通过长电缆传输 5v 信号

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2022-01-06 16:46:21

我在这里寻求帮助,因为我需要一个可靠的答案。5v digital pulse我需要从与控制板相距一定距离的(接近)传感器向微控制器获取输入信号(低频)。

我将逐项列出要点。

  • 最大发射距离:50 m
  • 最大数字脉冲频率:10 Hz
  • 传感器的电压范围:5 至 30 v(输出与供应相同的电压)
  • 微控制器的最大输入:5 v

对于一个简单、类似的应用程序,这是我以前做过的;传感器提供 12 伏电压。在另一端,脉冲(现在为 0-12 伏)通过 7805 调节器馈送到微控制器。效果很好,但有人告诉我这种方法不好,不适合可靠的应用程序。我也觉得这很丑陋,但我不希望在硬件、构建单独的电路等方面搞得一团糟……有人可以提出更好的解决方案(或同意我的:D)。

如果我根本不需要构建任何电路,我更喜欢如果不可能,至少是一个非常简单的!(在硬件复杂性的意义上很简单。一个不需要PCB的电路,这里和那里只有两条线。这就是我喜欢7805解决方案的原因)。但是(不幸的是)必须将可靠性放在首位。

2个回答

推荐的方法是使用光耦合器和比较器(例如LM339),或者更好的是使用集成部件,例如 Fairchild Semi FODM8071逻辑门输出光耦合器

推荐光耦的原因

50 米长的电缆上可能存在接地电位差,长电缆上也有可能产生 EMI。光耦合器消除了任何接地回路/潜在不匹配问题,以及任何需要将传感器的电源电压与微控制器的电源电压精确匹配。

使用光电器件将允许传感器电路使用更高的电压,从而降低 EMI 噪声敏感性。

上面建议的特定飞兆器件的另一个好处是它的高抗噪性。这将导致更稳定的信号采集,考虑到所涉及的距离,这一点很重要。

FODM8071 是一个 5 针引线 SMT 部件,因此使用它本质上就像不需要构建任何额外的电路 - 如果你愿意,你可以将部件和它的少数支持分立元件连接成死虫风格,或者将它们放在一起原型-板PCB。

在 50 m 范围内传输 10 Hz 并不是一个难题,因此您会发现有很多方法可以做到这一点。对于与您以前的解决方案几乎一样简单的解决方案,我建议使用简单的齐纳电路。

在此处输入图像描述

像以前一样,您只需为传感器提供 5 V 以上的电压。比如说 6 - 12 V,然后让这个限制电路将电压降低到与下游电路兼容的水平。您需要根据传感器电路的最大(或所需)输出电流和您选择的传感器电压来调整 R1 的值。成本可能非常接近 7805 解决方案,具体取决于您选择哪种齐纳二极管。

就像另一个答案中建议的光耦合器一样,这可以防止电缆上感应的高压瞬变,因为齐纳二极管可以将这些瞬变分流到地。光耦合器电路可以断开发送和接收系统之间的接地回路,但如果您的 7805 解决方案正常工作,齐纳二极管也应该能正常工作。

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如果你愿意做更多的工作,你可以通过稍微复杂一点来改进这个电路:

在此处输入图像描述

添加的肖特基二极管可保护您的下游电路免受负瞬变的影响。齐纳二极管可以做到这一点,但只会将瞬态限制在 -0.7 V 左右。肖特基会将它们限制在 -0.3 或 -0.2 V,如果它是典型的逻辑门,这对于下游设备来说会更安全。

添加的 4.7 uF 电容将有助于在输入低时降低噪声。

最后,我将齐纳电压调低以确保输出对于 5 V 逻辑门是安全的,即使允许齐纳电压出现一些漂移,并增加 R1 以减少驱动输入所需的电流。

所有这些都需要调整以适应您的传感器和下游电路的细节。

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在看到它之前,我需要一夜之间思考的一个关键点:

假设您的 50 m 电缆包含一根信号线和一根接地(或返回)线,则光耦合器可防止共模瞬变(即,当信号和接地线一起改变相对于接收电路接地的电压时),而齐纳电路可防止信号线电压相对于地线发生变化的差分瞬变。

如果附近的雷击导致接地和信号线一起跳到 100 V 一毫秒,您需要光耦合器电路来保护您的接收器免受损坏。

但是,如果附近的电机开启导致信号线跳到地线上方 30 V,则需要齐纳电路来保护光耦合器免受过载。

当然,电缆的类型及其环境决定了哪种情况更有可能发生。如果您使用通用控制线,则任何一种情况都是现实的。如果您使用的是同轴电缆,则更有可能出现共模瞬变,但您还应考虑在电缆未连接到接收器时因处理而造成 ESD 损坏的可能性,以及电缆最初充电时的影响当它插入接收器时。