我们对 RS232、RS485、CAN 等常用的数字信号传输总线并不陌生。然而，对于模拟信号的传输，工业上普遍采用 4~20mA 电流来实现。接下来，我们将系统地探讨模拟量设备为何如此偏爱用 4~20mA 传输信号。
　　4~20mA.DC（1~5V.DC）信号制概述
　　4~20mA.DC（1~5V.DC）信号制是国际电工委员会（IEC）过程控制系统采用的模拟信号传输标准。我国也遵循这一国际标准，仪表传输信号采用 4~20mA.DC，接收信号采用 1~5V.DC，即采用电流传输、电压接收的信号系统。
　　在工业现场，若使用仪表放大器进行信号调理和长线传输电压信号，会面临诸多问题。比如，传输线易受噪声干扰，分布电阻会产生电压降，且现场为仪表放大器提供工作电压也存在困难。为解决这些问题，采用电流传输信号是更好的选择，因为电流对噪声不敏感。4～20mA 的电流环以 4mA 表示零信号，20mA 表示信号的满刻度，低于 4mA 和高于 20mA 的信号用于各种故障报警。
　　4~20mA.DC（1~5V.DC）信号制的优点
　　现场仪表两线制优势：现场仪表可实现两线制，即电源和负载串联，有公共点，现场与控制室仪表之间的信号联络及供电仅用两根电线。信号起点电流为 4mA.DC，为变送器提供了静态工作电流，且仪表电气零点为 4mA.DC，不与机械零点重合，这种 “活零点” 有利于识别断电和断线等故障。此外，两线制便于使用安全栅，利于安全防爆。
　　控制室仪表电压并联传输优势：控制室仪表采用电压并联信号传输，同一个控制系统所属的仪表之间有公共端，便于检测仪表、调节仪表、计算机、报警装置配用，并方便接线。
　　不同距离传输优势：现场与控制室之间距离较远，连接电线电阻较大，若用电压信号远传，会因电线电阻与接收仪表输入电阻的分压产生较大误差。而用恒流源信号作为远传，只要传送回路不出现分支，回路中的电流就不会随电线长短而改变，从而保证了传送的精度。控制室仪表之间联络信号采用 1~5V.DC，便于多台仪表共同接收同一个信号，有利于接线和构成各种复杂的控制系统。若用电流源作联络信号，会存在负载电阻和干扰等问题。将 4~20mA.DC 转换为 1~5V.DC，通常由配电器在电流传送回路中串联一个 250Ω 的标准电阻来完成。　　变送器选择 4~20mA.DC 作传送信号的原因

　　安全考虑：从现场应用的安全角度出发，以防爆安全火花型仪表为考量，需将维持仪表正常工作的静态和动态功耗降低到最低限度。输出 4~20mA.DC 标准信号的变送器，电源电压通常采用 24V.DC，采用直流电压可避免使用大容量的电容器及电感器，只需考虑变送器与控制室仪表连接导线的分布电容及电感，其数值大大低于引爆氢气的数值，对防爆非常有利。
　　电流源优于电压源：由于现场与控制室之间距离远，连接电线电阻大，用电压源信号远传会因分压产生较大误差，而电流源信号作为远传，只要传送回路不分支，回路电流就不受电线长短影响，能保证传送精度。
　　最大电流选择 20mA 的原因：最大电流 20mA 的选择综合考虑了安全、实用、功耗、成本等因素。安全火花仪表需采用低电压、低电流，4~20mA 电流和 24V.DC 对易燃氢气是安全的，24V.DC 下氢气的引爆电流为 200mA，远高于 20mA。同时，还需考虑生产现场仪表之间的连接距离、所带负载、功耗、成本、对电子元件和供电功率的要求等因素。
　　起点电流选择 4mA 的原因：输出为 4~20mA 的变送器以两线制居多，起点信号不是 0mA 主要基于两点。一是变送器电路没有静态工作电流将无法工作，信号起点电流 4mA.DC，不与机械零点重合，这种 “活零点” 有利于识别断电和断线等故障。
　　4~20mA 传感器的由来
　　采用电流信号传输模拟量具有诸多优势。它不容易受干扰，工业现场噪声电压幅度可能达数 V，但噪声功率弱，噪声电流通常小于 nA 级别，给 4－20mA 传输带来的误差非常小。而且电流源内阻趋于无穷大，导线电阻串联在回路中不影响精度，在普通双绞线上可以传输数百米。在接收端，只需放置一个 250 欧姆到地的电阻就可以获得 0－5V 的电压，低输入阻抗的接收器使 nA 级的输入电流噪声只产生非常微弱的电压噪声。
　　上限取 20mA 是出于防爆要求，20mA 的电流通断引起的火花能量不足以引燃瓦斯。下限不取 0mA 是为了能检测断线，正常工作时电流不会低于 4mA，当传输线因故障断路，环路电流降为 0，常取 2mA 作为断线报警值。
　　电流型变送器将物理量转换成 4~20mA 电流输出，有不同的接线方式。最典型的四线制变送器需要两根和两根电流输出线；三线制变送器可将电流输出与电源公用一根线；两线制变送器更为常见，4-20mA 电流本身就可以为变送器供电，变送器在电路中相当于特殊负载，其耗电电流在 4~20mA 之间根据传感器输出而变化，显示仪表只需串在电路中即可。工业电流环标准下限为 4mA，只要在量程范围内，变送器至少有 4mA 供电。
　　虽然 4-20mA 的信号输出一般不容易受干扰而且安全可靠，工业上普遍使用二线制 4-20mA 的电源输出信号，但为了能更好地处理传感器的信号，目前还有更多其它形式的输出信号，如 3.33MV/V、2MV/V、0 - 5V、0 - 10V 等。　　最后，附上一张 4 到 20mA 转电压信号的简单电路图：

　　这张图使用一个 250 欧姆的电阻将 4 到 20mA 的电流信号转换成 1 到 5V 的电压信号，然后使用一个 RC 滤波加一个二极管接到的 AD 转换引脚。图中稳压二极管 DW1－5V 利用其在工作电压达到反向软击穿电压阀值时而导通的特性（不是永久性损坏），将进入单片机 5A60S2 的第 8 脚 P1.7 口的电压限制在 5v 以下，对单片机的采样输入口的输入信号起到钳制作用（将电压限制在 5v 的测量范围以内），同时还对输入口起到保护作用，在电子学上通常将其称为钳位稳压二极管。
　　综上所述，4~20mA 信号传输在模拟量设备中具有独特的优势，这也是模拟量设备偏爱使用它的主要原因。但随着技术的发展，其他形式的信号输出也在不断涌现，以满足不同的应用需求。