在长时间的模拟传输中，为什么电流信号优于电压信号？

有些传感器的作用就像电流源，我已经看过好几次了，特别是对于很长的电线，即使在户外，例如风向标。例如，使用4-20 mA电流环路代替0-10 V电压。

对此的物理解释是什么？当前如何更具优势？

（我还想从EMI干扰方面考虑，电流环路信号是否更具免疫力，为什么呢？）

请通过使用电路图，带有某些组件的电压电流源来解释此概念。在两种情况下共模干扰如何耦合，等等，以及为什么电流环路不受噪声影响。

编辑：

阅读答案后，这是我的理解（单击以查看仿真图和相应的图）：

我将共模Vcm干扰应用于所有情况。

在最上面的第一个图中，阻抗为1Giga Ohm的电流源通过不平衡/不平衡电缆传输，即使接收器是单端的，输出也不受噪声影响。（1G欧姆会使噪声变小，Rcur越小，接收器处的噪声就越大）

在中间的图中，电压源通过不平衡电缆传输，接收器为单端，输出噪声很大。

在下图中，电压源通过平衡电缆传输，接收器采用差分端连接，消除了共模噪声。

我的结论/模拟是否正确，可以代表这个问题？

实际上，对于抗干扰性而言，重要的是干扰信号的功率。

即，阻抗几乎为零的输入端的电流信号与阻抗几乎为无限的输入端的电压信号一样差。

所需要的是具有非零以及非无限阻抗的接收器，以使信号涉及一些功率。
即

• 如果信息编码为电压，则仍然会有一些电流流入接收器，
• 如果信息编码为电流，则接收器两端仍应有一些电压。

因此，这两种情况都是相似的，但是您只需要确定将信号编码为电压还是电流是更好的方法（另一种方法可以编码为功率）。出于测量目的，电压或电流信号最为合适。

一条用于电流信号的好的电线只需要确保没有电流丢失（或插入），即理想情况下没有泄漏，即完美的隔离。在实践中，这可以很好地完成。

一条用于电压信号的好的电线需要确保没有电压损失，即理想情况下没有电压降，沿电线具有理想的电导率。除非您使用超导体，否则在实践中几乎是不可能完成的。

^{模拟此电路 –使用CircuitLab创建的原理图}

在任何情况下，接收器电阻都应远高于0且远低于无穷大。
隔离电阻实际上几乎是无限的。
串联电阻为0几乎是不可能的。

因此，如果信号必须沿着电线向下传送一定距离，则最好使用电流信号而不是电压信号。

电流很大，因为它在导体的所有部分都相等。也就是说，如果您从一侧推入15 mA，即使距离200 m，另一侧也看到15 mA。这非常容易感知，并使数据传输可靠。

电压不一样。如果您的导体具有高阻抗并且存在电气干扰，则您的输入电压信号将降低，并且有效电压可能不会到达另一端。

噪声抗扰性来自于电流环路是低阻抗系统的事实。请参阅此处，这很重要：为什么高阻抗电路对噪声更敏感？

当前信令在不同情况下具有不同的优势，因此有几个不同的答案。

在低频信令的情况下。

恒定电流源（发送器）的阻抗很高（而CV的阻抗很低）。因此，当您输入相当高的串联电阻时，它没有任何作用：CC源已经超高，几百/千个额外的欧姆会产生什么作用？同样，当您将噪声耦合到电缆（C1,2）中时，高电源R意味着两条线都会一起向上和向下-这是共模噪声，对电流没有影响。同时，接收端的R较低。这可以抑制任何电容耦合噪声，并且坚固耐用。

电压系统则相反。源应具有非常低的阻抗。R系列很重要。rx必须具有很高的输入阻抗，否则您将获得一个分压器。它将以电容方式拾取噪声，并易于损坏。电容注入的噪声流经RSource，您在接收器处得到差分电压。

^{模拟此电路 –使用CircuitLab创建的原理图}

在高频信令的情况下（例如视频）

电流环路在电缆的两侧均具有基本恒定的电压。因此，电缆两端的电容不会通过任何电流，也不会产生任何影响。信号不受电缆C的影响，也不受添加的C的影响，以防止噪声和emi。由于不必驱动C，因此使用的功率要少得多。

就我而言，这是在几种情况下选择电流环路的两个主要原因：

• 您无需担心电线的长度/电阻。您可以将3m的导线更改为50m的导线，更改其电阻，信号将是相同的（当然，只要信号源可以提供足够的电压/功率即可）。
• 您可以检测到损坏和故障。如果获得0mA电流，则表明传感器或导线断了。使用电压环路不是很容易找出。

关于EMI，它不会在大多数情况下受到影响。EMI通常以很高的频率出现，比信号变化快得多，因此可以对其进行滤波。

而且，这似乎与使用3-15psi范围的旧气动控制系统有关。

关于模拟信号要记住的其他事情是能够集成HART通信协议的能力。HART（高速公路可寻址远程变送器）是一种数字信号，它覆盖在模拟信号之上，从而允许通过同一条布线发送其他信息。如今，大多数智能工业仪器都具有HART功能。因此，其好处远不只是电压降和EMI。