大(dà)家可能會非常熟悉RS232，RS485，CAN等工業上(shàng)常用的(de)總線，他(tā)們都是(shì)傳輸數字信号的(de)方式。那麽，我們用什麽方式來(lái)傳輸模拟信号呢？工業上(shàng)普遍需要(yào / yāo)測量各類非電物理量，例如溫度、壓力、速度、角度等，這(zhè)些都需要(yào / yāo)轉換成模拟量電信号才能傳輸到(dào)幾百米外的(de)控制室或顯示設備上(shàng)。工業上(shàng)最廣泛采用的(de)是(shì)用4~20mA電流來(lái)傳輸模拟量。

采用電流信号的(de)原因是(shì)不(bù)容易受幹擾，因爲(wéi / wèi)工業現場的(de)噪聲電壓的(de)幅度可能達到(dào)數V，但是(shì)噪聲的(de)功率很弱，所以(yǐ)噪聲電流通常小于(yú)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(yú)無窮大(dà)，導線電阻串聯在(zài)回路中不(bù)影響精度，因此在(zài)普通雙絞線上(shàng)可以(yǐ)傳輸數百米；由于(yú)電流源的(de)大(dà)内阻和(hé / huò)恒流輸出(chū)，在(zài)接收端我們隻需放置一(yī / yì ／yí)個(gè)250歐姆到(dào)地(dì / de)的(de)電阻就(jiù)可以(yǐ)獲得0－5V的(de)電壓，低輸入阻抗的(de)接收器的(de)好處是(shì)nA級的(de)輸入電流噪聲隻産生非常微弱的(de)電壓噪聲。

上(shàng)限取20mA是(shì)因爲(wéi / wèi)防爆的(de)要(yào / yāo)求：20mA的(de)電流通斷引起的(de)火花能量不(bù)足以(yǐ)引燃瓦斯。下限沒有取0mA的(de)原因是(shì)爲(wéi / wèi)了(le／liǎo)能檢測斷線：正常工作時(shí)不(bù)會低于(yú)4mA，當傳輸線因故障斷路，環路電流降爲(wéi / wèi)0。常取2mA作爲(wéi / wèi)斷線報警值。電流型變送器将物理量轉換成4~20mA電流輸出(chū)，必然要(yào / yāo)有外電源爲(wéi / wèi)其供電。最典型的(de)是(shì)變送器需要(yào / yāo)兩根電源線，加上(shàng)兩根電流輸出(chū)線，總共要(yào / yāo)接4根線，稱之(zhī)爲(wéi / wèi)四線制變送器。當然，電流輸出(chū)可以(yǐ)與電源公用一(yī / yì ／yí)根線（公用VCC或者GND），可節省一(yī / yì ／yí)根線，所以(yǐ)現在(zài)基本上(shàng)将四線制變送器稱之(zhī)爲(wéi / wèi)三線制變送器。其實大(dà)家可能注意到(dào)， 4-20mA電流本身就(jiù)可以(yǐ)爲(wéi / wèi)變送器供電，變送器在(zài)電路中相當于(yú)一(yī / yì ／yí)個(gè)特殊的(de)負載，這(zhè)種變送器隻需外接2根線，因而(ér)被稱爲(wéi / wèi)兩線制變送器。工業電流環标準下限爲(wéi / wèi)4mA，因此在(zài)量程範圍内，變送器通常隻有24V，4mA供電（因此，在(zài)輕負載條件下高效率的(de)DC/DC電源（TPS54331,TPS54160），低功耗的(de)傳感器和(hé / huò)信号鏈産品、以(yǐ)及低功耗的(de)處理器（如MSP430）對于(yú)兩線制的(de)4-20mA收發非常重要(yào / yāo)）。這(zhè)使得兩線制傳感器的(de)設計成爲(wéi / wèi)可能而(ér)又富有挑戰。

一(yī / yì ／yí)般需要(yào / yāo)設計一(yī / yì ／yí)個(gè)VI轉換器，輸入0-3.3v，輸出(chū)4mA-20mA，可采用運放LM358，供電+12v。

我們系統地(dì / de)來(lái)看看模拟量設備爲(wéi / wèi)什麽都偏愛用4~20mA傳輸信号~

4-20mA. DC(1-5V.DC)信号制是(shì)國(guó)際電工委員會( IEC )過程控制系統采用的(de)模拟信号傳輸标準。我國(guó)也(yě)采用這(zhè)一(yī / yì ／yí)國(guó)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(de)信号系統。

一(yī / yì ／yí)般儀器儀表的(de)信号電流都爲(wéi / wèi)4-20mA，指最小電流爲(wéi / wèi)4mA,最大(dà)電流爲(wéi / wèi)20mA 。傳輸信号時(shí)候，因爲(wéi / wèi)導線上(shàng)也(yě)有電阻，如果用電壓傳輸則會在(zài)導線内産生一(yī / yì ／yí)定的(de)壓降，那接收端的(de)信号就(jiù)會産生一(yī / yì ／yí)定的(de)誤差了(le／liǎo)，所以(yǐ)一(yī / yì ／yí)般使用電流信号作爲(wéi / wèi)變送器的(de)标準傳輸。

4~20mA.DC（1~5V.DC）信号制是(shì)國(guó)際電工委員會（IEC）：過程控制系統用模拟信号标準。我國(guó)從DDZ-Ⅲ型電動儀表開始采用這(zhè)一(yī / yì ／yí)國(guó)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(de)信号系統。

4~20mA電流環工作原理：

在(zài)工業現場，用一(yī / yì ／yí)個(gè)儀表放大(dà)器來(lái)完成信号的(de)調理并進行長線傳輸，會産生以(yǐ)下問題：第一(yī / yì ／yí)，由于(yú)傳輸的(de)信号是(shì)電壓信号，傳輸線會受到(dào)噪聲的(de)幹擾；第二，傳輸線的(de)分布電阻會産生電壓降；第三，在(zài)現場如何提供儀表放大(dà)器的(de)工作電壓也(yě)是(shì)個(gè)問題。

爲(wéi / wèi)了(le／liǎo)解決上(shàng)述問題和(hé / huò)避開相關噪聲的(de)影響，我們用電流來(lái)傳輸信号，因爲(wéi / wèi)電流對噪聲并不(bù)敏感。4～20mA的(de)電流環便是(shì)用4mA表示零信号，用20mA表示信号的(de)滿刻度，而(ér)低于(yú)4mA高于(yú)20mA的(de)信号用于(yú)各種故障的(de)報警。

現場儀表可實現兩線制，所謂兩線制即電源、負載串聯在(zài)一(yī / yì ／yí)起，有一(yī / yì ／yí)公共點，而(ér)現場變送器與控制室儀表之(zhī)前的(de)信号聯絡及供電僅用兩根電線。因爲(wéi / wèi)信号起點電流爲(wéi / wèi)4mA.DC，爲(wéi / wèi)變送器提供了(le／liǎo)靜态工作電流，同時(shí)儀表電氣零點爲(wéi / wèi)4mA.DC，不(bù)與機械零點重合，這(zhè)種“活零點”有利于(yú)識别斷電和(hé / huò)斷線等故障。而(ér)且兩線制還便于(yú)使用安全栅，利于(yú)安全防爆。

控制室儀表采用電壓并聯信号傳輸，同一(yī / yì ／yí)個(gè)控制系統所屬的(de)儀表之(zhī)間有公共端，便于(yú)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(zhī)間的(de)聯絡信号采用4~20mA.DC的(de)理由是(shì)：因爲(wéi / wèi)現場與控制室之(zhī)間的(de)距離較遠，連接電線的(de)電阻較大(dà)，如果用電壓信号遠傳，優于(yú)電線電阻與接收儀表輸入電阻的(de)分壓，将産生較大(dà)的(de)誤差，而(ér)用恒流源信号作爲(wéi / wèi)遠傳，隻要(yào / yāo)傳送回路不(bù)出(chū)現分支，回路中的(de)電流就(jiù)不(bù)會随電線長短而(ér)改變，從而(ér)保證了(le／liǎo)傳送的(de)精度。

控制室儀表之(zhī)間的(de)聯絡信号采用1~5V.DC理由是(shì)：爲(wéi / wèi)了(le／liǎo)便于(yú)多台儀表共同接收同一(yī / yì ／yí)個(gè)信号，并有利于(yú)接線和(hé / huò)構成各種複雜的(de)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(yī / yì ／yí)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(ér)且各接收儀表的(de)信号負端電位各不(bù)相同，會引入幹擾，而(ér)且不(bù)能做到(dào)單一(yī / yì ／yí)集中供電。

采用電壓源信号聯絡，與現場儀表的(de)聯絡用的(de)電流信号必須轉換爲(wéi / wèi)電壓信号，最簡單的(de)辦法就(jiù)是(shì)：在(zài)電流傳送回路中串聯一(yī / yì ／yí)個(gè)250Ω的(de)标準電阻，把4~20mA.DC轉換爲(wéi / wèi)1~5V.DC，通常由配電器來(lái)完成這(zhè)一(yī / yì ／yí)任務。

1、首先是(shì)從現場應用的(de)安全考慮

安全重點是(shì)以(yǐ)防爆安全火花型儀表來(lái)考慮的(de)，并以(yǐ)控制儀表能量爲(wéi / wèi)前提，把維持儀表正常工作的(de)靜态和(hé / huò)動态功耗降低到(dào)最低限度。輸出(chū)4~20mA.DC标準信号的(de)變送器，其電源電壓通常采用24V.DC，采用直流電壓的(de)主要(yào / yāo)原因是(shì)可以(yǐ)不(bù)用大(dà)容量的(de)電容器及電感器，就(jiù)隻需考慮變送器與控制室儀表連接導線的(de)分布電容及電感，如2mm2 的(de)導線其分布電容爲(wéi / wèi)0.05μ/km左右；對于(yú)單線的(de)電感爲(wéi / wèi)0.4mH/km左右；大(dà)大(dà)低于(yú)引爆氫氣的(de)數值，顯然這(zhè)對防爆是(shì)非常有利的(de)。

2、傳送信号用電流源優于(yú)電壓源

因爲(wéi / wèi)現場與控制室之(zhī)間的(de)距離較遠，連接電線的(de)電阻較大(dà)時(shí)，如果用電壓源信号遠傳，由于(yú)電線電阻與接收儀表輸入電阻的(de)分壓，将産生較大(dà)的(de)誤差，如果用電流源信号作爲(wéi / wèi)遠傳，隻要(yào / yāo)傳送回路不(bù)出(chū)現分支，回路中的(de)電流就(jiù)不(bù)會随電線長短而(ér)改變，從而(ér)保證了(le／liǎo)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(shì)基于(yú)安全、實用、功耗、成本的(de)考慮。安全火花儀表隻能采用低電壓、低電流，4~20mA電流和(hé / huò)24V.DC對易燃氫氣也(yě)是(shì)安全的(de)，對于(yú)24V.DC氫氣的(de)引爆電流爲(wéi / wèi)200mA，遠在(zài)20mA以(yǐ)上(shàng)，此外還要(yào / yāo)綜合考慮生産現場儀表之(zhī)間的(de)連接距離，所帶負載等因素；還有功耗及成本問題，對電子(zǐ)元件的(de)要(yào / yāo)求，供電功率的(de)要(yào / yāo)求等因素。

4、信号起點電流選擇4mA的(de)原因

輸出(chū)爲(wéi / wèi)4~20mA的(de)變送器以(yǐ)兩線制的(de)居多，兩線制即電源、負載串聯在(zài)一(yī / yì ／yí)起，有一(yī / yì ／yí)公共點，而(ér)現場變送器與控制室儀表之(zhī)間的(de)信号聯絡及供電僅用兩根電線。爲(wéi / wèi)什麽起點信号不(bù)是(shì)0mA？這(zhè)是(shì)基于(yú)兩點：一(yī / yì ／yí)是(shì)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(bù)與機械零點重合，這(zhè)種“活零點”有利于(yú)識别斷電和(hé / huò)斷線等故障。

采用電流信号的(de)原因是(shì)不(bù)容易受幹擾、并且電流源内阻無窮大(dà)，導線電阻串聯在(zài)回路中不(bù)影響精度，在(zài)普通雙絞線上(shàng)可以(yǐ)傳輸數百米。

采用電流信号的(de)原因是(shì)不(bù)容易受幹擾，因爲(wéi / wèi)工業現場的(de)噪聲電壓的(de)幅度可能達到(dào)數V，但是(shì)噪聲的(de)功率很弱，所以(yǐ)噪聲電流通常小于(yú)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(yú)無窮大(dà)，導線電阻串聯在(zài)回路中不(bù)影響精度，因此在(zài)普通雙絞線上(shàng)可以(yǐ)傳輸數百米；由于(yú)電流源的(de)大(dà)内阻和(hé / huò)恒流輸出(chū)，在(zài)接收端我們隻需放置一(yī / yì ／yí)個(gè)250歐姆到(dào)地(dì / de)的(de)電阻就(jiù)可以(yǐ)獲得0－5V的(de)電壓，低輸入阻抗的(de)接收器的(de)好處是(shì)nA級的(de)輸入電流噪聲隻産生非常微弱的(de)電壓噪聲。

上(shàng)限取20mA是(shì)因爲(wéi / wèi)防爆的(de)要(yào / yāo)求：20mA的(de)電流通斷引起的(de)火花能量不(bù)足以(yǐ)引燃瓦斯。下限沒有取0mA的(de)原因是(shì)爲(wéi / wèi)了(le／liǎo)能檢測斷線：正常工作時(shí)不(bù)會低于(yú)4mA，當傳輸線因故障斷路，環路電流降爲(wéi / wèi)0。常取2mA作爲(wéi / wèi)斷線報警值。電流型變送器将物理量轉換成4~20mA電流輸出(chū)，必然要(yào / yāo)有外電源爲(wéi / wèi)其供電。最典型的(de)是(shì)變送器需要(yào / yāo)兩根電源線，加上(shàng)兩根電流輸出(chū)線，總共要(yào / yāo)接4根線，稱之(zhī)爲(wéi / wèi)四線制變送器。當然，電流輸出(chū)可以(yǐ)與電源公用一(yī / yì ／yí)根線公用VCC或者GND，可節省一(yī / yì ／yí)根線，稱之(zhī)爲(wéi / wèi)三線制變送器。其實大(dà)家可能注意到(dào)，4-20mA電流本身就(jiù)可以(yǐ)爲(wéi / wèi)變送器供電。變送器在(zài)電路中相當于(yú)一(yī / yì ／yí)個(gè)特殊的(de)負載，特殊之(zhī)處在(zài)于(yú)變送器的(de)耗電電流在(zài)4~20mA之(zhī)間根據傳感器輸出(chū)而(ér)變化。顯示儀表隻需要(yào / yāo)串在(zài)電路中即可。這(zhè)種變送器隻需外接2根線，因而(ér)被稱爲(wéi / wèi)兩線制變送器。工業電流環标準下限爲(wéi / wèi)4mA，因此隻要(yào / yāo)在(zài)量程範圍内，變送器至少有4mA供電。

因此、4-20mA的(de)信号輸出(chū)一(yī / yì ／yí)般不(bù)容易受幹擾而(ér)且安全可靠、所以(yǐ)工業上(shàng)普遍使用的(de)都是(shì)二線制4-20mA的(de)電源輸出(chū)信号。但爲(wéi / wèi)了(le／liǎo)能更好的(de)處理傳感器的(de)信号、目前還有更多其它形式的(de)輸出(chū)信号：3.33MV/V；2MV/V；0-5V; 0-10V等。

另附一(yī / yì ／yí)張4到(dào)20mA轉電壓信号的(de)簡單電路圖：

這(zhè)張圖使用一(yī / yì ／yí)個(gè)250歐姆的(de)電阻将4到(dào)20mA的(de)電流信号轉換成1到(dào)5V的(de)電壓信号，然後使用一(yī / yì ／yí)個(gè)RC濾波加一(yī / yì ／yí)個(gè)二極管接到(dào)單片機的(de)AD轉換引腳。