Применение единичных индикаторов для индикации состояния приборов

Вопрос разработки какой-либо одной схемы управления ЕИ не может ставиться в связи с необходимостью учета различ­ных факторов, в частности полярности и качества питающих напряжений, коэффициента разветвления, вида нагрузки и т. д.

Наиболее часто используемые схемы подключения, базиру­ющиеся [13] на возбуждении ЕИ непосредственно с выходов ТТЛ-схем, приведены на рис. 2.7.

На схеме рис. 2.7, а включение ЕИ происходит при единич­ном уровне напряжения на выходе ИМС. Сопротивление то-коограничивающего резистора R определяется из выражения

R = (U¹_вых-U_пр)/I_пр,

где I_Пр — прямой ток через ЕИ; U¹_вых— напряжение логиче­ской единицы на выходе ИМС; U_пр — падение напряжения на ЕИ при протекании через него прямого тока I_пр.

На рис. 2.7,6 включение ЕИ происходит при нулевом уровне напряжения на выходе ИМС. При этом типе включения можно использовать схемы с открытым коллектором или с активным выходом. Сопротивление токоограничивающего резистора

R=(U_ип — U_np — Uвых)/I_пр,

где и_нп — напряжение источника питания; U⁰_выx — нулевой логи­ческий уровень выходного напряжения ИМС.

На рис. 2.7, в включение ЕИ происходит при единичном уровне напряжения на выходе ИМС. При этом подключении используются только схемы с открытым коллектором. Сопротив­ление токоограничивающего резистора

R = (U_Hn — Unp)/I_np.

При этом выходное напряжение низкого уровня ИМС должно быть значительно ниже напряжения ЕИ при прохождении через него прямого тока, т. е. U⁰_вых<U_пр.

Приведенные на рис. 2.7, а и б схемы возбуждения ЕИ в выключенном состоянии потребляют по сравнению с вклю­ченным их состоянием пренебрежительно малые мощности.

Рис. 2.7. Схема возбуждения единичных индикаторов с выхода ТТЛ-вентилей

Предлагаемые схемы управления предусматривают необхо­димость коммутатора напряжения для каждого ЕИ. Однако в практике проектирования бывает необходимо создание дисплеев позиционного типа, т. е. с включением одного ЕИ из некото­рого числа N. С целью сокращения объема оборудования в качестве коммутатора напряжения могут быть применены де­шифраторы 1 из 4, 1 из 8, 1 из 16. На рис. 2.8 приведена структурная схема управления дешифратором типа 533ИД7.

Рис. 2.8. Схема управления единичными индикаторами позиционного дисплея дешифратором двоично-десятичного кода в десятичный:

1 — информационные входы ИМС; 2 — - вход ИМС «контроль», DC — - дешифратор двоично-десятичного кода в позиционный; R, — R« — токоограничивающие резисторы; ЕИ₁ — ЕИ₈ — единичные индикаторы позиционного дисплея

Приведенные схемы (рис. 2.7, а, б, в) возбуждения ЕИ име­ют недостаток, заключающийся в ограниченности коэффициента разветвления из-за значительных токов потребления ЕИ, срав­нимых с нагрузочной способностью ТТЛ-вентилей.

С целью устранения этого недостатка в схему подключения вводят дополнительный буферный транзистор. Такие схемы под­ключения [14] приведены на рис. 2.9.

Рис. 2.9. Схема возбуждения еди­ничных индикаторов с использова­нием усилительного транзистора

В схемах, представленных на рис. 2.9, а и 2.9, г, подклю­чение ЕИ происходит при нулевых, а в схемах на рис. 2.9, б, б, д при единичных логических уровнях на выходах ИМС. Токо-ограничивающие сопротивления для схем подключения рис. 2.9, а — в определяются из соотношения

R = (U_ин — U_пp — U_{КЭ нас} )/Iпр,

где U_{кэ нас} — падение напряжения коллектор-эмиттер насыщен­ного транзистора, а для схем подключения рис. 2.9, г и 2.9, д — из соотношения

R = (U_ип-U_пр)/I_пр.

Если тип проводимости транзистора безразличен, следует применять схему рис. 2.9, б, когда ЕИ должен включаться ло­гической единицей на базе транзистора, и схему рис. 2.9, а, когда ЕИ должен включаться логическим нулем на базе тран­зистора. При использовании подключения схемы рис. 2.9, б, «, г можно использовать только схемы с активным выходом, а при использовании подключения по рис. 2.9, а, д — схемы с актив­ным выходом и с разомкнутым коллектором.

Примером применения ЕИ для индикации состояния логи­ческого элемента или выходного элемента модуля устройства может быть схема, приведенная на рис. 2.10. Схема работает в широком диапазоне температур.

Рис. 2.10. Практическая схема вклю­чения единичного индикатора

Рис. 2.11. Принципиальная схема ин­дикации достижения заданной тем­пературы

Рис. 2.12. Схема подключения еди­ничного индикатора к источнику переменного тока для обеспечения ночного подсвета в пультах управ­ления

На рис. 2.11 приведена схема устройства сигнализации [15] достижения заданной температуры в заданном объеме. При температуре ниже заданной транзистор VT закрыт, све­тится красный ЕИ VD₁. При достижении заданной темпера­туры сопротивление терморезистора падает, транзистор откры­вается, тогда красный ЕИ гаснет и зажигается зеленый ЕИ VD-2- Для повышения точности индикации достижения задан­ной температуры могут быть применены последовательное вклю­чение терморезисторов с различной крутизной характеристик и термостабилизация усилительного каскада.

При необходимости подключения ЕИ к источнику перемен­ного тока частотой F=400 Гц при U_ИП = 5,5 В может быть применена схема, приведенная на рис. 2.12. Выпрямление пе­ременного тока производится с помощью диодов VD₁ и VD₂. Последовательно соединенные с диодами резисторы R₁ — R_n, где « — число включенных ЕИ, определяют значение протекаю­щего через индикаторы тока. С целью повышения коэффици­ента использования источника питания используются обе полу­волны переменного тока. Для двух групп по 20 ЕИ типа ЗЛ341Г, Е диоды VD₁, VD₂ типа 2Д202, сопротивление резисторов R₁ — R₄₀ равно 150 Ом. U,_m = 5,5 В, частота 400 Гц.

2.1.2. Применение полупроводниковых единичных индикаторов для создания позиционных дисплеев и индикаторных табло

При необходимости индикации большого количества состоя­ний на ограниченной площади лицевой панели одного прибора пли при создании информационных табло общий объем обо­рудования для управления ЕИ может быть значительно снижен за счет использования матричного их включения.

На рис. 2.13 проиллюстрированы два основных режима уп­равления ЕИ, объединенных в матрицу, в которой, например, аноды ЕИ объединены по горизонтали (в строку), а катоды — по вертикали (в столбцы).

Рис. 2.13. Матричное подключение единичных индикаторов в т строк и nстолбцов

Первый, наиболее простой режим управления — управле­ние ЕИ постоянным током. Такой режим позволяет обеспе­чить позиционное управление, т. е. такое управление, при ко­тором из всех ЕИ матрицы может быть включен только один. Действительно, при подаче управляющих сигналов на выбран­ные клеммы по горизонтали и по вертикали может быть вклю­чен только один ЕИ, при необходимости включения другого ЕИ — ранее возбужденный ЕИ должен быть погашен.

При использовании для управления 20 ЕИ приведенных выше схем (см. рис. 2.7 и 2.9) требуется 20 переключателей питания и 20 токоограничивающих резисторов. При матричном 4X5 подключении 20 ЕИ (рис. 2.13) для управления необхо­димо девять переключателей питания и пять токоограничивающих резисторов при почти двукратном сокращении количе­ства адресных шин. Специфика постоянного режима управ­ления позволяет при расчете токоограничивающего резисто­ра исходить из значения -тока I_пр, протекающего через один HL л I.

С целью определения в общем виде сравнительного объема оборудования для управления некоторым одинаковым количе­ством ЕИ при раздельном и матричном управлениях располо­жим их в комплектные группы по т строк и nстолбцов. При раздельном управлении потребуется тп коммутаторов пи­тания и тп токоограничивающих резисторов, при матричном соединении потребуется т+n коммутаторов и только т или n токоограничивающих резисторов при сокращении количества подсоединяющих проводов с mn+1 до т+n.

Использование в качестве коммутаторов питания приве­денных выше схем (рис. 2.7 и 2.9) может быть рациональным при небольшом количестве строк и столбцов матрицы три-че­тыре. При увеличении их количества рационально использо­вать дешифраторы двоично-десятичного кода (ДДК) в деся­тичный код типа 1 из 4, 1 из 8 и т. д. с соответствующим усилением по току. На рис. 2.14 приведена схема управления 64-элементным позиционным дисплеем двумя дешифраторами ДДК в десятичный [7].

При необходимости одновременной индикации нескольких ЕИ или отображения буквенно-цифровой информации используется второй, более общий тип управления матрицей — мультиплек­сный, позволяющий включать любую комбинацию ЕИ.

Рис. 2.14. Схема управления 64-эле-ментной матрицей единичных инди­каторов (дисплея позиционного типа) двумя дешифраторами ДДК в десятичный код:

1, 2 — информационный входы дешиф­раторов номера столбца и строки соот­ветственно; 3, 4 — дешифраторы ДДК в десятичный (позиционный) код столбцов и строк; 5 — блок усилителей тока

При мультиплексном управлении информация одновременно подается либо на все т строк при последовательном подклю­чении столбцов, либо одновременно на все nстолбцов при последовательном подключении всех т строк. Указанные мето­ды индикации получили соответствующие наименования — ме­тод стробирования по столбцам и метод стробирования по строкам. В зависимости от количества строк и столбцов время протекания тока через каждый ЕИ сокращается в nили т раз с соответствующим снижением яркости свечения. Для повы­шения яркости свечения необходимо увеличивать средний ток через ЕИ. Полупроводниковые индикаторы, как это было пока­зано выше, выдерживают значительные пиковые токи, что и позволяет обеспечивать мультиплексное управление матрицами ЕИ без ухудшения яркостных характеристик. Подробнее о рас­четах пиковых токов при этом типе управления будет рассказа­но в разделе, посвященном управлению матричными индика­торами.

При частоте возобновления информации на каждом ЕИ более 100 Гц свечение всех включенных ЕИ будет восприни­маться так, как будто они управляются постоянным током.

Рис. 2.15. Схемы управления матрицей единичных индикаторов способом стро-бирования по столбцам (а) и строкам (б)

На рис. 2.15, а приведена схема управления матрицей ЕИ в режиме стробирования по столбцам. Информация 1 от внеш­него источника поступает на все адресные шины строк матри­цы и удерживается в течение времени опроса одного столбца по управляющим сигналам, поступающим на переключатели пи­тания столбцов 2. Затем последовательно меняется информация на адресных шинах строк с одновременным осуществлением пе­реключения сигнала опроса на соответствующий столбец.

Рис. 2.16. Переключатель питания на основе n-р-n и р-n-р и полевых тран­зисторов:

а, 6 - анодное включение ЕИ на бипо­лярных транзисторах; в. г — катодное включение ЕИ на биполярных транзисто­рах; д — аноднoe включение ЕИ на но­левом транзисторе; е — катодное включе­ние ЕИ на полевом транзисторе

На рис. 2.15,6 представлена схема управления матрицей ЕИ в режиме стробирования по строкам. Информация посту­пает на адресные шины 1 столбцов матрицы и удерживается в течение времени опроса одной строки матрицы. Затем после­довательно меняется информация на адресных шинах столбцов с одновременным осуществлением переключения опроса соот­ветствующей ей строки сигналами, поступающими на переклю­чатели питания строк ЕИ 2.

Рис. 2.17. Схема подключения еди­ничных индикаторов различных цветов свечения в матрицу со стробированием по строкам

В качестве анодных и катодных переключателей питания мо­гут быть использованы транзисторы различной проводимости. Некоторые широко используемые схемы на основе n-р-n, р-n-р и полевых транзисторов представлены на рис. 2.16. Токи тран­зисторов и рассеиваемые ими мощности необходимо определять при условии, что все ЕИ находятся во включенном состоянии. Сопротивления R₁ и R₂ должны обеспечивать поддержание насыщенного состояния транзисторов при самых неблагоприят­ных условиях (максимальных допусках на напряжения источ­ника питания, характеристики транзисторов, резисторов, при максимальных пиковых токах ЕИ).

Резистор R_H может быть исключен из схемы при стробиро-вании по столбцу (строке), резистор R₁ может быть исключен из схемы, если токи утечки в транзисторе малы, резистор R-2 — если при отсутствии R„ транзистор останется в ненасыщенном состоянии [7].

Матричные структуры ЕИ могут быть использованы в ка­честве индикаторов, размещаемых в различных местах лицевой панели прибора, с использованием цветного кодирования. При построении схем с применением ЕИ различного цвета све­чения для создания комфортности считывания информации не­обходимо иметь в виду, что ЕИ различных цветов свечения имеют не одинаковые падения напряжений при протекании через них прямых токов. Кроме того, паспортные данные их силы света в зависимости от типа индикатора имеют также зна­чительные разбросы по значениям (от 0,15 до 2 — 3 мкд). По­этому при соединении ЕИ в матричные структуры необходимо

обеспечивать, во-первых, комфортность яркостного считывания информации по всему полю матрицы, во-вторых, амплитуды пиковых токов для различных по цветовым группам индика­торов. При этом рационально ЕИ с идентичными пиковыми то­ками группировать в одной строке (или столбце в зависимости от типа стробирования), обеспечивая амплитуду тока одним ре­зистором. В этом случае матрица может иметь не до конца за­полненные столбцы и строки. На рис. 2.17 представлена схема подключения EH₁ — ЕИ₉, в число которых входит три группы ЕИ с различными импульсными токами I_ИMП1, I_{имп 2}, I_импз с иден­тичными токами размещены в строках при стробировании по строкам (при стробировании по столбцам с идентичными то­ками размещаются в столбцах).

Идентичность свечения ЕИ различных цветов может быть обеспечена расчетным или графическим способом. При графи­ческом построении по яркостной характеристике ЕИ по выбран­ной для всей матрицы яркости определяется значение прямого тока, по вольт-амперной характеристике с учетом разбросов значений прямого падения напряжения решается задача оп­ределения сопротивлений токоограничивающих резисторов.

2.2. УСТРОЙСТВА ОТОБРАЖЕНИЯ ИНФОРМАЦИИ НА ОСНОВЕ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ЛИНЕЙНЫХ ШКАЛЬНЫХ ИНДИКАТОРОВ

Линейные шкальные индикаторы предназначены для отобра­жения в аналоговой форме непрерывно меняющейся инфор­мации.

Уступая цифровым индикаторам в возможности точного от­счета, аналоговая форма индикации на шкальных индикаторах обладает рядом преимуществ, в том числе:

возможностью визуального наблюдения тенденций измене­ния наблюдаемой величины;

высокой наглядностью относительных изменений параметров, выхода их значений за пределы допусков (при использовании шкальных индикаторов различных цветов свечения в одном устройстве);

возможностью обеспечения одновременного восприятия опе­ратором большого объема информации при наименьшем уровне утомляемости.

Рис. 2.18. Структурная схема управления шкальными индикаторами при поступ­лении информации в аналоговой форме:

U_on — опорное напряжение устройства; R₁- R_N+Р - резисторы, обеспечивающие опор­ные напряжения для компараторов соответствующих элементов шкальных индикато­ров; R — токоограничивающие резисторы; ШИ₁ — ШИ_N — набор шкальных индикаторов по р элементов в каждом; ДН — делители напряжения; K₁₁ — K_NP — компараторы

Рис. 2.19. Эпюры напряжения входного сигнала U_c и выходных напряжений U₁-U_N делителя ДН

При необходимости индикации параметров с оценкой их цифровых значений рядом со шкальным размещаются цифро­вые индикаторы или гравировки цифр.

Индикация информации может производиться различными способами: заполнением шкалы (от нулевого элемента до эле­мента, соответствующего максимальному значению параметра), индикацией максимального значения параметра и т. д. Способ индикации максимального значения параметра допускает использование его вариантов, в частности индикацию возбуждением одного или двух элементов с максимальной значимостью или индикацию типа «хвост кометы» (вид индикации, при котором элемент, соответствующий максимальному значению парамет­ра, излучает максимум световой энергии; два-три расположен­ных рядом элемента, соответствующие меньшим значениям па­раметра, излучают световую энергию с последовательно умень­шающейся до нуля интенсивностью).

Информация, поступающая на схемы управления шкальны­ми индикаторами от внешних источников данных, может быть представлена в аналоговой или цифровой форме.

В соответствии с этим схемы управления индикаторами де­лятся на два класса: цифро-кодовые преобразователи (ЦКП) и аналого-кодовые (АКП). При цифро-кодовом преобразовании на входы схемы управления подаются дискретные уровни кода (чаще всего двоичного или двоично-десятичного), которые преобразуются в сигналы непосредственного воздействия на эле­менты полупроводникового индикатора.

При аналого-кодовом преобразовании на входы схемы управ­ления подается непрерывная величина измеряемого параметра, чаще всего в виде напряжения постоянного тока, которая пре­образуется в сигнал непосредственного воздействия на элементы индикатора.

Преобразование аналогового сигнала в сигналы управления может быть осуществлено двумя способами. Первый способ — преобразование аналогового сигнала в многоуровневый по­зиционный параллельный код и управление каждым элементом шкального индикатора в отдельности. Второй способ — преоб­разование аналоговой формы параметра в цифровую форму при помощи широко используемых в электронной технике аналого-цифровых преобразователей и дальнейшее управление шкаль­ными индикаторами в цифровой форме.

На рис. 2.18 представлен один из вариантов структурной схемы управления индикатором с преобразованием аналоговой формы параметра в управляющие сигналы для каждого эле­мента шкального индикатора. Индикация производится с запол­нением шкалы по мере роста значения параметра без отклю­чения светящихся элементов, соответствующих меньшим его значениям.

Информация о параметре в виде напряжения постоянного тока и_с поступает на вход схемы. Делителем напряжения ве­личина U_c преобразуется в ряд напряженки U₁ — U_N.

На рис. 2.19 приведены эпюры зависимостей выходных на­пряжений делителя напряжения от величины U_c.

Компараторы, уровни опорных напряжений которых обес­печиваются резисторами R₁ — R_N+P, подключают последователь­но светодиоды шкальных индикаторов по достижении напряже­ниями U₁ — U_N соответствующих значений.

Могут быть предложены и другие схемы обработки информа­ции, некоторые из них разработаны в микросхемном исполне­нии, однако низкие точности преобразования аналогового си­гнала в сигналы управления не позволяют использовать их в прецизионной аппаратуре. К таким микросхемам относится ИМС К1003ПП1, использующаяся в бытовой радиоэлектрон­ной аппаратуре. Микросхема обеспечивает высвечивание эле­ментов шкалы в зависимости от уровня сигнала на ее входе, при­чем большему уровню сигнала соответствует большее количе­ство высвеченных элементов шкалы.

Микросхема КМ1003ПП2 также не обладает высокими точ­ностями преобразования входного сигнала, она может исполь­зоваться в бытовой радиоэлектронной аппаратуре совместно со шкалами в качестве индикатора уровня сигнала, шкал настрой­ки, т. е. там, где не требуется высокой точности преобразования.

В отличие от ранее указанной ИМС микросхема КМ1003ПП2 обеспечивает высвечивание и перенос только одной светящейся точки.

Обеспечение точности преобразования входного аналогового сигнала в управляющие сигналы требует значительных аппара­турных затрат, особенно большой рост оборудования вызывает использование для индикации шкальных индикаторов с пере­крестной коммутацией выводов.

Рис. 2.20. Структурная схема управ­ления ШИ дешифраторами типа 133ИД15 и 133ИД16: D₁ — дешифратор двоичко-десятичного кода; 2 — информационные входы де­шифраторов; 3 — 5 — входы управляю­щих сигналов на включение режимов контроля, запрета и регулирования яр­кости свечения элементов; 6 линей­ная шкала на 2, 4, 8, 10 светящихся элементов; 7 — N — условные ячейки двух светоизлучающих элементов с общим анодом или катодом

Внедрение в управление производственными процессами вы­числительных машин позволило обеспечить передачу всего объ­ема информации из вычислительной части системы в индикатор­ную в цифровой форме в виде последовательных кодов, а не­посредственно на схемы управления шкальными индикаторами — в параллельном коде. Цифровая обработка информации позво­ляет резко повысить точность обработки и индикации ин­формации.

Для управления шкальными индикаторами и наборами шкальных индикаторов с перекрестной коммутацией выводов разработан ряд микросхем. Общие сведения о наиболее часто встречающихся в устройствах отображения информации микро­схемах приведены в табл. 2.2.

Общим недостатком микросхем 133ИД15 и 133ИД16 является незначительное количество управляемых ими элементов шкал (до 10) и малые токи нагрузки (I_макс=13 мА), что значительно сокращает возможности их использования. Однако для индика­торных приборов с небольшим (10 — 40) количеством элементов они с успехом могут быть использованы.

Указанные микросхемы обеспечивают управление ШИ, регу­лировку яркости их свечения и проведение контроля работо­способности по сигналам, поступающим от внешнего источника информации. В качестве исходной информации для подсвета одного элемента шкального индикатора является тетрада парал­лельного двоично-десятичного кода (ДДК).

Таким образом, микросхемы 133ИД15 и 133ИД16 представ­ляют собой дешифраторы двоичного кода в позиционный код, воспринимаемый шкальными индикаторами с перекрестной ком­мутацией зеленого, желтого и красного цветов свечения. На рис. 2.20 представлена структурная схема управления шкальным индикатором.

Таблица 2.2. Общие данные шкальными индикаторами