揭秘模拟电压和电流：优势与应用对比

　　它能够传输与可变特性相关的信号，这与离散控制仅传输开 / 关信号有着明显的区别。然而，对于众多新手用户以及技术人员而言，不同信号标准之间的差异往往会造成理解上的混乱。接下来，我们将深入比较模拟电压和电流这两种常见的模拟信号类型。
　　两种模拟信号类型
　　模拟信号主要分为电压和电流两种类型。在这两种类型中，各自都存在不同的数字范围，并且电压和电流这两种总体类别在各种传感器中都广泛存在。很多时候，人们理解模拟信号存在困难，这通常与他们了解控制系统的方式有关。当人们开始 STEM 或工程教育时，可能会在 PLC 出现在工作台上之前，就借助微处理器（例如常见的 Arduino 或 Raspberry Pi 平台）开启可编程控制的学习之旅。这些微处理器通常使用模拟电压输入，其范围一般为 0 - 5 或 0 - 3.3 伏。所以，人们在职业生涯初期就开始学习如何测量分压器上的可变电压，这也成为连接模拟输入的标准过程。但当进入实际的现实世界车间（或者在 PLC I/O 类课程中，如果幸运的话），就会面临一个现实，即大量模拟信号实际上提供的是电流。然而，在以往的培训中，恒压电源是讨论的重点，而恒流电源几乎未被提及。
　　模拟电流信号的优点
　　当进入自动化车间后，会发现模拟电流信号具有一个主导性的特征，那就是可靠性。在自动化系统中，如果传感器和控制器之间的信号丢失或改变，这是完全不可接受的。而且，即使成本存在差异（通常差异较小），也会被输出质量的差异所掩盖。在这两方面，电流信号占据明显优势。
　　信号丢失检测：模拟电流信号的一个重要优点是能够保证传感器信号到达控制器。工业传感器常见的电流标准范围是 4 - 20 mA，这意味着即使过程变量处于值，电路上仍有低于阈值的电流在传输。如果电流降至 0 mA，控制系统能够检测到接线故障，这相当于内置了诊断工具。此外，如果电流输出超过 20 mA，模拟输入卡通常允许稍微提高输入感应范围，该范围可被检测为过高值，同时能将电流保持在人类交互的安全阈值以下（许多研究表明，高于 25 mA 会导致严重的、有时甚至是致命的呼吸肌并发症）。
　　信号质量保持：信号降级比完全断开的信号更为常见。在实际应用中，信号线通常与机器一起铺设，这些机器会在电线上施加不稳定的感应电压（EMI 效应）。当这种情况发生时，控制器不会检测到故障，而是检测到过程变量的变化，从而错误地调整输出信号。而当使用恒流电源时，当流过导线的电流因外部因素而升高或降低时，传感器的电压将快速响应。这种响应速度通常足够快，使得控制器可以滤除原因和纠正之间的短尖峰。此外，EMI 并非的问题，电线的尺寸和长度也会影响电路的电阻。模拟恒流源能够提高自身的电压来克服电阻的增加，并继续提供适当的电流。从某种程度上说，它就像一个闭环控制信号，会随着外部因素对系统的影响而增加或减少输出。
　　模拟电压信号的优点
　　尽管电流信号具有一些战略优势，但电压信号仍然有其存在的原因。
　　设备简单性：之前提到的那些使用分压器读取变化信号的小型微处理器，因其价格便宜且易于创建而被广泛应用。这在电位计中体现得尤为明显，电位计是一种常见的工业旋钮，用于调节电机速度、设定点和其他属性。只需 3 条电线即可将其连接到模拟控制器，无需额外组件。而将该设备转换为恒流模拟信号则既困难又耗时。大多数传感器（将物理特性转换为电信号的设备）会改变通过电路的电流或电阻。如果这在 4 - 20 mA 范围内不方便，则需要添加放大器和稳压器。相比之下，将该简单传感器与单个固定电阻器配对，就可以创建 0 - 10 伏的理想分压器。
　　易于测量：尽管可靠性在很多情况下是重要因素，但在某些情况下可能并非关键问题。如果信号线较短且不受干扰影响，我们可以选择在出现故障时容易排查和更换的信号。电压很容易用电压表测量，因为这种连接是仪表引线和负载线之间的高阻抗并联连接。而载流电线需要极其灵敏的霍尔效应非接触式传感器，否则在连接在线电流表时必须断开电路。显然，断开电路对于运行操作来说不太理想。
　　电压和电流哪个更好？
　　如同许多工业标准辩论一样，很难明确指出模拟电压和电流哪个更优。准确的说法是，对于任何一个系统，两者都可能具有巨大的优势，因此需要彻底了解如何安装、排除故障以及围绕任一系统进行设计。尽管电压和电流信号都存在，但 4 - 20 mA 标准对于自动化传感设备来说更为常见。如果您的经验仅涉及电压信号，那么投入时间研究当前的信号标准将是有益的。通过正确的设计选择，您能够设计出尽可能完美的系统，以平衡信号可靠性与故障排除的简易性，从而设计出具有弹性、面向未来的控制系统。