Содержание

 

       Введение

 
 

      Ускорение научно-технического прогресса во всех областях требует интенсивного развития таких направлений науки и  техники как автоматизация, роботизация, микроэлектроника, схемотехника, вычислительная техника, освоение новых технологий и новых материалов.

      Больших успехов достигла  отечественная  микроэлектроника. Разрабатываются  и выпускаются все более сложные  интегральные схемы, степень интеграции которых характеризуется сотнями  тысяч транзисторов в полупроводниковом  кристалле: контролеры, микропроцессоры, микросхемы памяти, однокристальные микроЭВМ. Освоены и продолжают осваиваться новые технологические методы, значительно повышающие быстродействие микросхем и  снижающие уровень их энергопотребления. Существенно  расширяется  номенклатура  цифровых, аналоговых и аналого-цифровых микросхем. Заметна тенденция совмещения в одной микросхеме аналоговых и цифровых узлов, а также узлов, реализующих аналоговые функции цифровыми методами.  Успехи микроэлектроники  сделали возможным  широкое  применение в аппаратуре нового поколения микросхем повышенного  уровня  интеграции.  Многие  задачи   по созданию   новой  аппаратуры  решаются  на базе микропроцессоров,  микроЭВМ,  БИС памяти с повышенной информационной емкостью,  БИС аналогово-цифровой  обработки сигналов с встроенными микропроцессорами. В повседневной жизни особенно  в последнее время микропроцессорные системы играют не последнюю роль,  с ними можно встретиться почти в любой бытовой аппаратуре.  Их встраивают в телевидео-,   аудиоаппаратуру.   Микропроцессоры   управляют   кухонными комбайнами, стиральными машинами,  СВЧ печами,  и многими другими бытовыми приборами.

      Исходя  из  всего вышесказанного можно  сделать вывод:  устройства на интегральных схемах находя и будут  находить  применение  не  только  в вычислительных системах,  но и в других сферах деятельности человека,  и, безусловно, найдут широкое применение в повседневной жизни людей.

      Для потребителей техники большой интерес  представляют устройства отображения информации,   построенные   с   применением   статической  и динамической индикации.

 

       1 Многоразрядные знаковые индикаторы

 
 

      Динамический  или статический принцип формирования изображения? Под этим вопросом следует  понимать не то как отображается информация, а то как формируется изображение на уровне схемотехники.

      Простейшими приборами отображения информации в цифровых устройствах являются светодиоды, цифровые (линейные, знаковые, матричные) индикаторы и световые табло [2]. В полупроводниковых светодиодах используется свойство p-n перехода излучать свет в видимой части спектра при протекании через него прямого тока. Современные светодиоды могут содержать в одном корпусе кристаллы, излучающие свет в красном, зеленом и синем диапазонах длин волн, что позволяет получить при смешении их излучения практически всю цветовую гамму.

      Цифровые  и знаковые индикаторы представляют собой упорядоченный набор отдельных  светодиодов (сегментов индикатора), размещенных в одном корпусе  и, обычно, соединенных между собой в определённую электрическую схему (рис. 1.1а).

      

      Рисунок 1.1 - Устройство семисегментных индикаторов 

      Цифровые  и знаковые индикаторы бывают одноразрядными и многоразрядными, их знаки составляют из семи и более (9, 11, 16…) сегментов. Кроме сегментов индикаторы имеют децимальную точку или запятую. На рис. 1б приведено стандартное обозначение сегментов индикатора. Высвечивание выбираемого сегмента или группы сегментов при получении изображения знака обеспечивается включением их в цепь прохождения тока.

      По  способу включения индикаторов  в электрическую схему выделяются два режима: статическая и динамическая индикация. 

      2 Статическая индикация

 
 

      Способ  статической индикации заключается  в постоянной подсветке индикатора от одного источника информации (рис. 2.1), т.е. каждый из цифровых индикаторов блока индикации постоянно подключен через собственный преобразователь кода (дешифратор) к собственному источнику информации (например, счетчику).

Рисунок 2.1 - Схема устройства с блоком статической индикации 

      При количестве индикаторов более 4 техническая  реализация режима статической индикации  становится нецелесообразной. Это связано  с увеличением необходимого количества преобразователей кода, резисторов и  соединительных проводов, а также  значительным увеличением потребляемого тока (в основном, индикаторами). Кроме того, некоторые виды индикаторов, например матричные светодиодные или жидкокристаллические индикаторы, изображение графических символов в которых получают при подаче импульсного напряжения на упорядоченные в столбцы и строки определенные точки матрицы, не рассчитаны на применение в системах статической индикации.

      Статическая индикация алгоритмически проще, так  как не нуждается в ухищрениях, свойственных динамической индикации. Каждому отдельному пикселю соответствует отдельный ключ, и данные, выводимые на экран, меняются лишь при сдвиге символов.

      К преимуществам статической индикации  можно отнести высокую яркость  свечения, отсутствие мерцания (в частности, при теле- и фотосъемке), максимальное использования ресурса светодиодов.

      К недостаткам следует отнести  большой объем оборудования, увеличивающий  стоимость и потребляемую мощность.

      При использовании статической индикации  символы при начале движения не растягиваются, не сжимаются и не наклоняются, как в случае динамической индикации и начинают двигаться все одновременно. Однако при «чистой» статической индикации наблюдается появление «тянучек» - одиночные точки превращаются в горизонтальные штрихи, а подряд стоящие светящиеся точки сливаются в одну сплошную линию.

      Чтобы отделить точки друг от друга приходится перед сдвигом символов на короткое время выключать пиксели всего  табло. Это приводит к потере яркости, так как скважность уже становится больше единицы. К примеру, если время  свечения равно времени отключения (скважность 2), то горизонтальные штрихи также будут равны половине расстояния между пикселями. Нормальный вид точки приобретают лишь при скважности около четырех, что нивелирует преимущества статического режима индикации. 

      3 Динамическая индикация

 
 

      Для уменьшения общего числа проводников, связывающих между собой микросхемы индикатора, цифровые индикаторы чаще стали изготовлять многоразрядными  блоками, у которых в едином корпусе  может быть от 2 до 16 цифровых знаков. С целью сокращения числа выводов в многоразрядном индикаторе все одноимённые сегменты соединены вместе и имеют один общий вывод (рис. 1.1а). Чтобы управлять свечением какой-либо цифры каждое знакоместо (цифра) имеет общий вывод, который может быть общим анодом либо общим катодом светодиодов-сегментов.

      Для обеспечения работы многоразрядных индикаторов или нескольких одноразрядных  индикаторов используют динамическую, то есть непрерывную индикацию. Суть динамической индикации заключается  в поочерёдном включении индикаторов  через общую цепь преобразования кода (рис. 3.1). Информация поступает не на несколько преобразователей, а на один, общий для всех, но порциями. Этот преобразователь кода, своими выходами подключен ко всем элементам сразу. Сигнал засветки определенного знакоместа поступает синхронно с тем устройством, от которого в этот момент поступает информация. Иными словами, в системе динамической индикации как бы работает быстродействующий бесконтактный переключатель на много положений. В одном из его положений все выводы (сегменты) какого-либо разряда подключены к соответствующим выходам дешифратора. И в этот же момент через транзисторные ключи поступает сигнал управления засветкой элементов того знакоместа, который соответствует этому разряду. Подключение индикаторов необходимо производить с частотой 30...50 Гц, такой частоты достаточно, чтобы не замечать мерцания индикаторов.

      В рассмотренном выше случае все сегменты выбранного в данный момент разряда  индикатора светятся одновременно. Однако работу устройства динамической индикации можно организовать так, чтобы и сегменты выбранного разряда индикатора включались поочерёдно (последовательно, как в матричном табло), при этом необходимо, соответственно, увеличить частоту переключения в 7-8 раз, а для обеспечения нормального свечения индикаторов – увеличить в несколько раз ток, проходящий в импульсе через сегменты индикатора. Такой способ динамической индикации часто применяется при управлении устройством индикации от микропроцессоров и микроконтроллеров. 

      

      Рисунок 3.1 - Структурная схема блока динамической индикации на 4 знака 

      Преимущество способа динамической индикации ощутимо при числе разрядов больше 4. Экономия преобразователей кода и соединительных проводов является весьма существенной, если схема динамической цифровой индикации удалена от источника информации. Схема с динамической индикацией потребляет меньший ток, имеет меньшие габариты и меньшую стоимость.

      Динамическая  индикация сегодня часто применяется в наружной рекламе в виде так называемой «бегущей строки». Бегущая строка представляет собой табло, состоящее из матрицы светоизлучающих элементов - светодиодов. Информация на табло выдается в виде неподвижных или движущихся символов, а также в виде упрощенной графики. Строка может располагаться как горизонтально, так и вертикально.

      Рекламная текстовая и иная информация, предназначенная для вывода на табло, как правило, готовится на компьютере специально разработанной программой, эмулирующей реальное табло.

      В динамическом режиме изображение формируется  путем построчного зажигания  каждой строки со светодиодами, разбитого  во времени, отсюда появляется такой параметр бегущей строки как частота развертки. Для наглядности приведем упрощенную схему блока индикации динамического табло, разрешение 8х8 пикселя, всего 64 светодиода (рис.3.2).

      

      Рисунок 3.2 - Схема блока индикации динамического табло 

      Светодиоды  в схеме соединены в виде матрицы, которая имеет, 8 выходов строк  и 8 выходов столбцов. В буфер памяти загружают информацию и подают ее на столбцы, при этом на первую строку, при помощи электронных ключей, подают питание. В последствии засвечивается первая строка, в соответствии с загруженными данными в буфер памяти, который управляет столбцами. Таким образом коммутируя все электронные ключи с частотой, например 75 герц, и в каждый момент времени подавая новую информацию на столбцы, построчно формируется изображение. На самом же деле в один момент времени светиться только одна строка светодиодов, но так как человеческий глаз инерционен, то переключение этих строк с различными комбинациями свечения, с частотой 75 герц, создает впечатление единого изображения, при этом светодиоды светятся в 1/8 от реальной яркости.

      Здесь следует обратить внимание на два  момента: во-первых, человеческий глаз обладает кратковременной памятью, и яркие короткие вспышки возбуждают сетчатку сильнее, чем равномерное излучение той же мощности. То есть, динамическая индикация выгодна с точки зрения экономии мощности.

      Во  вторых, увеличение тока через светодиод  увеличивает мощность излучения  нелинейно. При большой импульсной мощности яркость практически не растет и сокращается ресурс. Эти два явления частично компенсируют друг друга.

      Построчная  регенерация - это когда строковые  ключи открываются поочередно, включая  строки по одной, а на столбцы в  это время выдаются данные со сдвигового регистра.

      Преимуществом такого способа является простота алгоритма в части остановки движения строки. Недостаток в том, что скважность равна количеству пикселей в строке по вертикали, что при высоте строки 16 пикселей для улицы слишком много.

      Постолбцовая  регенерация - это когда вся строка по длине разбивается на ряд подматриц, имеющих одинаковое количество столбцов, определяющее скважность. В каждый момент времени светятся лишь пиксели одного столбца в каждой подматрице, то есть все первые, затем все вторые и так далее.

      Преимущество  данного способа состоит в том, что он позволяет получить любую скважность, независимо от высоты строки, что позволяет оптимально использовать оборудование и запас яркости используемых светодиодов. Чаще всего используются скважность 4 и 8. Скважность 2 практически не используется, так как по объему оборудования вплотную приближается, а иногда и превышает вариант статической индикации.

      К недостаткам этого способа видимо следует отнести относительную  сложность алгоритма при остановке  бегущей строки. Тот, кто программировал контроллеры для таких строк, наверняка сталкивался с этой «изюминкой», требующей дополнительных затрат.

      Рассмотрим  проблему на примере строки со скважностью 4. Если отображаемые символы неподвижны (строка стоит), то синхронно с включением анодных ключей, включающих столбцы матрицы из буфера данных, хранящихся в памяти контроллера, выбираются столбцы с шагом 4 , то есть - 0, 4, 8, 12 и т.д. а в следующем такте - 1, 5, 9, 13, и т.д. Если же строка движется, то после каждого цикла регенерации (в нашем случае - после четырех тактов) буфер (или указатель) необходимо сдвинуть на один столбец. Это приводит к тому, что фактически шаг становится равным трем или пяти, в зависимости от того, совпадает направление регенерации столбцов с направлением движения строки или противоположно ему.