2. 模拟信号基础
在工业现场，模拟量信号是传感器、变送器、PLC 与执行器之间传递连续物理量的基础。无论是 4-20mA 电流环，还是 0-10V 电压接口，其背后都离不开三个最基本的电学概念：电压与电流的区别、欧姆定律、基尔霍夫定律，以及信号源与负载的阻抗关系。理解这些内容，才能在设计 I/O 通道时判断信号能否长距离传输、是否会被干扰、负载是否匹配。
一、电压信号与电流信号的本质区别
电压信号是两点之间的电位差，它需要两根导线形成回路，但测量时通常以某一参考点（如 0V 或地）为基准。电流信号则是电荷的定向流动，它必须构成闭合回路才能存在。两者最关键的工程差异在于：电压信号在传输过程中容易因线路电阻分压而衰减，而电流信号在串联回路中处处相等，不易受线路电阻影响。
例如，一个 0-10V 输出接到 100 米外的 PLC 输入，若导线电阻为 10Ω，输入阻抗为 100kΩ，则分压误差约为 0.01%，看似很小；但如果输入阻抗只有 10kΩ，误差就会上升到 0.1%，且长线还容易引入电磁干扰。相反，4-20mA 电流环中，只要回路总电阻不超过变送器的负载能力，电流值在任意位置测量都相同，因此更适合远距离、强干扰的工业现场。
核心结论：电压信号适合短距离、高阻抗输入、低干扰环境；电流信号适合长距离、低阻抗输入、强干扰环境。选择哪种信号，本质上是选择“抗干扰能力”与“接口成本”之间的平衡。
二、欧姆定律：信号链中的基本约束
欧姆定律 U = I × R 是分析模拟信号链的起点。在 4-20mA 回路中，变送器相当于一个受物理量控制的电流源，它输出的电流流经接收端电阻（通常为 250Ω 或 100Ω），在电阻两端产生电压，供 ADC 采集。例如，250Ω 采样电阻在 4mA 时产生 1V，在 20mA 时产生 5V，正好覆盖常见 ADC 的输入范围。
在 0-10V 电压输出中，欧姆定律同样决定负载能力。若输出端串联了 100Ω 线路电阻，而负载输入阻抗为 1MΩ，则负载实际得到的电压几乎等于源电压；但若负载输入阻抗仅为 10kΩ，则线路电阻会分走约 1% 的电压，造成系统误差。因此，设计时必须同时关注源输出阻抗、线路电阻和负载输入阻抗三者之间的关系。
4-20mA 回路示例：
变送器输出电流 I = 12mA
采样电阻 R = 250Ω
采样电压 U = I × R = 12mA × 250Ω = 3.0V
0-10V 输出示例：
源电压 Uo = 10V
线路电阻 Rline = 50Ω
负载输入阻抗 Rin = 100kΩ
负载电压 Uin ≈ Uo × Rin / (Rline + Rin) ≈ 9.995V三、基尔霍夫定律：回路与节点的守恒关系
基尔霍夫电流定律（KCL）指出：流入节点的电流之和等于流出节点的电流之和。在 4-20mA 串联回路中，这一点表现为回路各处电流相等，因此接收端不需要高阻抗输入，反而需要低阻抗采样电阻来“接收”电流。基尔霍夫电压定律（KVL）指出：沿闭合回路，各段电压降之和等于电源电动势之和。它帮助我们计算变送器的最小工作电压。
假设 24V 电源供电，变送器自身需要至少 12V 工作电压，采样电阻 250Ω，线路往返电阻 20Ω。当电流为 20mA 时，回路总压降为：
U_line = 20mA × 20Ω = 0.4V
U_sense = 20mA × 250Ω = 5.0V
U_transmitter_min = 12V
总需求 = 0.4V + 5.0V + 12V = 17.4V < 24V，满足要求如果采样电阻改为 500Ω，则采样电压达到 10V，总需求变为 22.4V，仍可工作但余量很小；若线路更长或变送器功耗更大，就可能超出 24V 电源能力，导致信号上限被压缩。这就是 KVL 在 I/O 信号链设计中的实际意义。
四、信号源与负载：阻抗匹配与驱动能力
信号源是产生模拟信号的设备，如变送器、传感器、DAC 输出；负载是接收信号的设备，如 PLC 模拟输入、记录仪、执行器。理想电压源输出阻抗为零，理想电流源输出阻抗为无穷大。实际工程中，电压输出希望负载输入阻抗远大于源输出阻抗，以减少分压误差；电流输出则希望负载阻抗在允许范围内，且总压降不超过电源能力。
下表总结了两种信号在源、负载和传输特性上的典型差异：
| 对比项 | 电压信号（0-10V） | 电流信号（4-20mA） |
|---|---|---|
| 传输物理量 | 电位差 | 电流 |
| 接收端输入阻抗 | 高阻抗（≥100kΩ） | 低阻抗采样电阻（100-250Ω） |
| 线路电阻影响 | 分压衰减，误差随距离增大 | 回路电流不变，几乎无衰减 |
| 抗干扰能力 | 较弱，易受电磁干扰 | 较强，适合长距离 |
| 断线检测 | 0V 无法区分断线与零信号 | 4mA 以下可判断断线或故障 |
| 典型应用 | 短距离、机柜内、低成本场合 | 长距离、现场变送器、过程控制 |
五、典型场景与常见误区
假设一个温度变送器安装在距离控制柜 200 米的现场，输出 4-20mA 对应 0-100℃。若采用 250Ω 采样电阻，PLC 读到 12mA，则对应 50℃。此时即使线路电阻有 30Ω，电流仍是 12mA，采样电压仍为 3V，温度读数不变。若换成 0-10V 输出，同样 200 米线路，线路电阻 30Ω，PLC 输入阻抗 100kΩ，则负载电压约为 9.997V，误差约 0.03%，看似可接受；但若现场有变频器干扰，电压信号可能叠加几十毫伏噪声，而电流环的噪声电流会被低阻抗采样电阻吸收，影响小得多。
常见误区：① 认为 4-20mA 回路中“电流源输出电流恒定，所以不需要电源电压足够”，忽略 KVL 压降限制；② 把 0-10V 输出直接接到低阻抗负载，导致电压被拉低；③ 在电流回路中串联过高采样电阻，使变送器无法达到 20mA 上限；④ 忽略 4mA 零点用于断线检测的意义，把 0mA 当作正常零信号。
掌握电压与电流的区别、欧姆定律、基尔霍夫定律以及源与负载的阻抗关系，是后续设计 4-20mA 与 0-10V 信号链的基石。只有先判断信号类型、回路压降和负载能力，才能选择合适的采样电阻、电源电压和输入电路，保证模拟量在工业现场稳定、准确地传输。