4.5. Электронные устройства отображения информации

Эффективное и надежное использование многих систем промышленной электроники невозможно без участия человека – оператора в управлении, который должен получать необходимые сведения о работе системы и ее контролируемых параметрах для принятия правильных решений. Этой цели служат устройства, предназначенные для преобразования различных данных в видимое изображение и называемые устройствами визуального отображения информации.

Устройства отображения информации выполняют на основе элементов индикации, преобразующих электрические сигналы в визуальную информацию. Элементы индикации различают по физическим явлениям, используемым для получения изображения. В элементах индикации применяют следующие физические явления:

• Свечение нити накала при протекании тока (накальные индикаторы);

• Свечение некоторых кристаллических веществ под действием электрического поля (электролюминисцентные индикаторы);

• Свечение люминофорного покрытия при бомбардировке электронами (вакуумно-люминисцентные индикаторы и электронно-лучевые приборы);

• Свечение газа при электрическом разряде (газоразрядные элементы индикации);

• Излучение квантов света при рекомбинации носителей заряда в кристаллических веществах (полупроводниковые светодиодные элементы индикации);

• Изменение оптических свойств вещества под воздействием электрического поля (жидкокристаллические индикаторы).

В цифровых вычислительных машинах (ЦВМ) используют универсальные дисплейные терминалы, которые выполняются на базе электронно-лучевых трубок и способны работать с большими объемами информации в диалоговом режиме (как выводить зрительную информацию, так и вводить ее в ЦВМ). Однако их рассмотрение выходит за пределы нашего курса. Для отображения буквенно-цифровой информации ограниченного объема в устройствах микроэлектроники широко применяются встроенные индикаторы, которые имеют малые габариты и потребляют незначительную мощность. Они являются принадлежностью многих цифровых и логических устройств. Наиболее хорошо согласуются с полупроводниковыми приборами и интегральными схемами по уровню напряжений и потребляемой мощности полупроводниковые светоизлучающие диоды (светодиоды) и жидкокристаллические индикаторы.

В светодиодах используется свойство p-n перехода излучать свет в видимой части спектра при протекании через него прямого тока. Светодиоды бывают красного, желтого, зеленого, синего, белого и оранжевого цветов свечения. Важнейшим параметром светодиода является сила света (световой поток, приходящийся на единицу телесного угла в направлении, перпендикулярном к плоскости излучающего кристалла), измеряемая в канделах. Она пропорциональна прямому току, протекающему через светодиод. Светодиоды изготавливают с направленным и рассеивающим излучением. Прямое постоянное напряжение для светодиодов различных типов составляет 23 В, а значение прямого рабочего тока - 520 mA.

Светодиоды можно использовать для индикации уровней на выходе микросхем ТТЛ. Светодиод может светиться как при низком, так и при высоком уровне сигнала на выходе микросхемы. Схемы включения таких индикаторов изображены на рис. 4.50.

Кроме светодиодов выпускаются цифровые, знаковые, линейные и матричные индикаторы. Цифровые и знаковые индикаторы бывают одноразрядными и многоразрядными, их знаки составляются из семи или более сегментов (9, 11, 16, 18, …). Кроме сегментов индикаторы имеют децимальную точку или запятую. Из цифровых наибольшее распространение получили семисегментные индикаторы, в которых стилизованное изображение цифр (и некоторых букв) составляют из семи линейных сегментов, расположенных в виде цифры восемь с высотой цифры от 2,5 до 18 мм (рис. 4.51). Высвечивание выбираемого сегмента или группы сегментов при получении изображения знака обеспечивают включением их в цепь прохождения тока.

На рис. 4.52 представлены принципиальные схемы индикаторов АЛС324А с общим катодом и АЛС324Б с общим анодом соответственно.

В качестве примера на рис. 4.53 приведена функциональная схема одной декады счетчика со статической индикацией на базе семисегментного индикатора АЛС324А.

Закон функционирования преобразователя двоично-десятичного кода в код семисегментного индикатора АЛС324А иллюстрируется таблицей истинности 4.11. Преобразователи двоично-десятичного кода в код семисегментного индикатора выпускаются в виде интегральных микросхем (ИМС). Выпускаются также совмещенные ИМС, в состав которых входят счетчик и преобразователь кода или счетчик - преобразователь кода – индикатор (например, микросхема К490ИП1).

Таблица 4.11.
Цифра	Двоично-десятичный код				Код семисегментного индикатора
Z	Q1	Q2	Q3	Q4	a	в	c	d	e	f	q
0	0	0	0	0	1	1	1	1	1	1	0
1	1	0	0	0	0	1	1	0	0	0	0
2	0	1	0	0	1	1	0	1	1	0	1
3	1	1	0	0	1	1	1	1	0	0	1
4	0	0	1	0	0	1	1	0	0	1	1
5	1	0	1	0	1	0	1	1	0	1	1
6	0	1	1	0	1	0	1	1	1	1	1
7	1	1	1	0	1	1	1	0	0	0	0
8	0	0	0	1	1	1	1	1	1	1	1
9	1	0	0	1	1	1	1	1	0	1	1

В многоразрядных семисегментных индикаторах выводы сегментов a, в, c, d, e, f и q отдельных разрядов соединяют параллельно и применяют динамическую индикацию, сущность которой заключается в поочередном подключении каждого индикатора к источникам информации через один общий преобразователь двоично-десятичного кода в код семисегментного индикатора. Структурная схема управления многоразрядным семисегментным индикатором приведена на рис. 4.54.

Счетчик СТ работает в режиме непрерывного счета под действием сигналов от генератора тактовых импульсов ГТИ. Коэффициент пересчета счетчика равен количеству разрядов семисегментного индикатора n. По каждому коду адреса, вырабатываемого счетчиком, информация от определенного источника через мультиплексор МХ четырехразрядным двоично-десятичным кодом поступает на преобразователь кода X/Y, выводы которого подключены к параллельно соединенным сегментам всех n разрядов индикатора. Одновременно дешифратор DC возбуждает только тот разряд индикатора, который соответствует коду адреса. В следующем временном такте возбуждается цифра в другом разряде индикатора. При достаточно высокой частоте повторения тактов создается впечатление постоянного горения на индикаторе многоразрядного числа благодаря инерционности зрения. Частоту следования тактовых импульсов рекомендуется выбирать из соотношения . Существенным недостатком семисегментных индикаторов является то, что единственная ошибка в управляющем коде или неисправность хотя бы одного сегмента индикатора приводит практически к полной невозможности чтения цифры.

Более надежными в этом смысле являются светодиодные 35-элементные индикаторы. Каждая цифра, буква или другой знак здесь формируется матрицей из 35 светодиодов, образующих семь строк и пять столбцов. Светодиоды включаются между выводами строк и столбцов анодом к выводам строк. Вид некоторых цифр и букв, синтезируемых матричным индикатором, показан на рис. 4.55.

Принцип управления матричным индикатором иллюстрируется временной диаграммой , приведенной на рис. 4.56., и заключается в следующем. В каждом временном такте возбуждается стробирующий импульс соответствующего столбца. Одновременно параллельным кодом подается информация на выводы строк. В результате происходит высвечивание информации во всех элементах данного столбца. В следующем такте формируется импульс возбуждения второго столбца, а на выводы строк параллельным кодом поступает информация, соответствующая элементам этого столбца и т. д. За пять тактов происходит высвечивание всего знака. В многоразрядных индикаторах выгоднее тактировать строки всех разрядов индикатора, соединенных параллельно, а информацию подавать в последовательном коде по столбцам.

В некоторых сериях микросхем имеются знакогенераторы на основе ПЗУ для управления матричными индикаторами. Например, в серии ИМС К155 ИС РЕ21 … РЕ24 образуют знакогенератор на 96 знаков, в котором записаны буквы русского и латинского алфавита, арифметические знаки и цифры. Выбор нужного символа осуществляется 10 разрядным входным кодом, в котором три используют для выбора строки, а остальные определяют выбор символа.

Основные параметры и примеры использования, выпускаемых промышленностью, светодиодов, цифровых, знаковых, линейных и матричных светодиодных индикаторов и табло приведены в [13, 14].