第八章-数模和模数转换器讲解学习
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第八章数模和模数转换详解演示文稿
DI2
输出型8位数/模转换器。单电源供电，从+5～
DI1
+l5V均可正常工作。基准电压的范围为
DI0
±10V，电流建立时间为lµs，低功耗20mW。
VREF
R FB
DGND
1
20
2
19
3
18
4
17
5
16
DAC0832
6
15
7 引脚图 14
8
13
9
12
10
11
VCC ILE WR2 XFER DI4
DI5 DI6 DI7 IOUT2 IOUT1
取值控制。当di＝1时开关接
到参考电压VREF上，有支路 电流Ii流向求和放大器；当
di＝0时开关接地，支路电
流Ii为零。
图8.2.2
权电流：Ii VREF Ri
I0 VREF 23 R
I1 VREF 22 R
I2 VREF 21 R
I3 VREF 20 R
第8页，共38页。
8.2 D/A转换器的基本原理
一．A/D转换的一般步骤
由于输入的模拟信号在时间上是连续量，所以一般的A/D转换过程为： 取样、保持、量化和编码。
第24页，共38页。
8.3 A/D转换器的基本原理 8.2.2 不同类型ADC的特点
模数转换器的种类很多，按工作原理的不同，可分成间接
ADC和直接ADC。
1.间接ADC
常用的集成芯片有
第34页，共38页。
8.3 A/D转换器的基本原理
若vo> vI ，则去掉这
个1;若vo< vI ，则保 留这个1.然后再将次 高位设置成1,再进行
第八章 数模、模数转换器
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A/D转换器 8.2 A/D转换器
用二进制代码来表示各个量化电平的过程叫做编码。 用二进制代码来表示各个量化电平的过程叫做编码。 由于数字量的位数有限，一个n位的二进制数只能表示2 由于数字量的位数有限，一个n位的二进制数只能表示2n 个值，因而任何一个采样-保持信号的幅值， 个值，因而任何一个采样-保持信号的幅值，只能近似地逼近 某一个离散的数字量。 某一个离散的数字量。因此在量化过程中不可避免的会产生 误差，通常把这种误差称为量化误差。显然，在量化过程中， 误差，通常把这种误差称为量化误差。显然，在量化过程中， 量化级分得越多，量化误差就越小。 量化级分得越多，量化误差就越小。
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A/D转换器 8.2 A/D转换器
3．逐次逼近型模-数转换器 逐次逼近型模逐次逼近型模-数转换器一般由顺序脉冲发生器、 逐次逼近型模-数转换器一般由顺序脉冲发生器、逐次逼 近寄存器、 数转换器和电压比较器等几部分组成， 近寄存器、模-数转换器和电压比较器等几部分组成，其原理 框图如图 12所示 所示。 框图如图8-12所示。 一次转换过程如表 一次转换过程如表8-3和图8-15所示。 15所示。 所示
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D/A转换器 8.1 D/A转换器
8.1.3 T形电阻网络D/A转换器 T形电阻网络D/A转换器 形电阻网络D/A
为了克服权电阻网络D/A转换器中电阻阻值相差过大的缺 为了克服权电阻网络D/A转换器中电阻阻值相差过大的缺 D/A 点，又研制出了如图8-3所示的T形电阻网络D/A转换器，由R 又研制出了如图 所示的T形电阻网络D/A转换器， D/A转换器 和2R两种阻值的电阻组成T形电阻网络（或称梯形电阻网络） 2R两种阻值的电阻组成T形电阻网络（或称梯形电阻网络） 两种阻值的电阻组成 为集成电路的设计和制作带来了很大方便。网络的输出端接 为集成电路的设计和制作带来了很大方便。 到运算放大器的反相输入端。 到运算放大器的反相输入端。 提高转换速度和减小尖峰脉冲的有效方法是将图 提高转换速度和减小尖峰脉冲的有效方法是将图8-4电路 改成倒T形电阻网络D/A转换电路， D/A转换电路 所示。 改成倒T形电阻网络D/A转换电路，如图8-6所示。
第八章数模和模数变换
模数转换器
• 模数转换的一般过程
– 在具体进行模数转换之前，要对模拟信号离散 化。模数转换的一般过程是：取样、保持和模 数转换。
模数转换器
• 模数转换器的主要参数
1. 分辨率 – 分辨率就是模数转换器的位数。它反映了数字 输出变化1位时所对应的模拟输入的变化。就 是数字变化1位时所可以分辨的输入的变化。
数模转换器
• 数模转换器 的一般框图
– 输入的n位数字量存储在一个寄存器中。每一 位数字量di控制一个模拟电子开关：di等于0时 开关断开，di等于1时，开关接通。di等于1时 将位权网络的一个支路与求和放大器连接，并 给放大器提供与di的权值成比例的输入电流， 经过放大器的求和，再转换为与数字量成比例 的模拟量的输出。
流入运算放大器的电流：
若取反馈电阻RF=R，则n位转换器的输出电压为：
在实际的集成电路设计中，不同电流值的电流源可 以通过多发射极晶体管来实现。
数模转换器
• 单电流源网络数模转换器
– 从集成电路制造来说，电流源的值比例不能很 大，权电流源网络数模转换器的位数不能很大。 – 单电流源网络数模转换器也是通过电流源为每 个支路提供电流，但是，使用的电流源都有相 同的电流值。然后，再通过电阻的分流，获得 每个支路所需要的电流值。 – 下面是4位单电流源网络数模转换器的原理图 。
FSR:满量程,对应于数 模转换器的最大输出 范围。
VFSR = (2n-1)×1位幅度
数模转换器
• 数模转换器的主要参数
1．分辨率 – 分辨率（resolution）就是数模转换器输入的 二进制数的最高位数。单位是比特（bit）。有 时候也直接用“位”作为单位。 – 分辨率是数模转换器的一个主要指标，反映转 换后能够区分的模拟信号的大小。 VFSR – n位数模转换器可以分辩的模拟量是： n
第8章模数及数模转换
D0
…
D/A 转换器
V(或I)
8.2 D/A转换器
❖ 8.2.1 权电阻网络D/A转换器
❖ 图是4位权电阻网络D/A转换器的原理图，由模拟电子开关阵列、权电阻网络、
运算放大器和基准参考电压源组成。
D3
D2
D1
D0
VREF
数字寄存器
Ｓ3
Ｓ2
Ｓ1
Ｓ0
RF
R
2R
4R
8R
—
V
＋
8.2 D/A转换器
❖ (1)数码寄存器：在锁存指令控制下，将输入数字量D3～D0存入寄存器中，使得 在一次完整的转换过程中输入的数字量保持稳定。
8.3 A/D转换器
❖ 8.3.1 A/D转换的基本原理
❖ A/D转换的功能就是将模拟信号转换为对应的数字信号。通常要求这种转换是线 性的，使得每次转换产生的若干位数字量可以真实地反映当前模拟量的大小。
采样
保持
量化
编码
Vi
S
Vs
Vo
C
S (t) ( a)
8.3 A/D转换器
❖ 通常采样和保持是由采样保持电路来实现的，
❖ 当第三个CP脉冲到达后，节拍脉冲CP2的下降沿使JK触发器FF1的输出Q1为0， FF0被直接置为l，Q2Q1Q0=D2D1D0=101，3位D/A转换器输出的比较电压为 VR=5V，此时因Vi>VR，故比较器输出仍为CO =l，各JK触发器的J=1，K=0。
8.2 D/A转换器
❖ 8.2.3 权电流型D/A转换器
❖ 上述两种D/C转换器都是利用电子开关将基准电压接到电阻网络中去，由于电子 开关存在导通电阻和导通压降，而且其值也各不相同，不可避免会引起转换误差； 而权电流型D/A转换器是将一系列的电流源通过控制开关引导到负载上，可以很 好地克服上述两种D/C转换器存在的缺陷。
第8章数模转换器与模数转换器
S0 S1 S2 S3
R ∞
O1 O2
－
＋
uo
I /1 6
2R 2R
I /8
2R
I/4
2R
I/2
2R
I= V REF / R
R
A B
R
C
R
D
I/8
I/4
I/2
I
－VREF
1. 倒T形电阻网络DAC
（1）电阻译码网络
电阻译码网络由R及2R两种电阻接成倒T形构成。由于网络两个输出端O1，O2都处 于零电位（O1点为虚地），所以从A、B、C任一节点向左看等效电阻都是2R， 如图（b）所示，因此，基准源电流I为
数据总线 d0～d7 (CS1)① (CS2)② 数据1锁存到①输入锁存器 (WR1)① 数据1输入①输入锁存器 (WR1)② 数据2输入②输入锁存器 WR2(XFER) ILE＝1 D/A寄存器锁存 数据2锁存到②输入锁存器
刷新模拟输出
8.1 DAC
8.1.3 1.
DAC的主要参数
第8章 数模转换器与模数转换器
ADC与DAC在工业控制系统中的作用举例。
非电模拟量
传感器
模拟信号
ADC
数字信号
数字系统
数字信号
DAC
模拟信号
执行机构
8.1 DAC
8.1.1 D/A转换基本原理
数字量是用代码按数位组合起来表示的，每一位代码都有一定的 权值。例如，二进制数1010，第四位代码权是23，代码“1”表 示数值为“8”；第三位代码权是22 ，代码“0”表示这一位没有 数；第二位代码权是21 ，代码“1”表示数值为“2”；第一位代 码权是20，代码“0”表示这一位没有数，这样1010所代表的十 进制数是8×1＋4×0＋2×1＋1×0＝10。可见，数模转换只 要将数字量的每一位代码，按其权数值转换成相应的模拟量， 然后将各位模拟量相加，即得与数字量成正比的模拟量。
R ∞
O1 O2
－
＋
uo
I /1 6
2R 2R
I /8
2R
I/4
2R
I/2
2R
I= V REF / R
R
A B
R
C
R
D
I/8
I/4
I/2
I
－VREF
1. 倒T形电阻网络DAC
（1）电阻译码网络
电阻译码网络由R及2R两种电阻接成倒T形构成。由于网络两个输出端O1，O2都处 于零电位（O1点为虚地），所以从A、B、C任一节点向左看等效电阻都是2R， 如图（b）所示，因此，基准源电流I为
数据总线 d0～d7 (CS1)① (CS2)② 数据1锁存到①输入锁存器 (WR1)① 数据1输入①输入锁存器 (WR1)② 数据2输入②输入锁存器 WR2(XFER) ILE＝1 D/A寄存器锁存 数据2锁存到②输入锁存器
刷新模拟输出
8.1 DAC
8.1.3 1.
DAC的主要参数
第8章 数模转换器与模数转换器
ADC与DAC在工业控制系统中的作用举例。
非电模拟量
传感器
模拟信号
ADC
数字信号
数字系统
数字信号
DAC
模拟信号
执行机构
8.1 DAC
8.1.1 D/A转换基本原理
数字量是用代码按数位组合起来表示的，每一位代码都有一定的 权值。例如，二进制数1010，第四位代码权是23，代码“1”表 示数值为“8”；第三位代码权是22 ，代码“0”表示这一位没有 数；第二位代码权是21 ，代码“1”表示数值为“2”；第一位代 码权是20，代码“0”表示这一位没有数，这样1010所代表的十 进制数是8×1＋4×0＋2×1＋1×0＝10。可见，数模转换只 要将数字量的每一位代码，按其权数值转换成相应的模拟量， 然后将各位模拟量相加，即得与数字量成正比的模拟量。
第八章-数模和模数转换器PPT课件
Digital - Analog Converter，简称 D / A 转换器。
常见 权电阻网络 D / A转换器 权电流网络 D / A转换器
D/A 转换器
倒 T 形电阻网络 D / A转换器
模数转换是把模拟量转换为数字量的过程。
实现模数转换的电路称模数转换器。
Analog - Digital Converter，简称 A / D 转换器。
(3)当输入数字量 D3D2D1D0=1111 时，输出电压的值。
解： uO
-
- 10 24
(0
23
0
22
0
21
1
20)
0.625 V
uO
-
- 10 24
(1
23
0
22
0
21
1
20)
5.625 V
uO
-
- 10 24
(1
23
1
22
1
21
1
20)
9.375 V
第 8 章 数模和模数转换器
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8.2.2 R-2R 倒 T 形电阻网络 D/A转换器
一、 电路组成
模拟开关 D0
D1
D2
D3 iΣ
倒T型 电阻网络
0
10 S0
10 S1
10 S2
1 S3
RF
-
△
∞ +
+
uO
2R 2R I0 2R I12R I22R I3
R
R
R
I0
I1
I2
I3
I
VREF
电流电压 转换电路 (简称 I/U 转换电路)
数字电子技术基础第八章
u D Ｉ “[ ]”表示取整。 △ 称为 ADC 的单位量化电压或量化单位， 它是 ADC 的最小分辨电压。
可见，输出数字量 D 正比于输入模拟量 uI 。
EXIT
…
数模和模数转换器
A /D 转换的一般步骤
输入模拟量 输出数字量
u I( t) S
C
u I ( t)
量化 编码 电路
EXIT
数模和模数转换器
2R
2R
I0
I0 2R R
I1 A
I12R R
I2 B
I22R R
I3 C
I3
VREF I
从 A、B、C 节点向左看去，各节点对地的等效电阻均为 2R。 VREF 因此，I = R I3 I I I 2 ( I )， 3 = 2 I3 = I = = 2 = 2 ( 24 )， 2 2 24 4 I1 I2 I I I 0( I ) 1 = 2 = 2 ( 4 )，I0 = 2 = I1 = = 24 16 2 2 8 I VREF 3 2 1 0 4 即 I3 = 2 I0 ， I2 = 2 I0 ， I1 = 2 I0 ， I 0 = 2 I0 4 2 2 R 可见，支路电流值 Ii 正好代表了二进制数位 Di 的权值 2i 。 EXIT
数模和模数转换器
模拟开关 Si 受相应数字位 Di 控制。当 Di = 1 时，开 关合向“1”侧，相应支路电流 Ii 输出；Di = 0 时，开关 合向“0”侧， Ii 流入地而不能输出。 iΣ = D3 I3 + D2 I2 + D1 I1 + D0 I0 = ( D3 23 + D2 22 + D1 21 + D0 20 ) I0 = D I0 VREF RF V R REF u = D I0 RF 4 0O ΣR F = -4 F = -D· u =- iD · 2 R 2 R RF D0 D1 D2 D3 VREF R iF Σ ∞ u = D · 对 n 位 DAC， O n - + 2 R VREF + 1 1 1 1 0 R =R 0 0 0· n 若取 S1 uO= SD F S0 ， 则 2 2 S3 2R n 位 2RDAC R I12R V 2R 分成 将参考电压 I0 2 I2REF I3 2n 份，uO 是 R R DAC 的输出电压。 R 可调节 每份的 D 倍。调节 VREF VREF I0 I1 I2 I3 I
数模转换和模数转换原理
了从数字量到模拟量的转换。
8.2 数模转换器
当Dn=Dn-1…D0=0时，uO=0
2n 1 当Dn=Dn-1…D0=11…1时， uO 2n U REF 。
因而uO的变化范围是
0
~
2n 2n
1 U REF
权电阻网络D/A转换器的特点 ①优点：结构简单，电阻元件数较少； ②缺点：阻值相差较大，制造工艺复杂。
U REF 2n-1 R
n-1
di 2i
i0
虚断 运算放大器输出电压为
uO
RF I
RF
U REF 2n1 R
n1
di 2i
i0
令 RF=R/2 ，则
uO
U REF 2n
n1
di 2i
i0
U REF 2n
Dn
即：输出的模拟电压uO正比于输入的数字量Dn，从而实现
8.3 模数转换器
一、A/D转换器的基本工作原理 A/D转换是将模拟信号转换为数字信号，转换过程通
过取样、保持、量化和编码四个步骤完成。
模拟量输入
数字量输出
VI 采样 保持 量化 编码 DO
8.3 模数转换器
1.取样和保持
取样（也称采样）是将时间上连续变化的信号，转换为时 间上离散的信号，即将时间上连续变化的模拟量转换为一系列 等间隔的脉冲，脉冲的幅度取决于输入模拟量。
WR1：输入数据选通信号，低电平有效。（
上升沿锁存）
XFER：数据传送选通信号，低电平有效。 WR2：数据传送选通信号，低电平有效。（
上升沿锁存）
IOUT1：DAC输出电流1。当DAC锁存器中为全1时，IOUT1最大（满 量程输出）；为全0时，IOUT1为0。
8.2 数模转换器
当Dn=Dn-1…D0=0时，uO=0
2n 1 当Dn=Dn-1…D0=11…1时， uO 2n U REF 。
因而uO的变化范围是
0
~
2n 2n
1 U REF
权电阻网络D/A转换器的特点 ①优点：结构简单，电阻元件数较少； ②缺点：阻值相差较大，制造工艺复杂。
U REF 2n-1 R
n-1
di 2i
i0
虚断 运算放大器输出电压为
uO
RF I
RF
U REF 2n1 R
n1
di 2i
i0
令 RF=R/2 ，则
uO
U REF 2n
n1
di 2i
i0
U REF 2n
Dn
即：输出的模拟电压uO正比于输入的数字量Dn，从而实现
8.3 模数转换器
一、A/D转换器的基本工作原理 A/D转换是将模拟信号转换为数字信号，转换过程通
过取样、保持、量化和编码四个步骤完成。
模拟量输入
数字量输出
VI 采样 保持 量化 编码 DO
8.3 模数转换器
1.取样和保持
取样（也称采样）是将时间上连续变化的信号，转换为时 间上离散的信号，即将时间上连续变化的模拟量转换为一系列 等间隔的脉冲，脉冲的幅度取决于输入模拟量。
WR1：输入数据选通信号，低电平有效。（
上升沿锁存）
XFER：数据传送选通信号，低电平有效。 WR2：数据传送选通信号，低电平有效。（
上升沿锁存）
IOUT1：DAC输出电流1。当DAC锁存器中为全1时，IOUT1最大（满 量程输出）；为全0时，IOUT1为0。
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I
I
I
I
iΣ = 2 D3+ 4 D2+ 8 D1+ 16 D0
I = 24 ( 23D3+ 22D2+ 21D1+ 20D0 )
=
VREF 24R
(
23D3+
22D2+
21D1+
20D0
)
第 8 章 数模和模数转换器
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故运算放大器的输出电压 uO 为
uO = iF RF= -iΣRF
转换电路 (简称 I/U 转换电路)
模拟开关 Si 打向1侧时，相应 2R 支路接虚地； 打向0侧时，相应 2R 支路接地。故无论开关打向哪 一侧，倒 T 型电阻网络均可等效为下图。
第 8 章 数模和模数转换器
二、 工作原理
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2R 2R I0 2R I12R I22R I3 AR BR C R D
模拟开关 Si 受各位输入数字量控制，当 Di =1 时，开关 Si 接到 1 端，电阻 Ri 与基准电压VREF相连；当 Di =0 时，开 关 Si 则接到 0 端，电阻 Ri 接地。
第 8 章 数模和模数转换器
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二、 工作原理
当电子开关 S0 ~ S3 都接 1 端时，流入求和运算放大器输入 端的总电流 iΣ为
第 8 章 数模和模数转换器
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8.2.2 R-2R 倒 T 形电阻网络 D/A转换器
一、 电路组成
模拟开关 D0
D1
D2
D3 iΣ
倒T型 电阻网络
0
10 S0
10 S1
10 S2
1 S3
RF
-
△
∞ +
+
uO
2R 2R I0 2R I12R I22R I3
R
R
R
I0
I1
I2
I3
I
VREF
电流电压
23D3+
22D2+
21D1+
20D0
)
输出电压正 比于输入二进制
对于 n 位权电阻 D / A 转换器，则有
数，从而实现数
uO= -iΣRF
模转换。
=
-RF
VREF 2n-1R
(
2n-1 Dn-1+
2n-2Dn-2+…+
21D1+
20D0 )
第 8 章 数模和模数转换器
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如图所示权电阻网络D/A转换器中，设 n=4，VREF=-10v， RF=R/2，试求：
模数转换是把模拟量转换为数字量的过程。
实现模数转换的电路称模数转换器。
Analog - Digital Converter，简称 A / D 转换器。
A / D 直接 A / D转换器 并联比较型 逐次逼近型 转换器 间接 A / D转换器 双积分型
第 8 章 数模和模数转换器
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8.2 D/A 转换器
0
22
0
21
1
20)
5.625 V
uO
-
- 10 24
(1
23
1
22
1
21
1
20)
9.375 V
第 8 章 数模和模数转换器
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三、权电阻网络 D / A 转换器的优缺点
权电阻 D/A 转换器的优点是电路简单，转换速 度也比较快；它的缺点是各个电阻的阻值相差很大， 而且随着输入二进制代码位数的增多，电阻的差值也 随之增加，难以保证电阻精度的要求，这给电路的转 换精度带来很大影响，也不利于集成化。
第 8 章 数模和模数转换器
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第八章-数模和模数转换器
第 8 章 数模和模数转换器
一、数模和模数转换器的作用
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模拟
数字
数字
模拟
模拟 电量 A/D 传感器 转换器
量
数字控制 计算机
量
D/A
转换器
电量
模拟 控制器
非电量
生产过程控制对象
控制操作
由此可见，模拟-数字转换器和数字-模拟转换器是数 字系统和模拟系统相互联系的桥梁，是数字系统中不可缺 少的组成部分。
I0
I1
I2
I3
I
从 A、B、C 、
D节点向左看去，
VREF
各节点对地的等效 电阻均为 R。
因此，由 VREF 流出的总电流 I 是固定不变的，其值为 位I =到V低RRE位F 的，电并流且分每别经为过：一I3个=节I2点、，I2电=流I4被、分I1 流= 一I8 半、I，0 =从1I6数。字量高
故流入求和运算放大器输入端的总电流 iΣ为
第 8 章 数模和模数转换器
二、数模和模量的过程。 实现数模转换的电路称数模转换器。
Digital - Analog Converter，简称 D / A 转换器。
常见 权电阻网络 D / A转换器 权电流网络 D / A转换器
D/A 转换器
倒 T 形电阻网络 D / A转换器
第 8 章 数模和模数转换器
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8.2.1 权电阻网络 D / A 转换器
一、 电路组成
权电阻网络
I0
I1
I2
23R 22R 21R
S0
S1
S2
1 01 0 1
I3 20R
S3 01
RF iF
iΣ A
-
△
∞ +
+
+
u-O
0
D0
D1
(LSB)
D2 D3 (MSB)
VREF 模拟开关
求和运算 放大器
主要要求：
理解数模转换的基本原理。 理解常用 D/A 转换器的电路组成、工作原理、 特点及应用。 了解常用 D/A 转换器的主要参数。
第 8 章 数模和模数转换器
数模转换的基本原理
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n 位二 进制数
输入
…
Dn-1 Dn-2
D1 D0
D/A 转换器
uO 模拟电压输出
输入数字量 D = (Dn-1 Dn-2 D1 D0 ) 2 = Dn-1 2n-1 + Dn-2 2n-2 + + D1 21 + D0 20
iΣ= I3+ I2+ I1+ I0
=
VREF 20R
D3+
VREF 21R
D2+
VREF 22R
D1+
VREF 23R
D0
=
VREF 23R
(
23D3+
22D2+
21D1+
20D0
)
由于 iΣ= - i F ，故运算放大器的输出电压 uO为
uO= iF RF= -iΣRF
=
-RF
VREF 23R
(
输出模拟电压 uO 应正比于输入数字量的大小，即： uO = KD = K(Dn-1 2n-1 + Dn-2 2n-2 + + D1 21 + D0 20 )
比例系数 K 是与电路结构有关的常数。也是输入数 字量最低位 D0 = 1、其余各位均为 0 时的模拟输出电压。
可见，uO ∝ D，uO 的大小反映了数字量 D 的大小。
(1)当输入数字量 D3D2D1D0=0001 时，输出电压的值；
(2)当输入数字量 D3D2D1D0=1001 时，输出电压的值；
(3)当输入数字量 D3D2D1D0=1111 时，输出电压的值。
解： uO
-
- 10 24
(0
23
0
22
0
21
1
20)
0.625 V
uO
-
- 10 24
(1
23