你聽說過4-20mA電流環這種訊號傳輸方式嗎？

最近筆者在做一個工業上的資料採集裝置來採集感測器的資料，其中有一些感測器採用4-20mA電流環這種資料傳輸方式來傳輸訊號。在幾年前筆者就接觸過4-20mA，所以這次就係統的來整理一下關於4-20mA這種資料傳輸方式的一些要點來和大家分享。

01 先說概念

4-20mA（DC）電流環訊號傳輸方式是國際電工委員會（IEC）在過程控制系統中所制定的模擬訊號標準。儀表系統採用改變環路中電流大小的方式來表示傳輸訊號量。

大家可能會非常熟悉RS232，RS485，CAN等工業上常用的匯流排，他們都是傳輸數字訊號的通訊方式。那麼用什麼方式來傳輸模擬訊號呢？工業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，這些都需要轉換成模擬量電訊號才能傳輸到幾十米外的控制室或顯示裝置上。工業上最廣泛的是用4~20mA電流環來傳輸模擬量。

4-20mA訊號主要用在工業現場進行遠距離模擬訊號的傳輸，遠距離訊號傳輸時考慮到線上的壓降，採用電流傳輸訊號可以避免損失，同時電流訊號不易受到干擾。外界對訊號的干擾來自電磁波，把電磁波當成訊號源，其內阻很大，採用電壓訊號時其負載阻抗也很大一般為運放輸入阻抗，而採用電流訊號時其負載阻抗一般才幾百歐姆，因此根據分壓原理電壓訊號更容易受干擾。

02 為什麼要用4-20mA

1.抗干擾：

通常測量現場與控制室之間的距離都比較遠，如果用電壓源訊號遠傳，當連線電線的電阻較大時，由於電線電阻與接收儀表輸入電阻的分壓，將產生較大的誤差

。

採用電流訊號的原因是不容易受干擾，因為工業現場的噪聲電壓的幅度可能達到數V，但是噪聲的功率很弱，所以噪聲電流通常小於nA級別，因此給4-20mA傳輸帶來的誤差非常小；電流源內阻趨於無窮大，導線電阻串聯在迴路中不影響精度，因此在普通雙絞線上可以傳輸數百米，只要傳送回路不出現分支，迴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。

2.可用兩線制：

現場儀表可實現兩線制（

並非絕對

），所謂兩線制即電源、負載串聯在一起，有一公共點，而現場變送器與控制室儀表之間的訊號聯絡及供電僅用兩根電線。因為訊號起點電流為4mA（DC），為變送器提供了靜態工作電流，同時儀表電氣零點為4mA（DC），不與機械零點重合，這種“活零點”有利於識別斷電和斷線等故障。

3.利於防爆：

安全重點是以防爆安全火花型儀表來考慮的，並以控制儀表能量為前提，把維持儀表正常工作的靜態和動態功耗降低到最低限度。輸出4~20mA（DC）標準訊號的變送器，其電源電壓通常採用直流24V，採用直流電壓的主要原因是可以不用大容量的電容和電感（原因是不再需要升壓），就只需考慮變送器與儀表連線導線所產生的電容及電感。這裡擴充套件一下，2平方毫米的導線其分佈電容為0。05μF/km左右；分佈電感為0。4mH/km左右；大大低於引爆氫氣的數值，顯然這對防爆是非常有利的。

4.傳輸距離遠：

電流訊號適合遠距離傳輸，因為電流訊號不受導線電阻的影響，而電壓訊號在導線本身具有電阻的情況下會分壓，導致測量不精準。當然這個遠距離是相對來說的，一般4-20mA最遠傳送距離控制在100m以內，再遠則建議使用數字訊號來傳輸，比如我上一篇文章提到的RS485通訊方式。

03 為什麼是"4mA"和"20mA"

先來說說為什麼起點電流為4mA而不是0mA。這個原因有兩點，

第一點

是如果採用0mA作為起點的話變送器電路將沒有了靜態工作電流導致無法工作，也就是這個起點的4mA同時是可以作為變送器的靜態工作電流的；

第二點

是起點電流設為4mA的話可以與機械零點不重合，這個4mA零點就很有利於識別感測器損壞、斷電和斷線等故障。

再來說說最大電流為何設定為20mA。這個原因主要是安全、實用、功耗較低。安全火花儀表只能採用低電壓、低電流，4~20mA電流和直流24V對易燃氫氣也是安全的，當電壓為直流24V時氫氣的引爆電流為200mA，遠在20mA以上。此外還要綜合考慮工業現場儀表之間的連線距離，所帶負載，功耗及成本問題，最終設為20mA。

04 簡單的分類

所有4-20mA感測器變送器可按其配置分為三種。

1、2線(環路供電)4-20mA變送器：

環路供電的4-20mA感測器變送器是最具成本效益且最理想的解決方案，可透過2線4-20mA電流回路接收電源並傳輸資料。但是，如果感測器本身消耗超過4mA的，則需要額外的電源，而不是與4-20mA環路電流相結合。

2、4線4-20mA變送器：

當上述所說的2線變送器的功耗過高的時候就需要考慮4線的4-20mA變送器，需要額外加入兩根電源線。

3、3線4-20mA變送器：

3線感測器變送器是4線感測器配置的簡化版本，允許工程師透過將4-20mA電流（資料）迴路與電源迴路分離併為感測器提供足夠的電力來消除一條連線線。

05 電路分享

最簡單的恆流電路：

德州儀器的4-20mA電流環發生器晶片

4-20mA電流環轉電壓

用ADI的儀表放大器AD627來實現電流轉電壓

06 總結

對於4-20mA電流環這種資料傳輸方式筆者也只是使用者而非專業研究者，總結的這篇文章主要目的是讓大家對4-20mA有一個基本的認識，如果需要更深入的研究希望大家多進行實驗，以得到最精確的使用結論。如果大家對於這種通訊方式有更深入的認識與研究歡迎與筆者進行討論，讓我們一起學習一起進步，這也是我在工作之餘做自媒體最想要達到的目標。