我們對 RS232、RS485、CAN 等常用的數字信號傳輸總線并不陌生。然而，對于模擬信號的傳輸，工業(yè)上普遍采用 4~20mA 電流來實現。接下來，我們將系統(tǒng)地探討模擬量設備為何如此偏愛用 4~20mA 傳輸信號。
　　4~20mA.DC（1~5V.DC）信號制概述
　　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。我國也遵循這一國際標準，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)。
　　在工業(yè)現場，若使用儀表放大器進行信號調理和長線傳輸電壓信號，會面臨諸多問題。比如，傳輸線易受噪聲干擾，分布電阻會產生電壓降，且現場為儀表放大器提供工作電壓也存在困難。為解決這些問題，采用電流傳輸信號是更好的選擇，因為電流對噪聲不敏感。4～20mA 的電流環(huán)以 4mA 表示零信號，20mA 表示信號的滿刻度，低于 4mA 和高于 20mA 的信號用于各種故障報警。
　　4~20mA.DC（1~5V.DC）信號制的優(yōu)點
　　現場儀表兩線制優(yōu)勢：現場儀表可實現兩線制，即電源和負載串聯，有公共點，現場變送器與控制室儀表之間的信號聯絡及供電僅用兩根電線。信號起點電流為 4mA.DC，為變送器提供了靜態(tài)工作電流，且儀表電氣零點為 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。此外，兩線制便于使用安全柵，利于安全防爆。
　　控制室儀表電壓并聯傳輸優(yōu)勢：控制室儀表采用電壓并聯信號傳輸，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、調節(jié)儀表、計算機、報警裝置配用，并方便接線。
　　不同距離傳輸優(yōu)勢：現場與控制室之間距離較遠，連接電線電阻較大，若用電壓信號遠傳，會因電線電阻與接收儀表輸入電阻的分壓產生較大誤差。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隨電線長短而改變，從而保證了傳送的精度?？刂剖覂x表之間聯絡信號采用 1~5V.DC，便于多臺儀表共同接收同一個信號，有利于接線和構成各種復雜的控制系統(tǒng)。若用電流源作聯絡信號，會存在負載電阻和干擾等問題。將 4~20mA.DC 轉換為 1~5V.DC，通常由配電器在電流傳送回路中串聯一個 250Ω 的標準電阻來完成?！　∽兯推鬟x擇 4~20mA.DC 作傳送信號的原因

　　安全考慮：從現場應用的安全角度出發(fā)，以防爆安全火花型儀表為考量，需將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，電源電壓通常采用 24V.DC，采用直流電壓可避免使用大容量的電容器及電感器，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，其數值大大低于引爆氫氣的數值，對防爆非常有利。
　　電流源優(yōu)于電壓源：由于現場與控制室之間距離遠，連接電線電阻大，用電壓源信號遠傳會因分壓產生較大誤差，而電流源信號作為遠傳，只要傳送回路不分支，回路電流就不受電線長短影響，能保證傳送精度。
　　最大電流選擇 20mA 的原因：最大電流 20mA 的選擇綜合考慮了安全、實用、功耗、成本等因素。安全火花儀表需采用低電壓、低電流，4~20mA 電流和 24V.DC 對易燃氫氣是安全的，24V.DC 下氫氣的引爆電流為 200mA，遠高于 20mA。同時，還需考慮生產現場儀表之間的連接距離、所帶負載、功耗、成本、對電子元件和供電功率的要求等因素。
　　起點電流選擇 4mA 的原因：輸出為 4~20mA 的變送器以兩線制居多，起點信號不是 0mA 主要基于兩點。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。
　　4~20mA 傳感器的由來
　　采用電流信號傳輸模擬量具有諸多優(yōu)勢。它不容易受干擾，工業(yè)現場噪聲電壓幅度可能達數 V，但噪聲功率弱，噪聲電流通常小于 nA 級別，給 4－20mA 傳輸帶來的誤差非常小。而且電流源內阻趨于無窮大，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。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使 nA 級的輸入電流噪聲只產生非常微弱的電壓噪聲。
　　上限取 20mA 是出于防爆要求，20mA 的電流通斷引起的火花能量不足以引燃瓦斯。下限不取 0mA 是為了能檢測斷線，正常工作時電流不會低于 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換成 4~20mA 電流輸出，有不同的接線方式。最典型的四線制變送器需要兩根電源線和兩根電流輸出線；三線制變送器可將電流輸出與電源公用一根線；兩線制變送器更為常見，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特殊負載，其耗電電流在 4~20mA 之間根據傳感器輸出而變化，顯示儀表只需串在電路中即可。工業(yè)電流環(huán)標準下限為 4mA，只要在量程范圍內，變送器至少有 4mA 供電。
　　雖然 4-20mA 的信號輸出一般不容易受干擾而且安全可靠，工業(yè)上普遍使用二線制 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，如 3.33MV/V、2MV/V、0 - 5V、0 - 10V 等?！　∽詈螅缴弦粡?4 到 20mA 轉電壓信號的簡單電路圖：

　　這張圖使用一個 250 歐姆的電阻將 4 到 20mA 的電流信號轉換成 1 到 5V 的電壓信號，然后使用一個 RC 濾波加一個二極管接到單片機的 AD 轉換引腳。圖中穩(wěn)壓二極管 DW1－5V 利用其在工作電壓達到反向軟擊穿電壓閥值時而導通的特性（不是永久性損壞），將進入單片機 5A60S2 的第 8 腳 P1.7 口的電壓限制在 5v 以下，對單片機的采樣輸入口的輸入信號起到鉗制作用（將電壓限制在 5v 的測量范圍以內），同時還對輸入口起到保護作用，在電子學上通常將其稱為鉗位穩(wěn)壓二極管。
　　綜上所述，4~20mA 信號傳輸在模擬量設備中具有獨特的優(yōu)勢，這也是模擬量設備偏愛使用它的主要原因。但隨著技術的發(fā)展，其他形式的信號輸出也在不斷涌現，以滿足不同的應用需求。