Sinking型和Sourcing型數字信號I/O接口應用

段寶利+徐曉東

摘 要：當為控制系統選擇數字信號輸入/輸出模塊的接口類型時，正確理解Sinking Current（灌電流）和Sourcing Current（拉電流）的概念是非常重要的。討論數字信號輸入/輸出接口/連接電路時會經常使用這些術語，在設計與負載連接的電路時，除了考慮電壓、電流、功率等匹配外，更要注意灌電流型和拉電流型DI/O的區別，以使得連接電路更合理、可靠，邏輯表達更清楚和正確。

關鍵詞：數字信號輸入/輸出；灌電流/吸入電流；拉電流/流出電流；公共端；現場設備；負載

中圖分類號：TN919.3 文獻標志碼：A 文章編號：2095-1302（2014）03-0049-03

0 引 言

在控制系統中，一般不可避免地要用到數字輸入/輸出模塊（板卡），通過與外部設備的連接電路，實現控制系統DI/O信號的接入/接出及相應控制邏輯。如在某控制系統中，選用了NI PXI-6514/6515DI/O板卡[1]，可提供32通道帶光耦Sourcing/Sinking混合型DI，同時，6514亦提供32通道帶光耦達林頓驅動Sourcing型DO，6515亦提供32通道帶光耦達林頓驅動Sinking型DO。雖然DO通道上電缺省為0，但可根據邏輯表達需求，軟件設置為0或1[2]。

1 數字信號線的連接

圖1所示是一種光隔離數字輸入信號線的連接圖，可以看出，DI通道既可以作為Sinking型使用，也可以作為Sourcing型來使用。連接電路將外部設備成對數字信號線引入到板卡接線端子，板卡內接口電路允許電流雙向流動。表1所列是DI接口驅動電路的參數表。

圖1 光隔離數字輸入信號線連接圖

表 1 NI PXI-6514/6515 DI接口驅動電路參數參數 最小 最大

輸入邏輯低電平（VIL） 0 V DC ±4 V DC

輸入邏輯高電平（VIH） ±11 V DC ±30 V DC

高電平每通道最大通過能力（IIH） 4.5 mA/line 12.5 mA/line

圖2所示是光隔離Sourcing Current型數字輸出信號線的連接電路，該電路中，PXI-6514上DO通道只能作為Sourcing型使用。連接電路將板卡DO接線端子接到外部負載，板卡內接口驅動電路僅允許電流通過板卡DO接線端子單向流出。

圖2 光隔離Sourcing Current型數字輸出信號線連接電路

圖3所示是光隔離Sinking Current型數字輸出信號線連接電路，該電路中，PXI-6515上DO通道只能作為Sinking型使用。連接電路將板卡DO接線端子接到外部負載，板卡內接口驅動電路僅允許電流經外部負載、信號線、板卡接線端子單向流入。表2所列是NI PXI-6514/6515 DO接口的驅動電路圖。

圖3 光隔離Sinking Current型數字輸出信號線連接電路圖

表2 NI PXI-6514/6515 DO接口驅動電路參數

環境溫度 PXI-6514

所有DO線 PXI-6514

單個DO線/Port PXI-6515

所有DO線 PXI-6515

單個DO線/ Port

35 ℃ 75 mA 350 mA 125 mA 500 mA

45 ℃ 75 mA 350 mA 120 mA 500 mA

55 ℃ 75 mA 350 mA 100 mA 500 mA

正確理解Sinking Current和Sourcing Current的概念是非常重要的。討論數字信號輸入/輸出接口/連接電路時會經常使用這些術語。

2 原理解析

Sinking Current（灌電流）：即外部電路電流通過芯片引腳向芯片內灌入。如圖4（a）所示，當芯片引腳呈現0 V電平時，LED燈即亮。

Sourcing Current（拉電流）：即芯片內部電流通過引腳從芯片內流出至外部電路。圖4所示是灌電流與拉電流原理圖，在圖4（b）中，當芯片引腳呈現高電平時，LED燈即亮。

（a）Sinking Current（灌電流） （b）Sourcing Current（拉電流）

圖4 灌電流與拉電流原理圖

圖5給出了4種可能的DI/O、Sinking型和Sourcing型組合連接電路原理。其中如圖5（a）描述了一個Sinking型DI。要正確地連接外部電源，連接電路必須使DI端提供一個到電源負端的路徑。因此，從PLC的板卡DI端子開始，經板卡內部輸入感測電路，最后經其Common端退出，然后連接到外部電源負極的公共端子上。然后在電源正極和DI端子間接入一個開關用來表示數字信號邏輯，連接電路完成。電流順著箭頭的方向流動時，開關閉合。圖5中的其余連接電路解析，這里不再贅述。

（a）Sinking Current型DI （b）Sinking Current型DO

（c）Sourcing Current型DI （d）Sourcing Current型DO

圖5 Sinking型和Sourcing型DI/O連接電路原理圖

比較圖5所示的4種連接電路，會發現：

外部電源、連接電路、板卡內部電路等都是針對直流電路而言，而不是交流，因為涉及到正極、負極極性。比如上述NI PXI-6514/6515DI/O板卡，DI/O支持最大30 V DC，一般常選用工業標準24 V DC邏輯電平。

無論Sinking型和Sourcing型DI/O板卡都需要一個Common公共端即COM端，充當所有DI/O接線端公共回路的終端。最終，Sinking型DI/O的公共COM端必須接到電源負端，而Sourcing型DI/O的公共COM端必須接到電源正端。通俗地說，Sinking型DI/O是共信號地型（共GND）連接，Sourcing型DI/O是共電源型（共VCC）連接。

Sinking型和Sourcing型DI/O只適用于直流輸入和輸出電路，只能使用單向信號電流。這意味著它可能連接外部電源和現場設備到I/O點上，而電流流向錯誤時，信號將無法傳遞。不要在直流Sinking型和Sourcing型DI/O點上使用交流電源。

針對不同板卡上Sinking型和Sourcing型DO接口電路，無論其對外驅動能力強弱，均可近似地看做成一個開關通斷型三極管，Sinking型看做成NPN，Sourcing型看做成PNP。

3 應用實例

一個最簡單的電路，只有一個DO端連接一個DI端。這樣一個電路需要一對電源（VCC）、地（GND）和一個負載才能工作。那么Sourcing數字IO便為這個電路提供電源，Sinking數字IO為此電路提供信號地，DI為此電路提供負載。

圖6所示是一個Sinking型DO連接一個Sourcing型DI的應用實例。Sourcing型DI提供了電源和負載，Sinking型DO提供了信號地。Sinking型DO通過三極管來控制連接線上的電平為高電平（+VCC）或是低電平（0 V）。

圖6 Sinking型DO與Sourcing型DI連接電路

圖7所示是一個Sourcing型DO連接了一個Sinking型DI。那么，Sourcing型DO提供電源，Sinking型DI提供信號地和負載。Sourcing型DO通過三極管來控制連接線上的電平為高電平（+VCC）或是低電平（0 V）。

圖7 Sourcing型DO與Sinking型DI連接電路

因為在一個完整的電路中必須有一對直流電源和地。所以，或者是將Sourcing型DO接到Sinking型DI，或者是將Sinking型DO接到Sourcing型DI。如果硬要將同型的DO和DI接到一起，就額外需要外接上拉或下拉電阻，否則就不能正常工作，比較麻煩，較少采用。圖8所示為一個Sinking型DI接入一個DO為PNP（Sourcing）型的外部設備[3]。

圖8 Sinking型DI接入外部設備PNP（Sourcing）型DO

的三線連接電路

針對Sinking /Sourcing組合型DI/O接口電路，其綜合了Sinking型和Sourcing型的能力，意味著該DI/O既可以作為Sinking型使用，也可以作為Sourcing型使用，其接口電路實質是允許電流在兩個方向流動的。如圖9所示，現場設備PLC的NPN（Sinking）/PNP（Sourcing）組合型DO與外部設備DI的連接電路實例[4]，Common端連接到電源一個極，DO點通過現場設備連接到電源的另一個極。這極大地提高了現場設備（PLC）連接電源及匹配不同外部設備的靈活性。

4 結 語

文章對Sinking Current（灌電流）型和Sourcing Current（拉電流）型數字信號輸入/輸出接口應用予以簡要介紹，在實際工作中，雖然每一控制系統的DI/O應用平臺千差萬別、而且面對的外部設備（負載）DI/O接口也是形形色色[5]，當我們為控制系統及外部設備選擇數字信號輸入/輸出模塊接口類型及設計與負載連接電路時，除了考慮電壓、電流、功率等匹配外，更要注意灌電流型和拉電流型DI/O的區別，使得應用過程中連接電路合理、可靠，邏輯表達清楚、正確。

參 考 文 獻

[1]美國國家儀器.NI 651x Specifications[R].2009.

[2]美國國家儀器.DAQ，NI 651x User Manual[R].2009.

[3]美國國家儀器.Motion Control，NI Universal Motion Interface （UMI）-7774/7772User Manual[R].2004.

[4]嚴盈福.觸摸屏與PLC入門[M]. 北京：人民郵電出版社，2006.

[5]吳曉.計算機工業控制技術[M].廈門：廈門大學出版社，2006.

Application of I/O interface for Sinking and Sourcing digital signal

DUAN Bao-li， XU Xiao-dong

（China Aircraft Strength Research Institute， Xian 710065， China）

Abstract： It is important to comprehend the concept of Sinking Current and Sourcing Current when choosing the DI/O module interface type for control system. Both of these are frequently used when discussing digital signal input/output interface and connect circuit. When the circuit connected to the load is designed， it should be paid great attention to the difference of DI/O between Sinking Current and Sourcing Current， besides considering the matching of voltage， current， and power， to ensure the connect circuit logical and reliable.

Keywords： DI/O （Digital signal Input/Output）； Sinking Current； Sourcing Current； COM； field device； load

Sinking型和Sourcing型DI/O只適用于直流輸入和輸出電路，只能使用單向信號電流。這意味著它可能連接外部電源和現場設備到I/O點上，而電流流向錯誤時，信號將無法傳遞。不要在直流Sinking型和Sourcing型DI/O點上使用交流電源。

針對不同板卡上Sinking型和Sourcing型DO接口電路，無論其對外驅動能力強弱，均可近似地看做成一個開關通斷型三極管，Sinking型看做成NPN，Sourcing型看做成PNP。

3 應用實例

一個最簡單的電路，只有一個DO端連接一個DI端。這樣一個電路需要一對電源（VCC）、地（GND）和一個負載才能工作。那么Sourcing數字IO便為這個電路提供電源，Sinking數字IO為此電路提供信號地，DI為此電路提供負載。

圖6所示是一個Sinking型DO連接一個Sourcing型DI的應用實例。Sourcing型DI提供了電源和負載，Sinking型DO提供了信號地。Sinking型DO通過三極管來控制連接線上的電平為高電平（+VCC）或是低電平（0 V）。

圖6 Sinking型DO與Sourcing型DI連接電路

圖7所示是一個Sourcing型DO連接了一個Sinking型DI。那么，Sourcing型DO提供電源，Sinking型DI提供信號地和負載。Sourcing型DO通過三極管來控制連接線上的電平為高電平（+VCC）或是低電平（0 V）。

圖7 Sourcing型DO與Sinking型DI連接電路

因為在一個完整的電路中必須有一對直流電源和地。所以，或者是將Sourcing型DO接到Sinking型DI，或者是將Sinking型DO接到Sourcing型DI。如果硬要將同型的DO和DI接到一起，就額外需要外接上拉或下拉電阻，否則就不能正常工作，比較麻煩，較少采用。圖8所示為一個Sinking型DI接入一個DO為PNP（Sourcing）型的外部設備[3]。

圖8 Sinking型DI接入外部設備PNP（Sourcing）型DO

的三線連接電路

針對Sinking /Sourcing組合型DI/O接口電路，其綜合了Sinking型和Sourcing型的能力，意味著該DI/O既可以作為Sinking型使用，也可以作為Sourcing型使用，其接口電路實質是允許電流在兩個方向流動的。如圖9所示，現場設備PLC的NPN（Sinking）/PNP（Sourcing）組合型DO與外部設備DI的連接電路實例[4]，Common端連接到電源一個極，DO點通過現場設備連接到電源的另一個極。這極大地提高了現場設備（PLC）連接電源及匹配不同外部設備的靈活性。

4 結 語

文章對Sinking Current（灌電流）型和Sourcing Current（拉電流）型數字信號輸入/輸出接口應用予以簡要介紹，在實際工作中，雖然每一控制系統的DI/O應用平臺千差萬別、而且面對的外部設備（負載）DI/O接口也是形形色色[5]，當我們為控制系統及外部設備選擇數字信號輸入/輸出模塊接口類型及設計與負載連接電路時，除了考慮電壓、電流、功率等匹配外，更要注意灌電流型和拉電流型DI/O的區別，使得應用過程中連接電路合理、可靠，邏輯表達清楚、正確。

參 考 文 獻

[1]美國國家儀器.NI 651x Specifications[R].2009.

[2]美國國家儀器.DAQ，NI 651x User Manual[R].2009.

[3]美國國家儀器.Motion Control，NI Universal Motion Interface （UMI）-7774/7772User Manual[R].2004.

[4]嚴盈福.觸摸屏與PLC入門[M]. 北京：人民郵電出版社，2006.

[5]吳曉.計算機工業控制技術[M].廈門：廈門大學出版社，2006.

Application of I/O interface for Sinking and Sourcing digital signal

DUAN Bao-li， XU Xiao-dong

（China Aircraft Strength Research Institute， Xian 710065， China）

Abstract： It is important to comprehend the concept of Sinking Current and Sourcing Current when choosing the DI/O module interface type for control system. Both of these are frequently used when discussing digital signal input/output interface and connect circuit. When the circuit connected to the load is designed， it should be paid great attention to the difference of DI/O between Sinking Current and Sourcing Current， besides considering the matching of voltage， current， and power， to ensure the connect circuit logical and reliable.

Keywords： DI/O （Digital signal Input/Output）； Sinking Current； Sourcing Current； COM； field device； load

Sinking型和Sourcing型DI/O只適用于直流輸入和輸出電路，只能使用單向信號電流。這意味著它可能連接外部電源和現場設備到I/O點上，而電流流向錯誤時，信號將無法傳遞。不要在直流Sinking型和Sourcing型DI/O點上使用交流電源。

針對不同板卡上Sinking型和Sourcing型DO接口電路，無論其對外驅動能力強弱，均可近似地看做成一個開關通斷型三極管，Sinking型看做成NPN，Sourcing型看做成PNP。

3 應用實例

一個最簡單的電路，只有一個DO端連接一個DI端。這樣一個電路需要一對電源（VCC）、地（GND）和一個負載才能工作。那么Sourcing數字IO便為這個電路提供電源，Sinking數字IO為此電路提供信號地，DI為此電路提供負載。

圖6所示是一個Sinking型DO連接一個Sourcing型DI的應用實例。Sourcing型DI提供了電源和負載，Sinking型DO提供了信號地。Sinking型DO通過三極管來控制連接線上的電平為高電平（+VCC）或是低電平（0 V）。

圖6 Sinking型DO與Sourcing型DI連接電路

圖7所示是一個Sourcing型DO連接了一個Sinking型DI。那么，Sourcing型DO提供電源，Sinking型DI提供信號地和負載。Sourcing型DO通過三極管來控制連接線上的電平為高電平（+VCC）或是低電平（0 V）。

圖7 Sourcing型DO與Sinking型DI連接電路

因為在一個完整的電路中必須有一對直流電源和地。所以，或者是將Sourcing型DO接到Sinking型DI，或者是將Sinking型DO接到Sourcing型DI。如果硬要將同型的DO和DI接到一起，就額外需要外接上拉或下拉電阻，否則就不能正常工作，比較麻煩，較少采用。圖8所示為一個Sinking型DI接入一個DO為PNP（Sourcing）型的外部設備[3]。

圖8 Sinking型DI接入外部設備PNP（Sourcing）型DO

的三線連接電路

針對Sinking /Sourcing組合型DI/O接口電路，其綜合了Sinking型和Sourcing型的能力，意味著該DI/O既可以作為Sinking型使用，也可以作為Sourcing型使用，其接口電路實質是允許電流在兩個方向流動的。如圖9所示，現場設備PLC的NPN（Sinking）/PNP（Sourcing）組合型DO與外部設備DI的連接電路實例[4]，Common端連接到電源一個極，DO點通過現場設備連接到電源的另一個極。這極大地提高了現場設備（PLC）連接電源及匹配不同外部設備的靈活性。

4 結 語

文章對Sinking Current（灌電流）型和Sourcing Current（拉電流）型數字信號輸入/輸出接口應用予以簡要介紹，在實際工作中，雖然每一控制系統的DI/O應用平臺千差萬別、而且面對的外部設備（負載）DI/O接口也是形形色色[5]，當我們為控制系統及外部設備選擇數字信號輸入/輸出模塊接口類型及設計與負載連接電路時，除了考慮電壓、電流、功率等匹配外，更要注意灌電流型和拉電流型DI/O的區別，使得應用過程中連接電路合理、可靠，邏輯表達清楚、正確。

參 考 文 獻

[1]美國國家儀器.NI 651x Specifications[R].2009.

[2]美國國家儀器.DAQ，NI 651x User Manual[R].2009.

[3]美國國家儀器.Motion Control，NI Universal Motion Interface （UMI）-7774/7772User Manual[R].2004.

[4]嚴盈福.觸摸屏與PLC入門[M]. 北京：人民郵電出版社，2006.

[5]吳曉.計算機工業控制技術[M].廈門：廈門大學出版社，2006.

Application of I/O interface for Sinking and Sourcing digital signal

DUAN Bao-li， XU Xiao-dong

（China Aircraft Strength Research Institute， Xian 710065， China）

Abstract： It is important to comprehend the concept of Sinking Current and Sourcing Current when choosing the DI/O module interface type for control system. Both of these are frequently used when discussing digital signal input/output interface and connect circuit. When the circuit connected to the load is designed， it should be paid great attention to the difference of DI/O between Sinking Current and Sourcing Current， besides considering the matching of voltage， current， and power， to ensure the connect circuit logical and reliable.

Keywords： DI/O （Digital signal Input/Output）； Sinking Current； Sourcing Current； COM； field device； load