01 先说概念
4-20mA(DC)电流环信号传输方式是国际电工委员会(IEC)在过程控制系统中所制定的模拟信号标准。仪表系统采用改变环路中电流大小的方式来表示传输信号量。
大家可能会非常熟悉RS232,RS485,CAN等工业上常用的总线，他们都是传输数字信号的通讯方式。那么用什么方式来传输模拟信号呢？工业上普遍需要测量各类非电物理量，例如温度、压力、速度、角度等，这些都需要转换成模拟量电信号才能传输到几十米外的控制室或显示设备上。工业上最广泛的是用4~20mA电流环来传输模拟量。
4-20mA信号主要用在工业现场进行远距离模拟信号的传输，远距离信号传输时考虑到线上的压降，采用电流传输信号可以避免损失，同时电流信号不易受到干扰。外界对信号的干扰来自电磁波，把电磁波当成信号源，其内阻很大，采用电压信号时其负载阻抗也很大一般为运放输入阻抗，而采用电流信号时其负载阻抗一般才几百欧姆，因此根据分压原理电压信号更容易受干扰。
02 为什么要用4-20mA
1.抗干扰：通常测量现场与控制室之间的距离都比较远，如果用电压源信号远传，当连接电线的电阻较大时，由于电线电阻与接收仪表输入电阻的分压，将产生较大的误差。采用电流信号的原因是不容易受干扰，因为工业现场的噪声电压的幅度可能达到数V，但是噪声的功率很弱，所以噪声电流通常小于nA级别，因此给4-20mA传输带来的误差非常小；电流源内阻趋于无穷大，导线电阻串联在回路中不影响精度，因此在普通双绞线上可以传输数百米，只要传送回路不出现分支，回路中的电流就不会随电线长短而改变，从而保证了传送的精度。
2.可用两线制：现场仪表可实现两线制(并非绝对)，所谓两线制即电源、负载串联在一起，有一公共点，而现场变送器与控制室仪表之间的信号联络及供电仅用两根电线。因为信号起点电流为4mA(DC)，为变送器提供了静态工作电流，同时仪表电气零点为4mA(DC)，不与机械零点重合，这种“活零点”有利于识别断电和断线等故障。
3.利于防爆：安全重点是以防爆安全火花型仪表来考虑的，并以控制仪表能量为前提，把维持仪表正常工作的静态和动态功耗降低到最低限度。输出4~20mA(DC)标准信号的变送器，其电源电压通常采用直流24V，采用直流电压的主要原因是可以不用大容量的电容和电感(原因是不再需要升压)，就只需考虑变送器与仪表连接导线所产生的电容及电感。这里扩展一下，2平方毫米的导线其分布电容为0.05μF/km左右；分布电感为0.4mH/km左右；大大低于引爆氢气的数值，显然这对防爆是非常有利的。
4.传输距离远：电流信号适合远距离传输，因为电流信号不受导线电阻的影响，而电压信号在导线本身具有电阻的情况下会分压，导致测量不精准。当然这个远距离是相对来说的，一般4-20mA最远传送距离控制在100m以内，再远则建议使用数字信号来传输，比如我上一篇文章提到的RS485通讯方式。
03 为什么是"4mA"和"20mA"
先来说说为什么起点电流为4mA而不是0mA。这个原因有两点，第一点是如果采用0mA作为起点的话变送器电路将没有了静态工作电流导致无法工作，也就是这个起点的4mA同时是可以作为变送器的静态工作电流的；第二点是起点电流设为4mA的话可以与机械零点不重合，这个4mA零点就很有利于识别传感器损坏、断电和断线等故障。
再来说说最大电流为何设置为20mA。这个原因主要是安全、实用、功耗较低。安全火花仪表只能采用低电压、低电流，4~20mA电流和直流24V对易燃氢气也是安全的，当电压为直流24V时氢气的引爆电流为200mA，远在20mA以上。此外还要综合考虑工业现场仪表之间的连接距离，所带负载，功耗及成本问题，最终设为20mA。
04 简单的分类
所有4-20mA传感器变送器可按其配置分为三种。
1、2线(环路供电)4-20mA变送器：环路供电的4-20mA传感器变送器是最具成本效益且最理想的解决方案，可通过2线4-20mA电流回路接收电源并传输数据。但是，如果传感器本身消耗超过4mA的，则需要额外的电源，而不是与4-20mA环路电流相结合。
2、4线4-20mA变送器：当上述所说的2线变送器的功耗过高的时候就需要考虑4线的4-20mA变送器，需要额外加入两根电源线。
3、3线4-20mA变送器：3线传感器变送器是4线传感器配置的简化版本，允许工程师通过将4-20mA电流（数据）回路与电源回路分离并为传感器提供足够的电力来消除一条连接线。
05 电路分享
最简单的恒流电路：
德州仪器的4-20mA电流环发生器芯片
4-20mA电流环转电压
用ADI的仪表放大器AD627来实现电流转电压
来源：HACK实验室
/3 
