Тема № 4. Цифровые измерители частоты и интервалов времени.

Отсчетные устройства цифровых измерительных устройств (индикаторы и их разновидности)

Большую часть информации человек получает по зрительному каналу. При контакте человека с машиной зрительное восприятие человека является важнейшим компонентом. Поэтому средства отображения зрительной информации являются важной принадлежностью большинства устройств управления, обработки и передачи информации.

При взаимодействии оператора с электронными системами часто возникает задача представления сведений о работе системы и о значениях контролируемых параметров. Эти сведения в электронной системе обычно представляются в виде электрических сигналов, для преобразования которых в видимую форму служат разнообразные устройства визуального отображения информации. В зависимости от решаемой задачи устройства отображения информации могут иметь разную степень сложности. Например, сигнал о включении питания системы обычно отображают свечением соответствующего указателя ("Включено", "Питание", "Сеть" и т.д.), а для отображения информации о программе, по которой работает система, требуется более сложное и универсальное устройство – дисплей.

Основу устройств отображения информации составляют индикаторные приборы или элементы индикации, предназначенные для преобразования электрических сигналов в видимую форму.

Основные типы индикаторных приборов (основные параметры индикаторных приборов приведены в табл. 1.1)

1. Электронно-лучевые индикаторы. Электронно-лучевые приборы, имеющие форму трубки, вытянутой в направлении луча, называют электронно-лучевыми трубками (ЭЛТ). Источником электронов в ЭЛТ служит подогревный катод. Эмитированные катодом электроны собираются в узкий луч электрическим или магнитным полем специальных электродов или катушек с током. Электронный луч фокусируется на экране, для изготовления которого внутреннюю сторону стеклянного баллона трубки покрывают люминофором – веществом, способным светиться при бомбардировке его электронами. Положением видимого сквозь стекло баллона пятна на экране можно управлять, отклоняя поток электронов путем воздействия на него электрического или магнитного поля специальных электродов или катушек с током. Если формирование электронного луча и управление им осуществляется с помощью электростатических полей, то такой прибор называют ЭЛТ с электростатическим управлением. Если для этих целей используют не только электростатическое поле, но и магнитные поля, то прибор называют ЭЛТ с магнитным управлением.

На рис. 1.1 схематически показано устройство ЭЛТ с электростатическим управлением. Элементы трубки размещены в стеклянном баллоне, из которого откачан воздух до остаточного давления 1-10 мкПа. Металлический катод К, подогреваемый током металлической нити Н, имеет форму стакана. Катод охвачен полым цилиндрическим модулятором М с отверстием на оси. Модулятор имеет отрицательный относительно катода потенциал, регулируемый потенциометром R₁ в пределах от нуля до нескольких десятков вольт. Чем больше отрицательный потенциал модулятора, тем меньше плотность электронного потока, прошедшего через отверстие модулятора, и, следовательно, тем меньше яркость изображения на экране ЭЛТ. При определенном значении потенциала модулятора электроны вообще не пройдут через модулятор, и экран не будет светиться. Электроны, прошедшие через модулятор, попадают в электрическое поле первого (А₁) и второго (А₂) анодов, выполненных в виде полых тонкостенных металлических цилиндров. Анодам сообщают высокие положительные потенциалы от источника питания через делитель R₁R₂R₃ (первому аноду – несколько сотен вольт, второму – до десятков киловольт). Благодаря этому электроны приобретают достаточную для возбуждения атомов люминофора скорость. Форму, размеры и потенциалы анодов рассчитывают так, чтобы сфокусировать пучок электронов на поверхности экрана Э. Регулировкой потенциала первого анода с помощью потенциометра R₂ добиваются точной фокусировки. Вся система электродов, формирующих электронный луч, крепится на держателях (траверсах) и образует электронный прожектор. Для управления положением светящегося пятна на экране применяют две пары специальных электродов – отклоняющих пластин X и Y, расположенных взаимно перпендикулярно. Изменяя разность потенциалов между пластинами каждой пары, можно изменять положение электронного луча во взаимно перпендикулярных плоскостях благодаря воздействию электростатических полей отклоняющих пластины на электроны. Разность потенциалов между пластинами Х (горизонтального отклонения) определяет положение луча по горизонтали, а разность потенциалов между пластинами Y (вертикального отклонения) – по вертикали. Пример ЭЛТ с электростатическим отклонением – осциллограф – прибор, предназначенный для наблюдения на экране изменений электрических сигналов во времени.

Рис. 1.1. Схематическое изображение электронно-лучевой трубки

с электростатическим управлением

2. Светоизлучающие диоды. Используются для создания малогабаритных индикаторов, обычно их объединяют в группы, которые конструктивно выполняются в виде единого прибора. Цвет излучения – преимущественно красный.

3. Газоразрядные индикаторы представляют собой приборы, в которых прохождение тока основано на тлеющем разряде в газе. Простейшие приборы этого типа – сигнальные индикаторы (неоновые лампы). Они имеют два металлических электрода, выполненных в виде дисков, стержней и т.д, помещенных в стеклянный баллон, обычно заполненный неоном. Напряжение возникновения разряда в промежутке анод – катод для разных типов ламп колеблется в пределах от 60 до 235 В, рабочий ток – от 0,15 до 30 мА.

Если на внутреннюю поверхность баллона лампы нанести слой люминофора, то будет получен сигнальный люминесцентный индикатор. Свечение люминофора происходит благодаря воздействию на него ультрафиолетового излучения, возникающего за счет ионизации газа-наполнителя при разряде. Цвет свечения зависит от сочетания типа люминофора и газа-наполнителя. Такие лампы широко используются при оформлении уличной рекламы.

4. Жидкокристаллические индикаторы (ЖКИ) принципиально отличаются от всех других тем, что не излучают собственный свет, а преломляют падающий или проходящий сквозь них свет. Поэтому для использования ЖКИ необходим внешний источник света. Основой этого вида индикаторов служат жидкокристаллические вещества, обладающие свойствами жидкости и имеющие кристаллическую молекулярную структуру. При этом структура такого вещества легко изменяется под воздействием электрического поля, ультразвука. В ЖКИ используется изменение структуры вещества под воздействием электрического поля, сопровождаемого изменением коэффициента преломления света.

По своей конструкции ЖКИ подобен конденсатору, в котором между двумя стеклянными пластинами, внутренняя поверхность которых покрыта электропроводящим слоем (электродами), находится слой ЖК вещества толщиной 10-20 мкм (рис. 1.2, а). Один электрод обычно делают прозрачным, а другой – хорошо отражающим свет. Вся конструкция герметизируется. Под воздействием переменного напряжения 10-20 В, приложенного между электродами, изменяются преломляющие свойства ЖК вещества, уменьшается его прозрачность. Если прозрачные электроды выполнить в виде сегментов, то, подавая напряжение между отражающим электродом и соответствующим сегментом, можно получить темные знаки на светлом фоне. Такие ЖКИ – это ваши калькуляторы (рис. 1.2, б).

Достоинства ЖКИ – малая мощность потребления и большой срок службы. Основные недостатки ЖКИ – необходимость во внешнем источнике света и узкий диапазон рабочих температур (+1 – +50^оС).

Рис. 1.2. Устройство жидкокристаллического индикатора (ЖКИ):

1 – стеклянная пластина; 2 – отражающий электрод; 3 – изоляционная прокладка;

4 – прозрачный электрод; 5 – выводы; 6 – слой жидкокристаллического вещества

Таблица 1.1. Основные параметры индикаторных приборов

Тип прибора	Рабочее напряжение, В	Потребляемый ток, мА	Срок службы, ч
Светоизлучающий диод	3 – 6	5 – 20	10^5
Газоразрядные индикаторы	60 и выше	1 – 10 на знак	10^4
Жидкокристаллические индикаторы	5 – 10 и выше	10 мкА/см^2	10^4

Наиболее часто необходимо отображение знаковой информации (буквы, цифры, символы). Возможна реализация трех способов отображения знаковой информации:

1) Высвечивание готовых символов. Этот способ индикации наиболее просто осуществляется в газоразрядных индикаторах, катоды которых могут быть изготовлены любой формы (буквы, цифры, слова, числа и т.п.) (рис. 1.4,а). Однако общее число таких символов (катодов) ограничено.

2) Матричный способ (рис. 1.4,б) основан на работе отдельных элементов матрицы, которые могут высвечиваться независимо друг от друга. Матрица светоизлучающих диодов содержит 35 точечных приборов, имеющих 35 катодных выходов и один общий вывод от всех анодов. Такая матрица позволяет изобразить цифры, буквы латинского и русского алфавитов, основные математические символы.

3) Сегментный способ (рис. 1.4,в). Восемь независимых элементов индикатора позволяют записать любые цифры с десятичной точкой, а также изобразить знак "минус", а также некоторые буквы. Для управления работой знаковых индикаторов применяют дешифраторы – устройства, в которых каждой из комбинаций сигналов на входах соответствует определенная комбинация сигналов на его выходах, и управляемые дешифраторами ключи, соединяющие катоды индикатора с источником питания.

Рис. 1.3. Способы представления цифровой и буквенной информации

Дата добавления: 2015-07-19