工业现场有许多过程控制系统，从简单的流量控制到复杂的电网，从环境控制系统到炼钢厂过程控制，这些控制系统由很多模块组成如中央处理单元，输入模块，模拟量输出，数字量输出，电源等等。不同模块之间需要进行数据通信，在众多现代通信方式中，还有一类相对古老的通信方式显得比较特殊，这就是4-20mA电流环。4-20mA电流环(current loop)是一种模拟通信方式，与各种现代数字通信方式相比，它不需要复杂的编码、解码工作，通信方式简单;由于电流环与生俱来的抗干扰能力，在噪声环境复杂的工业现场具有很高的可靠性;同时，4-20mA电流环通信又有比较可靠的故障诊断功能。所以，设计人员认为，这种通信和控制方式还会继续使用很多年。
4-20mA电流环功能
的零电平信号采用4mA大小的电流表示，满量程采用20mA电流表示，因此得名“4-20mA电流环(current loop)”。4mA以下的电流输出用来进行故障诊断功能，20mA以上电流被认为是超量程输出。不同电流输出的具体含义如下表所示。
电流输出 mA状态
0.0单元故障
0.8单元预热
1.2零点漂移故障
1.6校准故障
2.0单元生产(跨接)
2.2单元调零
4.0-20.0常规测量模式
4.0零气体级别
5.6满量程的10%
8.0满量程的25%
12.0满量程的50%
16.0满量程的75%
20.0满量程
＞20.0超量程
4-20mA电流环电路实现
前面已经提到，4-20mA电流环的实现形式多种多样，下面介绍几种比较常用的电路实现。
下图为最简单的电压控制电流源实现形式，由运算放大器U1A，扩流MOSFET Q1，检流电阻R6构成一个典型的电流反馈电路结构，由电阻R6和运算放大器正向输入电压决定了电路输出电流的大小，即I0=Vi+/R6。 电路中的其他器件为起辅助作用，用于提高电路性能。如稳压二极管将12V输入电压再进一步进行降压稳压，电阻R2，R3用于限制VR1两端电压。D1给运算放大器提供一个负压，保证其最低输出可以下降到0V。D3、C2用来保护MOSFET，同时C2还可以防止MOSFET发生振荡。 细心的朋友可能已经发现，上面的电路存在一个问题，发送器的电流输出在高端，即发送器和接收器是不共地的。这在某些场合会存在问题。下图的电路通过增加一级电流转换电路，将电流源输出改为低端输出。除了上述两种由分立器件构成的电压控制电流源电路外，目前各大IC厂商也都推出了自己的4-20mA集成解决方案。如ADI公司的AD420/421系列，AD5410/5420系列，TI公司的XTR110系列等。
如下图为AD5410/5420系列内部结构图，其实现原理与分立器件构成的电路相似，但由于单芯片集成了DAC、压控制电流源电路，为设计都提供了4-20mA电流环单芯片解决方便，大大简化了设计复杂度，提高电路的可靠性。而下图所示为TI公司XTR111内部结构框图，这种电路非常适合与传感器输出直接相连构成标准的4-20mA变送器。
