11. Осциллографы с нетрадиционными устройствами отображения информации

Недостатки электронно-лучевых трубок. В подавляющем боль­шинстве электронных осциллографов, находящихся в эксплуатации выпускаемых промышленностью, устройствами отображения ин­формации служат ЭЛТ. Их достоинства хорошо известны. Однако по мере развития ряда областей техники и прежде всего вычисли­тельной техники, с одной стороны, усложнились требования к ос­циллографам, подчеркивающие недостатки ЭЛТ, а с другой сто­роны, стала реальной осуществимость цифровых осциллографов с новыми видами устройств отображения информации.

К основным недостаткам ЭЛТ относятся большая длина труб­ки ¹ (требующая большой глубины устройства, в котором приме­няется ЭЛТ), высокие питающие напряжения, сравнительно ма­лая долговечность, невысокая механическая прочность, сравнитель­но малые размеры экрана [40]. При построении цифровых осцил­лографов остро ощущается отсутствие возможности непосредствен­ного согласования ЭЛТ с устройствами цифровой вычислительной техники [104]. Не следует забывать и того, что ЭЛТ — вакуумный прибор.

За последние годы интенсивно разрабатывались (и разрабаты­ваются в настоящее время) устройства отображения информации с плоскими экранами, лишенные недостатков ЭЛТ (или хотя бы некоторых из них). К таким устройствам относят газоразрядные индикаторные панели, жидкокристаллические дисплеи, электролюминесцентные индикаторы, твердотельные панели: сегнетоэлектрические и на светоизлучающих диодах. Кратко осветим осциллогра­фы с первыми двумя видами отображающих устройств.

Газоразрядные индикаторы панели. Используемые вместо ЭЛТ газоразрядные индикаторные панели делят на три вида: посто­янного и переменного тока, а также комбинированные. Все газо­разрядные панели имеют матричную структуру.

Индикаторные панели постоянного тока в зависимости от зало­женного в их конструкции принципа управления разделяют на па­нели с внешней коммутацией и самосканированием (внутренней коммутацией). Кратко осветим устройство и работу первой из них [104].

Основой конструкции индикаторной панели постоянного тока с внешней коммутацией служат две стеклянные пластины — ли­цевая и тыльная, между которыми помещена диэлектрическая ма­трица. Она представляет собой пластину из диэлектрика с систе­мой отверстий, выполненной в виде строк и столбцов. На внут­ренних поверхностях обеих стеклянных пластин нанесены электро­ды в виде параллельных линий. Электроды лицевой пластины, че­рез которую излучается свет, прозрачны и расположены горизон­тально. Их называют анодами. На тыльной пластине параллель­ные линии электродов, называемых катодами, направлены верти­кально. Иначе говоря, получается система взаимно перпендикуляр­ных электродов. Отверстия в диэлектрической пластине находят­ся в точках, в которых как бы пересекаются аноды и катоды. Про­странство между стеклянными пластинами наполнено смесью инертных газов, и панель герметизирована по периметру (стекло- цементом). Таким образом отверстия в диэлектрической пласти­не, заполненные газом, представляют собой газоразрядное ячей­ки. Состоящая из этих ячеек газоразрядная матрица содержит т строк, где т определяет число анодов, и п столбцов, где п — чи­сло катодов (см. рис. 3.27). Общее число ячеек матрицы m*n характеризует информационную емкость С панели. Например, га­зоразрядная панель ГИП-10 000, у которой т=п=100, имеет ин­формационную емкость С = 10 ООО элементов.

Чтобы светилась ячейка номер j, l, расположенная на пересе­чении j-то катода и l-го анода, необходимо ее возбудить — выз­вать газовый разряд именно в этой ячейке (при невозбужденных остальных ячейках). Для этого между 1-м анодом и j-м катодом должна быть создана разность потенциалов (около 250 В), зна­чение которой превосходит значение потенциала зажигания. Для прекращения свечения данной ячейки разность потенциалов ме­жду l-м анодом и j-м катодом должна быть понижена до значения, меньшего потенциала гашения.

Таким образом, необходима специальная схема управления, осуществляющая горизонтальную развертку (выбор катода, но­мер j) и «отклонение» по вертикали (выбор анода, номер l кото­рого соответствует значению исследуемого напряжения). Подоб­ные схемы довольно сложны, содержат большое число компонен­тов: матрица размеров т*п требует применения т + п формиро­вателей напряжения и такого же числа соединений.

Основными характеристиками газоразрядной индикаторной па­нели, как и других устройств отображения информации с плос­кими экранами, служат яркость, контрастность изображения, цвет излучения, информационная емкость, разрешающая способность экрана, информационная производительность.

Разрешающая способность определяется числом элементов, приходящихся на один миллиметр экрана. Ее предельное значение, определяемое свойствами глаза человека, составляет 8 ... 10 эле­ментов на миллиметр. Вполне приемлема разрешающая способ­ность 5... 6 элементов на миллиметр, это эквивалентно (в смысле непрерывности и плавности линий осциллограммы) возможностям ЭЛТ с толщиной луча 0,2 ... 0,3 мм.

Под информационной производительностью понимают поток информации, передаваемый устройством отображения пользова­телю осциллографа. Она определяется главным образом скоро­стью записи и стирания информации на панели. Характеризует возможности изменения размера осциллограммы и смещения ее, а также вспомогательных сигналов и буквенно-цифровых элемен­тов, отображающих результаты измерения.

Основные недостатки панелей постоянного тока с внешней ком­мутацией— значительное время запаздывания зажигания ячеек, мерцание при частоте ниже 50 Гц и необходимость применения относительно сложного внешнего развертывающего устройства.

У газоразрядной индикаторной панели постоянного тока с са- москанированием время запаздывания зажигания существенно меньше, что обусловлено конструкцией и принципом действия па­нели. Она содержит две взаимосвязанные системы: сканирующую

и индикаторную. Первая система осуществляет внутренний пере­нос разряда и подготовку к нему индикаторных ячеек, что снижа­ет требования к напряжению зажигания, а также исключает мер­цание и делает яркость свечения ячеек более однородной. Кроме того, наличие внутреннего сканирования позволило упростить внешнюю схему управления. Однако сложность конструкции пане­ли с самосканированием ограничивает ее применение в осцилло­графе.

Отличительными особенностями газоразрядной индикаторной панели переменного тока, обладающей внутренней памятью, явля­ются возможность сохранения яркости изображения при значи­тельном увеличении размеров экрана, отсутствие мерцаний при частоте ниже 50 Гц, высокая разрешающая способность. Од­нако схема формирования управляющих напряжений довольно сложна.

Более подробные сведения о газоразрядных индикаторных па­нелях постоянного тока и переменного тока читатель найдет в (40, 104], а сведения о газоразрядной индикаторной панели, в ко­торой используются комбинированные ячейки постоянного/пере­менного тока (что позволяет существенно уменьшить число фор­мирователей напряжения), содержатся в [16].

Цифровой осциллограф с матричным газоразрядным индикато­ром. Структурная схема прибора (рис. 3.26) во многом сходна со структурной схемой цифрового запоминающего осциллографа, о котором шла речь в § 3.9 (рис. 3.23). Основная особенность рас­сматриваемого прибора состоит в том, что функцию устройства ото­бражения информации вместо ЭЛТ выполняет матричная газо­разрядная панель. В сочетании с электронными схемами, служа­щими для управления работой панели, а также согласования ее входов с выходами интегральных схем запоминающего устройства (ЗУ) и контроллера, образуется конструктивно единый блок-

индикаторный модуль. Его на­зывают индикатором матрич­ным газоразрядным и обозна­чают ИМГ

Приведенная та рис. 3.27 структурная схеміа индикатор­ного модуля содержит газо­разрядную индикаторную па­нель, катодный їй анодный коммутаторы, схему защиты от перегрузок. Каждый ком­мутатор состоит из дешифра­тора и схемы ключевых эле­ментов. Это позволяет управ­лять высоковольтными элек­тродами пазоразрядной инди­каторной панели с помощью низковольтных сигналов, сни­маемых с выходов запоминаю­щего устройства и контроллера.

Рассмотрим работу системы управления, причем для боль­шей наглядности будем опираться на характеристики модуля ИМГ-1. В исходном положении напряжение на всех катодах 150 В, а во всех анодах 90 В. Ячейка (j, l) газоразрядной индикаторной панели возбуждается тогда, когда отпирается j-й катодный клю­чевой элемент и запирается 1-й анодный ключевой элемент. Это приводит к понижению напряжения на j-м катоде от 150 В до 0 ч повышению напряжения на 1-м аноде от 90 до 250 В.

Катодный коммутатор служит для развертки изображения на газоразрядной индикаторной панели. Дешифратор X имеет k вхо­дов и т выходов (k=8 и m=100). Поступающее на его входы из контроллера число указывает номер катода, проходящего через ячейку (j, l), которая должна возбудиться. Напряжение, появля­ющееся на l-м выходе дешифратора X, отпирает соответствующий катодный ключевой элемент, вследствие чего напряжение на j-м катоде падает до нуля.

Анодный коммутатор предназначен для выбора определенной ячейки по вертикали. Дешифратор Y имеет р входов и п выходов ( у индикаторного модуля ИМГ-1 соответственно р=8 и n=100). Числу, подаваемому из ЗУ на входы дешифратора, соответствует номер анода (l), Проходящего через ячейку (j,l), которая долж­на возбудиться. Возникающее на 1-м выходе дешифратора У на­пряжение запирает «свой» анодный ключевой элемент, и напря­жение на 1-м аноде повышается от 90 до 250 В. Таким образом, разность потенциалов между 1-м анодом и j-м катодом газоразряд­ной панели становится 250В. Ячейка (j,l) возбуждается.

При получении изображения формы исследуемого сигнала го­ризонтальная развертка осуществляется поочередно коммутацией катодных ключевых элементов пропорционально времени в резуль­тате последовательного изменения чисел (от 0 до 99), поступа­ющих из контроллера по шине на входы дешифратора X. Подоб­ная развертка циклически повторяется. Синхронно с ней произво­дится коммутация анодных ключевых элементов, определяющих вертикальное отклонение, для чего на входы дешифратора Y по­даются из ЗУ соответствующие числовые эквиваленты значений исследуемого сигнала.

Чтобы ячейки газоразрядной индикаторной панели стабильно возбуждались, необходима их начальная ионизация. Ее использу­ют для получения масштабной сетки экрана, называемой «элект­ронной шкалой». С этой целью понижают яркость свечения яче­ек, образующих вертикальные и горизонтальные линии, номера которых кратны десяти.

Цифровой осциллограф с жидкокристаллическим дисплеем. Из­вестно, что индикаторы на жидких кристаллах нашли широкое применение в средствах измерения. Появились и осциллографы, у которых вместо ЭЛТ используется плоский жидкокристаллический (ЖК) дисплей матричного типа. Такой дисплей компактен и об­ладает высокой механической прочностью. Для него характерны очень малая потребляемая мощность и низкое рабочее напряже­ние, а также четкость изображения при ярком солнечном свете. Осциллограмма отображается в виде темно-синей кривой на свет­лом фоне.

Представление о возможностях осциллографа с ЖК дисплеем дают характеристики одного из выпускаемых приборов — порта­тивного двухлучевого цифрового запоминающего осциллографа. Он воспроизводит однозначные функции времени, экран дисплея, со­держащего матрицу форматом 128*256 (32 768 точечных элемен­тов), имеет ширину 10 см, высоту 6 см и толщину 3 мм, число разрядов АЦП 7, частота дискретизации 1,25 МГц, потребляемая мощность 2 Вт (питание от аккумуляторных батарей, подзаряжа­емых от источника напряжением 12 В), масса прибора 2,5 кг. Ос­новными недостатками прибора являются воспроизведение только сигналов, предоставляющих однозначные функции, работа толь­ко в цифровом режиме, существенно ограниченный частотный диа­пазон, меньшая разрешающая способность, чем у осциллографа, выполненного на ЭЛТ.

Продолжающиеся разработки позволяют рассчитывать, что в ближайшие годы появятся осциллографы с ЖК дисплеем, имею­щие более высокие характеристики.