爲什(shén)麽采用(yòng)4~20mA的(de)電流來(lái)傳輸模拟量？

采用(yòng)電流信号的(de)原因是不容易受幹擾，因爲工業現場(chǎng)的(de)噪聲電壓的(de)幅度可(kě)能達到數V，但是噪聲的(de)功率很弱，所以噪聲電流通(tōng)常小于nA級别，因此給4－20mA傳輸帶來(lái)的(de)誤差非常小；電流源内阻趨于無窮大(dà)，導線電阻串聯在回路中不影(yǐng)響精度，因此在普通(tōng)雙絞線上可(kě)以傳輸數百米；由于電流源的(de)大(dà)内阻和(hé)恒流輸出，在接收端我們隻需放置一個(gè)250歐姆到地的(de)電阻就可(kě)以獲得(de)0－5V的(de)電壓，低輸入阻抗的(de)接收器的(de)好處是nA級的(de)輸入電流噪聲隻産生非常微弱的(de)電壓噪聲。

上限取20mA是因爲防爆的(de)要求：20mA的(de)電流通(tōng)斷引起的(de)火花能量不足以引燃瓦斯。下(xià)限沒有取0mA的(de)原因是爲了(le)能檢測斷線：正常工作時(shí)不會低于4mA，當傳輸線因故障斷路，環路電流降爲0。常取2mA作爲斷線報警值。電流型變送器将物(wù)理(lǐ)量轉換成4~20mA電流輸出，必然要有外電源爲其供電。最典型的(de)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，稱之爲四線制變送器。

當然，電流輸出可(kě)以與電源公用(yòng)一根線（公用(yòng)VCC或者GND），可(kě)節省一根線，所以現在基本上将四線制變送器稱之爲三線制變送器。其實大(dà)家可(kě)能注意到， 4-20mA電流本身就可(kě)以爲變送器供電，變送器在電路中相當于一個(gè)特殊的(de)負載，這(zhè)種變送器隻需外接2根線，因而被稱爲兩線制變送器。工業電流環标準下(xià)限爲4mA，因此在量程範圍内，變送器通(tōng)常隻有24V，4mA供電（因此，在輕負載條件下(xià)高(gāo)效率的(de)DC/DC電源（TPS54331,TPS54160），低功耗的(de)傳感器和(hé)信号鏈産品、以及低功耗的(de)處理(lǐ)器（如MSP430）對(duì)于兩線制的(de)4-20mA收發非常重要）。這(zhè)使得(de)兩線制傳感器的(de)設計成爲可(kě)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(kě)采用(yòng)運放LM358，供電+12v。

我們系統地來(lái)看看模拟量設備爲什(shén)麽都偏愛(ài)用(yòng)4~20mA傳輸信号~

4-20mA. DC(1-5V.DC)信号制是國際電工委員(yuán)會( IEC )過程控制系統采用(yòng)的(de)模拟信号傳輸标準。我國也(yě)采用(yòng)這(zhè)一國際标準信号制，儀表傳輸信号采用(yòng)4-20mA.DC，接收信号采用(yòng)1-5V.DC，即采用(yòng)電流傳輸、電壓接收的(de)信号系統。

一般儀器儀表的(de)信号電流都爲4-20mA，指最小電流爲4mA,最大(dà)電流爲20mA 。傳輸信号時(shí)候，因爲導線上也(yě)有電阻，如果用(yòng)電壓傳輸則會在導線内産生一定的(de)壓降，那接收端的(de)信号就會産生一定的(de)誤差了(le)，所以一般使用(yòng)電流信号作爲變送器的(de)标準傳輸。

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

4~20mA電流環工作原理(lǐ)：

在工業現場(chǎng)，用(yòng)一個(gè)儀表放大(dà)器來(lái)完成信号的(de)調理(lǐ)并進行長(cháng)線傳輸，會産生以下(xià)問題：第一，由于傳輸的(de)信号是電壓信号，傳輸線會受到噪聲的(de)幹擾；第二，傳輸線的(de)分(fēn)布電阻會産生電壓降；第三，在現場(chǎng)如何提供儀表放大(dà)器的(de)工作電壓也(yě)是個(gè)問題。

爲了(le)解決上述問題和(hé)避開相關噪聲的(de)影(yǐng)響，我們用(yòng)電流來(lái)傳輸信号，因爲電流對(duì)噪聲并不敏感。4～20mA的(de)電流環便是用(yòng)4mA表示零信号，用(yòng)20mA表示信号的(de)滿刻度，而低于4mA高(gāo)于20mA的(de)信号用(yòng)于各種故障的(de)報警。

現場(chǎng)儀表可(kě)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(chǎng)變送器與控制室儀表之前的(de)信号聯絡及供電僅用(yòng)兩根電線。因爲信号起點電流爲4mA.DC，爲變送器提供了(le)靜态工作電流，同時(shí)儀表電氣零點爲4mA.DC，不與機械零點重合，這(zhè)種“活零點”有利于識别斷電和(hé)斷線等故障。而且兩線制還(hái)便于使用(yòng)安全栅，利于安全防爆。

控制室儀表采用(yòng)電壓并聯信号傳輸，同一個(gè)控制系統所屬的(de)儀表之間有公共端，便于檢測儀表、調節儀表、計算(suàn)機、報警裝置配用(yòng)，并方便接線。

現場(chǎng)儀表與控制室儀表之間的(de)聯絡信号采用(yòng)4~20mA.DC的(de)理(lǐ)由是：因爲現場(chǎng)與控制室之間的(de)距離較遠(yuǎn)，連接電線的(de)電阻較大(dà)，如果用(yòng)電壓信号遠(yuǎn)傳，優于電線電阻與接收儀表輸入電阻的(de)分(fēn)壓，将産生較大(dà)的(de)誤差，而用(yòng)恒流源信号作爲遠(yuǎn)傳，隻要傳送回路不出現分(fēn)支，回路中的(de)電流就不會随電線長(cháng)短而改變，從而保證了(le)傳送的(de)精度。

控制室儀表之間的(de)聯絡信号采用(yòng)1~5V.DC理(lǐ)由是：爲了(le)便于多(duō)台儀表共同接收同一個(gè)信号，并有利于接線和(hé)構成各種複雜(zá)的(de)控制系統。如果用(yòng)電流源作聯絡信号，當多(duō)台儀表共同接收同一個(gè)信号時(shí)，它們的(de)輸入電阻必須串聯起來(lái)，這(zhè)會使最大(dà)負載電阻超過變送儀表的(de)負載能力，而且各接收儀表的(de)信号負端電位各不相同，會引入幹擾，而且不能做(zuò)到單一集中供電。

采用(yòng)電壓源信号聯絡，與現場(chǎng)儀表的(de)聯絡用(yòng)的(de)電流信号必須轉換爲電壓信号，最簡單的(de)辦法就是：在電流傳送回路中串聯一個(gè)250Ω的(de)标準電阻，把4~20mA.DC轉換爲1~5V.DC，通(tōng)常由配電器來(lái)完成這(zhè)一任務。

1、首先是從現場(chǎng)應用(yòng)的(de)安全考慮

安全重點是以防爆安全火花型儀表來(lái)考慮的(de)，并以控制儀表能量爲前提，把維持儀表正常工作的(de)靜态和(hé)動态功耗降低到最低限度。輸出4~20mA.DC标準信号的(de)變送器，其電源電壓通(tōng)常采用(yòng)24V.DC，采用(yòng)直流電壓的(de)主要原因是可(kě)以不用(yòng)大(dà)容量的(de)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(de)分(fēn)布電容及電感，如2mm2 的(de)導線其分(fēn)布電容爲0.05μ/km左右；對(duì)于單線的(de)電感爲0.4mH/km左右；大(dà)大(dà)低于引爆氫氣的(de)數值，顯然這(zhè)對(duì)防爆是非常有利的(de)。

2、傳送信号用(yòng)電流源優于電壓源

因爲現場(chǎng)與控制室之間的(de)距離較遠(yuǎn)，連接電線的(de)電阻較大(dà)時(shí)，如果用(yòng)電壓源信号遠(yuǎn)傳，由于電線電阻與接收儀表輸入電阻的(de)分(fēn)壓，将産生較大(dà)的(de)誤差，如果用(yòng)電流源信号作爲遠(yuǎn)傳，隻要傳送回路不出現分(fēn)支，回路中的(de)電流就不會随電線長(cháng)短而改變，從而保證了(le)傳送的(de)精度。

3、信号最大(dà)電流選擇20mA的(de)原因

最大(dà)電流20mA的(de)選擇是基于安全、實用(yòng)、功耗、成本的(de)考慮。安全火花儀表隻能采用(yòng)低電壓、低電流，4~20mA電流和(hé)24V.DC對(duì)易燃氫氣也(yě)是安全的(de)，對(duì)于24V.DC氫氣的(de)引爆電流爲200mA，遠(yuǎn)在20mA以上，此外還(hái)要綜合考慮生産現場(chǎng)儀表之間的(de)連接距離，所帶負載等因素；還(hái)有功耗及成本問題，對(duì)電子元件的(de)要求，供電功率的(de)要求等因素。

4、信号起點電流選擇4mA的(de)原因

輸出爲4~20mA的(de)變送器以兩線制的(de)居多(duō)，兩線制即電源、負載串聯在一起，有一公共點，而現場(chǎng)變送器與控制室儀表之間的(de)信号聯絡及供電僅用(yòng)兩根電線。爲什(shén)麽起點信号不是0mA？這(zhè)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(zhè)種“活零點”有利于識别斷電和(hé)斷線等故障。

采用(yòng)電流信号的(de)原因是不容易受幹擾、并且電流源内阻無窮大(dà)，導線電阻串聯在回路中不影(yǐng)響精度，在普通(tōng)雙絞線上可(kě)以傳輸數百米。

采用(yòng)電流信号的(de)原因是不容易受幹擾，因爲工業現場(chǎng)的(de)噪聲電壓的(de)幅度可(kě)能達到數V，但是噪聲的(de)功率很弱，所以噪聲電流通(tōng)常小于nA級别，因此給4－20mA傳輸帶來(lái)的(de)誤差非常小；電流源内阻趨于無窮大(dà)，導線電阻串聯在回路中不影(yǐng)響精度，因此在普通(tōng)雙絞線上可(kě)以傳輸數百米；由于電流源的(de)大(dà)内阻和(hé)恒流輸出，在接收端我們隻需放置一個(gè)250歐姆到地的(de)電阻就可(kě)以獲得(de)0－5V的(de)電壓，低輸入阻抗的(de)接收器的(de)好處是nA級的(de)輸入電流噪聲隻産生非常微弱的(de)電壓噪聲。

上限取20mA是因爲防爆的(de)要求：20mA的(de)電流通(tōng)斷引起的(de)火花能量不足以引燃瓦斯。下(xià)限沒有取0mA的(de)原因是爲了(le)能檢測斷線：正常工作時(shí)不會低于4mA，當傳輸線因故障斷路，環路電流降爲0。常取2mA作爲斷線報警值。電流型變送器将物(wù)理(lǐ)量轉換成4~20mA電流輸出，必然要有外電源爲其供電。最典型的(de)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，稱之爲四線制變送器。當然，電流輸出可(kě)以與電源公用(yòng)一根線公用(yòng)VCC或者GND，可(kě)節省一根線，稱之爲三線制變送器。其實大(dà)家可(kě)能注意到，4-20mA電流本身就可(kě)以爲變送器供電。變送器在電路中相當于一個(gè)特殊的(de)負載，特殊之處在于變送器的(de)耗電電流在4~20mA之間根據傳感器輸出而變化(huà)。顯示儀表隻需要串在電路中即可(kě)。這(zhè)種變送器隻需外接2根線，因而被稱爲兩線制變送器。工業電流環标準下(xià)限爲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(de)信号輸出一般不容易受幹擾而且安全可(kě)靠、所以工業上普遍使用(yòng)的(de)都是二線制4-20mA的(de)電源輸出信号。但爲了(le)能更好的(de)處理(lǐ)傳感器的(de)信号、目前還(hái)有更多(duō)其它形式的(de)輸出信号：3.33MV/V；2MV/V；0-5V; 0-10V等。