Жидкокристаллические индикаторы

Жидкие кристаллы – это вещества, молекулы которых обладают высокой подвижностью, и склонны к упорядоченной ориентации в электрическом поле. Удельное сопротивление жидких кристаллов велико и достигает от 10⁶ до 10¹¹ Ом. При комнатной температуре в отсутствие электрического поля ориентация молекул жидких кристаллов хаотична, ввиду чего вещество не прозрачно. При возникновении электрического поля происходит упорядочивание молекул, и в результате вещество становится оптически прозрачно.

Схематичное изображение в разрезе жидкокристаллического индикатора (или LED), работающего на отражение, дано на рис. 10.1.

На рисунке цифрами обозначено:

1 – стекло или подобный прозрачный материал;

2 – плёнки прозрачных электродов, образующих матрицу;

3 – жидкие кристаллы;

4 – металлическая поверхность.

Прозрачный электрод изготавливают в форме цифр или символов, в соответствии с тем, какое изображение желают получить. Между токопроводящими плёнками нужных в данный момент прозрачных электродов и металлическим основанием подсоединяют генератор, вырабатывающий переменное напряжение амплитудой от 2 до 15 В и частотой от десятков до тысяч герц.

Достоинства жидкокристаллических индикаторов заключено в чрезвычайно низком энергопотреблении и невысоком питающем напряжении.

Недостатки состоят в малом времени наработки на отказ, в обязательном наличии источника внешнего освещения.

Общие сведения Компаратор - это сравнивающее устройство. Аналоговый компаратор предназначен для сравнения непрерывно изменяющихся сигналов. Входные аналоговые сигналы компаратора суть Uвх - анализируемый сигнал и Uоп - опорный сигнал сравнения, а выходной Uвых - дискретный или логический сигнал, содержащий 1 бит информации:      (1) Выходной сигнал компаратора почти всегда действует на входы логических цепей и потому согласуется по уровню и мощности с их входами. Таким образом, компаратор - это элемент перехода от аналоговых к цифровым сигналам, поэтому его иногда называют однобитным аналого-цифровым преобразователем. Неопределенность состояния выхода компаратора при нулевой разности входных сигналов нет необходимости уточнять, так как реальный компаратор всегда имеет либо конечный коэффициент усиления, либо петлю гистерезиса (рис. 1). Рис. 1. Характеристики компараторов Рис. 2. Процессы переключения компараторов Чтобы выходной сигнал компаратора изменился на конечную величину |U1вых - U0вых| при бесконечно малом изменении входного сигнала, компаратор должен иметь бесконечно большой коэффициент усиления (эпюра 1 на рис. 2) при полном отсутствии шумов во входном сигнале. Такую характеристику можно имитировать двумя способами - или просто использовать усилитель с очень большим коэффициентом усиления, или ввести положительную обратную связь. Рассмотрим первый путь. Как бы велико усиление не было, при Uвх близком к нулю характеристика будет иметь вид рис. 1а. Это приведет к двум неприятным последствиям. Прежде всего, при очень медленном изменении Uвх выходной сигнал также будет изменяться замедленно, что плохо отразится на работе последующих логических схем (эпюра 2 на рис. 2). Еще хуже то, что при таком медленном изменении Uвх около нуля выход компаратора может многократно с большой частотой менять свое состояние под действием помех (так называемый "дребезг", эпюра 3). Это приведет к ложным срабатываниям в логических элементах и к огромным динамическим потерям в силовых ключах. Для устранения этого явления обычно вводят положительную обратную связь, которая обеспечивает переходной характеристике компаратора гистерезис (рис. 1б). Наличие гистерезиса хотя и вызывает некоторую задержку в переключении компаратора (эпюра 4 на рис. 2), но существенно уменьшает или даже устраняет дребезг Uвых. В качестве компаратора может быть использован операционный усилитель (ОУ) так, как это показано на рис. 3. Усилитель включен по схеме инвертирующего сумматора, однако, вместо резистора в цепи обратной связи включены параллельно стабилитрон VD1 и диод VD2. Рис. 3. Схема компаратора на ОУ Пусть R1 = R2. Если Uвх - Uоп > 0, то диод VD2 открыт и выходное напряжение схемы небольшое отрицательное, равное падению напряжения на открытом диоде. При Uвх - Uоп < 0 на стабилитроне установится напряжение, равное его напряжению стабилизации Uст. Это напряжение должно соответствовать единичному логическому уровню цифровых интегральных микросхем (ИМС), входы которых подключены к выходу компаратора. Таким образом, выход ОУ принимает два состояния, причем в обоих усилитель работает в линейном режиме. Многие типы ОУ не допускают сколько-нибудь существенное входное дифференциальное напряжение. Включение по схеме на рис. 3 обеспечивает работу ОУ в режиме компаратора практически с нулевыми дифференциальными и синфазными входными напряжениями. Недостатком данной схемы является относительно низкое быстродействие, обусловленное необходимостью частотной коррекции, так как ОУ работает в линейном режиме со 100%-ной обратной связью. Используя для построения компаратора обычные ОУ, трудно получить время переключения менее 1 мкс.

• Цифровые электронные ключи

• Диодные электронные ключи

В диодных ключах используется зависимость сопротивления диода от величины и знака приложенного напряжения.

Известно, что ток диода определяется выражением:  , где  - температурный потенциал (26 мВ при 298К),  - коэффициент, учитывающий влияние поверхностных токов утечки германиевых, и генерации-рекомбинации в p-n переходах кремниевых диодов ( - 1.2...1.5,  - 1.2...2). Тепловой ток диода практически не зависит от приложенного к диоду напряжения и определяется электрофизическими свойствами полупроводника и температурой его нагрева  , где   - константа, определяемая материалом полупроводника и концентрациями примесей,   - контактная разность потенциалов. С учетом активного сопротивления р и n областей активное сопротивление диода равно:

.

При достаточно больших напряжениях  (единицы-десятки ом), при обратно смещенном переходе   (десятки-сотни килоом).

Эквивалентная схема диода представлена на рис.1. Инерционность ключа определяется процессами накопления неосновных носителей в области p-n перехода, емкостью p-n перехода, емкостью между выводами и индуктивностью выводов. Основным справочным параметром, определяющим быстродействие диода, является время восстановления обратного сопротивления.

	rуm - сопротивление утечки; С0 - емкость между выводами диода; L - индуктивность выводов; СД - диффузионная емкость p-n перехода при прямом смещении; СБ - барьерная емкость p-n перехода при обратном смещении
Рисунок 1 -Эквивалентная схема диода

На основе диодных ключей можно строить различные логические элементы (рис.2).

Рисунок 2 - Пример логических схем на основе диодных ключей

Электронные ключи на основе диодов являются пассивными структурами, что приводит к ослаблению сигнала при прохождении таких ключей, что особенно заметно при построении многоступенчатых структур.

Инерционность диодных ключей обусловлена накоплением неосновных носителей в области p-n перехода, емкостью p-n перехода, емкостью и индуктивностью выводов. Кроме перечисленных параметров, имеют значение также индуктивность и емкость нагрузки, а также монтажные емкости. В справочниках на дискретные диоды чаще всего указывается время обратного восстановления (восстановления обратного сопротивления), обусловленное диффузионным движением неосновных носителей. Для уменьшения этого времени могут использоваться создание ловушек, способствующих рекомбинации неосновных носителей или создание неоднородной концентрации примесей (диоды с накоплением заряда).

Диодные ключи чаще всего используются в качестве вспомогательных узлов в цифровой и аналоговой технике.

2) Измерительная информационная система (ИИС) - это совокупность функционально объединенных измерительных,вычислительных и других вспомогательных технических средств, для получения измерительной информации, ее преобразования, обработки с целью представления потребителю в требуемом виде, либо автоматического осуществления логических функций контроля, диагностики, идентификации и др. Это определение было написано в ГОСТ 8.437-81Системы информационно-измерительные. Который утратил силу в Российской Федерации от 27.09.2001

На сегодняшний день прямой замены этому ГОСТу нет. В наш век информационных технологий становится все более актуальным необходимость ИИС т.к. это упрощает и облегчает, доступ к необходимой информации, регулирование сложными технологическими процессами и т.д В данном реферате рассмотрены основные составляющие и основные направления ИИС, т.к. конкретных типов ИИС на сегодняшний день очень много и в основном суть (состав и назначение)

их однообразна. 1 Измерительные информационные системы Измерительная информационная система (ИИС) - это совокупность функционально объединенных измерительных, вычислительных и других вспомогательных технических средств, для получения измерительной информации, ее преобразования, обработки с целью представления потребителю в требуемом виде, либо автоматического осуществления логических функций контроля, диагностики, идентификации и др./1/.

В зависимости от выполняемых функций ИИС реализуются в виде измерительных систем (ИС), систем автоматического контроля, технической диагностики и др. В свою очередь в зависимости от назначения измерительные системы разделяют на измерительные информационные, измерительные контролирующие, измерительные управляющие системы и др. /2/. 1.1Измерительная система Измерительная система (ИС) — совокупность определенным образом соединенных между собой линиями связи средств измерений (измерительных преобразователей, мер, измерительных коммутаторов, измерительных приборов) и других технических устройств (компонентов измерительной системы), образующих измерительные каналы, реализующая процесс измерений и обеспечивающая автоматическое (автоматизированное) получение результатов измерений (выражаемых числом или кодом) в общем случае изменяющихся во времени и распределенных в пространстве величин, характеризующих определенные свойства (состояние) объекта измерений. Измерительные системы обладают основными признаками средств измерений и являются их специфической разновидностью/3/.

Основными областями применения собственно измерительных систем являются научные исследования, испытания различных объектов, учетные операции, и др. Наиболее крупной структурной единицей, для которой могут нормироваться метрологические характеристики (MX), является измерительный канал (ИК) ИС. 1.1 Измерительный канал измерительной системы (измерительный канал ИС): - Конструктивно или функционально выделяемая часть

ИС, выполняющая законченную функцию от восприятия измеряемой величины до получения результата ее измерений, выражаемого числом или соответствующим ему кодом, или до получения аналогового сигнала, один из параметров которого — функция измеряемой величины. Он представляет собой последовательное соединение СИ, образующих ИС (некоторые из этих СИ сами могут быть многоканальными, в этом случае следует говорить о последовательном соединении ИК указанных СИ). Такое соединение СИ, предусмотренное алгоритмом функционирования, выполняет законченную функцию от восприятия измеряемой величины до индикации или регистрации результата измерений включительно, или преобразование его в сигнал, удобный для дальнейшего использования вне ИС, для ввода в цифровое или аналоговое вычислительное устройство, входящее в состав ИС, для совместного преобразования с другими величинами, для воздействия на исполнительные механизмы. Типовая структура ИК включает в себя первичный измерительный преобразователь, связующий компонент измерительной системы (Техническое устройство или часть окружающей среды, предназначенное или используемое для передачи с минимально возможными искажениями сигналов, несущих информацию об измеряемой величине от одного компонента ИС к другому (проводная линия связи, радиоканал, телефонная линия связи, высоковольтная линия электропередачи с соответствующей каналообразующей аппаратурой, а также переходные устройства — клеммные колодки, кабельные разъемы и т. п.)), промежуточный (унифицирующий) измерительный преобразователь, аналого-цифровой преобразователь, процессор, цифро-аналоговый преобразователь. Различают простые ИК, реализующие прямые измерения какой-либо величины, и сложные ИК, реализующие косвенные, совокупные или совместные измерения, начальная часть которых разделяется на несколько простых ИК, например, при измерениях мощности в электрических сетях начальная часть ИК состоит из простых каналов измерений напряжения и тока.

Учитывая многоканальность систем, использование одних и тех же устройств в составе различных ИК, последние можно выделить зачастую только функционально и их конфигурация реализуется программным путем. Протяженность ИК может составлять от десятков метров до нескольких сотен километров. Число ИК — от нескольких десятков до нескольких тысяч. Информация от датчиков передается обычно электрическими сигналами (реже — пневматическими) — ток, напряжение, частота следования импульсов. В некоторых областях измерений современные датчики имеют цифровой выход. При большой протяженности ИК используются радиосигналы. Вторичную часть ИС после линий связи, соединяющих ее с датчиками, обычно называют измерительно-вычислительным (ИВК), (комплексный компонент измерительной системы (комплексный компонент ИС, измерительно-вычислительный комплекс): Конструктивно объединенная или территориально локализованная совокупность компонентов, составляющая часть ИС, завершающая, как правило, измерительные преобразования, вычислительные и логические операции, предусмотренные процессом измерений и алгоритмами обработки результатов измерений в иных целях, а также выработки выходных сигналов системы.), или программно-техническим (ПТК) комплексом. Значительная часть современных ИВК (ПТК) строится на базе контроллеров, как правило, модульного исполнения, включающих в себя аналого-цифровые и цифро-аналоговые преобразователи, процессор, модули дискретной (бинарной) информации (входные и выходные), вспомогательные устройства. Промышленность выпускает достаточно универсальные контроллеры, ИВК (ПТК), которые могут использоваться для автоматизации работы различных объектов. Состав, конфигурация, программное обеспечение таких комплексов конкретизируется с учетом специфики объекта. Выделение ИС в отдельный вид СИ обусловлено рядом их особенностей, порождающих специфику их метрологического обеспечения. К числу таких особенностей можно отнести: а) комплектацию ИС как единого, законченного изделия из частей, выпускаемых различными заводами-изготовителями, только на месте эксплуатации. В результате этого отсутствует заводская нормативная и техническая документация (технические условия), регламентирующая технические, в частности, метрологические требования к ИС как к единому изделию; б) многоканальность систем, в результате чего ГМКН может подлежать не вся ИС, а только часть ее ИК; в) разнесенность на значительные расстояния (иногда на десятки, сотни километров) отдельных частей ИС и, как следствие, различие внешних условий, в которых они находятся; г) возможность развития, наращивания ИС в процессе эксплуатации или возможность изменения ее состава (структуры) в зависимости от целей эксперимента, что по существу исключает или затрудняет регламентацию требований к таким ИС в отличие от обычных СИ (измерительных приборов и т.д.), являющихся завершенными изделиями на момент выпуска их заводом-изготовителем; д) размещение отдельных частей ИС может быть проведено на перемещающихся объектах. В результате одна (передающая) часть ИС может работать с различными приемными частями в процессе одного и того же цикла измерений по мере перемещения объекта.

При выпуске и при эксплуатации таких ИС заранее неизвестны конкретные экземпляры приемной и передающей частей, которые будут работать совместно, тем самым отсутствует „стабильный” объект, для которого регламентируются метрологические требования; е) использование первичных измерительных преобразователей, встроенных в технологическое оборудование, что затрудняет контроль ИС в целом; ж) широкое использование в составе ИС вычислительной техники, что выдвигает проблему аттестации алгоритмов обработки результатов измерений. Особенности ИС делают особенно актуальной для них проблему расчета MX ИК ИС по MX образующих их компонентов. Метод расчета MX ИК ИС существенно зависит от того, относятся ли образующие его СИ к линейным устройствам. Методы расчета нелинейных систем зависят от вида нелинейности, возможности расчленения СИ на линейную инерционную и нелинейную без инерционную часть, и от других обстоятельств и отличаются большим разнообразием. При расчете MX ИК ИС можно выделить следующие, наиболее характерные этапы: а. определение погрешности, обусловленной взаимодействием выходных и входных цепей последовательно включенных СИ; б. определение погрешности, вносимой линиями связи; в. определение погрешности, обусловленной взаимным влиянием ИК, если не приняты меры к исключению такого влияния; г. приведение MX частей ИК, в том числе характеристик погрешностей, указанных в а), б), в), к одной точке ИК, как правило, к его выходу; д. суммирование (объединение) MX составных частей, в результате которого получают расчетные значения MX ИК. Для расчета характеристик случайной составляющей погрешности ИК, являющейся случайной функцией времени, в общем случае, необходимо располагать данными о спектральном составе погрешностей СИ, образующих ИК, и о динамический, характеристиках этих СИ, чтобы учесть эффект фильтрации случайных погрешностей за счет инерционности компонентов ИК. Если пренебречь эффектом фильтрации, то общее отношение между погрешностью ИК и погрешностями образующих его компонентов может быть представлено в виде: (1) где: σmc

— среднее квадратическое отклонение погрешности ИК (все погрешности приведены к выходу); — среднее квадратическое отклонение погрешности i -го элемента; σm — среднее квадратическое отклонение погрешности т -го элемента; Ki — номинальный коэффициент преобразования j -го компонента ИК; т — общее количество последователь»: соединенных компонентов, образующих ИК. Поверка ИК ИС, как правило, осуществляется покомпонентно /4/5/6/ 1.3

Системы автоматического контроля Системы автоматического контроля (САК) предназначены для контроля технологических процессов, при этом характер поведения и параметры их известны.