为什么在社会场景中采用4-20毫安电流传输模拟量信号用于fieldbus总线系统
我可能会非常熟悉RS232、RS485和CAN等工业上常用的总线，他们都是传输数字信号的方式。那么，我们用什么方式来传输模拟信号呢？在工业中，人们通常需要测量各种非电物理量，例如温度、压力、速度和角度等，这些都需要转换成模拟量电信号才能通过几百米长的导线到达控制室或显示设备。工业上最广泛采用的方法之一是使用4~20mA电流来传输模拟量。采用这种基于电流的信号传输有几个原因：首先，它们不容易受到干扰，因为尽管工业现场可能存在数V级别的噪声电压，但这些噪声功率很弱，因此它们产生的小于nA级别的噪声电流对4-20mA信号带来的误差非常小；其次，作为输出源，电流源具有极高内阻，使得回路中的普通双绞线上的导线电阻不会影响精度，从而可以在普通双绞线上安全地传输数百米距离；最后，由于这些输出源具有大内阻和恒流输出特性，在接收端，只需一个250欧姆至地之间的简单電阻即可获得0-5V范围内的一致输出，这种低输入阻抗接收器能够有效减少来自nA级别输入电流噪声的大规模放大，从而产生微弱且可控的额外电子谐振。
为什么选择这个具体取值范围，即为何从不使用0mA，而是选择了从4mA开始？这背后的逻辑是为了确保在正常运行时不会因为任何故障导致测量失效。当系统工作正常时，不会下降到这个阈值。如果发生故障，比如连接断开或者其他问题，将导致环路中的当前完全消失，即为零毫安。这一设计允许我们监控是否出现断开的情况，并在必要时进行警报。此外，上限被设定为20mA，是为了遵循防爆要求。在许多情况下，如果超过这个限制，将生成足够强烈以引起火花并引发爆炸气体混合物燃烧。
用于将物理量转换成4~20mA 输出的是称作变送器的事物，它们通常依赖于外部供给，以便提供所需的心脏动力。不过，有一种特殊类型叫做两线制变送器，它通过共享一根供给与返回路径（也就是GND），因此只需要两个物理通道。但事实上，一些现代设计已经实现了仅需两根实际连结——一个用于数据，以及另一个用于供能——使得通信变得更加紧凑和灵活。这项技术对于提高能源效率以及简化安装过程至关重要。
由于标准规定最低当前必须达到4毫安，因此大多数变送器配置为24伏特水平，并且只有当它们处于轻负载状态时才表现出最佳效率。这意味着DC/DC转换器、高效率感应元件以及能够处理低功耗任务的手持计算机（如MSP430）对于支持这样一种设计至关重要。此类需求激励了许多制造商开发专门针对这种应用场景优化产品。
最后，对于那些寻求将0-3.3伏特输入映射到相应4-20毫安范围输出的情形，可以利用运算放大器LM358实现VI转换功能。在这样的应用中，可以充分利用+12伏整体供给，为整个系统提供稳定的能源支持。
