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Cómo Crear Un Filtro Pasa Banda Con Arduino Y El LM358

por | Oct 10, 2016 | Componentes

LM358P

Los filtros son dispositivos electrónicos que te permiten discriminar un cierto rango de frecuencias. Gracias a ellos podrás eliminar las frecuencias que no te interesen en tu montaje, dejando solamente aquellas que te sean útiles. En esta ocasión, te voy a mostrar cómo crear filtros pasa banda con Arduino y el amplificador operacional LM358.

Filtros Pasa Banda Con Arduino Y El LM358.

Antes que nada, me gustaría decirte que este post no pretende ser un tutorial sobre cómo diseñar filtros pasa banda (quién sabe si en el futuro me animaré a hacer uno smile ). El diseño de filtros es una temática bastante compleja y son muchos los factores que hay que tener en cuenta.

La idea de este post es mostrarte un circuito que, con pequeños cambios para adaptarlo a tu proyecto, te permita realizar filtros pasa banda con Arduino. Gracias a esto podrás, por ejemplo, seleccionar sonidos de una señal de audio.

¿Por Qué Utilizar El LM358?

Hay una infinidad de amplificadores operacionales que, al igual que el LM358, podrían servirte para crear filtros pasa banda. Te voy a contar algunos de los factores que me han llevado a decantarme por utilizar el LM358:

  1. Es un dispositivo habitual en gran cantidad de proyectos. Si aprendes a utilizarlo podrá servirte en muchas ocasiones.
  2. Resulta fácil encontrar circuitos, diseños y aplicaciones en Internet.
  3. Puedes utilizarlo con alimentación simple. No necesitarás utilizar alimentación simétrica (no tendrás que utilizar voltajes negativos).
  4. El rango de voltajes con el que puedes trabajar se ajusta bien a Arduino.
  5. Podrás conseguir que no se atenúe la frecuencia que te interese.
  6. Su consumo es reducido.
  7. No tendrás problemas en encontrar documentación técnica del LM358.
  8. Existen modelos para realizar simulaciones mediante software.
  9. Por cada chip que compres tendrás dos LM358.
  10. Es uno de los operacionales más baratos que puedes encontrar.

En fin. Espero que con los datos que te acabo de dar te quede un poco más claro por qué voy a utilizar el LM358 en este proyecto. smile

¿Dónde Conseguir El LM358?

Si te han gustado las virtudes de este pequeño dispositivo pero todavía no tienes el tuyo, te dejo un par de enlaces donde puedes encontarlo muy barato:

Montando El Filtro Pasa Banda.

Cada proyecto requiere unas especificaciones diferentes. Es por esto que considero que te será más útil que te muestre cómo adaptar el circuito a tus necesidades, en lugar de dártelo resuelto para unos parámetros concretos. Empezaré mostrándote el circuito tipo.

 

Montaje Base Para El Filtro Pasa Banda Con El LM358.

La imagen que te muestro no es más que un esquema de cómo debe estar conectado el circuito. Como puedes ver, falta elegir los valores de las resistencias y condensadores. Éstos dependerán de las frecuencias que quieras filtrar pero, en cualquier caso, el montaje será siempre el mismo.

Diagrama Base Filtro Pasa Banda

Ecuaciones Del Circuito.

Ahora que conoces la forma que debe tener tu circuito, vamos a hablar un poco de las ecuaciones que lo definen. Éstas ecuaciones determinarán, para los valores de entrada que tienes y los de salida que buscas, cuáles deberán ser los componentes.

Los parámetros que debes elegir son los siguientes:

  1. F: La frecuencia central a la que quieres realizar el filtro (la señal que obtendrás a la salida).
  2. G: Ganancia. La relación entre el voltaje de entrada y el de salida que quieres a la frecuencia elegida.
  3. Vcc: Tensión con la que alimentarás el operacional. Si vas a utilizar un Arduino, puedes usar directamente 5V.
  4. C1: Valores de los condensadores que conformarán el filtro.
  5. Q: Factor de calidad del filtro. Determina cómo de preciso es tu filtro excluyendo las frecuencias cercanas a tu frecuencia central (ancho de banda).

Una vez tengas esos datos, el resto queda definido por las siguientes ecuaciones:

  • R3 = Q / (π·F·C1)
  • R1 = R3 / (2·G)
  • R2 = R1·R3 / (4·Q²·R1 – R3)
  • C2 = 10·C1
  • Vref = Vcc / 2

Con estos datos ya tienes todo lo que necesitas para montar tu circuito en con el LM358 y calcular los valores.

Entiendo que puede resultar un poco tedioso trabajar con estas expresiones. Es por ésto que te voy a dar una simulación de este circuito para que te resulte un poco más simple trabajar con el LM358.

También me gustaría mostrarte unas gráficas para que te hagas una idea de lo bueno (o malo) que es este filtro. Si fijamos el filtro a una frecuencia de 1 kHz, considerando un factor de calidad de 10:

Gráfica Filtro Pasa Banda dB
Gráfica de la Caída de Voltaje del Filtro Pasa Banda

Una forma simple de interpretar estas gráficas es pensar ¿Si entrase una señal de una frecuencia “x” Hz, por qué valor se multiplicaría al pasar por el filtro?

Simulación Del Circuito.

La idea de esta simulación es que modifiques los valores de C1, F, Q y G para que veas la forma que tendría tu señal al pasar por el circuito, mientras que los valores que has visto en las ecuaciones anteriores se van recalculando automáticamente.

Filtro Pasa Banda LTspice

Yo he realizado las simulaciones en LTspice, pero con unos pequeños cambios la podrás adaptar a tu software favorito.

Este post no pretende ser un tutorial sobre cómo utilizar el software, por lo que no voy a entrar mucho en eso. En cualquier caso, te doy unos consejos para que puedas trabajar con la simulación:

  • Para modificar los valores basta con que hagas click derecho en las etiquetas .PARAM de los parámetros que quieres editar y modifique su valor numérico.
  • Modificando la fuente de voltaje Vin_ determinas cómo será la señal que entra al circuito.
  • Dándole al botón de simular circuito y pinchando sobre la etiqueta Vout podrás ver cómo será el voltaje de salida.

El amplificador operacional LM358 no está implementado en el software base de LTspice, por lo que deberás incluirlo manualmente. Te voy a dejar los archivos ya creados para que sea solamente copiar y pegar.

Por si te quedas atascado, te dejo un link a un post en el que te explico cómo añadir componentes a LTspice precisamente con el ejemplo del LM358. Recuerda también que puedes preguntarme lo que necesites en los comentarios. smile

Sin más, te dejo la descarga de los archivos necesarios: simulacion-filtro-pasa-banda-lm358

Montaje Del LM358 En Una Breadboard.

Viendo la imagen de la simulación en LTspice del LM358 es posible que te haya quedado un poco más claro cómo realizar el montaje. Por si tuvieras algún tipo de duda, te dejo también el montaje del circuito con LM358 en una breadboard.

Filtro Pasa Banda LM358 Sobre Breadboard

Filtro Pasa Banda LM358 En Arduino.

El último paso que te queda para implementar tu filtro con el LM358 en tu placa Arduino es adecuar los voltajes del microcontrolador a tu circuito.

Hay un factor que no te había comentado hasta ahora. En función de la alimentación y del voltaje de entrada, puede que tu señal de salida esté saturada (se deforme). Esto suele darse cuando los voltajes con los que trabajas tienen valores cercanos a los de la alimentación.

Para solucionar esto tienes dos opciones:

  1. Puedes aumentar la tensión con la que alimentas el LM358 (y, por tanto, el voltaje de referencia Vref) hasta un máximo de 32V.
  2. Puedes reducir el voltaje a la entrada del LM358 y dejar la alimentación como está.

En este caso te voy a mostrar cómo se haría la segunda opción. Vamos a reducir el voltaje de entrada a 1V y a obtener Vref mediante el uso de divisores de tensión (te dejo un post por si quieres ver algo más sobre los divisores de tensión).

Filtro Pasa Banda LM358 Arduino Breadboard

Te dejo tanto las imágenes de cómo quedan los circuitos del LM358 en LTspice y en la placa de prototipado, como los links de descarga de esta simulación: simulacion-filtro-pasa-banda-lm358-arduino.

Filtro LM358 Arduino LTspice

… Y otro post más terminado. smile

Espero que te haya resultado interesante ver cómo puedes crear filtros pasa banda con el LM358 y aplicarlos a tu Arduino.

Como te dije, son muchos los proyectos en los que podrás utilizar el LM358 y muchas las aplicaciones de los filtros pasa banda… ¡Así que a darle caña! smile

Antes de despedirme me gustaría recordarte que puedes apoyar este post compartiéndolo en tus redes sociales. ¡Es tan fácil como usar los botones que tienes al final del post! smile

Recuerda que te leo en los comentarios…

Un abrazo, Enrique.

Actualmente me dedico, entre otras cosas, a crear contenidos sobre Arduino y otros dispositivos eléctricos. Me encanta todo lo relacionado con el “Universo Maker”.

Siempre estoy activo en los comentarios. Si tienes cualquier pregunta, no dudes en dejármela en los comentarios. Intentaré responderte lo antes posible… Un abrazo smile

Enrique Romero,

Autor del post.

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Cómo Crear Un Filtro Pasa Banda Con Arduino Y El LM358 was last modified: diciembre 14th, 2016 by Enrique
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