Формирование напряжения для работы жидкокристаллического индикатора
Особенностью работы жидкокристаллического индикатора является то, что на него следует подавать переменное напряжение. Это связано с тем, что при подаче на жидкокристаллический индикатор постоянного напряжения происходит электролиз жидкого кристалла и индикатор выходит из строя.
Напряжение для работы жидкокристаллического индикатора формируется логическими элементами, поэтому обычно используется прямоугольное колебание со скважностью равной двум. Его легко можно получить на выходе делителя частоты на два.
Теперь вспомним, что логические сигналы содержат постоянную составляющую. Ее можно убрать, подав сигнал на выводы жидкокристаллической ячейки в противофазе друг другу. Временная диаграмма такого напряжения приведена на рисунке 3.
Рисунок 3. Временная диаграмма напряжения на выводах жидкокристаллической ячейки
Если ячейку жидкокристаллического индикатора следует оставить прозрачной, то на ее выводы подаются синфазные напряжения. В результате разность потенциалов получается равной нулю.
В результате контроллер жидкокристаллического индикатора можно собрать с использованием схем "исключающего ИЛИ". Подобная схема приведена на рисунке 4.4.
Рисунок 4.4. Принципиальная схема контроллера семисегментного жидкокристаллического индикатора
В этой схеме скважность прямоугольного колебания, равную двум, обеспечивает делитель частоты, собранный на D триггере. Если на вход сегмента подается единичный потенциал, то логический элемент "исключающее ИЛИ" инвертирует колебание, подаваемое на подложку жидкокристаллического индикатора COM. Этот сегмент становится непрозрачным.
Если же на вход сегмента поступает нулевой потенциал, то на выходе элемента "исключающее ИЛИ" колебание не инвертируется. Тем самым на соответствующий сегмент подается нулевая разность потенциалов. Этот сегмент остается прозрачным.
Глава 5
Динамическая индикация.
Индикаторы обычно располагают в местах, удобных для просмотра информации, отображаемой на них. Остальная цифровая схема может располагаться на других печатных платах. При увеличении количества индикаторов увеличивается количество проводников между платой индикаторов и цифровой платой. Это приводит к определенным неудобствам разработки конструкции и эксплуатации аппаратуры. Эта же причина приводит к увеличению ее стоимости.
Количество соединительных проводников можно уменьшить, если заставить индикаторы работать в импульсном режиме. Человеческий глаз обладает инерционностью и если заставить индикаторы отображать информацию поочередно с достаточно большой скоростью, то человеку будет казаться, что все индикаторы отображают свою информацию непрерывно. В результате можно по одним и тем же проводникам поочередно передавать отображаемую информацию. Обычно достаточно частоты обновления информации 50 Гц, но лучше увеличить эту частоту до 100 Гц.
Давайте рассмотрим структурную схему включения семисегментных светодиодных индикаторов, приведенную на рисунке 5.1. Эта схема может обеспечить динамическую индикацию выдаваемой цифровой информации.
Рисунок 5.1. Структурная схема динамической индикации
В схеме, приведенной на рисунке 5.1, отображаются четыре цифровых разряда. Каждый разряд кратковременно подключается к своему входу коммутатора. Генератор служит для задания скорости обновления информации на индикаторах. Двоичный счетчик последовательно формирует четыре состояния схемы, а дешифратор через ключи обеспечивает поочередную подачу питания на семисегментные индикаторы.
В результате, когда коммутатор подает двоично-десятичный код с входа A на входы семисегментного дешифратора, то этот код отображается на индикаторе HL1. Когда коммутатор подает на входы семисегментного дешифратора двоично-десятичный код с входа B, то этот код отображается на индикаторе HL2, и так далее, по циклу.
Скорость обновления информации в рассмотренной схеме будет в четыре раза меньше частоты генератора. То есть для того, чтобы получить частоту мерцания индикаторов 100 Гц, требуется частота генератора 400 Гц.
Во сколько же раз мы в результате уменьшили количество соединительных проводников? Это зависит от того, где мы проведем сечение схемы. Если мы на плате индикации оставим только индикаторы, то для их работы потребуется 7 информационных сигналов для сегментов и четыре коммутирующих сигнала. Всего 11 проводников. В статической схеме индикации нам потребовалось бы 7×4=28 проводников. Как видим, выигрыш налицо. При реализации 8-ми разрядного блока индикации выигрыш будет еще больше.
Еще больший выигрыш будет, если сечение схемы провести по входам индикаторов. В этом случае для четырехразрядного блока индикации потребуется только шесть сигнальных проводников и два проводника питания схемы. Однако такая точка сечения схемы динамической индикации применяется очень редко.
Теперь давайте рассчитаем ток, протекающий через каждый сегмент светодиодного индикатора при его свечении. Для этого воспользуемся эквивалентной схемой протекания тока по одному из сегментов индикатора. Данная схема приведена на рисунке 5.2.
Рисунок 5.2 схема протекания тока по одному из сегментов индикатора.
Как уже упоминалось ранее, для нормальной работы светодиода требуется ток от 3 до 10 мА. Зададимся минимальным током светодиода 3 мА. Однако при импульсном режиме работы яркость свечения индикатора падает в N раз, где коэффициент N равен скважности импульсов тока, подаваемых на этот индикатор.
Если мы собираемся сохранить ту же яркость свечения, то требуется увеличить величину импульсного тока, протекающего через сегмент, в N раз. Для восьмиразрядного индикатора коэффициент N равен восьми. Пусть первоначально мы выбрали статический ток через светодиод, равный 3 мА. Тогда для сохранения той же яркости свечения светодиода в восьмиразрядном индикаторе потребуется импульсный ток:
Iсег дин = Iсег стат×N = 3мА×8 = 24мА.
Такой ток с трудом смогут обеспечить только некоторые серии цифровых микросхем. Для большинства же серий микросхем потребуются усилители, выполненные на транзисторных ключах.
Теперь определим ток, который будет протекать через ключ, коммутирующий питание на отдельные разряды восьмиразрядного блока индикации. Как это видно из схемы, приведенной на рисунке 5.2, через ключ может протекать ток любого сегмента индикатора. При отображении цифры 8 потребуется зажечь все семь сегментов индикатора, значит импульсный ток, протекающий в этот момент через ключ, можно определить следующим образом:
Iкл = Iсег дин×Nсег = 24мА×7 = 168мА.
Как вам такой ток?! В радиолюбительских схемах я часто встречаю решения, где коммутирующий ток берется непосредственно с выхода дешифратора, который не может выдать ток больше 20 мА, и задаю себе вопрос — а где смотреть такой индикатор? В полной темноте? Получается «прибор ночного видения», то есть прибор, показания которого видны только в полной темноте.
А теперь давайте рассмотрим принципиальную схему полученного блока индикации. Она приведена на рисунке 5.3.
Рисунок 5.3. Принципиальная схема блока динамической индикации.
Теперь, после того, как мы получили схему динамической индикации, можно обсудить ее достоинства и недостатки. Несомненным достоинством динамической индикации является малое количество соединительных проводов, что делает ее незаменимой в некоторых случаях, таких как работа с матричными индикаторами.
В качестве недостатка следует привести наличие больших импульсных токов, а так как любой проводник является антенной, то динамическая индикация служит мощным источником помех. Еще одним путем распространения помех является источник питания.
Обратим внимание, что фронта у коммутирующих импульсов очень короткие, поэтому их гармонические составляющие перекрывают диапазон радиочастот вплоть до ультракоротких волн.
Итак, применение динамической индикации позволяет минимизировать количество соединительных проводов между цифровым устройством и индикатором, но является при этом мощным источником помех, поэтому ее применение в радиоприемных устройствах нежелательно.
Если по каким-либо причинам, например, необходимость применения матричных индикаторов, приходится использовать динамическую индикацию, то нужно принять все меры по подавлению помех.
В качестве мер по подавлению помех от динамической индикации можно назвать экранирование блока, соединительного кабеля и плат. Использование минимальной длины соединительных проводов, применение фильтров по питанию. При экранировании блока, возможно, потребуется экранировать и сами индикаторы. При этом обычно используется металлическая сетка. Эта сетка одновременно может увеличить контрастность отображаемых символов.
Раздел 9
Синтезаторы частоты.
Глава 1
Цифровой фазовый детектор.
Схемы частотных и фазовых детекторов широко используются в аналоговой технике. Однако в большинстве случаев в таких схемах используются трансформаторы, что делает такие схемы неудобными для массового производства, поэтому имеет смысл попытаться найти решение при помощи цифровых микросхем.
В аналоговых схемах наилучшими характеристиками обладают фазовые детекторы, построенные на основе умножителя. Составим таблицу истинности умножителя, сигнал на входе которого может принимать только два значения - единицу и минус единицу. Использование таких уровней позволяет интерпретировать сигнал на входе умножителя как знак сигнала.
Таблица 1.1 Таблица истинности умножителя знаков.
| X1 | X2 | Y |
| -1 | -1 | |
| -1 | -1 | |
| -1 | -1 | |
Если теперь символ "-1" обозначить как "0", то мы увидим, что полученная таблица истинности совпадает с инвертированной таблицей истинности логического элемента "исключающее ИЛИ". Для сравнения в таблице 2 приведена таблица истинности логического элемента "исключающее ИЛИ".
Таблица 1.2Таблица истинности элемента “исключающее ИЛИ”.
| X1 | X2 | Y |
Инверсия выходного сигнала в нашем случае не имеет принципиального значения. Это означает, что элемент “исключающее ИЛИ” вполне может быть использован в качестве фазового детектора. Схема цифрового фазового детектора приведена на рисунке 1.1
Рисунок 1.1 Схема цифрового фазового детектора.
Рассмотрим три варианта сигналов, поступающих на вход фазового детектора, построенного на основе схемы исключающего ИЛИ. В первом варианте сигналы на входах фазового детектора полностью синфазны. Временные диаграммы сигналов на входе и выходе логического элемента “исключающее ИЛИ” приведены на рисунке 1.2.
Рисунок 1.2. Временные диаграммы синфазных сигналов.
Анализируя эти сигналы можно сделать вывод, что при синфазных напряжениях на входах фазового детектора, построенного на логическом элементе “исключающее ИЛИ” на выходе присутствует нулевое напряжение.
Теперь подадим на входы фазового детектора сигналы, сдвинутые друг относительно друга на 15°. Временные диаграммы сигналов на входе и выходе логического элемента “исключающее ИЛИ” приведены на рисунке 1.3.
Рисунок 1.3. Временные диаграммы сигналов, сдвинутых по фазе на 15°.
В этом случае на выходе логического элемента “исключающее ИЛИ” появляются импульсы с частотой, равной частоте входных сигналов. Длительность формируемых импульсов пропорциональна сдвигу фаз входных сигналов. Если проинтегрировать этот сигнал, то можно получить напряжение, соответствующее фазовому сдвигу между входными сигналами.
Подадим на входы фазового детектора сигналы, сдвинутые друг относительно друга на 165°. Временные диаграммы сигналов на входе и выходе логического элемента “исключающее ИЛИ” приведены на рисунке 1.4.
Рисунок 1.4. Временные диаграммы сигналов, сдвинутых по фазе на 165°.
Как и ожидалось, скважность сигнала на выходе фазового детектора изменилась. Теперь напряжение на выходе RC цепочки близко к напряжению питания. Можно построить зависимость напряжения от сдвига фаз на входе детектора. Она приведена на рисунке 1.4.
Рисунок 1.5. Зависимость напряжения на выходе фазового детектора от сдвига фаз входных колебаний.
Анализируя эту зависимость можно сделать вывод, что фазовый детектор, построенный на основе логического элемента “исключающее ИЛИ” обладает прекрасной линейностью преобразования и может вполне заменить аналоговый фазовый детектор.
Глава 2
Фазовый компаратор.
При работе в цепи фазовой автоподстройки ошибка по фазе может приводить к неточной настройке синтезатора. Это связано с принципиальной работой фазового детектора — он вырабатывает напряжение, использующееся для настройки ГУН. Для удержания ГУН на заданной частоте необходим постоянный сдвиг фаз межу опорным колебанием и подстраиваемым колебанием, вырабатываемым ГУН. Кроме того, при большой разности частот мы получим не постоянное напряжение ошибки, а переменное напряжение, которое невозможно использовать для автоподстройки ГУН. Устранить этот недостаток можно при использовании схемы фазового компаратора.
Фазовый компаратор позволяет формировать напряжение не пропорциональное фазе, а соответствующее знаку фазы, то есть на его выходе может быть три значения напряжения: отставание по фазе, опережение по фазе и точное совпадение по фазе входных колебаний.
Один из вариантов реализации схемы фазового компаратора приведен на рисунке 2.1.
Рисунок 2.1. Принципиальная схема фазового компаратора
Для реализации схемы фазового компаратора используются два D-триггера. На тактовые входы этих триггеров подаются опорное и подстраиваемое колебания. При этом в триггеры записываются единичные значения. При записи единичных значений в оба триггера триггеры обнуляются. В результате при опережении фазы опорного колебания импульсы будут формироваться на выходе триггера D1.1, при опережении фазы подстраиваемого колебания импульсы появятся на выходе триггера D1.2. При точном совпадении фаз опорного и подстраиваемого колебания импульсы на выходе обоих триггеров будут настолько короткими, что ими можно пренебречь.
Импульсы с выходов триггера D1.1 подаются на заряжающий конденсатор C1 ключ, а импульсы с выхода триггера D1.2 подаются на разряжающий конденсатор C1 ключ. В результате изменение напряжения на конденсаторе C1 не будет происходить только при точном совпадении фазы опорного и подстраиваемого колебаний.
Временные диаграммы сигналов на входах и выходах триггеров фазового компаратора при опережении фазы опорного колебания приведены на рисунке 2.2.
а)
б)
в)
Рисунок 2.2. Временные диаграммы сигналов на входах и выходах триггеров, входящих в состав фазового компаратора.
а – опорное колебание опережает подстраиваемое по фазе
б — подстраиваемое колебание опережает опорное по фазе
в – колебания совпадают по фазе
Обычно для управления варикапами, входящими в состав ГУН, требуются напряжения, большие напряжения питания цифровых микросхем (порядка 12 … 15В). В таких случаях на выходе фазового компаратора, схема которого приведена на рисунке 1, требуется усилитель. В некоторых случаях можно обойтись без такого усилителя, если воспользоваться диодными ключами, как это показано на схеме, приведённой на рисунке 2.3.
Рисунок 2.3. Принципиальная схема фазового компаратора с диодными ключами
В приведённой на рисунке 2.3 схеме фазового компаратора заряд ёмкости C1 производится через резистор R5, а разряд этой ёмкости производится через резистор R4 и полностью открытый транзистор VT1.
Глава 3