techniques de conversions numérique/analogique et analogique

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Nouvelle page 1 Nom du programme Guide D’étude (à lire avant de commencer le cours) Techniques de conversions Numérique/Analogique et Analogique/Numérique Dr. Ingénieur Kachouri Abdennaceur ENIS Département Génie Electrique Guide d’étude Introduction Pré-requis Buts et objectifs du cours Contenu du cours Approche pédagogique Charge de travail et calendrier Évaluation des apprentissages Introduction Ce module porte sur la chaîne d’acquisition et de restitution d'un signal analogique et mise en place d'une chaîne de mesure complète (carte CAN/CNA). Il couvre plus

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  • Nouvelle page 1

    Nom du programme

    Guide Dtude

    ( lire avant de commencer le cours)

    Techniques de conversions Numrique/Analogique et Analogique/Numrique

    Dr. Ingnieur Kachouri Abdennaceur ENIS Dpartement Gnie Electrique

    Guide dtude

    Introduction

    Pr-requis

    Buts et objectifs du cours

    Contenu du cours

    Approche pdagogique

    Charge de travail et calendrier

    valuation des apprentissages

    Introduction

    Ce module porte sur la chane dacquisition et de restitution d'un signal analogique et mise en place d'une chane de mesure complte (carte CAN/CNA). Il couvre plus

  • Nouvelle page 1

    spcifiquement les techniques des Conversions Numrique Analogique (CNA) et Analogique Numrique (CAN) On se concentre sur la nature des signaux lectroniques

    Analogique et Numrique. On prsente quelques principes de conversion numrique / analogique ainsi que les caractristiques typiques lies des ralisations pratiques.

    On passe en revue les principaux types de convertisseurs, en discutant leurs performances. Enfin annonce le thorme d'chantillonnage de Shannon. Ce dernier permet

    de cerner une limitation physique la rapidit d'chantillonnage des signaux analogiques et le temps de conversions.

    Le module s'adresse d'abord aux personnes souhaitent avoir des connaissances des bases sur les lments dune chane dacquisition et de restitution des donnes Il

    s'inscrit dans le programme du diplme technicien suprieur en gnie lectrique, tlcommunications et informatique (ISET) et du diplme dingnieur en gnie lectrique,

    tlcommunications et informatique L'tudiant ou l'tudiante devrait avoir une connaissance de base en lectronique et circuits logiques. Il a comme pralable les module

    (s): Cours Electronique gnrale (thormes gnraux, amplificateurs oprationnels) et Electronique numrique (Logique combinatoire et squentielle).

    Ce Guide d'tude a pour objectif de vous prparer suivre le cours. Il dfinit en quelque sorte un mode d'emploi, non seulement pour le matriel didactique du cours,

    mais aussi pour le cheminement que vous devez adopter et les diffrentes exigences auxquelles vous devez rpondre.

    Bonne lecture et bon cours!

    Pr-requis :

    Cours Electronique gnrale (thormes gnraux, amplificateurs oprationnels) et Electronique numrique (Logique combinatoire et squentielle)

    But et objectifs du cours

    Le but de ce module est de se familiariser avec les lments de bases dunechane dacquisition et de restitution des donnes et plus particulirement les diffrents types

    file:///D|/cours%20raliss/sf/gnie%20lectrique/can_25_05_2005/guide%20d'tues.htm (2 of 12)02/06/2005 01:59:35

  • Nouvelle page 1

    des CNA et CAN. Plus spcifiquement, au terme de ce module, l'tudiant ou l'tudiante sera en mesure :

    Acqurir les connaissances de bases pour la mise en uvre dune chane dacquisition et restitution de donnes (aspects technologiques).

    Etudier les diffrents types des CNA et CAN

    Analyser le temps de la conversion analogique / numrique peut tre plus ou moins important ; c'est donc un lment essentiel dans le choix du convertisseur

    De donner un avis professionnel sur le choix des convertisseurs

    Donner les outils mathmatiques

    Contenu du cours

    Tableau 1 : Le contenu du module se compose de 3 chapitres subdiviss en 13 leons.

    Chapitre Leon Rsum

    1

    1

    CHANE DACQUISITION DE DONNEES

    CONVERTISSEUR NUMRIQUE/ANALOGIQUE.

    1. Gnralits sur le codage 2. Principe de fonctionnement.

    file:///D|/cours%20raliss/sf/gnie%20lectrique/can_25_05_2005/guide%20d'tues.htm (3 of 12)02/06/2005 01:59:35

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    2 2 3. Courbe de transfert d'un CNA 4. Dfinition des CNA unipolaire et bipolaire

    2

    3

    CONVERTISSEUR NUMRIQUE/ANALOGIQUE.

    5. Classification des CNA 6. CNA rseau des rsistances pondres 7. CNA courants pondrs

    2

    4

    CONVERTISSEUR NUMRIQUE/ANALOGIQUE.

    8. CNA rseau R/2R.

    Principe

    Calcul de la tension de sortie Vs

    Prcision.

    Exemple de ralisation

    Avantages / inconvnients.

    2

    5

    CONVERTISSEUR NUMRIQUE/ANALOGIQUE.

    9. CNA rseau R/2R chelle inverse Principe Calcul de la tension de sortie Vs Prcision. Exemple de ralisation

    10. Montage pratique CNA unipolaire et CNA bipolaire

  • Nouvelle page 1

    2

    6

    CONVERTISSEUR NUMRIQUE/ANALOGIQUE.

    11. Les CNA indirects squentiels

    Convertisseur Numrique rapport cyclique Convertisseur multiplication discre

    2

    7

    CONVERTISSEUR NUMRIQUE/ANALOGIQUE.

    12. Les paramtres des CNAs : Paramtres de conversion Paramtres dus aux erreurs introduites par

    les Grandeurs d'influence

    2

    8

    CONVERTISSEUR NUMRIQUE/ANALOGIQUE.

    12. Utilisation des CNAs Utilisation " classique " Amplificateurs gain programmable. Multiplieur. Gnrateur de fonctions analogiques

  • Nouvelle page 1

    3 9 CONVERTISSEUR ANALOGIQUE/NUMRIQUE

    1. Principe de fonctionnement. Dfinitions. Plage de conversion. Rsolution. Dynamique. Mise en relation. Exemple : CAN 4 bits Erreur de quantification. Amlioration.

    3 10 CONVERTISSEUR ANALOGIQUE/NUMRIQUE

    2. CAN parallle Principe. Prcision. Utilisation

    3 11 CONVERTISSEUR ANALOGIQUE/NUMRIQUE

    3. CAN comptage dimpulsions Convertisseur simple rampe. Convertisseur double rampe. Rsolution. Prcision.

    file:///D|/cours%20raliss/sf/gnie%20lectrique/can_25_05_2005/guide%20d'tues.htm (6 of 12)02/06/2005 01:59:35

  • Nouvelle page 1

    3 12 CONVERTISSEUR ANALOGIQUE/NUMRIQUE

    4. CAN approximation successives

    Principe.

    Exemple

    Prcision.

    Utilisation

    5. Simulation CAN approximation successives

    3 13 CONVERSION ANALOGIQUE/NUMRIQUE

    6.

    Les paramtres des CNA

    Paramtres de conversion

    Paramtres dus aux erreurs introduites par les

    systme

    Grandeurs d'influence

    7. Exemples dutilisation des CNA Utilisation " classique " Filtres programmables

  • Nouvelle page 1

    Haut de la page

    Approche pdagogique

    Ce cours est conu selon une approche pdagogique propre la formation distance. Le matriel didactique et la formule utilise vous permettent d'adopter une

    dmarche d'apprentissage autonome. Vous pouvez ainsi grer votre temps d'tude et prendre en charge votre formation.

    Toutefois, cette prise en charge est soutenue par la personne responsable de lencadrement (le tuteur ou la tutrice), pendant toute le semestre. Sa tche est de vous

    faciliter les conditions d'apprentissage et de vous aider dans votre dmarche, de faon ce que vous atteigniez les objectifs du cours. Il va de soi que le tuteur ou la tutrice

    ne donne pas les rponses des activits notes.Vous pouvez communiquer avec votre tuteur ou votre tutrice par le courrier lectronique offert sur le site du cours ou en

    posant vos questions sur le forum. Votre tuteur ou votre tutrice y rpondra lintrieur de 48 heures.

    Haut de la page

    Charge de travail et calendrier

    Ce module est offert distance sur un semestre de 13 semaines. Le volume de travail exig pour l'tude du module et la ralisation des valuations est de [xx].. heures

    par semestre. En moyenne, la charge de travail hebdomadaire est donc d'environ 2 heures. Certains leons [ou sections ou] sont un peu plus longs lire que dautres,

    mais ils exigent moins de travail sous forme dexercices. Un calendrier pdagogique dtaill est propos au Tableau 3.

    Tableau 3: Calendrier pdagogique

  • Nouvelle page 1

    Semaine Module Tche Envoi de

    l'valuation

    1 1

    Lecture du guide pdagogique

    Lecture de la leon 1

    Auto-valuation

    2 1

    Lecture de la leon 2

    Auto-valuation

    3 1

    Lecture de la leon 3

    Auto-valuation

    4 1

    Lecture de la leon 4

    Auto-valuation

    Travail

    1 : date

    5 2

    Lecture de la leon 5

    Auto-valuation

  • Nouvelle page 1

    6 2

    Lecture de la leon 6

    Auto-valuation

    7 2

    Lecture de la leon 7

    Auto-valuation

    8 2

    Lecture de la leon 8

    Auto-valuation

    Travail

    2 : date

    9 3

    Lecture de la leon 9

    Auto-valuation

    10 3

    Lecture de la leon 10

    Auto-valuation

    11 3

    Lecture de la leon 11

    Auto-valuation

    12 3

    Lecture de la leon 12

    Auto-valuation

  • Nouvelle page 1

    13 3

    Lecture de la leon 13

    Auto-valuation

    14 1-2-3 Rvision

    15 Examen final sous surveillance Date de lexamen

    Haut de la page

    valuation des apprentissages

    L'auto-valuation

    Cette valuation n'est pas note. Elle est prsente sous forme dactivits dintgration, de questions rpondre ou d'exercices effectuer. Cette auto-valuation met

    l'accent sur les points les plus importants de la matire. Le corrig des exercices est disponible, mais nous vous suggrons de ne le consulter quaprs avoir complt les

    exercices. Ces derniers vous prparent aux valuations notes.

    Les travaux nots

    Ces travaux visent vrifier l'acquisition de vos connaissances et votre comptence appliquer et transfrer les notions tudies des situations concrtes. Le franais

    utilis dans vos travaux d'valuation doit tre correct. Un travail illisible, jug irrecevable par votre professeur, vous sera retourn pour tre refait. Vous devez

    obligatoirement raliser et retourner aux dates prvues (voir la fiche calendrier) les travaux nots et passer l'examen final sous surveillance.

    Examen sous surveillance

  • Nouvelle page 1

    L'examen final sous surveillance porte sur toute la matire du cours et sera constitu de [Expliquez ici le type dexamen : questions objectives, dveloppement, tudes de

    cas, problmes, etc.]. L'utilisation des notes de cours et de la calculatrice sera autorise [ou non, selon le cas].

    L'ensemble des valuations notes compte pour 100 % de la note du cours. En voici, titre dexemple, un partage :

    valuation note Pondration Seuil de

    passage

    Travail 1 X1 %

    Travail 2 X2 %

    Examen final 40 % 50 %

    Total 100 % 60 %

    Haut de la page

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    Chapitre 1 Structure fonctionnelle de la chane d'acquisition

    Objectif 1.Introduction 2.Rle des modules de la chane 3.Chane de restitution des donnes 4.Performances globale d'une chane de mesure QCM Devoir 1 Devoir 2

    Liens vers d'autres cours similaires Contact

    Les Convertisseurs Numriques - Analogiques & Les Convertisseurs Analogiques - Numriques

    OBJECTIF

  • Sans titre

    Les Convertisseurs Numriques - Analogiques & Les Convertisseurs Analogiques - Numriques

    OBJECTIF

  • Les techniques des conversions analogique-numrique:

    Structure fonctionnelle d'une chane de mesure

    1. Introduction

    1.1 Introduction

    Si nous souhaitons mesurer laide dun ordinateur la temprature dun four entre Tmin et Tmax, on ralise le

    schma d'acquisition des donnes figure1. Les capteurs fournissent l'interface un signal lectrique

    reproduisant la grandeur mesurer. Ce signal est dit analogique, et est le plus souvent proportionnel la

    mesure.

    Un botier intermdiaire entre le capteur et l'interface est parfois ncessaire pour linariser le signal, c'est

    dire le rendre proportionnel la grandeur mesure, ou pour l'amplifier. Le signal analogique volue de faon

    continue dans le temps.

    L'interface mesure priodiquement le signal lectrique analogique venant du capteur ou de son adaptateur

    et le traduit en une valeur numrique ( codage binaire) utilisable par l'unit centrale de l'ordinateur. Ces

    mesures constituent un chantillonnage du signal analogique.

    L'ordinateur, correctement programm par le logiciel appropri, traite les nombres fournis par l'interface pour

    en tirer des reprsentations graphiques ou des tableaux. Le logiciel peut aussi calculer certaines valeurs

    partir de celles recueillies par le ou les capteurs.

    Figure1 : schma dune rgulation numrique en boucle ouverte

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  • Les techniques des conversions analogique-numrique:

    Le capteur de temprature fournit une tension proportionnelle temprature T variant de 0 10mV. On

    amplifie ce signal pour l'amener dans une plage de variation de tension facilement mesurable par exemple de

    0 10V. Puis une opration de numrisation est ncessaire pour fournir lordinateur des donnes

    proportionnelles la tension analogique issues de capteurs temprature.

    Dans cette boucle de rgulation numrique, on rencontre deux types des signaux. Qui sont le signal

    analogique issue du capteur et les signaux numriques ou les signaux digitaux qui attaquent lordinateur. De

    faon gnrale les signaux analogiques et les signaux numriques sont caractrises par :

    Un signal Analogique: la grandeur lectrique ou le signal varie de faon analogue la grandeur physique

    qu'elle dcrit. Une caractristique importante est la continuit temporelle du signal. Sur une intervalle de

    temps donne (qui reprsente la dur de lobservation du signal dure de la mesure), le signal peut avoir une

    infinit de valeurs diffrentes. Par exemple tous les signaux issus des capteurs sont analogiques, et

    traduisent des phnomnes physiques qui varient continment.

    Un signal Numrique : o le signal prend uniquement deux tats, un tat haut et un tat bas. La grandeur

    lectrique est traduite en une suite de nombres binaires

    Le capteur de temprature fournit une tension proportionnelle temprature T variant de 0 10mV. On

    amplifie ce signal pour l'amener dans une plage de variation de tension facilement mesurable par exemple de

    0 10V. Puis une opration de numrisation est ncessaire pour fournir lordinateur des donnes

    proportionnelles la tension analogique issues de capteurs temprature.

    Dans cette boucle de rgulation numrique, on rencontre deux types des signaux. Qui sont le signal

    analogique issue du capteur et les signaux numriques ou les signaux digitaux qui attaquent lordinateur. De

    faon gnrale les signaux analogiques et les signaux numriques sont caractrises par :

    Un signal Analogique: la grandeur lectrique ou le signal varie de faon analogue la grandeur physique

    file:///D|/cours%20raliss/sf/gnie%20lectrique/can_25_05_2005/ch1/sec1.htm (2 of 3)02/06/2005 01:59:37

  • Les techniques des conversions analogique-numrique:

    qu'elle dcrit. Une caractristique importante est la continuit temporelle du signal. Sur une intervalle de

    temps donne (qui reprsente la dur de lobservation du signal dure de la mesure), le signal peut avoir une

    infinit de valeurs diffrentes. Par exemple tous les signaux issus des capteurs sont analogiques, et

    traduisent des phnomnes physiques qui varient continment.

    Un signal Numrique : o le signal prend uniquement deux tats, un tat haut et un tat bas. La grandeur

    lectrique est traduite en une suite de nombres binaires

    Le passage d'un type de donne l'autre se fera par des convertisseurs, composants " mixtes " qui vont

    manipuler des tensions analogiques en entre et des signaux logiques en sortie ou vice versa.

    Lavantage de numrisation ; opration de transformation des signaux analogiques en signaux numriques

    (donnes) ; est la possibilit de stockage, de transformation et de restitution des donnes sans qu'elles ne

    soient altres. Cette opration est maintenant prdominant grce aux progrs faits par les

    microprocesseurs et les microordinateurs.

    En gnrale le processus de numrisation des signaux se dcompose en trois tapes :

    lchantillonnage : passage dun espace de temps continu un espace de temps discret,

    la quantification : passage dun espace de valeurs continu un espace de valeurs discret,

    le codage : chaque niveau quantifi de valeurs est cod sur un nombre dtermin de bits.

  • Les techniques des conversions analogique-numrique:

    1- Structure fonctionnelle d'une chane de mesure

    2. Rle des modules de la chane

    1.2 Chane d'acquisition des donnes

    Gnralement, la chane permettant l'acquisition et les traitements des donnes est couramment appele

    chane dacquisition des donnes. Cette la chane d'acquisition (figure 2) est essentiellement btie autour de

    trois modules qui sont:

    Module d'acquisition des donnes (analogique)

    Module de conversion Analogique Numrique CAN.

    Module de traitement des donnes et de commandes : calculateur.

    Figure 2: la chane d'acquisition des donnes

    1-Le Module d'acquisition des donnes

    Ce module est essentiellement compos de quatre composants qui sont : le capteur, le conditionneur et

    l'amplificateur, le filtre d'entre et l' chantillonneur-bloqueur figure 4.

  • Les techniques des conversions analogique-numrique:

    figure 4: Module d'acquisition des donnes

    1-Le capteur:

    Le capteur est le premier lment dune chane de mesure ou chane dacquisition de donnes. Il est linterface

    entre le "monde physique" et le "monde lectrique". En effet le capteur est un organe de prlvement

    d'information qui labore partir d'une grandeur physique, une autre grandeur physique de nature diffrente

    (trs souvent lectrique). Cette grandeur reprsentative de la grandeur prleve est utilisable des fins de

    mesure ou de commande. Sur le tableau 1 nous illustrons la nature de la grandeur physique mesurer l'effet

    utilis ainsi que la nature de la grandeur de sortie.

    Grandeur physique mesurer Effet utilis Grandeur de sortie

    Temprature Thermolectricit Tension

    Pyrolectricit Charge

    Flux de rayonnement optique

    Photo-mission Courant

    Effet photovoltaque Tension

    Effet photo-lectrique Tension

    Force Pizo-lectricit Charge

    Pression

    Acclration Induction lectromagntique

    Tension Vitesse

    Position (Aimant) Effet Hall Tension

    Courant

    le tableau 1

    2-Le conditionneur:

    Le signal issu du capteur doit tre conditionn avant sa conversion. En fait le signal analogique de sortie du

    capteur est trs rarement dans la plage de tension d'entre du convertisseur. Il faut donc mettre en forme le

  • Les techniques des conversions analogique-numrique:

    signal de sortie du capteur l'aide d'un conditionneur pour que la tension de sortie soit dans une gamme de

    tension compatible avec celle du convertisseur CAN standard ( par exemple 0-5V) Le conditionnement peut tre

    simplement une amplification l'aide d'un amplificateur oprationnel, ou plus compliqu par exemple une

    amplification et un dcalage, voire un changement de signe ou tout autre en fonction du signal de sortie du

    capteur. Le conditionneur doit avoir comme qualit essentielle de dgrader le moins possible le signal d'origine

    tout en lui faisant subir les oprations ncessaires au conditionnement .Les conditionneur, amplificateur

    adaptent et amplifient le signal pour l'amener dans une plage de variation de tension "confortable" par exemple

    de 0 5V.

    3- Le filtre d'entre:

    Ce filtre est communment appel filtre anti-repliement. Son rle est de limiter le contenu spectral du signal

    aux frquences qui nous intressent. Ainsi il limine les parasites. Cest un filtre passe bas que lon caractrise

    par sa frquence de coupure et son ordre.

    4-L'chantillonneur-bloqueur

    l'chantillonneur a pour rle de "prlever" priodiquement un chantillon du signal lectrique amplifi (priode

    d'chantillonnage: Te). L'ordre d'chantillonnage est fournis par le circuit de commande. On associe de manire

    quasi-systmatique l'chantillonneur un bloqueur. Ce bloqueur doit maintenir la tension chantillonne

    constante durant le temps de conversion ( Tconv). Souvent on parle d'chantillonneur-bloqueur

    2- Le Module de conversion Analogique Numrique CAN

    Les Convertisseurs Analogique Numrique (CAN, ADC en anglais, pour analog to digital converter), Le

    convertisseur transforme le signal analogique en signal numrique apte tre trait par microprocesseur

  • Les techniques des conversions analogique-numrique:

    (numrisation des signaux).

    On trouve dans le commerce plusieurs types de convertisseur (CAN) qui offrent diffrents atouts (temps de conversion rapide du type "flash" ou rsolution pointue (10 bits, 12, ..., 20 bits ou plus) mais le prix de fabrication est en consquence).

    3-Module des commandes et de traitement des donnes

    Le circuit de commande est le "chef d'orchestre" : il donne les ordres des commandes l'chantilloneur-

    bloqueur et au convertisseur A/D puis il effectue l'acquisition et le traitement des donnes suivant l'algorithme:

    dbut d'chantillonnage l'chantilloneur-bloqueur,

    dbut de conversion au convertisseur A/D dialogue avec l'ordinateur:

    conversion effectue, lire la valeur convertie ==> ordinateur

    l'ordinateur rpond, prt pour la donne suivante. ==> circuit de commande

  • Les techniques des conversions analogique-numrique:

    1- Structure fonctionnelle d'une chane de mesure:

    3.Chane de restitution des donnes

    1.3 Chane de restitution des donnes

    La chane de restitution des donnes est prsente la figure 5. cette chane est essentiellement ralise par

    un convertisseur numrique analogique (CNA), un filtre de sortie et un amplificateur de puissance

    figure 5: La chane de restitution des donnes est prsente

    Le convertisseur numrique analogique (CNA)

    Il effectue lopration inverse du CAN, il assure le passage du numrique vers lanalogique en restituant une

    tension proportionnelle au code numrique.

    Le filtre de sortie

  • Les techniques des conversions analogique-numrique:

    Son rle est de lisser le signal de sortie pour ne restituer que le signal utile. Il a les mmes

    caractristiques que le filtre dentre.

    Amplificateur de puissance

    Il adapte la sortie du filtre la charge.

  • Les techniques des conversions analogique-numrique:

    1- Structure fonctionnelle d'une chane de mesure:

    4. Performances globale d'une chane de mesure

    1-4 Performances globale

    Frquence de fonctionnement

    On peut dfinir la vitesse limite dacquisition. Elle dpendre du temps pris pour effectuer les oprations d'chantillonnage (Tech ), de

    conversion (Tconv ) et de stockage(Tstock)

    Ainsi la somme de ces trois temps dfinit le temps minimum dacquisition et donc la frquence maximum de fonctionnement de la chane :

    Tacqmin= Tech+Tconv+ Tstock

    Il existe deux catgories de convertisseurs :CNA et CAN

    Les Convertisseurs Numrique Analogique (CNA, DAC en anglais, pour digital to analog converter) qui vont convertir les signaux logiques en

    tension analogique.

    Les Convertisseurs Analogique Numrique (CAN, ADC en anglais, pour analog to digital converter), qui vont transformer les tensions

    analogiques en signaux logiques aptes tre traits par microprocesseur (numrisation des signaux).

  • Les techniques des conversions analogique-numrique:

    Plusieurs types de convertisseurs sont disponibles dans chaque catgorie, qui se diffrencient par leur prcision, leur vitesse de traitement de

    l'information, leur prix... Les principales caractristique des CNA recherchs sont sa vitesse de conversion, rsolution.

    Nous abordons dans le chapitre 2 les techniques des convertisseurs numriques / analogique et nous prsentons dans chapitre 3 les

    techniques des convertisseurs analogiques /numriques.

    Remarque: nous prsenterons les capteurs et l'amplificateur le filtre et l'chantillonneur /bloqueur dans un autre cours intitul " Module

    d'acquisition des donnes".

  • Exercices Interactifs

    Cours: Conversions Numrique Analogique Question N:

  • Conversion Analogique

    Conversion Analogique-Numrique et Numrique-Analogique Auteur

    Conversion numrique-analogique et analogique-numrique Michel Hubin

    Convertisseurs Analogique / Numrique Ecole polytechnique fdrale de Lausanne

    Convertisseurs Numrique / Analogique Ecole polytechnique fdrale de Lausanne

    Convertisseurs N/A et A/N Dominique Chevalier

    Convertisseurs N/A et Convertisseurs A/N D. Piot

    Les Conversions D.A.C. et A.D.C. NeT_TroniquE

    Les technologies de CAN (simple & double rampes, approx.) + TD CeLtiX

    Convertisseurs A/N et N/A " un bit " sigma delta Pierre-Louis Corrieu

    Conversion numrique analogique Patrick Dubief

    Liens

    http://transdata.free.fr/cna.html Ce site expose brivement le principe de la Conversion Numrique Analogique et prsente divers types de convertisseurs

    http://www2.egr.uh.edu/~glover/

    Il s'agit du site web d'un professeur l'universit de Houston, spcialis entre autre, dans la conversion analogique-numrique. (Site en Anglais)

    http://www.iut.u-bordeaux1.fr/geii/Cours/Ccouturie/cours3.pdf

    Ce site prsente en dtail le principe de la conversion analogique numrique tant du point de vue lctronique que du point de vue traitement du signal.

    http://perso.wanadoo.fr/e-lektronik/LEKTRONIK/annexes/conversion.htm

    Une page qui prsente de faon assez complte la conversion analogique numrique.

  • Conversion Analogique

    http://www.jhu.edu/~signals/index.html Divers applets Java ayant, plus ou moins, attrait la conversion analogique numrique.

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    Chapitre 2 Les Convertisseurs Numriques_ Analogiques

    Objectif 1. Introduction sur les numrations 2. Principe de la conversion 3. Fonction de transfert d'un CNA 4. CAN unipolaire et CAN bipolaire 5. Classification des CNA 6. CNA rseau des rsistances pondres 7. CNA courants pondrs 8.CNA rseau R/2R 9.CNA rseau R/2R chelle inverse 10.Montage pratique CNA unipolaire et CNA bipolaire 11. Les CNA indirects squentiels 12. Les paramtres des CNAs 13.Exemples dutilisation des CNA 14. Gnration des fonctions analogiques

    Les Convertisseurs Numriques - Analogiques & Les Convertisseurs Analogiques - Numriques

    OBJECTIF

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    Les Convertisseurs Numriques - Analogiques & Les Convertisseurs Analogiques - Numriques

    OBJECTIF

  • Les techniques des conversions analogique-numrique:

    Les Convertisseurs Numriques /Analogiques: CNA

    2.1 Gnralits sur le codage

    Dans un systme de numration de base B, une quantit quelconque Q se reprsente l'aide d'une suite de symboles an-1 an-2.....a i....a2 a1a0. Chaque symbole ai est caractris par sa position, ou rang, prcis

    par l'indice i qui dfinit automatiquement son poids Bi (B puissance i). Quant la base B c'est le nombre de valeurs distinctes que peut prendre chaque symbole ai. Dans ces conditions la valeur Q est gale :

    Q = an-1Bn-1 +......+a iBi+....+a2B 2+a1B1+a 0B0

    Le nombre d'informations reprsent par ces n symboles ai est gale au nombre de combinaisons

    possibles soit Bn. Exemples

    1- si B =10 (base dcimale) et Q =259, alors : 259 = 2.102 +5.101 + 9.100 = 2.100 + 5.10 + 9.1 2- si B=2 (base binaire) et Q = 100000011 alors en dcimale la valeur de Q est: 100000011 = 1.28+0.27 +0.26 +0.25+0.24+0.2 3+0.22+1.21+1.2 0 =256 +2 +1 En pratique le systme de numration base 2, le systme binaire, est impos pour des raisons technologiques, les circuits lectroniques deux tats connus depuis longtemps sont faciles raliser.

  • Les techniques des conversions analogique-numrique:

    Les Convertisseurs Numriques/Analogiques:CNA

    2.2 Principe de fonctionnement N/A

    La Conversion Numrique Analogique, que nous dsignerons dornavant par CNA, consiste transformer une information

    disponible sous forme binaire dans un code dtermin en une information analogique.

    Soit l'information numrique N prsente dans le code binaire par:

    N = an-1 an-2.....a i....a2 a1a0

    avec :

    n : nombre de bits du mot N

    an-1 : bit de poids fort MSB ( Most Significant Bit)

    a0 : bit de poids faible LSB ( Least Significant Bit)

    Les Convertisseurs Numriques-Analogiques (CNA) ont pour but de convertir un mot numrique de N bits en une tension

    analogique. En effet un CNA va faire correspondre l'information numrique N une tension Vs (ou courant Is ) de sortie de la

    forme Vs= F( N,Vref ), avec Vref est la tension de rfrence (figure 1).

  • Les techniques des conversions analogique-numrique:

    Figure 1 : Schma simplifie d'un CNA

    Pour avoir une loi de variation linaire, chaque accroissement d'un bit de poids faible du mot N convertir, on doit avoir un

    accroissement de la tension de sortie d'une quantit lmentaire appele un quantum, not q. La valeur du quantum est choisie

    par l'utilisateur, en fixant la tension de rfrence Vref et le nombre de bits n du CNA ; en effet :

    Exemple : Pour n = 8 et Vref =10V alors q= 10/256 =39mv

    Pour calculer Vs, nous devrons exprimer N sous sa forme dcimale:

    N = an-1 2n-1 +......+a i 2i +....+ a2 22 + a1 21 + a0 20

    On dduit la valeur de Vs

  • Les techniques des conversions analogique-numrique:

    Vs = q.N = (Vref /2n) [ an-1 2n-1 +......+a i 2i +....+ a2 22 + a1 21 + a0 20 ]

    Remarques

    1-: Quand l'information numrique est maximum?

    l'information numrique est maximum lorsque tous les bits ai sont gaux 1,dans ce cas

    l'information analogique correspondant est maximum et sa valeur est gale :

    Vsmax = q.N = (Vref 2n) [2n-1 +......+2 i +....+ 22 + 21 + 20] = q.(2n -1)

    = (Vref/2n) (2n -1) = Vref - q

    On note que la tension de sortie maximum n'atteint pas la tension de rfrence mais elles se

    diffrent de 1 quantum. La tension de rfrence est considre comme tant la tension de la Pleine

    chelle ( PE), " Full Scale : FS"

    2-: La valeur analogique minimum autre que zro ne peut tre que 1 quantum:

    Vsmin =1. q = (Vref/2n)

  • Les techniques des conversions analogique-numrique:

    3-: La rsolution: Par dfinition, la rsolution r d'un systme est la plus petite valeur ou incrment

    minimum, que ce systme peut reconnatre ou dlivrer, ramene la valeur maximum. On dduit la

    valeur de r:

    On peut dfinir la rsolution comme tant la plus petite variation relative de tension (courant) de

    sortie par rapport la pleine chelle.

  • Les Convertisseurs Numriques /Analogiques : CNA

    2.3 Courbe de transfert d'un CNA

    Utilisation du code binaire naturel

    Formules

    Courbe de transfert (voir figure 2)

    Les techniques des conversions analogique-numrique:

  • Les techniques des conversions analogique-numrique:

    figure 2 : Courbe de transfert d'un CNA

    Utilisation du code binaire cod dcimal BCD

    Dfinition du digit

    Le digit est la reprsentation binaire des chiffres dcimaux (0,1,...,9), donc on doit l'exprimer par 4 bits. On dfinie:-Le Digit de poids fort, " Digit le Plus Significatif " (Most Sinificant Digit: MSD )-Le Digit de poids faible, " Digit le moins Significatif " (Least Sinificant Digit: LSD ) : Le tableau ci dessous illustre MSD et LSD d'un nombre de 4 digits.

    a33

    a32 a

    31 a

    30a

    23 a

    22 a

    21 a

    20a

    13 a

    12 a

    11 a

    10a

    03 a

    02 a

    01 a

    00

    MSD LSD

  • Les techniques des conversions analogique-numrique:

    Remarques

    Trs souvent l'information numrique N n'est pas un nombre entier de digits, mais un nombre fractionnaire, frquemment on utilise le demi digit (1/2) et le trois quart digit (3/4). Par exemple, on explique les significations d'un CNA 3 Digits 1/2 et d'un CNA 3 Digits 3/4 . En effet, les 3 digits les moins significatifs sont entiers, c'est dire s'expriment par 4 bits, mais le quatrime digit qui est le plus significatif ne s'exprime pas par quatre bits. En rgle gnrale les significations de demi digit 1/2 et de trois quart digit 3/4 sont : - le 1/2 digit: veut dire que le digit le plus significatif est exprim sur 1 bit, donc seul les valeurs 0 et 1 sont possibles.La plage de conversion s'tend de 0000 1999, donc il y a 2000 point de conversion;on parle parfois de CNA 2000 points de mesures; dans ce cas N peut prendre 2000 valeurs possibles, la tension (courant) de sortie du CNA peut avoir 2000 chelons de tension correspondant ces 2000 valeurs. - le 3/4 digit: veut dire que le digit le plus significatif est exprim sur 2 bits, donc seul les valeurs 0, 1, 2 et 3 sont possibles. On note que N peut prendre 4000 valeurs possibles et la tension (courant) de sortie du CNA peut avoir 4000 chelons de tension.Formule :

  • Les techniques des conversions analogique-numrique:

  • Les techniques des conversions analogique-numrique:

    Les Convertisseurs Numriques /Analogiques: CNA

    4

    Dfinition des CNA unipolaire et bipolaire

    4.1.CNA unipolaire4.2.CNA bipolaire bipolaire

    Evaluation QCM

    4.1 CNA unipolaire

    Dans l'tude prcdente des quations de transfert du CNA, nous avons considr que la tension de sortie du CNA est toujours de mme signe

    que celui de la tension de rfrence. Dans ce cas le convertisseur est dit unipolaire. L'allure de la courbe de transfert d'un CNA est prsente

    la figure 3.

  • Les techniques des conversions analogique-numrique:

    Figure 3: courbe de transfert d'un CNA unipolaire

    On note que, Vs est positive si Vref est positive et elle est ngative si Vref est ngative.

    Dans ce cas, les codes les plus utiliss sont le Code BInaire Naturel " BIN " et le code Binaire Cod Dcimal "DCB"; mais il est possible d'utiliser

    d'autres codes drivs de ces deux codes; par exemple le code binaire naturel complment et le code binaire cod dcimal complment dont

    nous donnons leurs dfinition:

    - Le code binaire naturel complment ( Complementary Binary: CBIN): Ce code se dduit du code BIN en complmentant un tous les bits;

    c'est dire en inversant tous les bits (les 0 deviennent 1 et vice versa).

    - Le code binaire cod dcimal complment ( Complementary Binary Coded Decimal: CBCD): Ce code se dduit du code BCD en

    complmentant tous les bits de chaque combinaison.

  • Les techniques des conversions analogique-numrique:

    4.2 CNA bipolaire

    Le CNA bipolaire est un convertisseur dont la tension de sortie change de signe en fonction de l'information numrique d'entre. La courbe de

    transfert du CNA bipolaire est prsent la figure 4. On constate que la courbe de transfert prsente une translation de (Vref)/2 par rapport la

    courbe de transfert d'un convertisseur unipolaire.

    Figure 4 : Courbe de transfert d'un CNA bipolaire

    D'aprs cette courbe, on constate que la tension de sortie peut tre positive ou ngative; ceci en fonction de la valeur numrique N. En effet pour

    la valeur numrique N0, on fait correspondre la tension ngative -V2, et la valeur N1 correspond la tension positive V1. On peut avoir galement

    l'inverse.

  • Exercice 1 :

    Complter la suite logique de nombres croissants appartenant diffrents systmes de numration.

    Binaire octal hexadcimal binaire Base 18 hexadcimal

    011100 156 4CF9 111000 HC 9FFFC011101 011110

    Exercice 2

    Effectuer les oprations darithmtiques binaires.

    Les techniques des conversions analogique-numrique:

  • Les techniques des conversions analogique-numrique:

    0 1 0 0 0 0 1 0 1 1 1 1 1 1 0

    + 0 1 1 0 0 1 1 + 0 0 0 1 1 1 0 1

    0 1 1 0 0 0 1 0 0 1 1 1 0 1 0

    - 0 1 0 1 0 1 1 - 0 0 0 1 1 1 0 1

    0 1 0 0 0 0 1 0 0 1 1 1 0 1 0

    - 0 1 1 0 0 1 1 - 0 1 0 1 1 1 0 1

    1 1 1 1 1 0 0 1 1 1 0 0 1 0 1

    + 1 1 1 1 0 1 0 + 1 0 1 0 1 0 1 0

    1 1 1 1 1 0 0 1 0 1 0 0 1 0 1

    - 1 1 1 1 1 1 0 - 1 1 1 0 1 0 1 0

  • Les techniques des conversions analogique-numrique:

    Exercice 3 :

    Pour chaque opration de lexercice 2, convertissez les nombres binaires en nombre dcimal et effectuer les oprations dcimales :

    Conclusion :

    Exercice 4 :

    Effectuer les oprations darithmtiques hexadcimales.

    1 8 1 A F 9 0 5 E 3

    + 2 8 + 0 1 0 9 + 6 5 3 8

    2 8 1 A F 9 6 5 3 8

    - 1 8 - 0 1 0 9 - 0 5 E 3

  • Les techniques des conversions analogique-numrique:

    1 8 1 A F 9 0 5 E 3

    - 2 8 - 2 B 0 9 - 6 6 3 8

    Exercice 5 :

    Sous le mme principe quune multiplication dcimale, effectuez les multiplications binaires suivantes.

    1 1 0 0 1 1 1 0 1

    1 0 1 0 0

    Remarque :

    1 1 0 0 1 1 1 0 1

    1 0 1 1 0 1 1 1 0

  • Exercices Interactifs

    Cours: Conversions Numrique Analogique Question N:

  • 4

    Les Convertisseurs Numriques/Analogiques:CNA

    5.Classification des CNA

    5.1.Introduction 5.2.Schma de principe des convertisseurs N/A parallles

    5.1.Introduction

    Nous allons tudier les diffrentes techniques employes pour convertir une donne binaire en une grandeur analogique. Nous distinguons deux techniques de conversions numriques analogiques qui sont les techniques de conversion N/A directs et les techniques de conversion N/A indirects.

    Dans les techniques de conversion N/A direct le mot binaire est directement converti en signal analogique. Ces convertisseurs sont entirement raliss avec des composants analogiques ( rseau de rsistances, transistors, amplificateurs, etc...); le temps de conversion est relativement faible, mais ils sont assez coteux.

    Dans les techniques des convertisseurs indirects ou squentiels le mot binaire subit une premire conversion un signal dont le rapport cyclique ou bien le nombre d'impulsions est proportionnel du mot binaire N. Une deuxime conversion (filtrage) pour transformer le signal variable en un signal continu. Ces convertisseurs sont raliss en majorit avec des composants logiques ( portes, bascules, registres, compteurs etc...); le temps de conversion est relativement lev, mais ils sont peu coteux. Le tableau ci dessous regroupe les diffrentes techniques des CNA que nous allons tudier en dtail aux paragraphes suivants.

  • 4

    5.2Schma de principe des convertisseurs N/A parallles

    A partir des quations de transfert dmontres prcdemment, nous pouvons dduire le schma de principe d'un CNA parallle prsent la figure 5.

    Un convertisseur N/A comprendra donc :

    - Une source de rfrence (soit en tension Vref ,soit Iref en courant); Cette source doit avoir une bonne prcision.

    file:///D|/cours%20raliss/sf/gnie%20lectrique/can_25_05_2005/ch2/sec5.htm (2 of 3)02/06/2005 01:59:45

  • 4

    - Un systme de pondration pour retrouver les coefficients pondrs dans le code binaire naturel ou bien dans le cas de code BCD,

    - Une commande numrique pour effectuer la multiplication par les coefficients an-1,.........., a0, l'aide d'interrupteurs lectroniques.

    - Un systme de sommation pour calculer la somme suivante :

    - un tage de sortie qui assure la conversion courant tension pour un CNA sortie en tension.

    Figure 5: Schma de principe d'un convertisseur N/A parallle

  • 4

    Les Convertisseurs Numriques /Analogiques: CNA

    6 - CNA rseau des rsistances pondres

    Principe

    Le schma de principe d'un convertisseur rsistances pondres ( R, 2R, 4R...) utilisant le code binaire naturel est prsent la figure 6.Ce convertisseur contient :

    Une tension de rfrence

    Une batterie de commutateurs commands par le code numrique d'un registre binaire

    Une batterie de rsistances pondres de manire ce que les courants gnrs soient dans une

    progression gomtrique de raison 1/2

  • 4

    Figure 6: CNA rsistances pondres

    On se propose de calculer la tension de sortie pour diffrentes valeurs de N et de vrifier par la suite que ce

    montage rempli la fonction du convertisseur numrique analogique.

    Calcul de la tension de sortie Vs

    On remarque que le courant lmentaire Ii qui traverse la rsistance pondre 2iR se dirige vers la masse

    relle ou ou la masse virtuelle (entre - de l'OP) en fonction de la position du commutateur Si. En effet si ai =

    0 le commutateur se trouve la position 2 par contre si ai =1 le commutateur se trouve la position 1. Le

    courant Is est la somme des courants lmentaires dont les commutateurs sont la position 1.

    Is= an-1In-1+ an-2In-2+......+ a2I2+a1I 1+a0I0

  • 4

    Avantage et inconvnient

    L'intrt d'un tel convertisseur rside dans sa simplicit, mais il devient vite imprcis lorsque le nombre de bits

    augmente. En effet il ncessite des rsistances de prcision dans une grande gamme de valeurs (de R 128

    R pour un codage sur 8 bits, par exemple). C'est pourquoi on emploie rarement ce CNA au-del de 4 bits. La

    principale source d'erreur provenant de la ralisation du rseau de rsistances. La manire la plus simple de

    rsoudre ce problme est d'utiliser plusieurs blocs identiques de quatre rsistances, et de quatre interrupteurs

    appels "quarts" et de faire une somme pondre de ces courants fournis par les quarts. Cette solution est

    trs employe pour ralisation de convertisseurs numriques analogiques utilisant le code binaire naturel

    (CBN ) ou le code binaire cod dcimal (BCD) en choisissant le diviseur de courant convenable, comme le

    montre les figure 7 et la figure 8.

    Exemple de ralisation

    Un exemple de ralisation industrielle d'un convertisseur N/A 12 bits rseau de rsistances pondrs est

  • 4

    prsent la figure 7. On note l'utilisation de 3 blocs identiques comprenant chacun quatre rsistances et

    quatre interrupteurs.

    Figure 7 : CNA 12 bits utilisant le CBN

    L'expression I1est la mme que celle de I2 et I3 seule les indices qui changent.

    Les rsistances R1, R2, R3 et R4 sont choisies de telle sorte que l'on ait un pont diviseur par 16 pour avoir

  • 4

    l'expression habituelle du courant de sortie du convertisseur il faut que :

    Is= I3 + I2/24 + I1/28

    Figure 8 : choix du diviseur de tension pour le CBN

    Le courant de sortie Is a pour expression:

  • 4

    Les Convertisseurs Numriques /Analogiques : CNA

    7- CNA courants pondrs

    Le convertisseur R-2R prsente certains inconvnients, notamment quand les courants qui circulent dans les rsistances 2R changent de sens

    lors de la commutation. Ceci entrane l'existence d'un rgime transitoire et un retard de conversion.

    En utilisant des courants constants qui sont toujours dirigs dans le mme sens, L'inconvnient prcdemment du CNA rseau R - 2R est

    supprim. Le principe du CNA courants pondrs prsent dans la figure 12 consiste donc gnrer des courants I, 2I, 4I, 8I, etc... et

    additionner ces courants en fonction du code numrique. En associant par exemple trois dcades constitues chacune de quatre sources de

    courant (I, 2I, 4I et 8I) et de trois rsistances pondres en srie, on peut raliser un CNA dont le code numrique se prsente sous la norme BCD

    figure 6.

    file:///D|/cours%20raliss/sf/gnie%20lectrique/can_25_05_2005/ch2/sec7.htm (1 of 2)02/06/2005 01:59:46

  • 4

    Figure 12 : Rseau courants pondrs pour un CNA

    L'avantage de ce type de convertisseur est la grande vitesse de conversion grce l'absence des rgimes transitoires. Les CNA courants

    pondrs sont en gnrales ralises l'aide des transistors bipolaires.

    Remarque :

    Le choix du courant I est trs important

    -Un courant trop faible est susceptible d'tre gn par des courants parasites.

    -Un courant trop fort ne fait qu'augmenter la consommation.

    On retiendra quand mme que le principal avantage de ce type de CNA est sa grande vitesse de conversion, grce l'absence de rgime

    transitoire.

    Evaluation

    QCM

  • Les techniques des conversions analogique-numrique:

  • Exercices Interactifs

    Cours: Conversions Numrique Analogique Question N:

  • 4

    Les Convertisseurs Numriques /Analogiques : CNA

    8- CNA rseau R/2R.

    Principe

    Ce rseau est constitu des rsistances ayant pour valeurs R et 2R figure 9.

    Figure 9: CNA rseau R-2R

  • 4

    Si tous les ai sont gaux 0 (ai = 0), les commutateurs se trouvent la position 2 dans ce cas, tous les rsistances 2R sont connectes la

    masse ( on suppose la rsistance interne de la source de rfrence gale 0) la rsistance quivalente du rseau vue du point A est gale R

    ( 2R en parallle avec 2R est gale R, R en srie avec R donne 2R et ainsi de suite). Les commutateurs sont commands par le code

    numrique. La valeur analogique est la somme de courants aboutissant l'entre "-" de l'amplificateur oprationnel, l'amplificateur oprationnel

    convertie le courant en tension.

    Calcul des courants et de la tension de sortie

    1-Calculons le courant I1 fourni l'amplificateur par la seule fermeture de Sn-1.

    Le mot binaire d'entre est gale 100..0 ( seul le MSB =1).

    En appliquant le thorme de Thevnin sur le schma quivalent du CNA (R - 2R) de la figure 10, on dduit la valeur de ce courant :

    Figure 10: schma quivalent du CNA par la seule fermeture de Sn-1

  • 4

    2- Calculons le courant I2 fourni l'amplificateur par la seule fermeture de Sn-2 .

    Le mot binaire d'entre est gale 010..0.

    En appliquant le thorme de Thevnin sur le schma quivalent du CNA R - 2R de la figure 11.

    Schma quivalent :

  • 4

    Figure 11 :schma quivalent du CNA par la seule fermeture de Sn-2

    On dduit la valeur de ce courant :

    D'aprs le thorme de superposition, la fermeture de Sn-1 et de Sn-2 fournira l'amplificateur la somme de courant I1+ I2 ( le mot binaire est

    gale 1100..0) ( figure 12), et la tension de sortie est la somme de deux tensions :

    Figure 12 : schma quivalent du CNA par la seule fermeture de Sn-1 et Sn-2

  • 4

    Grce au thorme de superpositions, on calcule facilement la tension de sortie pour diffrentes combinaisons de l'information d'entre d'o

    la formule gnrale:

    Avantages et inconvnients

    Pour ce type de convertisseur, en plus de la tension de rfrence, les deux lments qui fixent la prcision sont le rseau de rsistances qui

    devrait avoir un trs faible coefficient de temprature et le rseau des interrupteurs qui devrait avoir une faible rsistance quivalente.

    QCM Test

  • Les techniques des conversions analogique-numrique:

    3-

    Convertisseur N/A R-2R

    L'applet :

    Mode manuel : Une srie de cases cocher permet de modifier la position des inverseurs. Des voltmtres

    idaux affichent la valeur du potentiel pour chaque noeud. La valeur de la tension E de rfrence est gale

    2,56 V.

    Mode automatique : Il est possible de choisir entre plusieurs formes d'onde et de modifier la rsolution du

    convertisseur. Sur la courbe VS = F(t) qui s'affiche dans le bas de l'applet, bien noter l'aspect en chelons de

    la tension de sortie.

    Un click sur le bouton droit de la souris permet de geler l'animation.

  • Les techniques des conversions analogique-numrique:

  • Exercices Interactifs

    Cours: Conversions Numrique Analogique Question N:

  • Les techniques des conversions analogique-numrique:

  • 4

    Les Convertisseurs Numriques /Analogiques : CNA

    9 - CNA rseau R/2R chelle inverse

    Actuelle, cette famille des convertisseur occupe une place importante dans le march des convertisseurs;

    grce son prix accessible et ses performances suprieures celles des montages prcdents.

    Le schma de principe d'un CNA rseau R-2R chelle inverse est donn la figure 14. Nous signalons

    que les bits de poids fort (MSB) et faible (LSB) sont inverss par rapport au montage R-2R classique, ce qui

    explique le nom de ce CNA. (figure 11). La structure de base reste un rseau R - 2R, mais les courants dans

    les rsistances 2R circulent toujours dans le mme sens; ils sont constamment orients vers la masse ou

    vers l'entre de l'amplificateur (masse virtuelle), qui sont pratiquement au mme potentiel lectrique.

  • 4

    Figure 14 : CNA rseau R - 2R chelle inverse

    1- Calculons le courant Ia fourni l'amplificateur par la seule fermeture de Sn-1 .

    Le mot binaire d'entre est gale 100..0 ( seul le MSB =1). Les schmas quivalents sont donns la figure

    15.

    (a)

    file:///D|/cours%20raliss/sf/gnie%20lectrique/can_25_05_2005/ch2/sec9.htm (2 of 6)02/06/2005 01:59:49

  • 4

    (b)

    figure 15 : CNA rseau R - 2R chelle inverse

    (a) principe (b) code d'entre N= 100...0

    En appliquant le thorme de Thevnin sur le schma quivalente du CNA R - 2R de la figure 15 (a) et figure

    15 (b), on dduit la valeur de ce courant:

    2- Calculons le courant Ib fourni l'amplificateur par la seule fermeture de Sn-2 .

    Le mot binaire d'entre est gale 010..0.

    En appliquant le thorme de Thevnin sur le schma quivalent du CNA R - 2R de la figure 16.

  • 4

    On dduit la valeur de ce courant :

    Figure 16 : schma du CNA pour le code d'entre N=010..0

    D'aprs le thorme de superposition, la fermeture de Sn-1 et de Sn-2 fournira l'amplificateur la somme de

    courant Ia+Ib ( le mot binaire est gale 1100..0 , et la tension de sortie est la somme de deux tensions) :

  • 4

    Grce au thorme de superpositions, on calcule facilement la tension de sortie pour diffrentes combinaisons

    de l'information d'entre; d'o la formule gnrale:

    On peut utiliser des rsistances de fortes valeurs sans compromettre la vitesse de conversion, ceci permet de

    diminuer les erreurs dues aux rsistances de fuite (quelques centaines d'ohms) des commutateurs

    analogiques. Ce courant tant assez faible, les imperfections de l'amplificateur oprationnel (courant de

    polarisation, tension de dcalage etc..) sont des lments ne pas ngliger dans le calcul de prcision du

    systme. La place importante de ce CNA sur le march actuel ncessite naturellement une tude approfondie

    de cette famille. Cette tude sera mene avec un exemple concret pour mieux comprendre les divers

    problmes technologiques et les solutions apportes par l'lectronique moderne. La description se rapporte au

    modle AD 7533 de Analog Devices

  • 4

  • 4

    Les Convertisseurs Numriques /Analogiques : CNA

    10-Montage pratique CNA unipolaire et CNA bipolaire

    prsentation du CNA AD 7533

    La place importante de ce CNA sur le march actuel ncessite naturellement une tude approfondie de cette famille. Cette tude sera mene avec un exemple concret pour mieux comprendre les divers problmes technologiques et les solutions apportes par l'lectronique moderne. La description se rapporte au modle AD 7533 de Analog Devices.Description du CNA 7533 de Analog Devices 10 bits ( voir figure 17).

    Figure 17 : Schma du CNA AD 7533file:///D|/cours%20raliss/sf/gnie%20lectrique/can_25_05_2005/ch2/sec10.htm (1 of 9)02/06/2005 01:59:52

  • 4

    Le CNA AD 7533 est un convertisseur unipolaire ou bipolaire fonctionnant 10 bits. Les courants fonctions des poids binaires traversent en permanence les rsistances 2R du rseau, indpendamment de la position des commutateurs. Les sorties I

    out1 et I

    out2 sont maintenues aux potentiels des masses virtuelle ou relle. Les commutateurs

    aiguillent les courants aux sorties appropries en fonction des niveaux logiques appliqus. Si la tension de rfrence est gale 10V, le niveau logique "1" sur le MSB fournit une tension gale ( -0.5 mA).(10 k) = -5 V la sortie de l'amplificateur. Quand toutes les entres sont "1", la tension de sortie sera gale -9.99 V. Quand toutes les entres logiques sont "0", la tension de sortie sera gale 0 V. Les variations de Ron en fonction de la temprature peuvent transformer le rseau R - 2R en un rseau R - nR avec n suffisamment diffrent de 2 pour changer le caractre binaire du rseau et rendre le convertisseur non monotone. La technologie CMOS utilise dans la ralisation des commutateurs de cette famille de CNA permet de contrler la valeur de la rsistance Ron. Ainsi, le commutateur correspondant au premier bit est conu pour raliser

    Ron = 20 , pour le second bit Ron = 40 etc..., et cela jusqu'au 6me bit ou Ron = 640. Ainsi, les

    tensions aux bornes des ces rsistances Ron, des dix premiers bits les plus significatifs sont toutes gales 10 mV. Cette tension en srie avec la tension de rfrence, elle n'affecte pas la linarit du convertisseur.

    1- Conversion unipolaire

    Comme la tension de sortie du convertisseur est de mme signe que celle de la tension de rfrence alors il s'agit d'un convertisseur unipolaire et la tension de sortie est gale :

    Vout = - N. Eref, N tant la valeur binaire du code numrique d'entre.

    Les valeurs des ai sont dtermines par l'tat respectif des bits du code numrique N

    2- Conversion bipolairefile:///D|/cours%20raliss/sf/gnie%20lectrique/can_25_05_2005/ch2/sec10.htm (2 of 9)02/06/2005 01:59:52

  • 4

    Le CNA fonctionne en multiplieur quatre quadrants car les deux entres analogiques (Eref) et numrique (N) peuvent tre simultanment bipolaires figure 19. On remarque que le courant Iout2 est le complment de Iout1. La tension de sortie analogique V0 est donne par V0 = -R.(Iout1-Iout2).Calcul de Vo :

    Le tableau ci-dessous donne les valeurs de tension de sortie du CNA dans le cas unipolaire et bipolaire.

    Conversionunipolaire Conversion bipolaire

    Entres numriques Sorties analogiques Entres numriques Sorties analogiques

    MSB LSB MSB LSB

    1111111111 -Eref (1023/1024) 1111111111 -Eref (511/512)

    1000000001 -Eref (513/1024) 1000000001 -Eref (1/512)

    1000000000 -Eref (512/1024) 1000000000 0

    file:///D|/cours%20raliss/sf/gnie%20lectrique/can_25_05_2005/ch2/sec10.htm (3 of 9)02/06/2005 01:59:52

  • 4

    0111111111 -Eref (511/1024) 0111111111

    Eref (1/512)

    0000000001 -Eref (1/1024) 0000000001

    Eref (511/512)

    0000000000 -Eref (0/1024) 0000000000

    Eref (512/512)

    La conversion bipolaire fournit une chelle analogique double mais la rsolution est rduite de moiti. Pour obtenir V

    0 = 0, avec le code numrique d'entre gale 1000000 ( code binaire dcal), on

    file:///D|/cours%20raliss/sf/gnie%20lectrique/can_25_05_2005/ch2/sec10.htm (4 of 9)02/06/2005 01:59:52

  • 4

    ajoute une rsistance de 10.24M pour compenser le dcalage de (1/1024) entre Iout1 et Iout2 inhrent

    cette technique.

    Figure 19 : Montage pratique pour la conversion bipolaire

    Comparaison des diffrentes technologies

    (CNA)

    Type Vitesse Erreur Rsolution

    Rsistances

    Pondres Eleve (1s 10s)

    (Sortie en tension 1s 10s)

    (Sortie en courant 50 ns 1s)

    Eleve Faible (quelques bits)

    R-2R

    Faible Eleve

    Exemple de Convertisseur Numrique/Analogique

    Convertisseur Numrique / Analogique

    file:///D|/cours%20raliss/sf/gnie%20lectrique/can_25_05_2005/ch2/sec10.htm (5 of 9)02/06/2005 01:59:52

  • 4

    Rfrence Nombre de bits

    Tc(s)

    linarit Sortie constructeur prix HT

    AD7523 8 0,15 +/- 0,5 q Courant

    Intersil

    35

    DAC08CN 8 0,15 +/- 0,5 q Courant

    Analog Devices

    28

    AD557 8 1,5 +/- 0,5 q Tension National

    Semiconducteur

    67

    file:///D|/cours%20raliss/sf/gnie%20lectrique/can_25_05_2005/ch2/sec10.htm (6 of 9)02/06/2005 01:59:52

  • 4

    AD7533 10 0,6 +/- 2 q Courant

    Analog Devices

    48

    AD7390 10 75 +/- 1,6 q Tension

    Analog Devices

    72

    AD668 12 0,05 +/- 0.5 q Courant

    Analog Devices

    499

    file:///D|/cours%20raliss/sf/gnie%20lectrique/can_25_05_2005/ch2/sec10.htm (7 of 9)02/06/2005 01:59:52

  • 4

    ADDAC80 12 5 +/- 0,5 q Tension

    Analog Devices

    140

    DAC8043 12 1 +/- 1 q Courant

    Burr Brown

    125

    AD7840 14 2 +/- 2 q Tension

    Analog Devices

    167

    file:///D|/cours%20raliss/sf/gnie%20lectrique/can_25_05_2005/ch2/sec10.htm (8 of 9)02/06/2005 01:59:52

  • 4

    DAC712 16 6 +/- 4 q Tension

    Burr Brown

    171

    file:///D|/cours%20raliss/sf/gnie%20lectrique/can_25_05_2005/ch2/sec10.htm (9 of 9)02/06/2005 01:59:52

  • REV. A

    Information furnished by Analog Devices is believed to be accurate andreliable. However, no responsibility is assumed by Analog Devices for itsuse, nor for any infringements of patents or other rights of third parties thatmay result from its use. No license is granted by implication or otherwiseunder any patent or patent rights of Analog Devices.

    aAD7390/AD7391

    One Technology Way, P.O. Box 9106, Norwood, MA 02062-9106, U.S.A.Tel: 781/329-4700 www.analog.comFax: 781/326-8703 Analog Devices, Inc., 2002

    3 V Serial-InputMicropower 10-Bit and 12-Bit DACs

    FUNCTIONAL BLOCK DIAGRAM

    EN

    AD7390

    DAC REGISTER

    12-BIT DAC

    12

    12

    SERIAL REGISTER

    REF

    VDD

    CLR

    LD

    CLK

    SDI

    GND

    VOUT

    FEATURESMicropower100 ASingle-Supply2.7 V to 5.5 V OperationCompact 1.75 mm Height SO-8 Package

    and 1.1 mm Height TSSOP-8 PackageAD739012-Bit ResolutionAD739110-Bit ResolutionSPI and QSPI Serial Interface Compatible with Schmitt

    Trigger Inputs

    APPLICATIONSAutomotive 0.5 V to 4.5 V Output Span VoltagePortable CommunicationsDigitally Controlled Calibration

    GENERAL DESCRIPTIONThe AD7390/AD7391 family of 10-bit and 12-bit voltage-output digital-to-analog converters is designed to operatefrom a single 3 V supply. Built using a CBCMOS process,these monolithic DACs offer the user low cost, and ease-of-usein single-supply 3 V systems. Operation is guaranteed over thesupply voltage range of 2.7 V to 5.5 V consuming less than 100 Amaking this device ideal for battery operated applications.

    The full-scale voltage output is determined by the externalreference input voltage applied. The rail-to-rail REFIN toDACOUT allows for a full-scale voltage set equal to the positivesupply VDD or any value in between.

    A doubled-buffered serial-data interface offers high-speed,3-wire, SPI and microcontroller compatible inputs using data

    in (SDI), clock (CLK) and load strobe (LD) pins. Addition-ally, a CLR input sets the output to zero scale at power on orupon user demand.

    Both parts are offered in the same pinout to allow users to selectthe amount of resolution appropriate for their application withoutcircuit card redesign.

    The AD7390/AD7391 are specified over the extended industrial(40C to 85C) temperature range. The AD7391AR isspecified for the 40C to 125C automotive temperaturerange. The AD7390/AD7391s are available in plastic DIP, andlow profile 1.75 mm height SO-8 surface mount packages. TheAD7391ARU is available for ultracompact applications in a thin1.1 mm TSSOP-8 package.

    CODE Decimal

    1.00

    1.000 4096512

    DN

    L

    LS

    B

    1024 1536 2048 2560 3072 3584

    0.75

    0.00

    0.25

    0.50

    0.75

    0.50

    0.25

    AD7390

    VDD = 3.0VTA = 55C, +25C, +85C SUPERIMPOSED

    Figure 1. Differential Nonlinearity Error vs. Code

    AD7390

    VDD = 3.0V VREF = 2.5V

    +25C, +85C

    CODE Decimal

    0 4096512 1024 1536 2048 2560 3072 2584

    2.0

    2.0

    INL

    L

    SB

    1.5

    0.0

    0.5

    1.0

    1.5

    1.0

    0.5

    55C

    Figure 2. INL Error vs. Code and Temperature

  • REV. A2

    AD7390/AD7391SPECIFICATIONS

    Parameter Symbol Conditions 3 V 10% 5 V 10% Unit

    STATIC PERFORMANCEResolution1 N 12 12 BitsRelative Accuracy2 INL TA = 25C 1.6 1.6 LSB max

    INL TA = 40C, 85C 2.0 2 LSB maxDifferential Nonlinearity2 DNL TA = 25C, Monotonic 0.9 0.9 LSB max

    DNL Monotonic 1 1 LSB maxZero-Scale Error VZSE Data = 000H 4.0 4.0 mV maxFull-Scale Voltage Error VFSE TA = 25C, 85C, Data = FFFH 8 8 mV max

    VFSE TA = 40C, Data = FFFH 20 20 mV maxFull-Scale Tempco3 TCVFS 16 16 ppm/C typ

    REFERENCE INPUTVREF IN Range VREF 0/VDD 0/VDD V min/maxInput Resistance RREF 2.5 2.5 M typ4Input Capacitance3 CREF 5 5 pF typ

    ANALOG OUTPUTOutput Current (Source) IOUT Data = 800H, VOUT = 5 LSB 1 1 mA typOutput Current (Sink) IOUT Data = 800H, VOUT = 5 LSB 3 3 mA typCapacitive Load3 CL No Oscillation 100 100 pF typ

    LOGIC INPUTSLogic Input Low Voltage VIL 0.5 0.8 V maxLogic Input High Voltage VIH VDD 0.6 VDD 0.6 V minInput Leakage Current IIL 10 10 A maxInput Capacitance3 CIL 10 10 pF max

    INTERFACE TIMING3, 5

    Clock Width High tCH 50 30 ns minClock Width Low tCL 50 30 ns minLoad Pulsewidth tLDW 30 20 ns minData Setup tDS 10 10 ns minData Hold tDH 30 15 ns minClear Pulsewidth tCLRW 15 15 ns minLoad Setup tLD1 30 15 ns minLoad Hold tLD2 40 20 ns min

    AC CHARACTERISTICS6

    Output Slew Rate SR Data = 000H to FFFH to 000H 0.05 0.05 V/s typSettling Time tS To 0.1% of Full Scale 70 60 s typDAC Glitch Q Code 7FFH to 800H to 7FFH 65 65 nVs typDigital Feedthrough Q 15 15 nVs typFeedthrough VOUT/VREF VREF = 1.5 VDC 1 V p-p, 63 63 dB typ

    Data = 000H, f = 100 kHz

    SUPPLY CHARACTERISTICSPower Supply Range VDD RANGE DNL < 1 LSB 2.7/5.5 2.7/5.5 V min/maxPositive Supply Current IDD VIL = 0 V, No Load, TA = 25C 55 55 A typ

    IDD VIL = 0 V, No Load 100 100 A maxPower Dissipation PDISS VIL = 0 V, No Load 300 500 W maxPower Supply Sensitivity PSS VDD = 5% 0.006 0.006 %/% max

    NOTES1One LSB = VREF/4096 V for the 12-bit AD7390.2The first two codes (000H, 001H) are excluded from the linearity error measurement.3These parameters are guaranteed by design and not subject to production testing.4Typicals represent average readings measured at 25C.5All input control signals are specified with tR = tF = 2 ns (10% to 90% of 3 V) and timed from a voltage level of 1.6 V.6The settling time specification does not apply for negative going transitions within the last 3 LSBs of ground.

    Specifications subject to change without notice.

    AD7390 ELECTRICAL CHARACTERISTICS (@ VREF IN = 2.5 V, 40C < TA < +85C unless otherwise noted.)

  • REV. A 3

    AD7390/AD7391

    AD7391 ELECTRICAL CHARACTERISTICSParameter Symbol Conditions 3 V 10% 5 V 10% Unit

    STATIC PERFORMANCEResolution1 N 10 10 BitsRelative Accuracy2 INL TA = 25C 1.75 1.75 LSB max

    INL TA = 40C, 85C, 125C 2.0 2.0 LSB maxINL TA = 55C, S Grade 3 LSB max

    Differential Nonlinearity2 DNL Monotonic 0.9 0.9 LSB maxDNL TA = 55C, S Grade 2 LSB max

    Zero-Scale Error VZSE Data = 000H 9.0 9.0 mV maxVZSE TA = 55C, S Grade 20 mV max

    Full-Scale Error VFSE TA = 25C, 85C, 125C, 32 32 mV maxData = 3FFH

    VFSE TA = 55C, S Grade 55 mV maxFull-Scale Tempco3 TCVFS 16 16 ppm/C typ

    TCVFS TA = 55C, S Grade 32 ppm/C typ

    REFERENCE INPUTVREF IN Range VREF 0/VDD 0/VDD V min/maxInput Resistance RREF 2.5 2.5 M typ4Input Capacitance3 CREF 5 5 pF typ

    ANALOG OUTPUTOutput Current (Source) IOUT Data = 800H, VOUT = 5 LSB 1 1 mA typOutput Current (Sink) IOUT Data = 800H, VOUT = 5 LSB 3 3 mA typCapacitive Load3 CL No Oscillation 100 100 pF typ

    LOGIC INPUTSLogic Input Low Voltage VIL 0.5 0.8 V maxLogic Input High Voltage VIH VDD 0.6 VDD 0.6 V minInput Leakage Current IIL 10 10 A maxInput Capacitance3 CIL 10 10 pF max

    INTERFACE TIMING3, 5

    Clock Width High tCH 50 30 nsClock Width Low tCL 50 30 nsLoad Pulsewidth tLDW 30 20 nsData Setup tDS 10 10 nsData Hold tDH 30 15 nsClear Pulsewidth tCLRW 15 15 nsLoad Setup tLD1 30 15 nsLoad Hold tLD2 40 20 ns

    AC CHARACTERISTICS6

    Output Slew Rate SR Data = 000H to 3FFH to 000H 0.05 0.05 V/s typSettling Time tS To 0.1% of Full Scale 70 60 s typ

    tS TA = 55C, S Grade 100 s typDAC Glitch Q Code 7FFH to 800H to 7FFH 65 65 nVs typDigital Feedthrough Q 15 15 nVs typFeedthrough VOUT/VREF VREF = 1.5 VDC 1 V p-p, 63 63 dB typ

    Data = 000H, f = 100 kHz

    SUPPLY CHARACTERISTICSPower Supply Range VDD RANGE DNL < 1 LSB 2.7/5.5 2.7/5.5 V min/maxPositive Supply Current IDD VIL = 0 V, No Load, TA = 25C 55 55 A typ

    IDD VIL = 0 V, No Load 100 100 A maxPower Dissipation PDISS VIL = 0 V, No Load 300 500 W maxPower Supply Sensitivity PSS VDD = 5% 0.006 0.006 %/% max

    NOTES1One LSB = VREF/1024 V for the 10-bit AD7391.2The first two codes (000H, 001H) are excluded from the linearity error measurement.3These parameters are guaranteed by design and not subject to production testing.4Typicals represent average readings measured at 25C.5All input control signals are specified with tR = tF = 2 ns (10% to 90% of 3 V) and timed from a voltage level of 1.6 V.6The settling time specification does not apply for negative going transitions within the last 3 LSBs of ground.

    Specifications subject to change without notice.

    (@ VREF IN = 2.5 V, 40C < TA < 85C unless otherwise noted.)

  • REV. A

    AD7390/AD7391

    4

    PIN DESCRIPTIONS

    Pin No. Name Function

    1 LD Load Strobe. Transfers shift registerdata to DAC register while active low.See truth table for operation.

    2 CLK Clock Input. Positive edge clocks datainto shift register.

    3 SDI Serial Data Input. Data loads directlyinto the shift register.

    4 CLR Resets DAC register to zero condition.Active low input.

    5 GND Analog and Digital Ground.6 VOUT DAC Voltage Output. Full-scale output

    1 LSB less than reference input voltage REF.7 VDD Positive Power Supply Input. Specified

    range of operation 2.7 V to 5.5 V.8 VREF DAC Reference Input Pin. Establishes

    DAC full-scale voltage.

    ABSOLUTE MAXIMUM RATINGS*VDD to GND . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 0.3 V, 8 VVREF to GND . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 0.3 V, VDD 0.3 VLogic Inputs to GND . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .0.3 V, 8 VVOUT to GND . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 0.3 V, VDD 0.3 VIOUT Short Circuit to GND . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50 mAPackage Power Dissipation . . . . . . . . . . . . . (TJ MAX TA)/JAThermal Resistance JA

    8-Lead Plastic DIP Package (N-8) . . . . . . . . . . . . . 103C/W8-Lead SOIC Package (SO-8) . . . . . . . . . . . . . . . . 158C/WTSSOP-8 Package (RU-8) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 240C/W

    Maximum Junction Temperature (TJ MAX) . . . . . . . . . . 150COperating Temperature Range . . . . . . . . . . 40C to 85CAD7391AR . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40C to 125CStorage Temperature Range . . . . . . . . . . . 65C to 150CLead Temperature (Soldering, 10 secs) . . . . . . . . . . . . . 300C*Stresses above those listed under Absolute Maximum Ratings may cause perma-

    nent damage to the device. This is a stress rating only; functional operation of thedevice at these or any other conditions above those indicated in the operationalspecification is not implied. Exposure to the above maximum rating conditions forextended periods may affect device reliability.

    DACREGISTER

    RESET

    LOAD

    CLK

    12-BIT AD7390*SHIFT REGISTER

    D

    CLR

    LD

    CLK

    SDI

    12

    *AD7391 HAS A 10-BIT SHIFT REGISTER

    Figure 3. Digital Control Logic

    PIN CONFIGURATIONS

    TOP VIEW(Not toScale)

    1

    2

    3

    4

    8

    7

    6

    5

    TOP VIEW(Not to Scale)

    8

    7

    6

    5

    1

    2

    3

    4

    TOP VIEW(Not to Scale)

    8

    7

    6

    5

    1

    2

    3

    4

    LD

    CLK

    CLR

    SDI

    GND

    VREF

    VDD

    VOUT

    TSSOP-8 SO-8

    P-DIP-8

    CAUTIONESD (electrostatic discharge) sensitive device. Electrostatic charges as high as 4000 V readilyaccumulate on the human body and test equipment and can discharge without detection. Althoughthe AD7390/AD7391 features proprietary ESD protection circuitry, permanent damage may occuron devices subjected to high-energy electrostatic discharges. Therefore, proper ESD precautionsare recommended to avoid performance degradation or loss of functionality.

    WARNING!

    ESD SENSITIVE DEVICE

    ORDERING GUIDE1

    Temperature Package Package Top Number of DevicesModel Resolution Range Description Option Mark2 Per Container

    AD7390AN 12 40C to 85C 8-Lead P-DIP N-8 AD73902 50AD7390AR 12 40C to 85C 8-Lead SOIC SO-8 AD73903 196AD7390AR-REEL7 12 40C to 85C 8-Lead SOIC SO-8 AD73903 1000AD7391AN 10 40C to 85C 8-Lead P-DIP N-8 AD73912 50AD7391AR 10 40C to 125C 8-Lead SOIC SO-8 AD73913 196AD7391SR 10 55C to 125C 8-Lead SOIC SO-8 AD73913 39AD7391ARU-REEL 10 40C to 85C TSSOP-8 RU-8 AD7391A4 2500NOTES1The AD7390 contains 588 transistors. The die size measures 70 mm 68 mm.2Line 1 contains ADI logo symbol and part number. Line 2 contains grade and date code YWW. Line 3 contains the letter G plus the 4-digit lot number.3Line 1 contains part number. Line 2 contains grade and date code YWW. Line 3 contains the letter G plus the 4-digit lot number and the ADI logo symbol.4Line 1 contains the date code YWW. Line 2 contains the 4-digit part number plus grade.

  • REV. A

    AD7390/AD7391

    5

    DAC REGISTER LOAD

    CLK

    CLR

    LD

    CLK

    SDI

    AD7391AD7390

    tLD1

    D11

    tLD1

    D10 D9 D7 D5 D4 D3 D2 D1 D0

    tLD2

    tDS tDH

    tCL tCH

    tLDW

    tStCLRW

    tS

    0.1% FSERROR BAND

    SDI

    LD

    FS

    ZS

    VOUT

    Figure 4. Timing Diagram

    Table I. Control-Logic Truth Table

    CLK CLR LD Serial Shift Register Function DAC Register Function

    H H Shift-Register-Data Advanced One-Bit LatchedX H L Disables Updated with Current Shift Register ContentsX L X No Effect Loaded with all ZerosX H No Effect Latched with all ZerosX L Disabled Previous SR Contents Loaded (Avoid usage of CLR

    when LD is logic low, since SR data could be corruptedif a clock edge takes place, while CLR returns high.)

    = Positive logic transition.X = Dont care.

    Table II. AD7390 Serial Input Register Data Format, Data is Loaded in the MSB-First Format

    MSB LSB

    B11 B10 B9 B8 B7 B6 B5 B4 B3 B2 B1 B0

    AD7390 D11 D10 D9 D8 D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0

    Table III. AD7391 Serial Input Register Data Format, Data is Loaded in the MSB-First Format

    MSB LSB

    B9 B8 B7 B6 B5 B4 B3 B2 B1 B0

    AD7391 D9 D8 D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0

  • REV. A

    AD7390/AD7391Typical Performance Characteristics

    6

    TOTAL UNADJUSTED ERROR LSB

    FR

    EQ

    UE

    NC

    Y

    25

    05.0

    10

    5

    20

    15

    5.8 6.6 7.3 8.1 8.9 9.7 10.5 11.212.0

    SS = 100 UNITS TA = 25C VDD = 2.7V VREF = 2.5V

    TPC 1. AD7390 Total UnadjustedError Histogram

    FREQUENCY Hz

    OU

    TP

    UT

    VO

    LTA

    GE

    NO

    ISE

    VH

    z

    10

    8

    01 10 100k100 1k 10k

    6

    4

    2

    12

    14

    16 VDD = 5V VREF = 2.5V TA = 25C

    TPC 4. AD7390 Voltage NoiseDensity vs. Frequency

    TEMPERATURE C

    SU

    PP

    LY C

    UR

    RE

    NT

    A

    100

    2055 35 12515 5 25 65 85 10545

    90

    60

    50

    40

    30

    80

    70

    SAMPLE SIZE = 300 UNITS

    VDD = 5.0V, VLOGIC = 0V

    VDD = 3.0V, VLOGIC = 0V

    VDD = 3.6V, VLOGIC = 2.4V

    TPC 7. AD7390 Supply Currentvs. Temperature

    TOTAL UNADJUSTED ERROR LSB

    FR

    EQ

    UE

    NC

    Y

    100

    010

    40

    20

    80

    60

    3.3 3.3 10 16 23 30 36 43 50

    SS = 300 UNITS TA = 25C VDD = 2.7V VREF = 2.5V

    90

    70

    50

    30

    10

    TPC 2. AD7391 Total UnadjustedError Histogram

    VIN V0.0 0.5 3.01.0 1.5 2.0 2.5

    SU

    PP

    LY C

    UR

    RE

    NT

    A

    100

    95

    50

    70

    65

    60

    55

    90

    75

    80

    85

    VLOGIC FROM 3.0V TO 0V

    VLOGIC FROM 0V TO 3.0V

    TA = 25C VDD = 3.0V

    TPC 5. AD7390 Supply Current vs.Logic Input Voltage

    CLOCK FREQUENCY Hz

    SU

    PP

    LY C

    UR

    RE

    NT

    A

    1000

    800

    01k 10k 10M100k 1M

    600

    400

    200

    a. VDD = 5.5V, CODE = 155H b. VDD = 5.5V, CODE = 3FFH c. VDD = 2.7V, CODE = 155H d. VDD = 2.7V, CODE = 355H

    a b

    cd

    VLOGIC = 0V TO VDD TO 0V VREF = 2.5V TA = 25C

    TPC 8. AD7391 Supply Currentvs. Clock Frequency

    FULL-SCALE TEMPCO ppm/ C

    FR

    EQ

    UE

    NC

    Y

    033

    12

    6

    24

    18

    30 26 23 20 16 13 10 6 3

    30

    0

    SS = 100 UNITS TA = 40C TO +85C VDD = 2.7V VREF = 2.5V

    TPC 3. AD7391 Full-Scale OutputTempco Histogram

    SUPPLY VOLTAGE V1 2 73 4 5 6

    TH

    RE

    SH

    OL

    D V

    OLT

    AG

    E

    V

    5.0

    4.5

    0.0

    2.0

    1.5

    1.0

    0.5

    4.0

    2.5

    3.0

    3.5

    VLOGIC FROM HIGH TO LOW

    VLOGIC FROM LOW TO HIGH

    CODE = FFFH VREF = 2V RS LOGIC VOLTAGE VARIED

    TPC 6. AD7390 Logic Thresholdvs. Supply Voltage

    FREQUENCY Hz

    PS

    RR

    d

    B

    60

    50

    010 100 10k1k

    30

    20

    10

    40

    VDD = 3V 5%

    VDD = 5V 5%

    TA = 25C

    TPC 9. Power Supply Rejectionvs. Frequency

  • REV. A 7

    AD7390/AD7391

    VOUT V

    I OU

    T

    mA

    40

    30

    00 1 52 3 4

    20

    10

    VDD = 5V VREF = 3V CODE = H

    TPC 10. IOUT at Zero Scale vs. VOUT

    100s

    1V

    TIME 100s/DIV

    VOUT (1V/DIV)

    LD(5V/DIV)

    VDD = 5VVREF = 2.5V

    fCLK = 50kHz

    TPC 13. AD7390 Large SignalSettling Time

    HOURS OF OPERATION AT 150C

    NO

    MIN

    AL

    CH

    AN

    GE

    IN V

    OL

    TA

    GE

    m

    V

    1.2

    0.00 100 600200 300 400 500

    1.0

    0.8

    0.6

    0.4

    0.2

    SAMPLE SIZE = 50

    CODE = FFFH

    CODE = 000H

    TPC 16. AD7390 Long-Term DriftAccelerated by Burn-In

    2s

    20mV

    VDD = 5V VREF = 2.5V

    fCLK = 50kHzCODE: 7FH to 80H

    TIME 2s/DIV

    VOUT(5mV/DIV)

    LD(5V/DIV)

    TPC 11. AD7390 Midscale Transi-tion Performance

    FREQUENCY Hz

    GA

    IN

    dB

    100 1k 100k10k

    0

    5

    VDD = 5V VREF = 50mV 2V dc DATA = FFFH

    5

    10

    10

    15

    20

    25

    30

    35

    40

    TPC 14. AD7390 Gain vs.Frequency

    5s

    5mV

    VDD = 5V VREF = 2.5V

    fCLK = 50kHz LD = HIGH

    TIME 5s/DIV

    VOUT(5mV/DIV)

    CLK(5V/DIV)

    TPC 12. Digital Feedthrough

    REFERENCE VOLTAGE V0 51 32 4

    INT

    EG

    RA

    L N

    ON

    LIN

    EA

    RIT

    Y

    LS

    B

    2.0

    1.8

    0.0

    0.8

    0.6

    0.4

    0.2

    1.6

    1.0

    1.2

    1.4

    VDD = 5V CODE = 768H TA = 25C

    TPC 15. AD7390 INL Error vs.Reference Voltage

  • REV. A

    AD7390/AD7391

    8

    OPERATIONThe AD7390 and AD7391 are a set of pin compatible, 12-bit/10-bit digital-to-analog converters. These single-supply opera-tion devices consume less than 100 microamps of current whileoperating from power supplies in the 2.7 V to 5.5 V range mak-ing them ideal for battery operated applications. They contain avoltage-switched, 12-bit/10-bit, laser-trimmed digital-to-analogconverter, rail-to-rail output op amps, serial-input register, anda DAC register. The external reference input has constant inputresistance independent of the digital code setting of the DAC.In addition, the reference input can be tied to the same supplyvoltage as VDD resulting in a maximum output voltage span of0 to VDD. The SPI compatible, serial-data interface consists ofa serial data input (SDI), clock (CLK), and load (LD) pins.A CLR pin is available to reset the DAC register to zero-scale.This function is useful for power-on reset or system failurerecovery to a known state.

    D/A CONVERTER SECTIONThe voltage switched R-2R DAC generates an output voltagedependent on the external reference voltage connected to theVREF pin according to the following equation:

    V V

    DOUT REF N

    = 2

    (1)

    where D is the decimal data word loaded into the DAC register,and N is the number of bits of DAC resolution. In the case of the10-bit AD7391 using a 2.5 V reference, Equation 1 simplifies to:

    V

    DOUT = 2 5 1024

    . (2)

    Using Equation 2 the nominal midscale voltage at VOUT is1.25 V for D = 512; full-scale voltage is 2.497 V. The LSB stepsize is = 2.5 1/1024 = 0.0024 V.

    For the 12-bit AD7390 operating from a 5.0 V referenceEquation 1 becomes:

    V

    DOUT = 5 0 4096

    . (3)

    Using Equation 3 the AD7390 provides a nominal midscalevoltage of 2.5 V for D = 2048, and a full-scale output of 4.998 V.The LSB step size is = 5.0 1/4096 = 0.0012 V.

    AMPLIFIER SECTIONThe internal DACs output is buffered by a low power con-sumption precision amplifier. The op amp has a 60 s typicalsettling time to 0.1% of full scale. There are slight differences insettling time for negative slewing signals versus positive. Also,negative transition settling time to within the last 6 LSBs of zerovolts has an extended settling time. The rail-to-rail output stageof this amplifier has been designed to provide precision perfor-mance while operating near either power supply. Figure 5shows an equivalent output schematic of the rail-to-rail ampli-fier with its N-channel pull-down FETs that will pull an outputload directly to GND. The output sourcing current is providedby a P-channel pull-up device that can source current to GNDterminated loads.

    AGND

    VOUT

    VDD

    P-CH

    N-CH

    Figure 5. Equivalent Analog Output Circuit

    The rail-to-rail output stage provides 1 mA of output current.The N-channel output pull-down MOSFET shown in Figure 5has a 35 ON resistance, which sets the sink current capabilitynear ground. In addition to resistive load driving capability, theamplifier has also been carefully designed and characterized forup to 100 pF capacitive load driving capability.

    REFERENCE INPUTThe reference input terminal has a constant input-resistanceindependent of digital code which results in reduced glitches onthe external reference voltage source. The high 2 M input-resistance minimizes power dissipation within the AD7390/AD7391 D/A converters. The VREF input accepts input voltagesranging from ground to the positive-supply voltage VDD. One ofthe simplest applications which saves an external referencevoltage source is connection of the VREF terminal to the positiveVDD supply. This connection results in a rail-to-rail voltageoutput span maximizing the programmed range. The referenceinput will accept ac signals as long as they are kept within thesupply voltage range, 0 < VREF IN < VDD. The reference band-width and integral nonlinearity error performance are plotted inthe typical performance section (see TPCs 14 and 15). Theratiometric reference feature makes the AD7390/AD7391 anideal companion to ratiometric analog-to-digital converters suchas the AD7896.

    POWER SUPPLYThe very low power consumption of the AD7390/AD7391 is adirect result of a circuit design optimizing the use of a CBCMOSprocess. By using the low power characteristics of CMOS for thelogic, and the low noise, tight-matching of the complementarybipolar transistors, excellent analog accuracy is achieved. Oneadvantage of the rail-to-rail output amplifiers used in the AD7390/AD7391 is the wide range of usable supply voltage. The part isfully specified and tested for operation from 2.7 V to 5.5 V.

    POWER SUPPLY BYPASSING AND GROUNDINGPrecision analog products, such as the AD7390/AD7391, requirea well filtered power source. Since the AD7390/AD7391 operatesfrom a single 3 V to 5 V supply, it seems convenient to simply tapinto the digital logic power supply. Unfortunately, the logic sup-ply is often a switch-mode design, which generates noise in the20 kHz to 1 MHz range. In addition, fast logic gates can generateglitches hundred of millivolts in amplitude due to wiring resis-tance and inductance. The power supply noise generated therebymeans that special care must be taken to assure that the inherentprecision of the DAC is maintained. Good engineering judgmentshould be exercised when addressing the power supply ground-ing and bypassing of the AD7390.

  • REV. A

    AD7390/AD7391

    9

    The AD7390 should be powered directly from the systempower supply. This arrangement, shown in Figure 6, employs anLC filter and separate power and ground connections to isolatethe analog section from the logic switching transients.

    FERRITE BEAD:TWO TURNS, FAIR-RITE#2677006301TTL/CMOS

    LOGICCIRCUITS

    5VPOWER SUPPLY

    100FELECT.

    10F22FTANTALUM

    0.1FCERAMICCAPACITOR

    5V

    5VRETURN

    Figure 6. Use Separate Traces to Reduce PowerSupply Noise

    Whether or not a separate power supply trace is available, how-ever, generous supply bypassing will reduce supply-line inducederrors. Local supply bypassing consisting of a 10 F tantalumelectrolytic in parallel with a 0.1 F ceramic capacitor is recom-mended in all applications (Figure 7).

    AD7390OR

    AD7391

    0.1F

    CLKVOUT

    REF VDD

    GND

    C* 10F

    6

    78

    5

    1234

    SDICLR

    LD

    *OPTIONAL EXTERNAL REFERENCE BYPASS

    2.7V TO 5.5V

    Figure 7. Recommended Supply Bypassing

    INPUT LOGIC LEVELSAll digital inputs are protected with a Zener-type ESD protectionstructure (Figure 8) that allows logic input voltages to exceed theVDD supply voltage. This feature can be useful if the user is drivingone or more of the digital inputs with a 5 V CMOS logic input-voltage level while operating the AD7390/AD7391 on a 3 V powersupply. If this mode of interface is used, make sure that the VOLof the 5 V CMOS meets the VIL input requirement of the AD7390/AD7391 operating at 3 V. See TPC 6 for a graph for digitallogic input threshold versus operating VDD supply voltage.

    LOGICIN

    VDD

    GND

    Figure 8. Equivalent Digital Input ESD Protection

    In order to minimize power dissipation from input-logic levels thatare near the VIH and VIL logic input voltage specifications, aSchmitt trigger design was used that minimizes the input-buffercurrent consumption compared to traditional CMOS inputstages. TPC 5 shows a plot of incremental input voltage versus

    supply current showing that negligible current consumptiontakes place when logic levels are in their quiescent state. Thenormal crossover current still occurs during logic transitions. Asecondary advantage of this Schmitt trigger is the prevention offalse triggers that would occur with slow moving logic transi-tions when a standard CMOS logic interface or opto isolatorsare used. The logic inputs SDI, CLK, LD, CLR all contain theSchmitt trigger circuits.

    DIGITAL INTERFACEThe AD7390/AD7391 have a double-buffered serial data input.The serial-input register is separate from the DAC register,which allows preloading of a new data value into the serial regis-ter without disturbing the present DAC values. A functionalblock diagram of the digital section is shown in Figure 4, whileTable I contains the truth table for the control logic inputs.Three pins control the serial data input. Data at the Serial DataInput (SDI) is clocked into the shift register on the rising edgeof CLK. Data is entered in MSB-first format. Twelve clockpulses are required to load the 12-bit AD7390 DAC value. Ifadditional bits are clocked into the shift register, for examplewhen a microcontroller sends two 8-bit bytes, the MSBs areignored (Figure 9). The CLK pin is only enabled when Load(LD) is high. The lower resolution 10-bit AD7391 contains a10-bit shift register. The AD7391 is also loaded MSB first with10 bits of data. Again if additional bits are clocked into the shiftregister, only the last 10 bits clocked in are used.

    The Load pin (LD) controls the flow of data from the shiftregister to the DAC register. After a new value is clocked intothe serial-input register, it will be transferred to the DAC registerby the negative transition of the Load pin (LD).

    BYTE 1 BYTE 0

    MSB LSB MSB LSB

    B15 B14 B13 B12 B11 B10 B9 B8 B7 B6 B5 B4 B3 B2 B1 B0

    X X X X D11 D10 D9 D8 D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0

    X X X X X X D9 D8 D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0

    D11D0: 12-BIT AD7390 DAC VALUE; D9D0: 10-BIT AD7391 DAC VALUEX = DONT CARETHE MSB OF BYTE 1 IS THE FIRST BIT THAT IS LOADED INTO THE DAC

    Figure 9. Typical AD7390-Microprocessor Serial DataInput Forms

    RESET (CLR) PINForcing the CLR pin low will set the DAC register to all zerosand the DAC output voltage will be zero volts. The reset functionis useful for setting the DAC