為什么采用4-20mA的電流來(lái)傳輸模擬量？
我們用什么方式來(lái)傳輸模擬信號呢？工業(yè)上普遍需要測量各類(lèi)非電物理量，例如溫度、壓力、速度、角度等，這些都需要轉換成模擬量電信號才能傳輸到幾百米外的控制室或顯示設備上。工業(yè)上廣泛采用的是用4~20mA電流來(lái)傳輸模擬量。
采用電流信號的原因是不容易受干擾，因為工業(yè)現場(chǎng)的噪聲電壓的幅度可能達到數V，但是噪聲的功率很弱，所以噪聲電流通常小于n*別，因此給4－20mA傳輸帶來(lái)的誤差非常??；電流源內阻趨于無(wú)窮大，導線(xiàn)電阻串聯(lián)在回路中不影響精度，因此在普通雙絞線(xiàn)上可以傳輸數百米；由于電流源的大內阻和恒流輸出，在接收端我們只需放置一個(gè)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n*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(méi)有取0mA的原因是為了能檢測斷線(xiàn)：正常工作時(shí)不會(huì )低于4mA，當傳輸線(xiàn)因故障斷路，環(huán)路電流降為0。常取2mA作為斷線(xiàn)報警值。電流型變送器將物理量轉換成4~20mA電流輸出，必然要有外電源為其供電。典型的是變送器需要兩根電源線(xiàn)，加上兩根電流輸出線(xiàn)，總共要接4根線(xiàn)，稱(chēng)之為四線(xiàn)制變送器。當然，電流輸出可以與電源公用一根線(xiàn)（公用VCC或者GND），可節省一根線(xiàn)，所以現在基本上將四線(xiàn)制變送器稱(chēng)之為三線(xiàn)制變送器。其實(shí)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(gè)特殊的負載，這種變送器只需外接2根線(xiàn)，因而被稱(chēng)為兩線(xiàn)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，變送器通常只有24V，4mA供電（因此，在輕負載條件下率的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(xiàn)制的4-20mA收發(fā)非常重要）。這使得兩線(xiàn)制傳感器的設計成為可能而又富有挑戰。
一般需要設計一個(gè)VI轉換器，輸入0-3.3v，輸出4mA-20mA，可采用運放LM358，供電+12v。
我們系統地來(lái)看看模擬量設備為什么都偏愛(ài)用4~20mA傳輸信號~
4-20mA. DC(1-5V.DC)信號制是電工委員會(huì )( IEC )過(guò)程控制系統采用的模擬信號傳輸標準。我國也采用這一標準信號制，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。
一般儀器儀表的信號電流都為4-20mA，指小電流為4mA,大電流為20mA 。傳輸信號時(shí)候，因為導線(xiàn)上也有電阻，如果用電壓傳輸則會(huì )在導線(xiàn)內產(chǎn)生一定的壓降，那接收端的信號就會(huì )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）信號制是電工委員會(huì )（IEC）：過(guò)程控制系統用模擬信號標準。我國從DDZ-Ⅲ型電動(dòng)儀表開(kāi)始采用這一標準信號制，儀表傳輸信號采用4~20mA.DC，聯(lián)絡(luò )信號采用1~5V.DC，即采用電流傳輸、電壓接收的信號系統。
4~20mA電流環(huán)工作原理：
在工業(yè)現場(chǎng)，用一個(gè)儀表放大器來(lái)完成信號的調理并進(jìn)行長(cháng)線(xiàn)傳輸，會(huì )產(chǎn)生以下問(wèn)題：，由于傳輸的信號是電壓信號，傳輸線(xiàn)會(huì )受到噪聲的干擾；第二，傳輸線(xiàn)的分布電阻會(huì )產(chǎn)生電壓降；第三，現場(chǎng)如何提供儀表放大器的工作電壓也是個(gè)問(wèn)題。為了解決上述問(wèn)題和避開(kāi)相關(guān)噪聲的影響，我們用電流來(lái)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(mǎn)刻度，而低于4mA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(diǎn)？
現場(chǎng)儀表可實(shí)現兩線(xiàn)制，所謂兩線(xiàn)制即電源、負載串聯(lián)在一起，有一公共點(diǎn)，而現場(chǎng)變送器與控制室儀表之前的信號聯(lián)絡(luò )及供電僅用兩根電線(xiàn)。因為信號起點(diǎn)電流為4mA.DC，為變送器提供了靜態(tài)工作電流，同時(shí)儀表電氣零點(diǎn)為4mA.DC，不與機械零點(diǎn)重合，這種“活零點(diǎn)”有利于識別斷電和斷線(xiàn)等故障。而且兩線(xiàn)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(gè)控制系統所屬的儀表之間有公共端，便于檢測儀表、調節儀表、計算機、報警裝置配用，并方便接線(xiàn)。
現場(chǎng)儀表與控制室儀表之間的聯(lián)絡(luò )信號采用4~20mA.DC的理由是：因為現場(chǎng)與控制室之間的距離較遠，連接電線(xiàn)的電阻較大，如果用電壓信號遠傳，優(yōu)于電線(xiàn)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分支，回路中的電流就不會(huì )隨電線(xiàn)長(cháng)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(luò )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(gè)信號，并有利于接線(xiàn)和構成各種復雜的控制系統。如果用電流源作聯(lián)絡(luò )信號，當多臺儀表共同接收同一個(gè)信號時(shí)，它們的輸入電阻必須串聯(lián)起來(lái)，這會(huì )使大負載電阻超過(guò)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(huì )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(luò )，與現場(chǎng)儀表的聯(lián)絡(luò )用的電流信號必須轉換為電壓信號，簡(jiǎn)單的辦法就是：在電流傳送回路中串聯(lián)一個(gè)250Ω的標準電阻，把4~20mA.DC轉換為1~5V.DC，通常由配電器來(lái)完成這一任務(wù)。
三、為什么變送器選擇4~20mA.DC作傳送信號？
1、首先是從現場(chǎng)應用的安全考慮
安全重點(diǎn)是以防爆安全火花型儀表來(lái)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(dòng)態(tài)功耗降低到低限度。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(xiàn)的分布電容及電感，如2mm2 的導線(xiàn)其分布電容為0.05μ/km左右；對于單線(xiàn)的電感為0.4mH/km左右；大大低于引爆氫氣的數值，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
因為現場(chǎng)與控制室之間的距離較遠，連接電線(xiàn)的電阻較大時(shí)，如果用電壓源信號遠傳，由于電線(xiàn)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分支，回路中的電流就不會(huì )隨電線(xiàn)長(cháng)短而改變，從而保證了傳送的精度。
3、信號大電流選擇20mA的原因
大電流20mA的選擇是基于安全、實(shí)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)現場(chǎng)儀表之間的連接距離，所帶負載等因素；還有功耗及成本問(wèn)題，對電子元件的要求，供電功率的要求等因素。
4、信號起點(diǎn)電流選擇4mA的原因
輸出為4~20mA的變送器以?xún)删€(xiàn)制的居多，兩線(xiàn)制即電源、負載串聯(lián)在一起，有一公共點(diǎn)，而現場(chǎng)變送器與控制室儀表之間的信號聯(lián)絡(luò )及供電僅用兩根電線(xiàn)。為什么起點(diǎn)信號不是0mA？這是基于兩點(diǎn)：一是變送器電路沒(méi)有靜態(tài)工作電流將無(wú)法工作，信號起點(diǎn)電流4mA.DC，不與機械零點(diǎn)重合，這種“活零點(diǎn)”有利于識別斷電和斷線(xiàn)等故障。
四、4~20mA傳感器的由來(lái)？
采用電流信號的原因是不容易受干擾、并且電流源內阻無(wú)窮大，導線(xiàn)電阻串聯(lián)在回路中不影響精度，在普通雙絞線(xiàn)上可以傳輸數百米。
采用電流信號的原因是不容易受干擾，因為工業(yè)現場(chǎng)的噪聲電壓的幅度可能達到數V，但是噪聲的功率很弱，所以噪聲電流通常小于n*別，因此給4－20mA傳輸帶來(lái)的誤差非常??；電流源內阻趨于無(wú)窮大，導線(xiàn)電阻串聯(lián)在回路中不影響精度，因此在普通雙絞線(xiàn)上可以傳輸數百米；由于電流源的大內阻和恒流輸出，在接收端我們只需放置一個(gè)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n*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(méi)有取0mA的原因是為了能檢測斷線(xiàn)：正常工作時(shí)不會(huì )低于4mA，當傳輸線(xiàn)因故障斷路，環(huán)路電流降為0。常取2mA作為斷線(xiàn)報警值。電流型變送器將物理量轉換成4~20mA電流輸出，必然要有外電源為其供電。典型的是變送器需要兩根電源線(xiàn)，加上兩根電流輸出線(xiàn)，總共要接4根線(xiàn)，稱(chēng)之為四線(xiàn)制變送器。當然，電流輸出可以與電源公用一根線(xiàn)公用VCC或者GND，可節省一根線(xiàn)，稱(chēng)之為三線(xiàn)制變送器。其實(shí)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(gè)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(xiàn)，因而被稱(chēng)為兩線(xiàn)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，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(xiàn)制4-20mA的電源輸出信號。但為了能更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。