Sinking型和Sourcing型数字信号I/O接口应用

引言

在控制系统中，一般不可避免地要用到数字输入/输出 模块（板卡），通过与外部设备的连接电路，实现控制系统DI/ O信号的接入/接出及相应控制逻辑。如在某控制系统中，选 用了 NI PXI-6514/6515DI/O板卡，可提供32通道带光耦 Sourcing/Sinking混合型DI,同时，6514亦提供32通道带光 耦达林顿驱动Sourcing型DO, 6515亦提供32通道带光耦 达林顿驱动Sinking型DO。虽然DO通道上电缺省为0,但 可根据逻辑表达需求，软件设置为0或1。

1数字信号线的连接

图1所示是一种光隔离数字输入信号线的连接图，可 以看出，DI通道既可以作为Sinking型使用，也可以作为 Sourcing型来使用。连接电路将外部设备成对数字信号线引 入到板卡接线端子，板卡内接口电路允许电流双向流动。表1 所列是DI接口驱动电路的参数表。

图2所示是光隔离Sourcing Current型数字输出信号 线的连接电路，该电路中，PXI-6514上DO通道只能作为 Sourcing型使用。连接电路将板卡DO接线端子接到外部负载, 板卡内接口驱动电路仅允许电流通过板卡DO接线端子单向 流出。

图3所示是光隔离Sinking Current型数字输出信号线连 接电路，该电路中，PXI-6515上DO通道只能作为Sinking型 使用。连接电路将板卡DO接线端子接到外部负载，板卡内接 口驱动电路仅允许电流经外部负载、信号线、板卡接线端子单 向流入。表2所列是NI PXI-6514/6515 DO接口的驱动电路图。

正确理解 Sinking Current 和 Sourcing Current 的概念是 非常重要的。讨论数字信号输入/输出接口 /连接电路时会经 常使用这些术语。

2原理解析

Sinking Current (灌电流)：即外部电路电流通过芯片引 脚向芯片内灌入。如图4(a)所示，当芯片引脚呈现0 V电平时, LED灯即亮。

Sourcing Current (拉电流)：即芯片内部电流通过引脚从 芯片内流出至外部电路。图4所示是灌电流与拉电流原理图, 在图4(b)中，当芯片引脚呈现高电平时，LED灯即亮。

图5给出了 4种可能的DI/O、Sinking型和Sourcing型 组合连接电路原理。其中如图5(a)描述了一个Sinking型DI。 要正确地连接外部电源，连接电路必须使DI端提供一个到电 源负端的路径。因此，从PLC的板卡DI端子开始，经板卡内 部输入感测电路，最后经其Common端退出，然后连接到外 部电源负极的公共端子上。然后在电源正极和DI端子间接入 一个开关用来表示数字信号逻辑，连接电路完成。电流顺着 箭头的方向流动时，开关闭合。图5中的其余连接电路解析, 这里不再赘述。

比较图5所示的4种连接电路，会发现：

外部电源、连接电路、板卡内部电路等都是针对直流电 路而言，而不是交流，因为涉及到正极、负极极性。比如上述 NI PXI-6514/6515DI/O 板卡，DI/O 支持最大 30 V DC，一般 常选用工业标准24 V DC逻辑电平。

无论Sinking型和Sourcing型DI/O板卡都需要一个 Common公共端即COM端，充当所有DI/O接线端公共回路 的终端。最终，Sinking型DI/O的公共COM端必须接到电 源负端，而Sourcing型DI/O的公共COM端必须接到电源正 端。通俗地说,Sinking型DI/O是共信号地型(共GND)连接， Sourcing型DI/O是共电源型(共VCC)连接。

Sinking型和Sourcing型DI/O只适用于直流输入和输出 电路，只能使用单向信号电流。这意味着它可能连接外部电 源和现场设备到I/O点上，而电流流向错误时，信号将无法传 递。不要在直流Sinking型和Sourcing型DI/O点上使用交流 电源。

针对不同板卡上Sinking型和Sourcing型DO接口电路, 无论其对外驱动能力强弱，均可近似地看做成一个开关通断 型三极管，Sinking型看做成NPN, Sourcing型看做成PNP。 3应用实例

一个最简单的电路，只有一个DO端连接一个DI端。 这样一个电路需要一对电源(VCC)、地(GND)和一个负载 才能工作。那么Sourcing数字IO便为这个电路提供电源, Sinking数字IO为此电路提供信号地，DI为此电路提供负载。

图 6 所示是一"个 Sinking 型 DO 连接一^个 Sourcing 型 DI 的应用实例。Sourcing型DI提供了电源和负载，Sinking型 DO提供了信号地。Sinking型DO通过三极管来控制连接线 上的电平为高电平(+VCC)或是低电平(0 V)。

图7所示是一个Sourcing型DO连接了一个Sinking型 DL那么，Sourcing型DO提供电源，Sinking型DI提供信 号地和负载。Sourcing型DO通过三极管来控制连接线上的 电平为高电平(+VCC)或是低电平(0 V)。

因为在一个完整的电路中必须有一对直流电源和地。所以，或者是将 Sourcing 型 DO 接到 Sinking 型 DI，或者是将Sinking 型 DO 接到 Sourcing 型 DI。如果硬要将同型的 DO和 DI 接到一起，就额外需要外接上拉或下拉电阻，否则就不能正常工作，比较麻烦，较少采用。图 8 所示为一个 Sinking型 DI 接入一个 DO 为 PNP（Sourcing）型的外部设备。

针对 Sinking /Sourcing 组合型 DI/O 接口电路，其综合了Sinking 型和 Sourcing 型的能力，意味着该 DI/O 既可以作为 Sinking 型使用，也可以作为 Sourcing 型使用，其接口电路实质是允许电流在两个方向流动的。如图9 所示，现场设备 PLC 的 NPN(Sinking)/PNP(Sourcing) 组合型 DO 与外部设备 DI的连接电路实例，Common 端连接到电源一个极，DO 点通过现场设备连接到电源的另一个极。这极大地提高了现场设备（PLC）连接电源及匹配不同外部设备的灵活性。

4 结 语

文章对 Sinking Curren（t 灌电流）型和 Sourcing Curren（t 拉电流）型数字信号输入 / 输出接口应用予以简要介绍，在实际工作中，虽然每一控制系统的 DI/O 应用平台千差万别、而且面对的外部设备 ( 负载 )DI/O 接口也是形形色色 ，当我们为控制系统及外部设备选择数字信号输入 / 输出模块接口类型及设计与负载连接电路时，除了考虑电压、电流、功率等匹配外，更要注意灌电流型和拉电流型 DI/O 的区别，使得应用过程中连接电路合理、可靠，逻辑表达清楚、正确。

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