工业现场总线传输介质的幽默之选：4-20毫安电流，模拟量信号的小丑

在工业世界中，数字信号的传输方式如RS232、RS485和CAN等如同明星般闪耀，但当我们谈论模拟量信号时，如温度、压力或速度，这些非电物理量如何被转换成可供数百米远程控制室或显示设备接收的形式呢？答案是采用广泛使用的4~20毫安（mA）电流来进行模拟量信号的“滑稽小生”。

为什么选择电流而非其他方式？原因之一是因为它对干扰不敏感。尽管工业环境中的噪声电压可能达到几伏特，但噪声功率通常很弱，因此噪声电流极小，大到nA级别以下，从而给4-20mA传输带来的误差几乎可以忽略不计。此外，由于电流源具有无穷大的内阻，并且恒定输出，在回路中与导线电阻串联不会影响精度，因此即使是在普通双绞线上也能实现数百米距离。

接收端只需一个250欧姆至地的电阻，即可获得0-5伏特（V）的输出。这种低输入阻抗接收器能够有效降低nA级别输入電流噪聲所产生的微弱電壓噪聲。这就是为什么4-20mA如此受欢迎，它既抵御了干扰，又保持了精确性。

为何取上限为20毫安？这背后有着防爆要求：一个断开引起的大约20毫安通断引发火花能量不足以点燃瓦斯。而下限没有设定为0，因为这样可以检测断线。当工作正常时，环路不会低于4毫安，当因故障导致传输线断开时，环路将降至0。一般设定2毫安作为断线报警值。

变送器将物理量转换成标准化的4~20 mA 电流量输出，同时需要外部供货，以便其运行。在最常见的情况下，它们需要两根供货线加上两根用于数据通信和控制功能，而总共需要四根连接。这称作四线制变送器。但是，有一种更高效和节省空间的一种变送器，可以与单一供货源共享一条公共连接，这样就只有三条必要连接。这就是现在广泛采用的三线制变送器。实际上，这种设计非常灵活，只要在正确的情况下提供足够多的问题解决方案，就可以通过适当调整其内部负载，使得整个系统变得更加高效。

最后，我们不得不提及的是，如果我们的目标是最小化资源消耗，那么我们必须考虑使用仅有的两条连接来实现相同任务——这就是两線制變送器所追求的事情。对于这样的应用来说，最好的做法是在设计过程中寻找最高效率DC/DC转换技术，以及那些能够承受长时间运行并且仍然保持性能良好的大容量存储设备。此外，还需要考虑使用低功耗处理单元（如MSP430系列），这些都是为了让整个系统尽可能节能又实用。在这个挑战性的设计领域里，每一步都必须谨慎考究，以确保最终产品既经济又符合预期标准。如果你正在寻找一种创新的方法来解决你的问题，你可能会发现，将VI转换操作委托给专门设计出来的一个运放LM358或者类似品是一个值得深入探讨的话题。