Покровский / УМК ОРЭ ч.2(для студентов) / Радиоэлектроника(часть2) / Ответы(часть2)№35

УСТРОЙСТВА ОТОБРАЖЕНИЯ ИНФОРМАЦИИ

25.1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ. ПОКАЗАТЕЛИ

Радиоэлектронные устройства и системы, электронные вычисли­тельные машины обрабатывают и преобразуют электрические сиг­налы. Представление выходных электрических сигналов в форме, приемлемой для непосредственного восприятия человеком, назы­вается отображением информации.

Человек способен воспринять информацию, представленную в форме звуковых и визуальных сигналов, поэтому существуют устройства звукового и визуального отображения информации.

Звуковая форма отображения информации естественна в систе­мах радиосвязи и радиовещания. В этих системах электрический сигнал в звуковой преобразуется с помощью телефонов, громко­говорителей или более сложных акустических систем. В указан­ных системах задача отображения сравнительно простая и, по существу, является задачей воспроизведения, так как отображае­мый электрический сигнал является образом первичного звуко­вого сигнала.

Задача звукового отображения результатов вычисления данных о состоянии некоторых наблюдаемых объектов более сложна. По коду цифрового сигнала, соответствующего числу или набору букв, сначала нужно создать электрический сигнал — образ звуко­вого, а затем воспроизвести этот образ в виде звукового сигнала.

Создание образов звуковых сигналов по кодам отдельных слов или фраз выполняется устройствами синтетической речи, пред­ставляющими собой специализированные ЭВМ. Применение таких устройств открывает возможности речевого общения человека с ЭВМ, способствует повышению производительности труда. Однако их распространение в настоящее время ограничивается плохой разборчивостью синтетической речи.

Визуальная форма представления информации является доми­нирующей. Она дает возможность использовать способность чело­веческих органов зрительного восприятия принять большое коли­чество и в разной форме представленной визуальной информации.

Средства визуального отображения информации делятся на регистрирующие и наглядные. Средства регистрирующего отобра­жения — самописцы, печатающие устройства, фотографические и др. — не относятся к радиоэлектронным устройствам и в данном курсе не рассматриваются.

Назначение средств наглядного отображения — представить оперативную информацию. К ним относятся различные индика­торные устройства и дисплеи. Индикаторные устройства реали­зуются на основе электросветовых индикаторных приборов, опи­санных в § 11.6, а также на электронно-лучевых трубках. Бук­венно-цифровые и графические дисплеи реализуются также на основе электронно-лучевых трубок и индикаторных матриц.

Основные показатели качества устройств визуального отобра­жения информации вытекают из их назначения — представить информацию для непосредственного восприятия человеком. Такими показателями являются разрешающая способность, яркость, конт­растность, цвет, мелькание, а также размер и другие параметры, обусловленные характеристиками функционирования аппаратуры. Заметим, что аналогичные параметры используются для оценки качества телевизионных изображений.

Разрешающая способность характеризует минимальные раз­меры различимых деталей изображения и обычно выражается чис­лом различимых линий на 1 см высоты или ширины изображе­ния. Измерение разрешающей способности, как правило, произ­водится по специальным таблицам, в которых представлены линии сужающегося растра. В качестве примера такой таблицы можно указать всем хорошо знакомую телевизионную таблицу.

Яркость выражается силой света, излучаемой единичной пло­щадью поверхности. Как известно, сила света — это отношение светового потока, распространяющегося от источника внутри малого телесного угла, к этому телесному углу, выражаемое в канделах. Поэтому яркость выражается в канделах на квадрат­ный метр.

Контрастность характеризует сравнительную яркость изобра­жения и фона и оценивается отношением разности информацион­ной и фоновой яркостей и яркости фона.

Цвет — свойство изображения, создающее зрительное восприя­тие, соответствующее спектральному составу излучаемого или отраженного света. Цвет изображения монохромного дисплея имеет значение как фактор, влияющий на эмоциональное состоя­ние человека—оператора, а также на чувствительность глаза к изменениям яркости. Часто используют дисплеи и индикаторы с желто-зеленым свечением, соответствующим области максималь­ной чувствительности глаза.

В цветных дисплеях цвет применяется в качестве кода для представления информации. Установлено, что большинство людей способны надежно различать не более 5—7 цветов, представляе­мых каждый в отдельности, несмотря на то что опознано может быть гораздо больше. Известно также, что любой видимый цвет можно получить в определенных пропорциях, комбинируя крас­ный, зеленый и синий цвета. Этот факт составляет основу трех-компонентной теории цветного зрения и используется в цветных дисплеях и телевизорах.

Мелькание — показатель, характерный для устройств отобра­жения информации, реализуемых на основе электронно-лучевых трубок. Он характеризует величину периодических изменений яркости изображения, порождаемых процессом поэлементного вы­свечивания. Мельканий не наблюдается, когда частота периоди­ческого высвечивания изображения, называемая частотой регене­рации изображения, не ниже 50 Гц.

25.2. БУКВЕННО-ЦИФРОВЫЕ И МАТРИЧНЫЕ УСТРОЙСТВА ОТОБРАЖЕНИЯ

Индикаторы—приборы, преобразующие электрические сигналы в световые. Применяются электровакуумные, полупроводниковые, газоразрядные и жидкокристаллические индикаторы. В современ­ной радиоэлектронной аппаратуре из электровакуумных приборов свои позиции твердо сохраняет только электронно-лучевая трубка. Все большее распространение получают полупроводниковые, газо­разрядные и жидкокристаллические индикаторы.

Среди полупроводниковых индикаторов доминирующее место занимает светодиод (см. § 11.7), достоинство которого заключается в том, что его можно непосредственно включать в цепи нагрузки ИС, выполненных на элементах ТТЛ. Промышленностью выпускаются отдельные свегодиоды и их наборы. Распространение получили семисегментные индикаторы, воспроизводящие десять цифр и не­которые буквы, и матричные с числом светодиодов 36, воспроиз­водящие все цифры и буквы. Создаются также многоэлементные матрицы с числом светящихся точек до 10⁴. Такие матрицы могут использоваться как индивидуальные экраны, вмещающие до 0,5 страницы машинописного текста.

Принцип действия газоразрядного индикатора основан на электрическом разряде в газах, при котором электроны атомов газа переходят на более низкий энергетический уровень. При этом газ излучает свет. В газе электроны отделяются от атомов, в результате чего газ ионизируется. Когда концентрация элект­ронов и ионов превышает 1 %, газ переходит в плазменное со­стояние, в котором происходит интенсивное излучение света. Большинство газоразрядных индикаторов являются плазменными устройствами.

Цвет свечения зависит от газа, заполняющего прибор. Неон дает оранжевое свечение, гелий - желтое, аргон - фиолетовое, ....

Зажигание и поддержание разряда требует сравнительно высо­кого напряжения. Напряжение зажигания колеблется от 80 до 400 В, а напряжение горения — от 50 до 300 В. Используют режимы работы на постоянном токе и на переменном. В цепь постоянного тока газоразрядный индикатор включают через бал­ластное сопротивление, на котором падает разность напряжений зажигания и горения. Высокочастотный разряд на переменном токе происходит без прямого контакта электрода с газом.

Газоразрядные индикаторы бывают знаковыми, шкальными и универсальными в виде плазменных панелей, содержащие до 10⁴-10⁵ элементарных газоразрядных ячеек. Для получения цветного изображения создаются многослойные прозрачные па­нели, отдельные слои которых излучают свет различного цвета.

Уменьшение управляющих напряжений достигается введением дополнительных управляющих электродов, как в электронных лампах. Так, сохраняя между анодом и катодом 200-400 В в трехэлектродной конструкции, напряжение управления удается снизить до 20-40 В, а в четырехэлектродной — до 2-6 В. При этом мощность управляющей цепи может быть снижена до 10⁻⁴-10⁻⁵ Вт, что обеспечивает полную совместимость индикатор­ной панели с управляющими интегральными схемами на бипо­лярных или МДП-транзисторах.

Жидкокристаллические индикаторы в отличие от полупровод­никовых и газоразрядных не являются светоизлучающими, а вы­полняют функцию модулятора, пропуская или отражая свет допол­нительного источника. Управление потока света достигается тем, что жидкокристаллическая ячейка, находясь на пути света, изменяет коэффициент оптического пропускания. Это изменение свойств ячейки осуществляется электрическим полем. Управление жидко­кристаллической ячейкой осуществляется маломощными источни­ками, которые работают на переменном токе.

Жидкокристаллические индикаторы используют в электронных часах, карманных калькуляторах. На их основе создают инфор­мационное табло. Для получения цветных изображений и повы­шения быстродействия жидкокристаллические индикаторы совер­шенствуют.

Знаковые индикаторы к цифровым устройствам подключаются через дешифраторы, преобразующие двоичный код цифры или буквы в соответствующий код индикатора. Например, для управ­ления семисегментным индикатором (рис. 25.1), показывающим цифры 0,1, ..., 9 и букву Е, необходим четырехразрядный не­полный дешифратор, преобразующий двоично-десятичный код в семисегментный.

При увеличении числа светящихся точек или сегментов слож­ность необходимого дешифратора возрастает очень быстро. Поэтому индикаторные элементы матричных панелей, как и запоми­нающие ячейки БИС памяти, подключаются к координатным (адресным) шинам (рис. 25.2). Индикатор, находящийся на пере­сечении проводов с адресом x_iy_j, зажигается, если провода x_i и y_j подключаются к зажимам источника питания. Координатная система управления матричными индикаторными панелями непо­средственно приспособлена для отображения двумерных данных, представляющих некоторую функцию y = f(x). Для отображения буквенно-цифровой информации приходится ее преобразовать в двумерный массив данных. Такое преобразование выполняется с помощью специальных генераторов знаков.

Генератор знаков, используемый для управления матричными индикаторными панелями, состоит из дешифратора ДС и БИС постоянной памяти М (рис. 25.3). Он представляет со­бой преобразователь кода, преобразующий условный (например, телеграфный) код цифры или буквы в двумер­ный, описывающий графичес­кое изображение знака.

В БИС памяти хранится информация о конфигураци­ях всех отображаемых знаков в виде двумерных кодов. Если, например, знак представляется точками (рис. 25.4, а), то код его конфигурации задается прямоугольной матрицей, состоящей из нулей и единиц (рис. 25.4, б). Дешифратор по коду подлежаще­го отображению знака вырабатывает сигналы адреса кода кон­фигурации этого знака.

Управление работой матричной индикаторной панели осуще­ствляет специальное управляющее устройство, часто реализуемое на микропроцессорных БИС. В функции управляющего устройства входят прием и хранение информации, подлежащей отображению, расчет координат размещения отдельных знаков на панели и обращение к генератору знаков. Применяется два способа управления матричными индикатор­ными панелями: статический и динамический.

При статическом управлении устройство управления находит адреса светящихся ячеек, необходимых для создания заданного изображения, и подключает соответствующие координатные про­вода к источнику питания. Выбранные ячейки излучают свет до момента смены изображения. Статический способ удобен для инди­кации результатов измерений, данных и графиков, рассчитанных на ЭВМ, и других неподвижных изображений.

Отображение подвижных изображений на матричных индика­торных панелях производится динамическим или растровым спо­собом. Суть способа заключается в том, что отдельные ячейки панели возбуждаются импульсным источником и излучают (погло­щают) свет только в течение короткого интервала времени τ_возб, а все изображение получается путем многократного возбуждения, осуществляемого последовательно строка за строкой. При таком способе управления мелькания не наблюдаются, если повторное возбуждение ячеек происходит с частотой не ниже 50 Гц.

Динамический способ управления матричными индикаторными панелями обладает большими возможностями, в частности он при­годен и для воспроизведения телевизионных изображений.

Литература: А.А. Каяцкас, “Основы радиоэлектроники”, Издательство «Высшая школа», Москва, 1988.

4