大家可能非常熟悉RS232、RS485、CAN等工業(yè)上常用的總線，它們都是傳輸數(shù)字信號的方式。那么，我們用什么方式來傳輸模擬信號呢？工業(yè)上普遍需要測量各類非電物理量，例如溫度、壓力、速度、角度等，這些都需要轉(zhuǎn)換成模擬量電信號才能傳輸?shù)綆装倜淄獾目刂剖一蝻@示設備上。工業(yè)上最·廣泛采用的是用4~20mA電流來傳輸模擬量。  

采用電流信號的原因是不容易受干擾，因為工業(yè)現(xiàn)場的噪聲電壓的幅度可能達到數(shù)V，但是噪聲的功率很弱，所以噪聲電流通常小于nA·級別，因此給4~20mA傳輸帶來的誤差非常小；電流源內(nèi)阻趨于無窮大，導線電阻串聯(lián)在回路中不影響精度，因此在普通雙絞線上可以傳輸數(shù)百米；由于電流源的大內(nèi)阻和恒流輸出，在接收端只需放置一個250歐姆到地的電阻就可以獲得0~5V的電壓，低輸入阻抗的接收器的好處是nA·級的輸入電流噪聲只產(chǎn)生非常微弱的電壓噪聲。  

上限取20mA是因為防爆的要求：20mA的電流通斷引起的火花能量不足以引燃瓦斯。下限沒有取0mA的原因是為了能檢測斷線：正常工作時不會低于4mA，當傳輸線因故障斷路，環(huán)路電流降為0，常取2mA作為斷線報警值。電流型變送器將物理量轉(zhuǎn)換成4~20mA電流輸出，必然要有外電源為其供電。最典型的是變送器需要兩根電源線，加上兩根電流輸出線，總共要接4根線，稱之為四線制變送器。當然，電流輸出可以與電源公用一根線（公用VCC或者GND），可節(jié)省一根線，所以現(xiàn)在基本上將四線制變送器稱之為三線制變送器。其實大家可能注意到，4~20mA電流本身就可以為變送器供電，變送器在電路中相當于一個特殊的負載，這種變送器只需外接2根線，因而被稱為兩線制變送器。工業(yè)電流環(huán)標準下限為4mA，因此在量程范圍內(nèi)，變送器通常只有24V，4mA供電（因此，在輕負載條件下高效率的DC/DC電源（TPS54331,TPS54160）、低功耗的傳感器和信號鏈產(chǎn)品，以及低功耗的處理器（如MSP430）對于兩線制的4~20mA收發(fā)非常重要）。這使得兩線制傳感器的設計成為可能而又富有挑戰(zhàn)。  

一般需要設計一個VI轉(zhuǎn)換器，輸入0~3.3V，輸出4mA~20mA，可采用運放LM358，供電+12V。  

我們系統(tǒng)地來看看模擬量設備為什么都偏愛用4~20mA傳輸信號。  

4~20mA.DC（1~5V.DC）信號制是國際電工委員會（IEC）過程控制系統(tǒng)采用的模擬信號傳輸標準。我國也采用這一國際標準信號制，儀表傳輸信號采用4~20mA.DC，接收信號采用1~5V.DC，即采用電流傳輸、電壓接收的信號系統(tǒng)。  

一般儀器儀表的信號電流都為4~20mA，指最小電流為4mA，最大電流為20mA。傳輸信號時，因為導線上也有電阻，如果用電壓傳輸則會在導線內(nèi)產(chǎn)生一定的壓降，那接收端的信號就會產(chǎn)生一定的誤差了，所以一般使用電流信號作為變送器的標準傳輸。  

一、什么是4~20mA.DC（1~5V.DC）信號制？  

4~20mA.DC（1~5V.DC）信號制是國際電工委員會（IEC）：過程控制系統(tǒng)用模擬信號標準。我國從DDZ-Ⅲ型電動儀表開始采用這一國際標準信號制，儀表傳輸信號采用4~20mA.DC，聯(lián)絡信號采用1~5V.DC，即采用電流傳輸、電壓接收的信號系統(tǒng)。  

在工業(yè)現(xiàn)場，用一個儀表放大器來完成信號的調(diào)理并進行長線傳輸，會產(chǎn)生以下問題：第一，由于傳輸?shù)男盘柺请妷盒盘?，傳輸線會受到噪聲的干擾；第二，傳輸線的分布電阻會產(chǎn)生電壓降；第三，在現(xiàn)場如何提供儀表放大器的工作電壓也是一個問題。

為了解決上述問題并避開相關噪聲的影響，我們采用電流來傳輸信號，因為電流對噪聲并不敏感。4～20mA的電流環(huán)便是用4mA表示零信號，用20mA表示信號的滿刻度，而低于4mA或高于20mA的信號用于各種故障的報警。

二、4~20mA.DC（1~5V.DC）信號制的優(yōu)點？

現(xiàn)場儀表可實現(xiàn)兩線制，所謂兩線制即電源、負載串聯(lián)在一起，有一公共點，而現(xiàn)場變送器與控制室儀表之前的信號聯(lián)絡及供電僅用兩根電線。因為信號起點電流為4mA.DC，為變送器提供了靜態(tài)工作電流，同時儀表電氣零點為4mA.DC，不與機械零點重合，這種“活零點"有利于識別斷電和斷線等故障。而且兩線制還便于使用安全柵，利于安全防爆。

控制室儀表采用電壓并聯(lián)信號傳輸，同一個控制系統(tǒng)所屬的儀表之間有公共端，便于檢測儀表、調(diào)節(jié)儀表、計算機、報警裝置配用，并方便接線。

現(xiàn)場儀表與控制室儀表之間的聯(lián)絡信號采用4~20mA.DC的理由是：因為現(xiàn)場與控制室之間的距離較遠，連接電線的電阻較大，如果用電壓信號遠傳，由于電線電阻與接收儀表輸入電阻的分壓，將產(chǎn)生較大的誤差，而用恒流源信號作為遠傳，只要傳送回路不出現(xiàn)分支，回路中的電流就不會隨電線長短而改變，從而保證了傳送的精度。

控制室儀表之間的聯(lián)絡信號采用1~5V.DC理由是：為了便于多臺儀表共同接收同一個信號，并有利于接線和構(gòu)成各種復雜的控制系統(tǒng)。如果用電流源作聯(lián)絡信號，當多臺儀表共同接收同一個信號時，它們的輸入電阻必須串聯(lián)起來，這會使最大負載電阻超過變送儀表的負載能力，而且各接收儀表的信號負端電位各不相同，會引入干擾，而且不能做到單一集中供電。

采用電壓源信號聯(lián)絡，與現(xiàn)場儀表的聯(lián)絡用的電流信號必須轉(zhuǎn)換為電壓信號，最·簡·單的辦法就是：在電流傳送回路中串聯(lián)一個250Ω的標準電阻，把4~20mA.DC轉(zhuǎn)換為1~5V.DC，通常由配電器來完成這一任務。

三、為什么變送器選擇4~20mA.DC作傳送信號？

1、首先是從現(xiàn)場應用的安全考慮

安全重點是以防爆安全火花型儀表來考慮的，并以控制儀表能量為前提，把維持儀表正常工作的靜態(tài)和動態(tài)功耗降低到最·低限度。輸出4~20mA.DC標準信號的變送器，其電源電壓通常采用24V.DC，采用直流電壓的主要原因是可以不用大容量的電容器及電感器，就只需考慮變送器與控制室儀表連接導線的分布電容及電感，如2mm2 的導線其分布電容為0.05μ/km左右；對于單線的電感為0.4mH/km左右；大大低于引爆氫氣的數(shù)值，顯然這對防爆是非常有利的。

2、傳送信號用電流源優(yōu)于電壓源

因為現(xiàn)場與控制室之間的距離較遠，連接電線的電阻較大時，如果用電壓源信號遠傳，由于電線電阻與接收儀表輸入電阻的分壓，將產(chǎn)生較大的誤差，如果用電流源信號作為遠傳，只要傳送回路不出現(xiàn)分支，回路中的電流就不會隨電線長短而改變，從而保證了傳送的精度。

3、信號最大電流選擇20mA的原因

最大電流20mA的選擇是基于安全、實用、功耗、成本的考慮。安全火花儀表只能采用低電壓、低電流，4~20mA電流和24V.DC對易燃氫氣也是安全的，對于24V.DC氫氣的引爆電流為200mA，遠在20mA以上，此外還要綜合考慮生產(chǎn)現(xiàn)場儀表之間的連接距離，所帶負載等因素；還有功耗及成本問題，對電子元件的要求，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的變送器以兩線制的居多，兩線制即電源、負載串聯(lián)在一起，有一公共點，而現(xiàn)場變送器與控制室儀表之間的信號聯(lián)絡及供電僅用兩根電線。為什么起點信號不是0mA？這是基于兩點：一是變送器電路沒有靜態(tài)工作電流將無法工作，信號起點電流4mA.DC，不與機械零點重合，這種"活零點"有利于識別斷電和斷線等故障。  

四、4~20mA傳感器的由來？  

采用電流信號的原因是不容易受干擾，并且電流源內(nèi)阻無窮大，導線電阻串聯(lián)在回路中不影響精度，在普通雙絞線上可以傳輸數(shù)百米。  

采用電流信號的原因是不容易受干擾，因為工業(yè)現(xiàn)場的噪聲電壓的幅度可能達到數(shù)V，但是噪聲的功率很弱，所以噪聲電流通常小于nA·級別，因此給4－20mA傳輸帶來的誤差非常小；電流源內(nèi)阻趨于無窮大，導線電阻串聯(lián)在回路中不影響精度，因此在普通雙絞線上可以傳輸數(shù)百米；由于電流源的大內(nèi)阻和恒流輸出，在接收端只需放置一個250歐姆到地的電阻就可以獲得0－5V的電壓，低輸入阻抗的接收器的好處是nA·級的輸入電流噪聲只產(chǎn)生非常微弱的電壓噪聲。  

上限取20mA是因為防爆的要求：20mA的電流通斷引起的火花能量不足以引燃瓦斯。下限沒有取0mA的原因是為了能檢測斷線：正常工作時不會低于4mA，當傳輸線因故障斷路，環(huán)路電流降為0。常取2mA作為斷線報警值。電流型變送器將物理量轉(zhuǎn)換成4~20mA電流輸出，必然要有外電源為其供電。最典型的是變送器需要兩根電源線，加上兩根電流輸出線，總共要接4根線，稱之為四線制變送器。當然，電流輸出可以與電源公用一根線公用VCC或者GND，可節(jié)省一根線，稱之為三線制變送器。其實大家可能注意到，4-20mA電流本身就可以為變送器供電。變送器在電路中相當于一個特殊的負載，特殊之處在于變送器的耗電電流在4~20mA之間根據(jù)傳感器輸出而變化。顯示儀表只需要串在電路中即可。這種變送器只需外接2根線，因而被稱為兩線制變送器。工業(yè)電流環(huán)標準下限為4mA，因此只要在量程范圍內(nèi)，變送器至少有4mA供電。  

因此，4-20mA的信號輸出一般不容易受干擾而且安全可靠，所以工業(yè)上普遍使用的都是二線制4-20mA的電源輸出信號。但為了能更好地處理傳感器的信號，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。