tốt của nhiễu là ở khoảng cách giữa cảm biến và vi điều khiển, và trong hầu hết các trường hợp, vi điều khiển không thể ở rất gần, vì vị trí của cảm biến có thể gây hại cho Arduino.

Ngoài ra, để có tín hiệu liên tục hơn, chỉ cần thay đổi tần số cắt của bộ lọc thông thấp thành tần số thấp hơn, điều này sẽ làm thay đổi các giá trị của điện trở và tụ điện. Nó cũng có lợi thế của nó là tạo ra một độ lợi trong tín hiệu, nếu tín hiệu thấp.

Thông tin quan trọng

Tất cả các tệp có thể được truy cập trong liên kết sau: Các tệp của Bảng mạch in

Bạn có thể mua 10 PCB của riêng mình và chỉ phải trả cước phí trong lần mua đầu tiên trên NextPCB. Tận hưởng và sử dụng dự án này với các Dự án Arduino và cảm biến của bạn.