淺析為什么采用4~20mA的電流來傳輸模擬量？

　　大家可能會非常熟悉RS232，RS485，CAN等工業(yè)上常用的總線，他們都是傳輸數(shù)字信號的方式。那么，我們用什么方式來傳輸模擬信號呢?工業(yè)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(zhuǎn)換成模擬量電信號才能傳輸?shù)綆装倜淄獾目刂剖一蝻@示設備上。工業(yè)上最廣泛采用的是用4~20mA電流來傳輸模擬量。

　　采用電流信號的原因是不容易受干擾，因為工業(yè)現(xiàn)場的噪聲電壓的幅度可能達到數(shù)V，但是噪聲的功率很弱，所以噪聲電流通常小于nA級別，因此給4-20mA傳輸帶來的誤差非常小;電流源內(nèi)阻趨于無窮大，導線電阻串聯(lián)在回路中不影響精度，因此在普通雙絞線上可以傳輸數(shù)百米;由于電流源的大內(nèi)阻和恒流輸出，在接收端我們只需放置一個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的好處是nA級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(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(zhuǎn)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(jié)省一根線，所以現(xiàn)在基本上將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，這種變送器只需外接2根線，因而被稱為兩線制變送器。工業(yè)電流環(huán)標準下限為4mA，因此在量程范圍內(nèi)，變送器通常只有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號鏈產(chǎn)品、以及低功耗的處理器(如MSP430)對于兩線制的4-20mA收發(fā)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(zhàn)。

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