大家可能會非常熟悉RS232，RS485，CAN等工業上（shàng）常用的總線，他們都（dōu）是傳輸數字信號的（de）方（fāng）式。那麽，我們用（yòng）什麽方式來傳輸模擬信號呢（ne）？工業上普遍需要測量各類非電物理量，例如（rú）溫度（dù）、壓力、速度、角（jiǎo）度等，這些都（dōu）需要轉換成模擬量電信號才能傳輸（shū）到幾百米外的控製室（shì）或顯示設備上。工業上廣泛采用的是用4~20mA電流來（lái）傳輸模擬量。
采用電流信號的原（yuán）因是不容易受（shòu）幹擾，因為工業現（xiàn）場的（de）噪聲電壓的幅度可（kě）能達到（dào）數V，但是噪聲的功率很弱，所以噪聲電流通常（cháng）小於nA級（jí）別，因此給4－20mA傳輸（shū）帶來的誤差非常小；電流源內阻趨（qū）於無窮大，導線電阻串聯在回路中不影響精度，因此在普通雙絞（jiǎo）線上可以傳輸數百米；由於電（diàn）流源的大內阻（zǔ）和恒流（liú）輸出（chū），在（zài）接收端我們隻需放置一（yī）個250歐姆（mǔ）到地的電阻就可以獲（huò）得0－5V的電壓，低輸入阻抗的（de）接收器的好處是nA級的輸入電流噪（zào）聲隻產生（shēng）非常微（wēi）弱的電壓噪（zào）聲。
上限取20mA是因為防爆的要求（qiú）：20mA的電流通斷引起的火（huǒ）花能量不足以引燃瓦斯。下限沒有取0mA的原因（yīn）是為了能檢（jiǎn）測斷線：正常工作時不會低於4mA，當傳輸（shū）線因故障斷路，環路電流降為（wéi）0。常取2mA作為斷（duàn）線報警值。電流型變送器將物理量轉換成4~20mA電流輸出，必然要有外電源（yuán）為其供電。典型的是變送器需要兩根電源線，加上兩（liǎng）根電（diàn）流輸出線，總共要接4根線，稱之為四線製變送器。當然，電流輸出可以與電源公用一根線（公用VCC或者（zhě）GND），可節省一根線，所以現在基本上將四線（xiàn）製變送（sòng）器稱之為三線製變送器。其（qí）實大家可（kě）能注意到， 4-20mA電流本身就可以為變送器供電，變送器在電路中相當於一個特殊的（de）負載，這種（zhǒng）變（biàn）送器隻需外接2根線，因而被稱為（wéi）兩線製變（biàn）送器。工（gōng）業電流環標準下限為4mA，因此在量（liàng）程範圍內，變送器通常隻有24V，4mA供電（因此（cǐ），在輕負載（zǎi）條件（jiàn）下高效率的DC/DC電源（TPS54331,TPS54160），低功（gōng）耗的傳感器和信號鏈產品、以及低功（gōng）耗的處理器（如（rú）MSP430）對於兩（liǎng）線製的4-20mA收發非常重要）。這使得兩線（xiàn）製傳（chuán）感器的設計成為可能而又富有挑（tiāo）戰（zhàn）。
一般需（xū）要設計一個VI轉（zhuǎn）換器，輸入0-3.3v，輸出4mA-20mA，可采用運放LM358，供電+12v。
我（wǒ）們係統（tǒng）地來看（kàn）看（kàn）模擬量設備為什（shí）麽都偏愛用4~20mA傳輸信號~
4-20mA. DC(1-5V.DC)信號製是國際電工（gōng）委（wěi）員會( IEC )過程（chéng）控製係統采用（yòng）的模（mó）擬信號傳（chuán）輸標準。我國也采用這一國際標準信號製，儀表傳輸信號采用4-20mA.DC，接收信號采用1-5V.DC，即采用電流傳（chuán）輸、電壓接收的信號係統。
一般儀器儀表的信號（hào）電流都為4-20mA，指（zhǐ）小電流為4mA,大電流為20mA 。傳輸信號時候，因為導線上也有電阻，如果用電（diàn）壓傳輸則會在導線內產生（shēng）一定的壓降，那接收端的（de）信號就會產生一定（dìng）的（de）誤（wù）差了，所以（yǐ）一般使用（yòng）電流信號作為變送器的標準傳輸。
一、什麽是4~20mA.DC（1~5V.DC）信號製？
4~20mA.DC（1~5V.DC）信號製是國際電工委員會（IEC）：過程（chéng）控製（zhì）係統用模擬信（xìn）號標準（zhǔn）。我國從DDZ-Ⅲ型（xíng）電動儀表開始采用（yòng）這一國際標準信號製，儀表傳輸信號采用4~20mA.DC，聯絡信號采用1~5V.DC，即采用電流傳輸、電壓接收的信號係統。
4~20mA電流環工作原理：
在工業現場，用一個（gè）儀表放大器來完成信號的調理並進行長線傳輸，會產生以下問題：一，由於傳輸的信號是電壓信號，傳輸線會受到噪聲的幹擾；第二，傳輸線的分布電阻會產生電壓降；第三，在現場如何提（tí）供儀表放大（dà）器的（de）工作電（diàn）壓也是個問題。
為了解（jiě）決上述問題和避開相關噪聲的影響，我們用電流來傳輸信號，因為（wéi）電流對噪聲並不敏感（gǎn）。4～20mA的電流環便是用4mA表示零信號，用20mA表示信號的滿刻度，而低於4mA高於20mA的信號用於（yú）各種（zhǒng）故障的報警。
二（èr）、4~20mA.DC（1~5V.DC）信號製的優點？
現場（chǎng）儀表（biǎo）可實現兩線製，所謂兩線（xiàn）製即電源、負載串聯在一起，有一公共點，而現場變送器與控（kòng）製室儀表之前的信號聯絡（luò）及供電僅用兩根電線。因為信號起點電流為4mA.DC，為變送（sòng）器提供了靜（jìng）態工作電流，同時儀表（biǎo）電氣零點為4mA.DC，不與機械零點重合，這種“活零點”有利於識別（bié）斷電和斷（duàn）線等故障。而且兩線製還（hái）便於使用安全柵，利於安全防爆。
控製室儀表采用電壓（yā）並（bìng）聯信號傳輸，同一個控製係統所（suǒ）屬的儀表之間有公共端，便於（yú）檢測儀表、調節儀表、計算機、報警裝置配（pèi）用，並方便接線（xiàn）。
現場儀表與控製室儀表之間的聯絡信號采用4~20mA.DC的理（lǐ）由是：因（yīn）為現場與控（kòng）製室之間的距離較遠，連接電線的電阻較大，如果用電壓信號遠傳，優於電線電阻與接（jiē）收（shōu）儀表輸入電阻的分壓，將產生較大的誤差，而用恒流源信號作為遠傳，隻（zhī）要傳（chuán）送回路不出現分支，回路中（zhōng）的（de）電流就不會隨（suí）電線長短而改變，從而保（bǎo）證了傳送的精（jīng）度。
控製室儀表之間的聯絡信號采用1~5V.DC理由是：為了（le）便（biàn）於多台儀表共同接收同一個信號（hào），並有利於（yú）接線和構成各種複（fù）雜的控製係統。如果用電流源作聯絡信號，當多台儀（yí）表共同接收同一個信號（hào）時，它們（men）的輸入（rù）電阻必須（xū）串（chuàn）聯起來，這會（huì）使Zui大負載電阻（zǔ）超過變送儀表的負載能力，而且各接收儀表（biǎo）的信號（hào）負端電位各不相同，會引入幹擾，而且不能做到單一集中（zhōng）供電。
采用電（diàn）壓源信號聯絡，與現場儀表的聯絡用的電流信號必須轉換為電壓信號，極簡單的辦法就（jiù）是：在電流傳送回路中串（chuàn）聯一個250Ω的標準電阻，把4~20mA.DC轉換為1~5V.DC，通常由配（pèi）電器來（lái）完成這一任務。
三、為（wéi）什麽變送器選擇4~20mA.DC作傳送（sòng）信號？
1、首先是從現場應用（yòng）的安全考慮
安全（quán）重點是以防爆安全火花（huā）型儀表來考（kǎo）慮的，並以控製儀表能量為前提，把維持儀表正常工作的靜態和動態功耗降低到極低限度。輸出4~20mA.DC標準信號的變送器，其電源（yuán）電（diàn）壓通常采用24V.DC，采用直流電壓的主（zhǔ）要原因是可以不用大容量的電容器及電感（gǎn）器（qì），就隻需考慮變送器與控製室儀表連接導線的分布電容及電感，如2mm2 的導線其分（fèn）布電容為0.05μ/km左右；對於（yú）單線的電感為0.4mH/km左右；大（dà）大低（dī）於引爆氫氣的數（shù）值，顯然這對防爆是非常有利的。
2、傳送信（xìn）號用電流源優於電壓源
因為現場（chǎng）與控製室之（zhī）間的距離較（jiào）遠，連接電線的電阻（zǔ）較大（dà）時，如果用電壓源信號遠傳，由於電線電阻與接收儀表輸入（rù）電阻的分壓，將產（chǎn）生較大（dà）的誤差，如（rú）果用電流源信（xìn）號作為遠傳，隻要傳送回路不出現分（fèn）支，回路中的電流就不會隨電線長短而改變，從而保證了傳送（sòng）的精度。
3、信（xìn）號電流選擇20mA的（de）原因
電流20mA的選（xuǎn）擇（zé）是基於安全、實（shí）用、功耗、成本的考慮。安全火花儀表隻能采用低電壓、低電流，4~20mA電（diàn）流和24V.DC對易燃氫氣（qì）也是安全的（de），對於24V.DC氫氣的引爆電流為200mA，遠在20mA以上，此外還要（yào）綜合考慮（lǜ）生產現場儀表之間的連接距離，所帶負載等因（yīn）素；還有（yǒu）功耗（hào）及成本問（wèn）題，對電子元（yuán）件的要求（qiú），供電功率的要求等因素。
4、信號起點電流選擇4mA的原因
輸出為4~20mA的變送器以兩線製（zhì）的居多，兩線（xiàn）製即電源、負載串聯在一起，有一公共點，而（ér）現場（chǎng）變送（sòng）器與控製室儀表之間（jiān）的信號聯絡及供電僅用兩根電線。為什麽起點信號不是0mA？這是基於兩點：一是變送器電路沒有（yǒu）靜態（tài）工作電流將無法工作，信號起點電流4mA.DC，不與機械零（líng）點重合（hé），這種“活零點”有利於識別斷電和（hé）斷線等故障。
四、4~20mA傳感器的由來？
采用電流信號的原因是不容易（yì）受幹擾、並且電流源內阻無窮大，導線電阻（zǔ）串聯在（zài）回路中不影響精度（dù），在普通雙絞線上可以傳輸數百米。
采用電流信號的原因是不容易受（shòu）幹擾，因為工業現場（chǎng）的噪聲（shēng）電壓的幅度可能達到數V，但是噪聲的功率很（hěn）弱，所以噪聲電流通常小於nA級別（bié），因此給（gěi）4－20mA傳輸（shū）帶來的（de）誤差非常小；電流源內阻趨於無窮大，導（dǎo）線電阻串聯在回路中不影響精度，因此在普通雙絞線上可以傳輸數百（bǎi）米；由於電流源的大內阻和恒流（liú）輸出，在接（jiē）收端我們隻需放置一個250歐姆到地的（de）電阻就可以獲得（dé）0－5V的電壓，低（dī）輸入阻抗（kàng）的（de）接收器的好處（chù）是nA級的輸（shū）入（rù）電流噪聲隻產生非常微弱的電壓噪聲。
上限取20mA是（shì）因為防爆（bào）的要求：20mA的電流通斷引起的火花能量（liàng）不（bú）足以引燃瓦斯。下（xià）限沒（méi）有取0mA的原（yuán）因是為了能檢測斷線：正常工（gōng）作（zuò）時不會低於4mA，當傳輸線因故障斷路，環路電流降為0。常取2mA作為（wéi）斷線報警值。電流型變送器將物（wù）理量轉換成（chéng）4~20mA電流輸出，必然要（yào）有外電源（yuán）為其（qí）供電（diàn）。典型的是變送器需要兩根電源（yuán）線，加上兩根電流輸出線，總共要接4根線，稱之為四線製變送器。當然，電流輸出可以（yǐ）與電源公用一根線公用VCC或者GND，可節省一根線，稱之為三線製變送（sòng）器。其實大家可能（néng）注意（yì）到，4-20mA電流本身就可以為變（biàn）送器供電。變送器在電路中相當於一個特殊的負載，特殊之處在於變送（sòng）器的耗電電（diàn）流在4~20mA之間根據傳（chuán）感器輸出而變化。顯示儀表隻需要（yào）串在電（diàn）路中即可（kě）。這種變送器隻需外接（jiē）2根線，因（yīn）而被稱為兩線製變送器。工業電流環標準下限為4mA，因此隻要在量程範圍內，變送器至少（shǎo）有4mA供電。
因此、4-20mA的信號輸出一般不容易受幹（gàn）擾而且安全（quán）可靠、所以工業上普遍使用（yòng）的都是二線（xiàn）製4-20mA的電源輸出信號。但為了能更（gèng）好的處理傳感器的信號、目前還有更多其它形式的輸出信號：3.33MV/V；2MV/V；0-5V; 0-10V等。
另附一張（zhāng）4到20mA轉電壓信號的簡單電路圖：
這張（zhāng）圖使用（yòng）一個250歐姆的電阻將4到20mA的電流信號轉換成1到5V的電壓信（xìn）號，然後使用一個RC濾波加一個二極管（原諒我模擬電路（lù）不好，並不知道是什麽意思）接到單片（piàn）機的（de）AD轉換引腳。
