4-20mA输出电路

使用背景

工业用的仪器仪表一般处于比较复杂的工作环境中，电压信号容易受到噪声的干扰。

并且电压信号在进行长距离输送时，由于线缆内阻的影响会产生压降，而对于电流而言，则没有影响。因此工业上一般采用电流传递信号。

行业内为此形成了一个模拟输出的标准，即4-20mA。4mA的电流表示传感器或仪器检测的零值，20mA则为满量程值，而小于4mA或者大于20mA的电流则被用于各种故障的报警。

若检测到0mA则说明电路发生了开路故障。

传感器一般由敏感元件、转换元件以及信号调节和转化电路构成。
其中处理的电信号一般为电压信号，因此，在对信号进行远距离传输之前，需要将电压信号转换成电流信号。

最简单的V/A转换电路

V/A转换的功能使用最常用的便是使用运算放大器搭建电路，考虑到运算放大器的输出电流的能力较弱，因此需要加入一个三极管增强电流输出能力。

基于此可以设计出一个最简单的V/A转换电路。

可以看出输入电压和输出的电流之间存在明显的线性关系，所以理论上该方案可行。

Howland电流源

在实际使用中，上述电路的输出电流并不稳定。在工程应用中使用更多的是Howland电流源电路。在童诗白教授所著的《模拟电子技术基础》（第五版）第5.7.1节中给出了Howland电流源的基本电路结构。其结构如下图所示：

而与自身阻值无关。更多关于该电路的细节可以参考《高精度、快速建立的大电流源》而为了增强电路输出电流的能力，可以采用改进型Howland电流源电路，其电路结构图如下：

该电路设计思路结合上面所提到的两个电路，利用三极管增强电路的电流输出能力。同样的该电路需要满足

R 1 = R 2 = R 3 = R 4 R_1=R_2=R_3=R_4 R1=R2=R3=R4这一条件，才能使输出电流满足下式：i O = V I N R 5 i_O=\frac{V_{IN}}{R_5} iO=RV