1）为什么使用4-20mA电流环

在远距离、复杂的工业现场，常常需把远距离之外的信号采集回来，通常需要考虑几个问题：

第一，如果直接将采集的电压信号通过长线传输，信号在传输线上会受到噪声干扰；

第二，超长的导线上会有不少压降，影响传输精度；

第三，如何为远端的采样电路提供电源，是个棘手的问题。

为了解决上述问题，我们可以使用电流来传输信号，4-20mA电流环就是应用于这一场景的标准。我们看看电流传输是如何解决上述问题的：

第一，如果传输电流信号，接收端的阻抗可以很小，所以噪声干扰不容易耦合进来；

第二，电流信号在整个环路上任何一个地方测量都是一样的，再长的线也不会有精度损失；

第三，使用电流传输，远端可以通过传输线上的电流取电，不用额外提供电源。

4-20mA电流环在结构上，一般由两部分组成，即变送器和接收器。变送器一般位于远端，直接获取现场的传感器信号；而接收器一般位于计算机端，用于采集、存储信号。

4mA表示零信号，20mA表示满量程信号，4~20mA就能表示出一个模拟量。之所以不采用0mA作为零信号，是因为如果传输线断开，那么接收端可能错误地认为变送器在一直发送零信号；另一方面，传输线上保持一直有电流，则使得变送器从信号线上取电成为可能，这就是2线制电流环的设计理论基础。

4-20mA电流环有两种类型：2线制、3线制，下面分别介绍一下它们的原理。

2）3线制电流环工作原理

先讲容易理解的3线制电流环。

如图所示，（图中箭头为电流方向，红色为4-20mA电流信号线）

接收器和变送器之间有3根线，其中有两根是VCC和GND，用于接收器给变送器供电；还有一根就是用来传输4-20mA电流信号的。

变送器端通过VCC和GND获取电源，在采集了传感器信号后，将信号转为4-20mA的电流信号，传输回接收端，接收端用电阻采样即可。

3）2线制电流环工作原理

基本原理如下图所示：（图中箭头为电流方向，红色为4-20mA电流信号线）

二线制4-20mA电流环，变送器和接收器之间只有两根线连接，这一对线既是信号传输线，也是接收端为远端变送器提供电源的供电线。

接收器提供VCC电源；变送器通过线上的电流获取电源，用于其内部的各电路工作，采集传感器信号、并将该信号用来控制线上的电流；接收器接收线上的电流信号并采样。

两线制的电流环由于变送器的电源取自于4-20mA的电流信号，所以，要求变送器在最低电流4mA时也要能够正常工作，一般还要求留有一定余量，设计为不大于3.5mA。所以相对于3线制，2线制的优缺点都很明显，优点是能节省一根导线，缺点是设计复杂，整个电路工作的最大电流不能超过3.5mA。

4）变送器电路实例

变送器设计时，可以使用运放和电源芯片自行设计，也可以使用成熟的4-20mA专用芯片。

以专用芯片AM462为例，三线制的变送器端电路，可以如下设计：

对外三个接线点为图右侧的VS、Ground、Iout，内部从Vinp处输入待采集的信号。RL是接收器的采样电阻。

两线制的变送器端电路，可以如下设计：

对外两个接线点为图右侧的VS、Iout，内部从Vinp处输入待采集的信号。RL是接收器的采样电阻。

注意，图中的GND是变送器端的“地”，Ground是接收器端的“地”，二者的电位是不同的。两线制变送器端的GND点电位不是固定的，由于受采样电阻的影响，该点位会随着电流大小而改变。

更详细的参数计算过程，可以参见AM462的数据手册。

好了，本节4-20mA的一些基础知识就讲完了。

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