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电压与电流信号的区别 |
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工业上通常用电压 0…5(10)V 或电流 0(4)…20mA 作为模拟信号传输的方法，也是被程
控机经常采用的一种方法。那么电压和电流的传输方式有什么不同，什么时候采用什
么方法，下面将对此进行简要介绍。
电压信号传输比如 0…5(10)V
如果一个模拟电压信号从发送点通过长的电缆传输到接收点，那么信号可能很容易失
真。原因是电压信号经过发送电路的输出阻抗，电缆的电阻以及接触电阻形成了电压
降损失。由此造成的传输误差就是接收电路的输入偏置电流乘以上述各个电阻的和。
如果信号接收电路的输入阻抗是高阻的，那么由上述的电阻引起的传输误差就足够
小，这些电阻也就可以忽略不计。要求不增加信号发送方的费用又要所提及的电阻可
忽略，就要求信号接收电路有一个高的输入阻抗。如果用运算放大器 OP 来做接收方的
输入放大器，就要考虑到此类放大器的输入阻抗通常是小于 <1MΩ 。
原则上，高阻抗的电路特别是在放大电路的输入端是很容易受到电磁干扰从而会引起
很明显的误差。所以用电压信号传输就必须在传输误差和电磁干扰的影响之间寻找一
个折中的方案。
电压信号传输的结论：
如果电磁干扰很小或者传输电缆长度较短，一个合适的接收电
路毫无疑问是可以用来传输电压信号 0…5(10)V 的。
电流信号传输比如 0(4)..20mA
在电磁干扰较强的环境和需要传输较远距离的情况下，多年来人们比较喜欢使用标准
的电流来传输信号。
如果一个电流源作为发送电路，它提供的电流信号始终是所希望的电流而与电缆的电
阻以及接触电阻无关，也就是说，电流信号的传输是不受硬件设备配置的影响的。同
电压信号传输的方法正相反，由于接收电路低的输入阻抗和对地悬浮的电流源（电流
源的实际输出阻抗与接收电路的输入阻抗形成并联回路）使得电磁干扰对电流信号的
传输不会产生大的影响。
电流信号传输的结论：
如果考虑到有电磁干扰比如电焊设备和其他信号发射设备，传
输距离又必须很长，那么电流信号传输的方法是适合这种情况的（模拟信号传输）。
实际上经常采用的电流传输方法有二线制和三线制方法。由于二线制的重要意义，在
这里将主要论述二线制方法，也叫电流回路方法。
电流回路的综合特性
- 简单的使用：如果信号发送电路和相联接的其他电路的工作电流保持常数不变，那
么该工作电流和信号电流就可以通过同一根电缆来传输。人们只需用一个负载取样电
阻，而电流在负载电阻上的电压降就可以作为有用的信号。当然还应该注意工作电压
要足够高，以满足电流回路里所需要的电压降。
- 低廉的成本：与数字信号传输需要一个 AD 转换，一个单片机和一个合适的驱动电路
相比，用简单的电流回路方法，人们只需要一条电缆，一个负载电阻和一个测量电压
表。特别当对测量精度要求高的时候，二者产品成本的差别就更加明显了。
- 错误诊断：4-20mA 电流信号传输的优点除了传输距离远和抗干扰能力强外，还会自
动提供出错信息。在一个经过校准的系统输出零信号时（输出端为电流 4mA），如果
接收到的信号大于零毫安而小于 4 毫安时，就说明此时系统一定有问题。如果接收到
的电流信号为零，那么一定是电缆断了或者信号接收方面出了问题。如果电流信号超
过 20mA 就意味着输入端方面的信号过载或者信号接收方面有问题。
- 长距离传输：传输距离与发送信号端的驱动能力和电缆的电阻以及接收端的测量电
阻（负载电阻）有关。如果在信号传输的电缆中也要安装测量仪表，那么负载电阻还
应该考虑到测量仪表的输入阻抗和监测记录仪表的输入阻抗。这些仪表常常因为成本
低廉和无需外加电源而与集成电路一样共同连接在电流回路中并从4mA 中直接获得工
作电源。因此在电路设计时要考虑到电流源回路的带载能力。
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