大家可能會非常熟悉RS232，RS485，CAN等工業上常用的總線，他們都是傳輸數字信号的方式。那麼，我們用什麼方式來傳輸模拟信号呢？工業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，這些都需要轉換成模拟量電信号才能傳輸到幾百米外的控制室或顯示設備上。工業上最廣泛采用的是用4~20mA電流來傳輸模拟量。

采用電流信号的原因是不容易受幹擾，因為工業現場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nA級别，因此給4－20mA傳輸帶來的誤差非常小；電流源内阻趨于無窮大，導線電阻串聯在回路中不影響精度，因此在普通雙絞線上可以傳輸數百米；由于電流源的大内阻和恒流輸出，在接收端我們隻需放置一個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級的輸入電流噪聲隻産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，環路電流降為0。常取2mA作為斷線報警值。電流型變送器将物理量轉換成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），可節省一根線，所以現在基本上将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，這種變送器隻需外接2根線，因而被稱為兩線制變送器。工業電流環标準下限為4mA，因此在量程範圍内，變送器通常隻有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号鍊産品、以及低功耗的處理器（如MSP430）對于兩線制的4-20mA收發非常重要）。這使得兩線制傳感器的設計成為可能而又富有挑戰。

一般需要設計一個VI轉換器，輸入0-3.3v，輸出4mA-20mA，可采用運放LM358，供電 12v。

我們系統地來看看模拟量設備為什麼都偏愛用4~20mA傳輸信号~

4-20mA. DC(1-5V.DC)信号制是國際電工委員會( IEC )過程控制系統采用的模拟信号傳輸标準。我國也采用這一國際标準信号制，儀表傳輸信号采用4-20mA.DC，接收信号采用1-5V.DC，即采用電流傳輸、電壓接收的信号系統。

一般儀器儀表的信号電流都為4-20mA，指最小電流為4mA,最大電流為20mA 。傳輸信号時候，因為導線上也有電阻，如果用電壓傳輸則會在導線内産生一定的壓降，那接收端的信号就會産生一定的誤差了，所以一般使用電流信号作為變送器的标準傳輸。

一、什麼是4~20mA.DC（1~5V.DC）信号制？

4~20mA.DC（1~5V.DC）信号制是國際電工委員會（IEC）：過程控制系統用模拟信号标準。我國從DDZ-Ⅲ型電動儀表開始采用這一國際标準信号制，儀表傳輸信号采用4~20mA.DC，聯絡信号采用1~5V.DC，即采用電流傳輸、電壓接收的信号系統。

4~20mA電流環工作原理：

在工業現場，用一個儀表放大器來完成信号的調理并進行長線傳輸，會産生以下問題：第一，由于傳輸的信号是電壓信号，傳輸線會受到噪聲的幹擾；第二，傳輸線的分布電阻會産生電壓降；第三，在現場如何提供儀表放大器的工作電壓也是個問題。

為了解決上述問題和避開相關噪聲的影響，我們用電流來傳輸信号，因為電流對噪聲并不敏感。4～20mA的電流環便是用4mA表示零信号，用20mA表示信号的滿刻度，而低于4mA高于20mA的信号用于各種故障的報警。

二、4~20mA.DC（1~5V.DC）信号制的優點？

現場儀表可實現兩線制，所謂兩線制即電源、負載串聯在一起，有一公共點，而現場變送器與控制室儀表之前的信号聯絡及供電僅用兩根電線。因為信号起點電流為4mA.DC，為變送器提供了靜态工作電流，同時儀表電氣零點為4mA.DC，不與機械零點重合，這種“活零點”有利于識别斷電和斷線等故障。而且兩線制還便于使用安全栅，利于安全防爆。

控制室儀表采用電壓并聯信号傳輸，同一個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。

現場儀表與控制室儀表之間的聯絡信号采用4~20mA.DC的理由是：因為現場與控制室之間的距離較遠，連接電線的電阻較大，如果用電壓信号遠傳，優于電線電阻與接收儀表輸入電阻的分壓，将産生較大的誤差，而用恒流源信号作為遠傳，隻要傳送回路不出現分支，回路中的電流就不會随電線長短而改變，從而保證了傳送的精度。

控制室儀表之間的聯絡信号采用1~5V.DC理由是：為了便于多台儀表共同接收同一個信号，并有利于接線和構成各種複雜的控制系統。如果用電流源作聯絡信号，當多台儀表共同接收同一個信号時，它們的輸入電阻必須串聯起來，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号負端電位各不相同，會引入幹擾，而且不能做到單一集中供電。

采用電壓源信号聯絡，與現場儀表的聯絡用的電流信号必須轉換為電壓信号，最簡單的辦法就是：在電流傳送回路中串聯一個250Ω的标準電阻，把4~20mA.DC轉換為1~5V.DC，通常由配電器來完成這一任務。

三、為什麼變送器選擇4~20mA.DC作傳送信号？

1、首先是從現場應用的安全考慮

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态和動态功耗降低到最低限度。輸出4~20mA.DC标準信号的變送器，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，就隻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值，顯然這對防爆是非常有利的。

2、傳送信号用電流源優于電壓源

因為現場與控制室之間的距離較遠，連接電線的電阻較大時，如果用電壓源信号遠傳，由于電線電阻與接收儀表輸入電阻的分壓，将産生較大的誤差，如果用電流源信号作為遠傳，隻要傳送回路不出現分支，回路中的電流就不會随電線長短而改變，從而保證了傳送的精度。

3、信号最大電流選擇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。安全火花儀表隻能采用低電壓、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産現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、信号起點電流選擇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、負載串聯在一起，有一公共點，而現場變送器與控制室儀表之間的信号聯絡及供電僅用兩根電線。為什麼起點信号不是0mA？這是基于兩點：一是變送器電路沒有靜态工作電流将無法工作，信号起點電流4mA.DC，不與機械零點重合，這種“活零點”有利于識别斷電和斷線等故障。

四、4~20mA傳感器的由來？

采用電流信号的原因是不容易受幹擾、并且電流源内阻無窮大，導線電阻串聯在回路中不影響精度，在普通雙絞線上可以傳輸數百米。

采用電流信号的原因是不容易受幹擾，因為工業現場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nA級别，因此給4－20mA傳輸帶來的誤差非常小；電流源内阻趨于無窮大，導線電阻串聯在回路中不影響精度，因此在普通雙絞線上可以傳輸數百米；由于電流源的大内阻和恒流輸出，在接收端我們隻需放置一個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級的輸入電流噪聲隻産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，環路電流降為0。常取2mA作為斷線報警值。電流型變送器将物理量轉換成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之間根據傳感器輸出而變化。顯示儀表隻需要串在電路中即可。這種變送器隻需外接2根線，因而被稱為兩線制變送器。工業電流環标準下限為4mA，因此隻要在量程範圍内，變送器至少有4mA供電。

因此、4-20mA的信号輸出一般不容易受幹擾而且安全可靠、所以工業上普遍使用的都是二線制4-20mA的電源輸出信号。但為了能更好的處理傳感器的信号、目前還有更多其它形式的輸出信号：3.33MV/V；2MV/V；0-5V; 0-10V等。

另附一張4到20mA轉電壓信号的簡單電路圖：

這張圖使用一個250歐姆的電阻将4到20mA的電流信号轉換成1到5V的電壓信号，然後使用一個RC濾波加一個二極管（原諒我模拟電路不好，并不知道是什麼意思）接到單片機的AD轉換引腳。

來源：網絡

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