ПРОЕКТИРОВАНИЕ СИСТЕМ ОТОБРАЖЕНИЯ ИНФОРМАЦИИ НА ОСНОВЕ МНОГОРАЗРЯДНЫХ И МАТРИЧНЫХ ИНДИКАТОРОВ

Учебное пособие

по дисциплине: «Средства отображения информации»

Для студентов, обучающихся по направлению подготовки 210100.62 - «Электроника и наноэлектроника», профиль «Промышленная электроника»

Составитель:

Б.Д. Хасцаев

Владикавказ 2014

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РФ

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

«СЕВЕРО-КАВКАЗСКИЙ ГОРНО-МЕТАЛЛУРГИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ (ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ)»

Кафедра промышленной электроники

ПРОЕКТИРОВАНИЕ СИСТЕМ ОТОБРАЖЕНИЯ ИНФОРМАЦИИ НА ОСНОВЕ МНОГОРАЗРЯДНЫХ И МАТРИЧНЫХ ИНДИКАТОРОВ

Учебное пособие

по дисциплине: «Средства отображения информации»

Для студентов, обучающихся по направлению подготовки 210100.62 - «Электроника и наноэлектроника», профиль «Промышленная электроника»

Составитель:

Б.Д. Хасцаев

Допущено редакционно-издательским советом Северо-Кавказского горно-металлургического института (государственного технологического университета) Протокол заседания РИСа № 26 от 17.07.2014

Владикавказ 2014

ОГЛАВЛЕНИЕ

стр

Введение……………………………………………………………….……………..5

1.ЖИДКОКРИСТАЛЛИЧЕСКИЕ ИНДИКАТОРЫ И ПРОЕКТИРОВАНИЕ

НА ИХ ОСНОВЕ СИСТЕМ ОТОБРАЖЕНИЯ ИНФОРМАЦИИ………………..7

1.1.ЖКИ: конструкция и принцип действия..……………………………………..8

1.2.Способы снижения времени выключения ЖКИ……………………………...10

1.3.Способы управления одноразрядными ЖКИ .…………………………….….12

1.4.Проектирование систем управления многоразрядными ЖКИ.………….. …15

1.4.1.Проектирование систем управления, реализующих статический

режим работы многоразрядных ЖКИ…………………………………………….15

1.4.2.Проектирование систем управления, реализующих динамические

режимы работы многоразрядных ЖКИ…………………………………………..17

2.ВАКУУМНО-ЛЮМИНЕСЦЕНТНЫЕ ИНДИКАТОРЫ И ПРОЕКТИРО-ВАНИЕ НА ИХ ОСНОВЕ СИСТЕМ ОТОБРАЖЕНИЯ ИНФОРМАЦИИ ..........24

2.1.ВЛИ: конструкция, разновидности конструктивного исполнения и

принцип действия …………………………………………………………………..24

2.2.Проектирование систем управления многоразрядными ВЛИ……………… 26

2.2.1.Проектирование систем управления, реализующих статический режим

работы многоразрядных ВЛИ………………………………………………………26

2.2.2.Проектирование систем управления, реализующих динамические

режимы работы многоразрядных ВЛИ……………………….……………………28

2.3.Методика проектирования систем управления для СОИ, реализуемых

на основе многоразрядных ВЛИ………………...…………………………………35

3.ПРОЕКТИРОВАНИЕ УCТРОЙСТВ РУЧНОГО ВВОДА ДАННЫХ

ДЛЯ СОИ……………………………………………………………………………39

3.1.Проектирование УРВД с линейной адресацией клавиш……………………..39

3.2.Проектирование УРВД с двухкоординатной адресацией клавиш………….40

4.ПРОЕКТИРОВАНИЕ МИКРОПРОЦЕССОРНЫХ СИСТЕМ

УПРАВЛЕНИЯ ИНДИКАТОРАМИ ДЛЯ СОИ…………………………………..44

4.1.Развитие возможностей СОИ на основе микропроцессоров ……………….. 44

4.2.Проектирование микропроцессорных систем управления

дискретными индикаторами ……………….……………………………………..46

4.3.Пример проектирования микропроцессорной системы управления

дискретным индикатором (на примере светофора)…………………………......48

5.МАТРИЧНЫЕ ИНДИКАТОРЫ И ПРОЕКТИРОВАНИЕ НА ИХ

ОСНОВЕ СИСТЕМ ОТОБРАЖЕНИЯ ИНФОРМАЦИИ …………..………….55

5.1.Газоразрядные индикаторные панели………………………..56

5.1.1.ГИП постоянного тока с внешней адресацией (ГИПП)……………......58

5.1.2.ГИП с самосканированием (ГИПС)……………………………………62

5.1.3.ГИП переменного тока……………………………………………………. 65

5.2.Способы управления матричными индикаторами и их реализация.……. ..70

5.2.1.Способы адресации ячеек матричных индикаторов……………………… 70

5.2.1.1.Способ однокоординатной адресации…………………………………….70

5.2.1.2.Способ двухкоординатной (матричной) адресации……………………. .71

5.2.1.3.Способ многоматричной адресации………………………………………77

5.2.1.4.Способ адресация со сканированием……………………………………78

5.2.2.Способы модуляции яркости свечения ячеек матричных индикаторов..79

5.3.Проектирование систем управления газоразрядными индикаторными панелями…………………………………………………………………………….81

5.3.1.Проектирование системы управления ГИП постоянного тока с

внешней адресацией………………………………………………………………81

5.3.2.Проектирование системы управления ГИП с самосканированием……….85 5.3.3.Проектирование системы управления ГИП переменного тока……………87

6. СВЕТОДИОДНЫЕ ЭКРАНЫ И ПРОЕКТИРОВАНИЕ НА ИХ ОСНОВЕ СИСТЕМ ОТОБРАЖЕНИЯ ИНФОРМАЦИИ……………………………………90

6.1.Светодиоды и их характеристики…….…………………………………… ….90

6.2.Пиксель и его характеристики ………………………………………………..93

6.3.Светодиодный модуль и его характеристики…………………………………94

6.4.Светодиодный экран, особенности его конструктивного исполнения и характеристики……………………………………………………………………..95

6.5.Проектирование систем управления пикселем, модулем и СДЭ…………..98

6.5.1.Проектирование системы управления пикселем СДЭ……………………98

6.5.2.Проектирование системы управления модулем СДЭ…………………….99

6.5.3.Проектирование системы управления СДЭ…………….…………………99

ЗАКЛЮЧЕНИЕ……………………………………………………………………102

ЛИТЕРАТУРА…………………………………………………………………….103

Введение

Улучшение характеристик систем отображения информации (СОИ) и расширение их функциональных возможностей являются важными задачами разработчиков электронной аппаратуры, так как во всех современных технических средствах использование СОИ обязательно. С другой стороны, улучшение характеристик СОИ и расширение их функциональных возможностей возможны из-за появления новых индикаторных устройств (индикаторов), развития интегральной микроэлектроники, средств микропроцессорной техники и их незамедлительным внедрением во вновь разрабатываемых устройствах и системах отображения информации. К примеру, использование в составе СОИ перспективных микропро­цессоров в качестве основы системы управления индикаторами обеспечивает существенное улучшение характеристик и расширение функциональных возможностей СОИ. Другим примером является появление видеодисплеев и специального матема­тического обеспечения для них.

Большой интерес в последние десятки лет вызывают СОИ, разрабатываемые на основе многоразрядных (жидкокристаллических, вакуумно-люминесцентных и т.д.) и матричных индикаторных устройств (газоразрядных, светодиодных, и др.). Чаще всего многоразрядные индикаторные устройства выполняются в виде монодисплеев, из-за чего значимость таких индикаторов высока. Общим свойством многоразрядных и матричных индикаторов является обеспечение большой информационной емкости по сравнению с одноразрядными индикаторными устройствами.

Необходимо отметить, что в предлагаемой работе многоразрядные индикаторные устройства рассматриваются только на примере жидкокристаллических и вакуумно­-люминесцентных индикаторов, а матричные индикаторы - на примере газоразрядных индикаторных панелей и светодиодных экранов. Эти индикаторы наиболее востребованы разработчиками технической аппаратуры.

Как в устройствах отображения информации, так и в СОИ, широко используются устройства ручного ввода данных, реализация которых представляет большой интерес, их рассмотрение актуально.

Использование микропроцессоров в схемах управления индикаторами ставит перед разработчиками СОИ ряд новых задач, связанных с освоением системных средств микропроцессоров, правильной организацией пользовательского интерфейса, расширением функциональных возможностей видеодисплеев.

Таким образом, отмеченное предопределяет назначение предлагаемой работы - ознакомление студентов с физическими основами, заложен­ными в основу многоразрядных (жидкокристаллических и вакуумно-люминесцентных) и матричных (газоразрядных и светодиодных) индикаторов дисплейной конструкции, с электрооптическими параметрами этих индикаторов. Работа также знакомит студентов со способами управления перечисленными индикаторами, а также со схемами управления индикаторами, реализованными на базе интегральных микро­схем средней и высокой степени интеграции, включая микропроцессоры. Существенное внимание в работе уделено общим вопросам проектирования СОИ, включая вопросы формализации процессов проектирования СОИ с улучшенными характеристиками и расширенными функциональными возможностями. В ней рассматриваются и способы проектирования таких важных составляющих СОИ, как устройства ручного ввода данных и микропроцессорные системы управления индикаторными устройствами.

1.Жидкокристаллические индикаторы и проектирование на их основе систем отображения информации

Жидкокристаллические индикаторы (ЖКИ) благодаря ряду достоинств: низкое потребление электроэнергии, малый вес, дешевизна, высокая надежность, широко используются для отображения информации. На их основе строятся СОИ, широко применяемые в жизни человека, в научных исследованиях, в производстве и т.д. Главной составляющей этих СОИ, как и других, являются системы управления индикаторными устройствами. Рассмотрим наиболее важные вопросы, знание которых необходимо при проектировании СОИ на основе ЖКИ.

Достоинства ЖКИ:

- низкий уровень рабочих напряжений;

- низкая потребляемая мощность;

- высокий контраст;

- компактная конструкция, включая малую толщину;

- большая долговечность.

Недостатки ЖКИ:

- малое быстродействие (значительная инерционность);

- ограниченность температурного диапазона;

- малый угол обзора.

ЖКИ появились впервые в 70-х годах в виде дискретных знакосинтезирующих индикаторов и были применены в электронных часах. Затем появились матричные ЖКИ индикаторы и фирма Sharp (Япония) первая на их основе выпустила черно-белый телевизор с экраном 5,5 дюйма с разрешением 160х120.

В настоящее время ЖКИ занимают доминирующее положение в случаях создания высокоэкономичных СОИ индивидуального пользования.

Как известно, главным составляющим элементом ЖКИ является жидкий кристалл, который и определяет важнейшие свойства ЖКИ.

1.1. ЖКИ: конструкция и принцип действия

Для правильного проектирования СОИ на основе ЖКИ, подобно другим индикаторным устройствам, необходимо хорошее знание технических характеристик, конструкции и работы этих индикаторов. Однако, из-за ограниченного объема настоящей работы ознакомление с техническими характеристиками ЖКИ оставлено на самостоятельную работу студентов, рассматриваются только конструкция и работа ЖКИ.

Особенности конструктивного исполнения ЖКИ показаны на рис.1.1а, а его электрическая схема на примере семисегментного индикатора – на рис. 1.1б.

На рис.1.1а приняты следующие обозначения: 1, 3 – стеклянные пластины; 4 – отражающий непрозрачный электрод (задний электрод ЖКИ); 5 – прозрачный электрод (передний); 6 – жидкий кристалл.

На рис.1.1б приняты следующие обозначения: ОЭ – отражающий (общий) электрод; a, b, c, d, e, f, g – аноды-сегменты ЖКИ.

Способы управления ЖКИ, жидкокристаллическими индикаторными панелями зависят от особенностей их физических свойств. К примеру, использование переменного напряжения обеспечивает ЖКИ на порядок большую долговечность, чем использование постоянного напряжения.

а б

Рис. 1.1. Конструкция ЖКИ (а ) и его электрическая схема (б)

Меньшая долговечность при использовании постоянного напряжения связана с миграцией примесей к ОЭ под воздействием постоянной составляющей управляющего сигнала. Это явление приводит к снижению контрастности ЖКИ и необходимости увеличения напряжения возбуждения. Поэтому более целесообразным является возбуждение ЖКИ переменным напряжением, что обеспечивается подачей на электроды ЖКИ импульсов прямоугольной формы одинаковой полярности, которые должны быть сдвинуты по фазе так, чтобы управляющее напряжение представляло собой биполярный сигнал, не имеющий постоянной составляющей. Другая особенность ЖКИ связана со значительной их инерционностью при возбуждении и снятии возбуждения. Они включаются с запаздыванием в среднем на 10…20 мс (t_р–время реакции) по отношению к фронту возбуждающего импульса, а время выключения (t_рел–время релаксации) около 10 раз превышает время включения и составляет 100…200мс.

Параметры ЖКИ в динамическом режиме приведены на рис.1.2.

Рис.1.2.Импульс управляющего напряжения–U_возб (а) и ток через ячейку-I_я(б)

Проектирование эффективных систем для отображения информации на основе ЖКИ возможно при снижении времени их выключения. Отсюда следует важность способов снижения времени выключения ЖКИ.