第2章 模拟量输入输出通道接口技术
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下面是一个多路模拟信号采集示意图：
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2.1.1 多路开关 一、多路开关的两个主要用途：
(1) 把多个模拟量参数分时地接通送入A/D转换器，即完成 多到一的转换。 多路
A/D转换 开关
(2) 或者把经计算机处理、且由D/A转换器转换成的模拟信 号按一定的顺序输出到不同的控制回路，即完成一到多 的转换。
电流输出,需要 外接电压放大 器
图2-7 DAC 0832原理框图
P28
（2）引脚定义——控制信号线定义
CS：片选信号，低电平有效 ILE： 输入锁存允许信号，高电平有效 WR1：一级锁存器写选通，低电平有效 WR2：二级锁存器写选通，低电平有效 XFER：数据传输控制信号，低电平有效
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2．CD4067
图2.2 CD4067原理电路图及引脚排列图
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3．CD4097
图2.3 CD4097原理电路图及引脚排列图
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• CD4067B/CD4097B • CD4067B 和 CD4097B 相比: • 〃 原理基本相同: • 〃 不同: • CD4067B 单16路，双向、 • 4个选择控制端: D、C、B 、A • CD4097B 双 8 路，双向、 • 3个选择控制端: C、B 、A • CD4051 单 8 路，双向、 • 3个选择控制端: C、B 、A
正因为半导体集成电路多路开关具有明显的优点，所以， 近年来在计算机控制和数据采集系统中得到了广泛的应用。
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四、介绍几种 常用的半导体开关
– 单端双向8通道多路开关CD4051 – 单端双向16通道多路开关CD4067B – 单端双向双8通道多路开关CD4097B – 矩阵多路开关8816
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2.2.1 8位D/A转换器及其接口
外部控制信号连接
片选信号：由地址线或译码器提供 写信号：由单片机WR´提供 启动信号：启动信号常为片选及写信号的合成
由于在单片机系统中采用统一编址的方式，寻址时将 I/O端口视为外部存储单元，所以，用访问外部存储器的指令 MOVX @DPTR，A或者MOVX @Ri，A（i=0,1）即可完成对I/O端 口的访问。
可见，当 8位数字量为（ 0000 ， 0000 ）时，对应的模拟量为 0 255 当8位数字量为（ 1111 ， 1111 ）时，对应的模拟量为 VREF 256 当8位数字量为任意值时， 对应的模拟量可根据上 式换算
计算机控制技术 广东海洋大学信息学院 （4）D/A 转换器 的输入输出换算方法 ②双极性电压输出 VOUT 1 VREF 2VOUT 1 VREF VOUT 2 R3 ( I1 I 2 ) R3
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LE (1) I LE CS WR1 , CS 0 即当I LE 1 时， LE (1) 1，数据可更新，反之数 据被锁存 WR1 0 LE ( 2) XFER WR 2 , XFER 0 当LE(2)=1, Ｄ／Ａ转换开始 据被锁存 即当 LE ( 2) 1，数据可更新，反之数 时， WR 2 0 至应用实例
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第二章
模拟量输入输出通道的接口技术
一、多路开关和采样保持器 二、模拟量输出通道的接口技术 三、模拟量输入通道的接口技术
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2.1
多路开关和采样保持器
多路开关和采样/保持器是微型机控制系统的重 要元件，是计算机进行多路控制和采集数据不可缺少 的组成部分。
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三、半导体多路开关的特点
– – – – – – – – 采用标准双列直插式结构，尺寸小 直接与TTL（或CMOS）电平兼容 内部带有通道选择编码器，使用方便 采用正或负双极性输入 转换速度快。通常其导通和关断时间在1us左右 寿命长，无机械磨损 接通电阻低，一般小于100欧，甚至几欧 断开电阻高，通常达109欧以上
D/A转换 多路 分配器
前者称为多路开关，后者叫作多路分配器，或叫做反 多路开关。
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二、多路开关的种类：
(1) 单向多路开关，如AD7501（8路），AD7506（16路）。 (2) 双向多路开关，如CD4051（8路），CD4067（16路）。 (3) 差动输入，如 CD4052 双4通道 CD4053 三重二通道 CD4097 双8通道。 (4)多路输入/多路数出矩阵多路开关， 如8816（16入8出）等。
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（1）LF198/298/398的特点
– 由双极型绝缘栅场效应管构成； – 采样速度快，保持下降速度慢，精度高； – 抗干扰能力强； – 输入信号等于电源电压时，也能保证将输入信号 送到输出端； – 允许与TTL、CMOS、PMOS电路直接相连；
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Logic=高电平，采样状态； Logic=低电平，保持状态；
逻辑参考电平logic REFRENCE ，一般可接地
④OFFSET：偏差调整，可外接电阻调整采样保持器的偏差
⑤CH：外接保持电容
⑥ V+、V-：采样／保持电路电源引脚。电源变化范围为5V到10V。
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用法： • ① 用作多路开关 • 8 进 1 出 • ② 用作分路路开关 • 1 进 8 出
改变 C、B、A 的值, 改变接通的通道
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（2）LF198/298/398的原理图
图2-6
LF198／LF298／LF398原理图
P27
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（3）LF198/298/398采样保持器引脚功能
① VIN：模拟电压输入 ② VOUT：模拟电压输出 ③ logic 和logic REFRENCE：逻辑及逻辑参考电平，用来控制采样／保持器的 工作方式。
D/A转换器的分类： 根据输出的类型可以分为： ◆电流输出型 ◆电压输出型：单极性输出，双极性输出 根据输入数字量的位数可分为： ◆8位、10位、12位和16位等。 下面介绍几种常用的D/A转换芯片。
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一、电流输出型D/A转换器DAC0832
（1）结构和原理：
两级数 据缓冲
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（2） 引脚定义——输入输出引脚定义
D0~D7 ：数字量输入。 IOUT1 ：DAC电流输出1。当数字输入全为1时IOUT1最 大，全为0时IOUT1为最小值（近似0） IOUT2 ： DAC电流输出2。单极性输出时接地。
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（2）引脚定义——其他引脚定义 Rfb ：反馈信号输入线，可用片内反馈电阻，也可外接反馈电阻 VREF ：参考电压输入线。外接精密电源，可单极性也可双极性 VCC ：数字电路供电电压。+5V~+15V AGND、 DGND ：模拟地、数字地。应单独连接。
R2
Rf
VOUT 1 0V，VOUT 2 5V； 设VREF 5V， 则 ： VOUT 1 2.5V，VOUT 2 0V； 5V ~ 0V 5V ~ 5V VOUT 1 5V，VOUT 2 5V
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复习 外部RAM及I/O端口与累加器A之间的数据传送
表3-2 外部RAM与累加器A之间的数据传送指令
指令名称 指令格式 MOVX A,@DPTR 累加器A与外部 RAM之间的数据 传送 MOVX @DPTR,A MOVX A,@Ri MOVX @Ri,A 机器码 11100000 11110000 1110001i 1111001i 功能 A←(DPTR) (DPTR)←A A←(Ri) (Ri)←A 指令周期 2 2 2 2
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2.2.1 8位D/A转换器及其接口
数字量输入信号连接
若D/A内部含有输入锁存器，则CPU与D/A可直接连接 若D/A内部不含输入锁存器，则CPU与D/A间增设数据锁 存器
模拟量输出
需要的是双极性输出还是单极性模拟量？ 电流输出型的要外接运算放大器
计算机控制技术
工作状态由控制逻辑电平决定
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3、常用的采样／保持器 最常用的采样／保持器有美国AD公司的AD582、 AD585、AD346、AD389、ADSHC—85，以及国家半导体 公司的LF198/298/398等。
下边以LF198/298/398为例，讲一下集成电路 S/H的工作原理，其它S/H的原理与它大致相同。
2.2
模拟量输出通道的接口技术
模拟量输出通道主要完成数字量（Digital） 到模拟量（Analog）的转换，简称D/A转换。 由于很多执行机构只能接收模拟量，计算机输 出的控制数据必须进行D/A转换，才能达到控制这些 执行机构的目的。
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2.பைடு நூலகம்.1
8位D/A转换器及其接口技术
换算公式总结
单极性电压输出： 1 2 n1 n VOUT (a1 / 2 a2 / 2 ... an1 / 2 an / 2 )VREF
双极性电压输出： VOUT 2 2VOUT 1 VREF
举例： DAC0832的VREF接-5V,IOUT1接运放的异名端， IOUT２接模拟 地，输入为10000000B时，输出为（ ）。 若再接一级运放，构成双极性电压输出，输入为Ｃ０Ｈ时， 输出为（ ）。
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2.1.2 采样-保持器（Sample/Hold）
采样/保持器的作用 – 使本次采样信号保持不变，给A/D转换器 足够时间完成量化和编码工作
– 保证并行通道的各个参数在同一时刻采样， 以便于进行数据处理和测量
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二、采样/保持器的两个工作状态 采样：采样／保持器的输出跟随模拟量输入电压 保持: 输出保持不变，直到再度接到采样命令时为止。
★输入通道 :接法不变，只 是把2#CD4051的8个通道编号为 8—15。 ★输出通道 :把两个CD4051 的OUT/IN端并联。通道选择控 制管脚 C、B、A同名并联，并 分别接到D2、D1和D0。 ★禁止端:用作两个CD4051 的选择控制。当D3=0时， 1#CD4051工作，2#截止。 当D3=1时，正好相反。
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4．8816
可将一个输入信号传至到任 选输出通道 OUT IN
输入选择 输出选择 图2.4 8816原理电路图及引脚排列图
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五、多路开关的扩展 实例：用8通道多路开关构成16通道多路开关
（1）扩展电路
（2）扩展方法
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1．CD4051
INH＝VDD时， 禁止模拟量输入； INH＝VSS时， 允许模拟量输入。
图2.1 CD 4051原理电路图
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表2-2 CD4051真值表 输入状态 B 接通通道 CD4051
INH
C
A
0
0 0 …… 0
0
0 0
0
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（3）DAC0832使用方法： ①使用时需要外接运放和反馈电阻 ②有一级缓冲、两级缓冲和直通式三种工作方法
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（4）D/A 转换器 的输入输出换算方法
①单极性电压输出
VOUT (a1 / 21 a2 / 22 ... an1 / 2n1 an / 2n )VREF , 其中，ai 1或ai 0
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2.1.1 多路开关 一、多路开关的两个主要用途：
(1) 把多个模拟量参数分时地接通送入A/D转换器，即完成 多到一的转换。 多路
A/D转换 开关
(2) 或者把经计算机处理、且由D/A转换器转换成的模拟信 号按一定的顺序输出到不同的控制回路，即完成一到多 的转换。
电流输出,需要 外接电压放大 器
图2-7 DAC 0832原理框图
P28
（2）引脚定义——控制信号线定义
CS：片选信号，低电平有效 ILE： 输入锁存允许信号，高电平有效 WR1：一级锁存器写选通，低电平有效 WR2：二级锁存器写选通，低电平有效 XFER：数据传输控制信号，低电平有效
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2．CD4067
图2.2 CD4067原理电路图及引脚排列图
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3．CD4097
图2.3 CD4097原理电路图及引脚排列图
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• CD4067B/CD4097B • CD4067B 和 CD4097B 相比: • 〃 原理基本相同: • 〃 不同: • CD4067B 单16路，双向、 • 4个选择控制端: D、C、B 、A • CD4097B 双 8 路，双向、 • 3个选择控制端: C、B 、A • CD4051 单 8 路，双向、 • 3个选择控制端: C、B 、A
正因为半导体集成电路多路开关具有明显的优点，所以， 近年来在计算机控制和数据采集系统中得到了广泛的应用。
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四、介绍几种 常用的半导体开关
– 单端双向8通道多路开关CD4051 – 单端双向16通道多路开关CD4067B – 单端双向双8通道多路开关CD4097B – 矩阵多路开关8816
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2.2.1 8位D/A转换器及其接口
外部控制信号连接
片选信号：由地址线或译码器提供 写信号：由单片机WR´提供 启动信号：启动信号常为片选及写信号的合成
由于在单片机系统中采用统一编址的方式，寻址时将 I/O端口视为外部存储单元，所以，用访问外部存储器的指令 MOVX @DPTR，A或者MOVX @Ri，A（i=0,1）即可完成对I/O端 口的访问。
可见，当 8位数字量为（ 0000 ， 0000 ）时，对应的模拟量为 0 255 当8位数字量为（ 1111 ， 1111 ）时，对应的模拟量为 VREF 256 当8位数字量为任意值时， 对应的模拟量可根据上 式换算
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LE (1) I LE CS WR1 , CS 0 即当I LE 1 时， LE (1) 1，数据可更新，反之数 据被锁存 WR1 0 LE ( 2) XFER WR 2 , XFER 0 当LE(2)=1, Ｄ／Ａ转换开始 据被锁存 即当 LE ( 2) 1，数据可更新，反之数 时， WR 2 0 至应用实例
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第二章
模拟量输入输出通道的接口技术
一、多路开关和采样保持器 二、模拟量输出通道的接口技术 三、模拟量输入通道的接口技术
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2.1
多路开关和采样保持器
多路开关和采样/保持器是微型机控制系统的重 要元件，是计算机进行多路控制和采集数据不可缺少 的组成部分。
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三、半导体多路开关的特点
– – – – – – – – 采用标准双列直插式结构，尺寸小 直接与TTL（或CMOS）电平兼容 内部带有通道选择编码器，使用方便 采用正或负双极性输入 转换速度快。通常其导通和关断时间在1us左右 寿命长，无机械磨损 接通电阻低，一般小于100欧，甚至几欧 断开电阻高，通常达109欧以上
D/A转换 多路 分配器
前者称为多路开关，后者叫作多路分配器，或叫做反 多路开关。
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二、多路开关的种类：
(1) 单向多路开关，如AD7501（8路），AD7506（16路）。 (2) 双向多路开关，如CD4051（8路），CD4067（16路）。 (3) 差动输入，如 CD4052 双4通道 CD4053 三重二通道 CD4097 双8通道。 (4)多路输入/多路数出矩阵多路开关， 如8816（16入8出）等。
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（1）LF198/298/398的特点
– 由双极型绝缘栅场效应管构成； – 采样速度快，保持下降速度慢，精度高； – 抗干扰能力强； – 输入信号等于电源电压时，也能保证将输入信号 送到输出端； – 允许与TTL、CMOS、PMOS电路直接相连；
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Logic=高电平，采样状态； Logic=低电平，保持状态；
逻辑参考电平logic REFRENCE ，一般可接地
④OFFSET：偏差调整，可外接电阻调整采样保持器的偏差
⑤CH：外接保持电容
⑥ V+、V-：采样／保持电路电源引脚。电源变化范围为5V到10V。
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用法： • ① 用作多路开关 • 8 进 1 出 • ② 用作分路路开关 • 1 进 8 出
改变 C、B、A 的值, 改变接通的通道
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（2）LF198/298/398的原理图
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LF198／LF298／LF398原理图
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（3）LF198/298/398采样保持器引脚功能
① VIN：模拟电压输入 ② VOUT：模拟电压输出 ③ logic 和logic REFRENCE：逻辑及逻辑参考电平，用来控制采样／保持器的 工作方式。
D/A转换器的分类： 根据输出的类型可以分为： ◆电流输出型 ◆电压输出型：单极性输出，双极性输出 根据输入数字量的位数可分为： ◆8位、10位、12位和16位等。 下面介绍几种常用的D/A转换芯片。
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（1）结构和原理：
两级数 据缓冲
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（2） 引脚定义——输入输出引脚定义
D0~D7 ：数字量输入。 IOUT1 ：DAC电流输出1。当数字输入全为1时IOUT1最 大，全为0时IOUT1为最小值（近似0） IOUT2 ： DAC电流输出2。单极性输出时接地。
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（2）引脚定义——其他引脚定义 Rfb ：反馈信号输入线，可用片内反馈电阻，也可外接反馈电阻 VREF ：参考电压输入线。外接精密电源，可单极性也可双极性 VCC ：数字电路供电电压。+5V~+15V AGND、 DGND ：模拟地、数字地。应单独连接。
R2
Rf
VOUT 1 0V，VOUT 2 5V； 设VREF 5V， 则 ： VOUT 1 2.5V，VOUT 2 0V； 5V ~ 0V 5V ~ 5V VOUT 1 5V，VOUT 2 5V
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复习 外部RAM及I/O端口与累加器A之间的数据传送
表3-2 外部RAM与累加器A之间的数据传送指令
指令名称 指令格式 MOVX A,@DPTR 累加器A与外部 RAM之间的数据 传送 MOVX @DPTR,A MOVX A,@Ri MOVX @Ri,A 机器码 11100000 11110000 1110001i 1111001i 功能 A←(DPTR) (DPTR)←A A←(Ri) (Ri)←A 指令周期 2 2 2 2
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2.2.1 8位D/A转换器及其接口
数字量输入信号连接
若D/A内部含有输入锁存器，则CPU与D/A可直接连接 若D/A内部不含输入锁存器，则CPU与D/A间增设数据锁 存器
模拟量输出
需要的是双极性输出还是单极性模拟量？ 电流输出型的要外接运算放大器
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工作状态由控制逻辑电平决定
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下边以LF198/298/398为例，讲一下集成电路 S/H的工作原理，其它S/H的原理与它大致相同。
2.2
模拟量输出通道的接口技术
模拟量输出通道主要完成数字量（Digital） 到模拟量（Analog）的转换，简称D/A转换。 由于很多执行机构只能接收模拟量，计算机输 出的控制数据必须进行D/A转换，才能达到控制这些 执行机构的目的。
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换算公式总结
单极性电压输出： 1 2 n1 n VOUT (a1 / 2 a2 / 2 ... an1 / 2 an / 2 )VREF
双极性电压输出： VOUT 2 2VOUT 1 VREF
举例： DAC0832的VREF接-5V,IOUT1接运放的异名端， IOUT２接模拟 地，输入为10000000B时，输出为（ ）。 若再接一级运放，构成双极性电压输出，输入为Ｃ０Ｈ时， 输出为（ ）。
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采样/保持器的作用 – 使本次采样信号保持不变，给A/D转换器 足够时间完成量化和编码工作
– 保证并行通道的各个参数在同一时刻采样， 以便于进行数据处理和测量
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二、采样/保持器的两个工作状态 采样：采样／保持器的输出跟随模拟量输入电压 保持: 输出保持不变，直到再度接到采样命令时为止。
★输入通道 :接法不变，只 是把2#CD4051的8个通道编号为 8—15。 ★输出通道 :把两个CD4051 的OUT/IN端并联。通道选择控 制管脚 C、B、A同名并联，并 分别接到D2、D1和D0。 ★禁止端:用作两个CD4051 的选择控制。当D3=0时， 1#CD4051工作，2#截止。 当D3=1时，正好相反。
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五、多路开关的扩展 实例：用8通道多路开关构成16通道多路开关
（1）扩展电路
（2）扩展方法
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INH＝VDD时， 禁止模拟量输入； INH＝VSS时， 允许模拟量输入。
图2.1 CD 4051原理电路图
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表2-2 CD4051真值表 输入状态 B 接通通道 CD4051
INH
C
A
0
0 0 …… 0
0
0 0
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（3）DAC0832使用方法： ①使用时需要外接运放和反馈电阻 ②有一级缓冲、两级缓冲和直通式三种工作方法
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（4）D/A 转换器 的输入输出换算方法
①单极性电压输出
VOUT (a1 / 21 a2 / 22 ... an1 / 2n1 an / 2n )VREF , 其中，ai 1或ai 0