现场总线大侠揭秘4-20毫安电流的模拟量传输之谜
工业现场总线大侠：揭秘4-20毫安电流的模拟量传输之谜！
在工业应用中，数字信号的传输是常见的事情，比如RS232、RS485和CAN等。然而，当我们需要测量那些非电物理量，如温度、压力、速度或角度时，这些数据就必须转换成模拟信号才能通过数百米的距离到达控制室或者显示设备。这时候，4-20mA电流被广泛采用来传输这些模拟数据。
那么，为什么选择用4-20mA这种方式呢？答案很简单，因为它不容易受到干扰。在一个充满噪声的地方，即使有几伏特的噪声电压，它所带来的功率通常非常小，所以导致的是微弱的小于纳安级别的噪声电流。这样，即便是在普通双绞线上也能安全无忧地传输数百米远的距离。
而且，由于电流源具有极高内阻和恒定输出，因此，在接收端，只需连接一个250欧姆到地之间的小块电阻，就可以得到0至5伏特之间的稳定输出。这种低输入阻抗接收器对nA级别的输入噪声几乎没有反应，这样即使在高噪环境下，也不会影响精度。
为何上限选取为20毫安而不是更高？原因是为了遵守防爆要求。如果通断引起了火花，那么火花产生足够多能量以点燃瓦斯的话，那将是一个灾难。而设置下限为4毫安，则意味着即使系统出现故障或线路断开，也会产生足够强大的回路当前以发出警报。
实际操作中，我们使用变送器将物理量转换成4至20毫安范围内的一条固定流量，然后这个变送器自己需要外部供给交流直流（AC/DC）转换器作为其工作所需。最常见的是四根导线——两根供电及两根信号，但由于可以共享一条供给线，可以减少到三根或甚至仅需两根导线，从而简化安装和维护过程。此外，一些设计还允许变送器自我提供必要的大约24伏特DC供货，而另一方面，它们能够处理轻负载条件下的高效率DC/DC转换器（比如TPS54331, TPS54160），以及低功耗传感器和信号链产品，以及低功耗处理单元（MSP430）。
总结来说，工业中的模拟信号传输通常依赖于可靠性强且抗干扰能力好的方法之一就是使用4-20mA标准，并通过适当设计确保我们的系统既有效又经济实惠。这就是为什么人们经常说“2 wires is better than 3 or 4”。
