83

Міністерство освіти і науки україни Дніпродзержинський державний технічний університет

ДОВГАЛЮК Б.П.

Прилади відображення та реєстрації інфформації

Конспект лекцій

(для студентвів спеціальності 8.090803 «Електронні системи»)

Затверджено редакційно – видавничою секцією науково - методичної ради ДДТУ _______2012 р. протокол №__

Укладач: Б.П. Довгалюк. професор

Відповідальний за випуск: В.І.Бойко, зав. кафедрою

“Електроніки”,

Рецензент: С.П. Сторожко, доцент кафедри ЕО ДДТУ

Затверджено на засіданні кафедри Електроніки

(протокол № від 2012 р.)

Дніпродзержинськ ддту

2012

Довгалюк б п.. Прилади відображення та реєстрації інфформації  Конспект лекцій.

Для студентів вищих навчальних закладів. Дніпродзержинськ, видавництво ДДТУ, 2012. - 81 стор.

Конспект лекцій призначений для студентів вищих навчальних закладів, відповідає розділам навчальної програми дисципліни „ПРИСРОЇ ВІДОБРАЖЕННЯ ІНФФОРМАЦІЇ” підготовки спеціалістів та магістрів за напрямком «Електроніка».

В конспекті викладено теоретичні основи пристрої в відображення інформації Основні принципи формування і сприйняття інформаційних моделей: інформаційна модель і формування її елементів, принципи формування кольору в інформаційній моделі, основні фотометричні параметри, психофізіологічних особливостей сприйняття зорової інформації оператором, структура і основні технічні параметри засобів відображення інформації. Засоби відображення інформації з електронно-променевими індикаторами: класифікація і основні визначення; принципи формування знаків в ЗВІ телевізійного типу; функціональна схема буквено-цифрових ЗВІ телевізійного типу; Графічні ЗВІ телевізійного типу; ЗВІ поліграмно - растрового типу;

.

1.Теоретичні основи засоБів відображення інформації

Одна з характерних рис електроніки останніх десятиліть полягає в прагненні візуалізувати усі можливі види інформації, що супроводжується розвитком пристроїв відображення інформації (ПВI), сфери застосування яких винятково різноманітні.

1.1. Загальна характеристика

Визначення. У будь-якому пристрої відображення інформації виділяються дві основні функціонально різні частини: світло контрастний растр, що безпосередньо впливає на спостерігача, та схема керування, тобто комплекс засобів електронного обрамлення, які здійснюють необхідну обробку інформації, що надходить в електричній формі, і ефективне керування світло контрастним растром. Світло контрастний растр входить до складу індикатора, що у найбільш загальному сенсі являє собою прилад, який відображає хід процесу чи стан об'єкта спостереження у формі, яка є зручною для зорового сприйняття людиною. З огляду на те, що єдиною прийнятною формою інформації на вході ПВI є електрична, можна сказати, що індикатор — це оптоелектронний прилад для перетворення електричних сигналів в адекватний їм просторовий розподіл яскравості.

За родом відображуваної інформації всі індикатори можна розділити на дві великі групи:

знакосинтезуючі індикатори (ЗСI) для відтворення одиничних крапок, цифр, букв, шкал вимірювальних приладів, графіків, мнемосхем;

екрани для відтворення як перерахованої вище інформації, так і рухливих картин телевізійного типу.

Екрани нерідко називають дисплеями, хоча, строго кажучи, це поняття поєднує екран і схеми електронного обрамлення. Найпростіший елемент ЗСI чи екрана називають знакомісцем.

Провести строге розмежування між ЗСI й екраном не можна. Як правило, підкреслюється розходження в їхньому функціональному призначенні: синтез знаків - у випадку ЗСI і синтез картин - у випадку екрана. Екрани містять істотно більшу кількість знакомісць, чим ЗСI.

Для синтезування зображення в ЗСI використовується декілька способів (рис. 1.1): безпосереднє створення на поверхні растра необхідного символу, набір цифр чи букв з окремих сегментів (сегментні індикатори), набір необхідної інформації (цифр, букв, графіків, картин і т.п.) з окремих крапок, що розміщені на поверхні растра у вигляді прямокутної матриці (матричні чи універсальні індикатори). В індикаторах без фіксованих знакомісць (екран електронно-променевої трубки) символи буквально «малюються» при скануванні растра збудливою дією (електронним променем). Всі принципи синтезу зображень, що характерні для ЗСI, можуть реалізовуватися і шляхом використання набору дискретних знакомісць (наприклад, світлодіодів). Для екранів характерна матрична організація, у тому числі і без фіксованих знакомісць.

Фізіологічні основи індикаторної техніки. При виробленні рекомендацій інженерно-психологічного характеру, що поши-рюються на індикатори будь-якого виду, використовують параметри і властивості, що притаманні деякому ідеалізованому, статистично усередненому оператору — споживачу візуальної інформації індикатора.

Рис. 1.1. Способи синтезування зображень у ЗСI: а — фіксований символ; б - сегментне представлення (цифра 3); в — матричне представлення (буква Т)

Вимога до яскравості світіння змінюється в дуже широких межах у залежності від умов роботи оператора: зовнішньої освітленості, стану фону, наявності інших випромінювачів, вимог до швидкості зчитування, не стомлюваності при тривалій роботі тощо. Крайні значення яскравості 10 ... 30 кд/м² у напівтемряві кімнати і (2 ... 5)∙10⁴ кд/м² при прямій сонячної засвітці індикатора. Дуже важлива рівнояскравість сусідніх елементів індикатора: за законом Вебера—Фехнера для того, щоб не «рябило», необхідна рівнояскравість 30 ... 50%, а в ряді випадків і 10 ... 20%. Напроти, при використанні індикатора для кодування інформації варто мати на увазі, що оператор розрізняє не більш 7 - 8 градацій яскравості, при цьому досить надійно – 3 - 4, а абсолютно вірогідно - лише 2 (є світло чи нема).

Просторові геометричні характеристики об'єктів, що сприймаються (цифра, буква, елемент мнемосхеми), задаються їхніми кутовими розмірами і розташуванням у полі зору. Припустимі кути огляду у вертикальній і горизонтальній площинах 70° (30 ... 60°) і 90° (50 ... 60°). Відповідно оптимальним є подовжене в горизонтальній площині (у відношенні 4 : 3) поле растра. Кутові розміри елементів індикатора не можуть бути менш 1^ (граничний дозвіл), практично прийнятні значення складають 8 ... 20, а для швидкого і точного сприйняття 40 ... 60. Оптимальне відношення ширини і висоти знаків індикатора 2/3 ... 3/5: при цьому забезпечується найкраще зчитування.

Використання в індикаторах колірної гами істотно розширює їхні можливості. По-перше, кольором можна додатково кодувати інформацію, при цьому найбільш помітні червоний, білий, жовтий, пурпурний, зелений. Усього ж в одному ПВI може сполучатися до 7-8 кольорів. Колір може служити для підкреслення властивостей об'єкта, наприклад, при автоматизованому об'ємному проектуванні на екрані дисплея. Використання кольору виявляється найважливішою властивістю індикатора при прагненні збудити особливий психофізичний стан оператора, наприклад червоний колір - символ небезпеки. Але головне - це досягнення природності зображення індикаторами типу телевізійного екрана.

Різноманітність індикаторів. Існує ряд факторів, що обумовлюють різноманіття індикаторів. По-перше, ця безліч індиціруємих об'єктів: цифри і тексти, графіки, гістограми, мнемосхеми, двомірні картини. Зображення може бути статичним і що рухається, різким і напівтоновим, чорно-білим і кольоровим, плоским і об'ємним.

По-друге, це широта областей застосування, що відрізняються одна від одної вимогами до характеристик сприйняття, умовами експлуатації, вартості. Зокрема, істотне значення при виборі того чи іншого індикатора має його сумісність зі схемами керування, які використовуються в ПВI. Визначальним є розподіл індикаторів на пристрої колективного, групового й індивідуального користування, як характерні приклади можуть бути названі інформаційне табло стадіону чи вокзалу, екран телевізора, циферблат електронних наручних годинників чи мікрокалькулятора.

По-третє, це перевага методів неявної оцінки якості систем, що відображають, за допомогою суб'єктивних випробувань, а також ті розходження в зоровому сприйнятті, що притаманні людям.

Четверта, вирішальна обставина зв'язана з тим, що не вдається знайти такого єдиного фізичного принципу і конструктивно-технологічного рішення, що могли б задовольнити сукупність вимог, які пред’являють до індикаторів. Ці вимоги можна згрупувати за деяких загальних ознаках:

1. Якість сприйняття: яскравість світіння, контрастність, припустимий кут огляду, сприйняття в темряві і на світлі, мінімальні і максимальні геометричні розміри елементів.

2. Кольоровість: можливість генерації трьох основних кольорів R—G—B й одержання будь-якого кольору, чистота кольору, можливість керованої перебудови кольору світіння і створення багатобарвного інформаційного поля.

3. Схеми керування: спосіб зміни знака (механічний, електронний), електрична сумісність з елементною базою мікроелектроніки, форма збудливого сигналу (змінний, постійний струм), напруга, струм живлення, можливість роботи в мультиплексному режимі та мікропроцесорного керування.

4. Висока інформативність - створення екранів з великим числом розкладання: простота реалізації багатоелементних, матричних і мозаїчних структур, мала споживана потужність, відтворення градацій яскравості, півтонів; високі розв’язувальна здатність та швидкодія елементів; простота розгортки (сканування) зображення; наявність убудованої пам'яті; можливість створення екранів великої площі.

5. Експлуатаційні характеристики: діапазон робочих температур, механічна міцність (вібраційна, ударна і т.п.); вологостійкість, стійкість до проникаючої ядерної радіації, довговічність, надійність, габаритні розміри і маса; площинність (мала товщина індикатора).

6. Технологічність: забезпеченість необхідними матеріалами зі стабільними властивостями; можливість використання стандартних процесів планарної технології (епітаксії, дифузії, фотолітографії, напилювання та ін.) і групових методів обробки; простота конструкції застосовуваних деталей; мала кількість цих деталей та зовнішніх виводів; відсутність вакуумних об’ємів; низька вартість.

Оптоелектронні індикатори. Ці прилади, що відповідають функціональному призначенню індикатора і задовольняють концепціям оптоелектроніки в частині інтегріруємості, технологічності, сумісності з мікроелектронікою, почали розвиватися як альтернатива електронно-променевим трубкам (ЕПТ) з їхніми принципово непереборними недоліками: наявністю вакуумного об’єму, громіздкістю, високовольтністью, великою споживаною потужністю.

За фізичним принципом відображення інформації виділяють індикатори з активним растром, у яких використовується світлогенераційний ефект, тобто перетворення електричної енергії у світлову, та з пасивним растром, у яких керуючі електричні сигнали модулюють зовнішній світловий потік. В індикаторах першої групи застосовуються різні види люмінесценції (інжекційна, газорозрядна, катодна тощо), теплове випромінювання, лазерна генерація. Електрооптичні ефекти, на яких засновані індикатори другої групи, викликають зміну коефіцієнта відбиття чи поглинання ділянок растра, обертання площини поляризації проходящого світла, зміна кольору поверхні і т. п. Створено велику кількість різновидів індикаторів обох типів, при цьому у якості середовища світлоконтрастного растра використовуються напівпровідники (моно - і полікристали, порошки), метали, кераміка, рідини, гази.

Ретроспективний аналіз оптоелектронних індикаторів і оцінка перспектив приводять до представлення про три покоління приладів, характерних для даного напрямку оптоелектроніки.

Перше покоління представляють світодіоди, дискретні сегментні індикатори і багато розрядні монодисплеї. Основні їхні різновиди — напівпровідникові, газорозрядні і рідкокристалічні одноколірні прилади.

До другого покоління відносяться плоскі багатобарвні панелі підвищеної інформаційної ємності (до 10⁴ ... 10⁶ знакомісць), сполучені (електрично і конструктивно) зі схемами керування. Основні різновиди - рідкокристалічні екрани, плазміні панелі, а також електрохромні, тонкоплівкові напівпровідникові, вакуумні люмінесцентні пристрої.

Третє покоління індикаторної техніки складуть універсальні багатоколірні плоскі крупно форматні (більш 1 м²) панелі надте-левізійної інформаційної ємності (більш 10⁶ знакомісць), інтегрально сполучені з мікропроцесорними схемним керування. Поява таких приладів для систем відображення інформації відноситься до початку 1980-х рр., у значної мірі воно ґрунтується на фізичних принципах приладів другого покоління.

Приведена порівняльна диференціація в значній мірі умовна, перераховані якості характеризують покоління в цілому, але не обов'язково кожен прилад. Перехід індикаторної техніки на кожен новий етап не перекреслює досягнень попереднього; практично прилади нового покоління призначаються для нових областей застосування.