工业中传输模拟量信号的秘密武器：4-20毫安电流解密

在工业自动化领域，数字信号的传输工具如RS232、RS485和CAN等闻名遐迩，但当涉及到模拟量信号时，情况就变得更加复杂。这些非电物理量，如温度、压力、速度和角度，需要通过模拟量转换才能被准确地测量和控制。因此，我们必须选择一种适合工业环境的方法来稳定地传输这些重要信息。

这就是为什么4-20毫安（mA）电流成为行业标准的原因。在这个系统中，一个恒流源输出介于4 mA到20 mA之间，这一范围对应着0至100%的某种物理参数或状态。例如，一台用于测温的变送器会将温度值转换为相应的电流量，以便能够在数百米之外的地方进行监控或控制。

采用电流作为模拟数据传输媒介有几个关键优势：

抗干扰能力强：尽管现场噪声可能达到几伏特，但由于其功率非常低，因此产生的小于纳安级别的噪声电流几乎不会影响精度。

长距离传输：普通双绞线即可实现数百米远距离传输，因为导线内阻与回路中的串联阻抗相比可以忽略不计。

接收端灵活性：由于恒流源的大内阻和恒定的输出，当接收端使用250欧姆抵抗并连接到地时，可以轻易获得0至5伏特之间的直流输入。这意味着，即使是微小纳安级别的小额噪声也仅能产生极小而可忽略的地表波动。

4-20mA当前上限是由防爆要求决定的——任何超过该阈值所引起火花能量都无法足以点燃易燃气体。而下限则没有设定为零，是为了检测故障。当环路断开时，正常运行期间不会降低至零，所以设置了2mA作为断线报警阈值。常见的是四线制变送器，它包含两根供电线和两根用于发送数据的一对线。但实际上，由于它们可以共享供电线（VCC或者GND），现在通常称之为三线制变送器，有助于节省资源。不过，如果变送器本身能够提供必要的心工作业，则只需两个通道，就可以形成两线制，使得设计更为紧凑且具有挑战性。此类应用往往依赖高效率、高容量DC/DC转换器（如TPS54331, TPS54160）、低功耗感知设备以及低功耗处理单元（如MSP430）。

要实现这一目标，你需要一个VI转换器，将输入范围从0至3.3伏特映射到输出范围从4至20毫安。运放LM358是一个常用组件，它可以与+12伏整体供给一起使用，以实现这样的任务。

总结来说，在工业自动化中采用4-20mA作为模拟信号传递方式，不仅因为它有效且经济，而且因为它允许我们构建出既坚固又灵活、适应各种需求的情况下的系统。这是一种巧妙而强大的解决方案，让我们探索更多关于如何利用这种技术来提升我们的生产效率吧！