Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Дискретные индикаторы

1. Классификация и определения

Под дискретным индикатором понимают прибор, ИП которого состоит из отдельных фиксированных ЭО, а изображение создается одним ЭО или их совокупностью. Каждый ЭО представляет собой неделимую конструкцию, управляемую извне.

По назначению различают следующие категории индикаторов:

- мнемосхемы;

- фиксированные надписи;

- одноразрядные буквенно-цифровые, отображающие одно знакоместо;

- многоразрядные буквенно-цифровые индикаторы, содержащие множество фиксированных знакомест в одной или нескольких текстовых строках;

- экраны-индикаторы с информационной емкостью не менее 10000 ЭО, не содержащие фиксированные знакоместа;

- индикаторы-модули, конструктивное исполнение которых обеспечивает создание на них составных экранов с большой площадью;

- шкальные индикаторы, предназначенные для отображения информации в виде светящейся точки или светящегося столбика с положением и высотой, меняющимися в зависимости от значения входного сигнала;

- цифроаналоговые индикаторы, представляющие собой объединение школьного и многоразрядного буквенно-цифровых индикаторов.

По виду ЭО буквенно-цифровые индикаторы делятся на знакосинтезирующие и знакомоделирующие.

Знакосинтезирующие индикаторы выполняются как матричные с точечными ЭО в местах пересечения электродов строк и столбцов, мозаичные (каждый ЭО может включаться и выключаться независимо) и сегментные, ЭО которых представляют собой полоски-сегменты, сгруппированные в знакоместа.

Знакомоделирующие индикаторы (с целостным представлением информации) характеризуются тем, что ЭО выполняются в виде набора готовых знаков.

Знакосинтезирующие и знакомоделирующие индикаторы могут выполняться как в виде одноразрядных, так и в виде многоразрядных приборов.

Наиболее широко используемой группой дискретных индикаторов являются буквенно-цифровые приборы. При отображении ограниченного количества знаков они позволяют построить более простую, экономичную, имеющую лучшие массогабаритные показатели и меньшую потребляемую мощность СОИ, чем на основе ЭЛТ.

При отображении больших массивов буквенно-цифровой и графической информации с ЭЛТ конкурируют плоские экраны. Они имеют прямоугольную форму ИП, содержащего не менее нескольких тысяч ЭО (100х100, например), а также отсутствием в этом поле фиксированных знакомест.

Экранные индикаторы используют мозаичный или матричный вариант расположения ЭО.

По принципу действия индикаторы делятся на две основные группы: активные, в которых электрическая энергия непосредственно преобразуется в свет, и пассивные, которые только модулируют внешний световой поток.

Основными преимуществами активных индикаторов являются:

1) высокое быстродействие;

2) способность работать при малой освещенности окружающей среды и большой угол обзора.

Пассивные индикаторы по этим параметрам уступают активным, но сохраняют контраст при высокой освещенности и потребляют значительно меньше электрической энергии.

В группу активных индикаторов входят полупроводниковые, электролюминесцентные, вакуумные, люминесцентные, газоразрядные, накаливаемые вакуумные.

К пассивным индикаторам относят жидкокристаллические, электрофорезные, электрохромные, сегнетокерамические.

2. Индикаторные панели

Газоразрядные индикаторные панели (ГИП) (называют также матричными индикаторами) представляют собой множество светоизлучающих элементов, образуемых на пересечениях ортогональных электродов.

ГИП делятся на три основные подгруппы:

1. постоянного тока с внешней адресацией;

2. постоянного тока с самосканированием;

3. переменного тока.

Конструкция ГИП постоянного тока с внешней адресацией такова, что образующиеся в местах пересечения электродов (анодов и катодов) светоизлучающие ячейки электрически и оптически изолированы друг от друга с помощью диэлектрической матрицы, отверстия в которой совмещены с местами пересечения электродов. Пространство между подложками заполнено газом.

Схема включения ГИП постоянного тока с внешней адресацией представлена на рис. 1.

Частоту опроса одного ЭО выбирают намного больше критической частоты мельканий (50 Гц). Обычно она составляет 500 Гц, что исключает также строб-эффект и создается остаточная ионизация, повышающая надежность работы ИП.

Простейшая схема включения ГИП постоянного тока с внешними резисторами в цепях столбцов, источниками смещения E_см, возбуждения строк U_c и возбуждения столбцов U_cб показана на рис. 1. Одновременное включение ячеек, у которых один из электродов (на рисунке электроды, расположенные по столбцу) подключен к общему резистору, невозможно. Действительно, после возникновения в одной из таких ячеек разряда напряжение на общем электроде падает до напряжения поддержания U_п, которое всегда меньше напряжения возникновения разряда U_в, и другие ячейки пробиться не могут. Напротив, ток в ячейках, подключенных к одной строке, ограничивается разными резисторами, и они могут включаться одновременно.

Рисунок 1 - Схема включения ГИП

ГИП постоянного тока, как и большинство других матричных индикаторов, не обладают внутренней памятью и должны работать в режиме с регенерацией изображения при кадровой частоте f_K выше критической частоты мельканий f_кчм. В общем случае можно записать для режима регенерации

где t_в - время выборки ЭО.

Наиболее часто используется построчный режим выборки ячеек, когда одновременно адресуются все ЭО одной строки и последовательно включается строка за строкой. В этом случае

,

где N_c - число строк, по которым производится развертка.

Нормальное формирование изображения в схеме рис. 1 обеспечивается, когда при совпадении импульсов по строке и столбцу промежуток пробивается, т.е.

,

а при подаче импульса по столбцу или по строке разряд в нем не поддерживается:

; .

Заметим, что напряжение возникновения разряда U_B нарастает с уменьшением времени выборки ЭО t_B.

Если принять, что U_с=U_сб=U_и, то неравенства (3) и (4) преобразуются в

,

.

Формула (2) показывает, что большим N_c соответствуют малые , что приводит к росту U_B и, следовательно, U_и. Кроме того, t_в может оказаться сравнимым со временем возникновения разряда, что вызывает нестабильность изображения.

Для уменьшения ф_ст и его стабилизации в ячейках ГИП создается небольшая предварительная ионизация либо с помощью так называемого рамочного разряда (вспомогательного разряда на периферии индикаторного поля, где ячейки не видны наблюдателю), либо разряда в виде координатной сетки, при котором возбуждена часть ячеек индикаторного поля по вертикальным и горизонтальным линиям, либо в виде слабого разряда по всему индикаторному полю. Для создания предионизации также используют повышение кадровой частоты регенерации изображения. Например, если вместо f_K= =50 Гц взять f_K=500 Гц, значение t_B согласно (1) уменьшается ровно в десять раз, однако паузы между импульсами настолько снижаются, что оказываются сравнимыми с временем деонизации ф_д. В результате остаточные заряды существенно снижают ф_ст и вероятность возникновения разряда возрастает.

Существенным недостатком ГИП постоянного тока является ограничение информационной емкости из-за падения яркости. При строчной адресации кажущаяся яркость определяется формулой

L_vкаж = L_vи/N_c

где L_vи - импульсная яркость свечения. Так как практически не удается неограниченно увеличивать L_vи путем увеличения тока из-за насыщения излучения разряда и люминофора, то можно принять L_vи =10000 кд/м². Следовательно, если необходимо L_vкаж = 50 - 100 кд/м², то максимальное число строк ГИП с внешней адресацией ограничивается 100 - 200.

3. Плазменные мониторы

Плазменные мониторы, являющиеся разновидностью газоразрядных панелей, как и ЭЛТ, используют общий подход для вывода полного цветового спектра: разделение цветов на базовые. Вместо сложных пикселей, способных выдавать множество оттенков, разработчики остановили свой выбор на пикселях, состоящих из трёх субпикселей, каждый из которых отображает оттенки своего цвета: красного, зелёного или синего. Если пользователь находится на удалении от экрана, то он уже не может отличить субпиксели друг от друга и воспринимает их как единое целое. Поэтому подобные пиксели могут составлять полноцветную картинку - через смешение красных, зелёных и синих субпикселей. Используя все три цвета в равных пропорциях, можно создавать оттенки серого - от белого до чёрного.

Принцип работы плазменных дисплеев довольно прост: каждый субпиксель представляет собой микроскопическую флуоресцентную лампу, излучающую только один из основных цветов: красный, зелёный или синий. Регулируя яркость свечения лампы можно получить различные оттенки.

И свечение в плазменных дисплеях достигается точно так же, как у флуоресцентных трубок, которые мы повсеместно наблюдаем: внутри трубки запаян инертный газ (к примеру, аргон). На концах трубки находятся электроды, к которым подводится высокое напряжение (несколько тысяч вольт). Инертный газ в нормальном состоянии электрически нейтрален, но под действием тока он превращается в плазму - газ, состоящий из свободных электронов и положительных ионов (в результате суммарный заряд остаётся нейтральным).

Из-за разницы потенциалов в несколько тысяч вольт электроны перетекают к положительному катоду, а электроны - к отрицательному аноду трубки. Подобное движение приводит к столкновению с атомами. При каждом столкновении атом набирает энергию, и электроны переходят на более высокую орбиту. Когда они возвращаются на изначальную орбиту, то испускают фотон: квант света.

Излучаемый свет является результатом движения плазмы в условиях сильного электрического поля. Но приложения постоянного потенциала к полюсам трубки недостаточно. Плазма должна постоянно двигаться, чтобы излучать свет, поэтому к полюсам прикладывается переменный ток. В итоге ионы газа движутся то в одну сторону, то в другую.

Но здесь возникает проблема. Дело в том, что излучаемый плазмой свет невидим: это ультрафиолет, который человеческий глаз не способен воспринимать. Поэтому свет нужно превратить в видимый. Для этого на стенки трубки наносят порошок, чувствительный к ультрафиолету и излучающий белый свет (как у обычных ламп дневного света). Этот порошок, который часто называют люминофором, является сцинтиллятором: материалом, преобразующим одну форму излучения в другую.

Сцинтилляторы давно используются в дисплеях. Электронно-лучевые трубки (ЭЛТ) тоже применяют сцинтилляторы, преобразующие поток электронов в зелёный, красный или синий свет.

Переложение этой технологии на пиксели плазменного дисплея тоже довольно логично. Каждый пиксель состоит из трёх идентичных микроскопических полостей, содержащих инертный газ (ксенон) и имеющих два электрода, спереди и сзади (рис. 2).

После того, как к электродам будет приложено сильное напряжение, возникает плазма разряда. При этом она излучает ультрафиолетовый свет (показан на рисунке фиолетовым), который попадает на сцинтилляторы в нижней части каждой полости. Сцинтилляторы излучают один из основных цветов: красный, зелёный или синий. Затем цветной свет проходит через стекло и попадает в глаз зрителя.

Таким образом, в плазменной технологии пиксели работают, подобно флуоресцентным трубкам, но создание панелей из них довольно проблематично. Первая трудность - размер пикселя. Субпиксель плазменной панели имеет объём 200 мкм x 200 мкм x 100 мкм, а на панели нужно уложить несколько миллионов пикселей, один к одному.

Рисунок 2 - Строение пиксела плазменного монитора

плазменный дискретный индикатор панель

Во-вторых, передний электрод должен быть максимально прозрачным. Для этой цели используется оксид индия и олова, поскольку он проводит ток и прозрачен. К сожалению, плазменные панели могут быть такими большими, а слой оксида настолько тонким, что электрическое сопротивление материала будет слишком велико для требуемого напряжения (около 300 вольт). Поэтому приходится добавлять промежуточные соединительные проводники из хрома - он проводит ток намного лучше, но, к сожалению, непрозрачен. Наконец, требуется подобрать правильные осцилляторы (также называемые люминофорами). Они зависят от цвета:

Зелёный - Zn₂SiO₄: Mn₂₊ / BaAl₁₂O₁₉: Mn₂₊

Красный - Y₂O₃: Eu₃₊ / Y_0,65Gd_0,35BO₃: Eu₃

Синий - BaMgAl₁₀O₁₇: Eu₂₊

Три этих люминофора дают свет с длиной волны между 510 и 525 нм для зелёного, 610 нм для красного и 450 нм для синего. Последней проблемой остаётся адресация пикселей, поскольку чтобы получить требуемый оттенок нужно менять интенсивность цвета независимо для каждого из трёх субпикселей.

Последней проблемой остаётся адресация пикселей, поскольку, как мы уже видели, чтобы получить требуемый оттенок нужно менять интенсивность цвета независимо для каждого из трёх суб-пикселей. На рис. 3 представлена схема подачи напряжения на ячейки плазменного монитора.

На плазменной панели 1280x768 пикселей присутствует примерно три миллиона субпикселей, что даёт шесть миллионов электродов. Очевидно, что проложить шесть миллионов дорожек для независимого управления субпикселями невозможно, поэтому дорожки необходимо мультиплексировать.

Передние дорожки (AR) обычно выстраивают в цельные строчки, а задние (AV) - в столбцы. Встроенная в плазменную панель электроника с помощью матрицы дорожек выбирает пиксель, который необходимо зажечь на панели. Операция происходит очень быстро, поэтому пользователь ничего не замечает, подобно сканированию лучом на ЭЛТ-мониторах.

Рисунок 3 - Схема питания ячеек

Существуют и другие виды адресации плазменных панелей. Наиболее известная альтернатива - панель ACC (alternative coplanar current, переменного копланарного тока). В каждом субпикселе такой панели используется три электрода, а не два (рис. 4).

Передние электроды (scan и sustain) должны быть прозрачными, поэтому их тоже изготавливают из оксида индия и олова.

Рисунок 4 - Схема адресации АСС-панелей

Управление панелями ACC сложнее, но их преимущество заключается в способности обеспечивать течение плазмы дольше, чем у традиционной панели. На первом этапе между электродами scan и data прикладывается разница потенциалов в 300 В (+100 В и -200 В). Затем заряды электродов scan и sustain постоянно меняются, в результате чего они попеременно образуют разность потенциалов. Преимущество подобного подхода заключается в том, что поток плазмы не прекращает своё движение, а электрод data остаётся свободным, в результате параллельно можно адресовать другой пиксель. Подобным способом, с помощью электрода data, свечение субпикселя прекращается.

4. Жидкокристаллические индикаторы

В противоположность активным индикаторам жидкокристаллические (ЖК) индикаторы не генерируют свет, а только управляют его прохождением, что обусловливает чрезвычайно малую потребляемую ими мощность. Преимуществом ЖК-икдикаторов является также малое управляющее напряжение (5-10В), позволяющее непосредственно согласовывать их с цифровыми интегральными схемами.

Жидкокристаллическое вещество представляет собой анизотропную жидкость, т.е. обладает обычными свойствами жидкости: текучестью, поверхностным натяжением и вязкостью и необычным для жидкости свойством - упорядоченностью ориентации. В результате такие макроскопические параметры, как диэлектрическая проницаемость е и показатель преломления n_пр, зависят от ориентации.

Для жидкокристаллического вещества характерна анизотропная геометрия молекул. В большинстве случае они имеют вытянутую сигарообразную форму. Упорядоченность структуры создается относительно слабыми силами взаимосвязи между молекулами или между молекулами и. граничными поверхностями. Так как эти силы малы, то при повышении температуры ЖК превращается в обычную изотропную жидкость. При понижении температуры кристалл переходит в твердое состояние и теряет свойства жидкости. Пока структура кристалла остается жидкой, она легко перестраивается под действием механических, электрических или: магнитных полей.

Ориентация отдельной молекулы ЖК-вещества подвергается непрерывным тепловым флуктуациям, однако в любой точке жидкости существует средняя ориентация, характеризуемая единичным вектором, называемым директором D. В зависимости от направления директора и взаимного положения центров тяжести молекул различают три основные фазы: смектическую, нематическую и холестерическую. В наиболее упорядоченной смектической фазе молекулы ориентированы параллельно, а их центры тяжести лежат в одной плоскости.

По своим электрическим свойствам ЖК-вещества относятся к диэлектрикам и характеризуются малой удельной электропроводностью См/м, зависящей от количества проводящих примесей. Также как и другие параметры ЖК-веществ электропроводность обладает анизотропией, в связи с чем различают компоненты в направлениях, параллельном и перпендикулярном D.

Важным параметром ЖК, позволяющим управлять его оптическими свойствами с помощью электрического поля, является так называемая диэлектрическая анизотропия

,

где е_РР и - соответственно параллельная и перпендикулярная D составляющие относительной диэлектрической проницаемости.

Значение и знак в значительной степени определяются постоянными диполями внутри молекул.

Оптические характеристики ЖК-веществ определяются разными показателями преломления для света с различными по отношению к D направлениями поляризации. Обычно задаются показателем преломления п_о для света с поляризацией, перпендикулярной директору (обыкновенный луч), и показателем п_е для света с поляризацией, параллельной директору (необыкновенный луч). Оптическая анизотропия характеризуется разностью показателей преломления:

/

При этом для нематической фазы Дn > 0 и достигает значений ~ 0,3, что значительно больше, чем почти во всех обычных одноосных кристаллах.

Оптическая анизотропия приводит к возникновению эффекта: двулучепреломления, который заключается в том, что падающий на ЖК луч разделяется на два, причем обыкновенный луч отклоняется сравнительно слабо, а необыкновенный сильно. Если: учесть, что направление директора может существенно изменяться при приложении к ЖК-веществу электрического поля, то отсюда вытекают широкие возможности электрооптического управления светом.

В настоящее время наиболее распространены индикаторы, использующие полевой твист-эффект (от английского «twist» - закручивание). Работа ячейки со скрещенными поляризатором П и анализатором А показана на рис. 5.

Рисунок 5 - Работа ЖК-ячейки на твист эффекте при напряжениях: а - нулевом; б - превышающим пороговое

B отсутствие напряжения молекулы в ней закручены приблизительно на 90° благодаря ориентирующему действию подложек. В этом случае свет, падающий на ячейку сверху, поляризуется таким образом, что его вектор поляризации совпадает с направлением директора D у верхней подложки. При прохождении сквозь слой ЖК-вещества плоскость поляризации света вращается и при попадании в нижнюю подложку оказывается перпендикулярной плоскости чертежа. В результате свет свободно выходит через анализатор и попадает к наблюдателю.

При наложении на ячейку напряжения, создающего поле значительно выше порогового, вещество с положительной диэлектрической анизотропией стремится повернуться по электрическому полю и его директор D приобретает вертикальное направление (рис. 5, б). Теперь уже ЖК-ячейка не вращает плоскость поляризации, а анализатор не пропускает свет.

Размещено на Allbest.ru