7.1.2. D/A Pretvornici

Unatoč mnogim prednostima koje imaju digitalno kodirani signali, ipak je analogni prikaz u mnogo slučajeva povoljniji, kao na primjer kada se cjelokupnim uvidom u skalu mjernog instrumenta može brzo odrediti prema položaju kazaljke instrumenta gdje je otprilike mjerena veličina u odnosu na promatrani mjerni opseg. Naravno točnost takvog očitavanja je upitna osobito ako su promjene male.

Za razliku od prethodnog navedenog primjera, u regulacijskoj tehnici zbog izvršnog sklopa analogne prirode potrebno je digitalne signale pretvoriti u analogne. Na primjer D/A pretvornik davati će na izlazu napon koji će napajati elektromotor nekog upravljačkog uređaja. Tu zadaću obavljaju digitalno-analogni (D/A) pretvornici. Načini realizacije vrlo su raznoliki ali u načelu koriste mrežom otpora ili mrežom strujnih izvora u takozvanoj paralelnoj pretvorbi kada se u jednom koraku binarnoj kombinaciji dodjeljuje izlazni signal.

Slika 7.1.5 Digitalno-Analogni pretvornik s težinskim otporima.

Naziv paralelna pretvorba potijeće iz toga što se istovremeno na sve sklopke dovode odgovarajući bit-ovi od LSB do MSB bit-a (bit-ovi najveće i najmanje težinske vrijednosti).

Sklopkama upravljaju binarne kombinacije, u primjeru sa slike veličine 4 bit-a. Sklopke po izvedbi mogu biti elektromehaničke ili elektroničke, češće ove druge.

Odnos izlaznog i ulaznog (referentnog) napona pojednostavljeno se može prikazati matematičkim izrazom:

Svojstvo operacionog pojačala s vrlo velikim ulaznim otporom i vrlo malim izlaznim otporom omogućava navedenu jednostavnu matematičku analizu. Pojačalo ne radi u klasičnom smislu da pojačava ulazni signal, već da promjenom odnosa otpora daje na izlazu uvećanje nepromjenjivog referentnog napona (ulaznog) u ovisnosti o broju uključenih otpornika kojima se vrijednost smanjuje s faktorom 2ⁿ u nazivniku.

Ukupna vrijednost paralelnog spoja otpornika iznosi R1 i mijenja se sukladno položaju sklopki kojima upravljaju binarne kombinacije. Vrijednost R₂ se ne mijenja.

Pojačanje operacionog pojačala isključivo ovisi o odnosu otpora R₂ i R₁, a negativni predznak ukazuje da će se izvršiti promjena faze izlaznog napona u odnosu na ulazni. Otpor R₁ predstavlja paralelnin spoj otpora koji se sklopkama 0-3 uključuju u strujni krug u ovisnosti o binarnim kombinacijama koje s njima upravljaju.

Veličina referentnog napona U_r mora biti takva da izlazni napon U_i ne prekorači radni napon operacionog pojačala. U narednoj tablici prikazano je kako se mijenja pojačanje sklopa prema promijenama otpora R₁, odnosno prema binarnim kombinacijama koje upravljaju sklopkama.

Ako bi se želio realizirati 12 bit-ni pretvornik u grani R₁ trebalo bi se nalaziti 12 otpornika sa sklopkama kojima bi se vrijednost smanjivala s faktorom 2ⁿ slijedno od LSB do MSB.

Nedostatak prikazanog sklopa je u tome što se zahtijevaju točni odnosi između pojedinih otpornika. Stoga se radije pribjegava takozvanoj R-2R otpornoj mreži koja koristi samo dvije vrijednosti otpornika što je tehnološki čini jednostavnijom za izradu.

Slika 7.1.6 Digitalno-Analogni pretvornik s R-2R otpornom mrežom.

Sklop na slici nema pojačanje u odnosu na prethodni, već mu operaciono pojačalo u spoju prema slici samo prosljeđuje izlaz iz otporne mreže bez pojačavanja, a sa svojstvom velikog ulaznog i malog izlaznog otpora u potpunosti odvaja otpornu mrežu od sklopova koji slijede na njegovom izlazu te cijeli sklop time čini vrlo stabilnim. Osim prikazane verzije otporne mreže koristi se još nekoliko sličnih.

Moderna CMOS tehnologija omogućava izradu D/A pretvornika s težinskim kapacitetima gdje se koriste kapacitivni naponski djelitelji. Ova tehnologija dosta je rasprostranjena zbog velike točnosti, ali ima manu što ne koristi paralelni rad.