17.8 Мультиметры

Мультиметры – это комбинированные цифровые приборы, измеряющие значение напряжения, тока, активного сопротивления, индуктивности, ёмкости, частоты электрического тока, температуры. Кроме того, они часто снабжаются генератором прямоугольных или треугольных электрических колебаний. Все измеряемые электрические величины преобразуются в одну, которая удобна для дискретного преобразования. Обычно - это временной интервал нарастания напряжения до значения опорного напряжения.

Для преобразования электрических величин во временной интервал используется зависимость длительности переходного процесса в - цепи от значения входного напряжения и параметров этой цепи.

Рисунок 17.20 - Схемы интегрирующих четырёхполюсников (а,б) и

график (в), иллюстрирующий выделение временного интервала

Если на вход интегрирующей цепи подать ступенчатое изменение напряжения U₁,то время нарастания выходного напряжения U₂ до заданного значения U_п будет равно

где Сформировав импульсы в моменты начала нарастания U₂ и достижения значения U_п , получим интервал времени τ , зависящий от измеряемого параметра интегрирующей цепи.

17.9 Датчики изображения

Датчики изображения (ДИ) – это полупроводниковые приборы, преобразующие фотоны инфракрасного и видимого диапазонов. ДИ используются в различных электронных приборах: от цифровой фотокамеры до промышленных, научных приборов, в том числе и для нужд вооружённых сил. Наиболее часто ДИ выполняют по ПЗС - и КМОП – технологиям.

В начале 60-х годов прошлого века были обнаружены светочувствительные свойства комплементарного металло-оксидного полупроводника. Прибор с зарядной связью (ПЗС) был изобретён в 1969 году (США). Основным отличием между КМОП - и ПЗС – технологиями является способ переноса электронов, «выбитых» фотонами в кристалле кремния, а также возможность КМОП – технологии реализовать дополнительные функции непосредственно на кристалле микросхемы прибора.

Рисунок 17.21 - Взаимодействие фотонов с полупроводником

Энергия фотонов должна быть больше значения энергии необходимой для преодоления энергетического барьера атома кремния – 1,1 эВ. Значение энергии фотонов соответствует электромагнитным волнам видимого спектра (400 – 750 нм) и инфракрасного спектра (до 1100 нм).

ДИ состоит из набора пикселов, образующих фоторезистивную маску. Строение пикселов КМОП - и ПЗС – датчиков примерно одинаковое. Обычно пикселы располагаются в узлах пересечения сетки – матрицы.

КМОП – датчики содержит в качестве пикселов пару фототранзисторов «р» - и « » - типа. Их особенностью является небольшое энергопотребление в режимах «ожидания» и «хранения» своего логического состояния; и большое энергопотребление при переходе из одного состояния в другое.

Рисунок 17.22 - Структура пикселов датчика изображения

Светочувствительная область пикселов называется фотодетектором. Электроны, появляющиеся в фотодетекторе, накапливаются в потенциальной яме (зарядовом колодце). Значение заряда зависит от интенсивности потока света. Таким образом, информация об изображении содержится в зарядовом колодце в виде электрического заряда.

Рисунок 17.23 - Структурная схема потенциальной ямы (зарядового колодца)

Для фокусировки потока света и увеличения светочувствительности пиксела над каждым пикселом матрицы формируется микролинза. Это позволяет использовать более компактную и дешёвую оптику объектива.

Итак, датчик изображения выполняет пять основных функций:

- поглощает кванты света;

- преобразует кванты света в электрический заряд;

- накапливает электрический заряд;

- передаёт электрический заряд от одного зарядового колодца к другому;

- преобразует электрический заряд в напряжение постоянного тока.

17.9.1 ПЗС – датчики

Прибор с зарядовой связью обеспечивает очень высокое качество изображения, что является результатом работы всех компонентов камеры: оптики объектива, фотодетектора, АЦП и процессора обработки изображения.

В ПЗС – датчиках заряды сдвигаются от одного горизонтального ряда пикселов к последующему горизонтальному ряду построчно сверху вниз. Такая параллельная архитектура с вертикальными сдвиговыми регистрами используется для передачи зарядов. Заряды перемещаются «в связке» построчно. Последняя строчка в самой нижней позиции представляет собой горизонтальный сдвиговый регистр. В этой строчке все заряды последовательно покидают датчик, при этом освобождается место для новой строчки зарядов. Заряду каждого пиксела, покидающего ПЗС – датчик, соответствует выходная разность потенциалов, которая усиливается, а на выходе формируется аналоговый сигнал с различным значением напряжения. Этот сигнал поступает на отдельный АЦП.

Процесс зарядовой связи меньше подвержен внешним помехам и поэтому результирующий аналоговый сигнал меньше искажается в сравнении с сигналом КМОП – датчика.

Электроды (затворы), по которым ток поступает в датчик или покидает его, в зависимости от выполняемых функций разделяют на пропускающие, экспонирующие и затворы переполнения. Импульс управляющего напряжения поступает на пропускающий затвор для перемещения заряда от одного пиксела к другому, строчки зарядов смещаются вниз и происходит последовательное считывание зарядов с нижней строчки. Экспонирующий затвор позволяет управлять экспонированием, т.е. временем получения пикселом фотонов и образованием электронов. Затвор переполнения используется для предотвращения рассеивания электронов и уменьшения воздействия зарядов соседних пикселов. Схема управления передачей зарядов в ПЗС с четырьмя электродами показана ниже.

Рисунок 17.24 - Схема управления переносом зарядов в ПЗС - датчиках

с четырьмя электродами

Существуют четыре основных типа ПЗС-датчиков:

- линейные, состоящие из одной строки пикселов; для получения «картинки» изображение считывают построчно, что требует много времени (здесь применяют шаговый двигатель); эти датчики используются в планшетных сканерах;

- через строчные, в которых каждый пиксел обладает как светочувствительным элементом, так и областью накопления заряда; в этих датчиках осуществляется параллельный вертикальный сдвиг заряда к последовательному горизонтальному сдвиговому регистру через строчки; их используют в любительских цифровых камерах;

- полноформатные, где операции приёма фотонов и передачи заряда разделены во времени; для передачи заряда механический затвор перекрывает объектив камеры; изображение «захватывается» всё одновременно; датчики такого типа применяют в профессиональных камерах;

- с по кадровым переносом, где половина светочувствительной матрицы предназначена для временного хранения заряда; здесь не нужен механический затвор для объектива, но изображение может получаться размытым.

Рисунок 17.25 - Архитектура ПЗС – датчика с вертикальным переносом

через строки