Типовые схемы построения измерительных преобразователей на основе операционных усилителей.

Широкое распространение дешевых микроэлектронных операционных усилителей с высокими метрологическими и эксплуатационными характеристиками вызвало создание новых типовых схем измерительных узлов, выполняемых на основе операционных усилителей с отрицательной обратной связью. Исследование микроэлектронных операционных усилителей дало возможность повысить степень унификации измерительных узлов цифровых приборов, сократить число ручных операций при их изготовлении и улучшить основные технико-экономические показатели аппаратуры (надежность, масса, объем, стоимость).

Интегральные операционные усилители на высоком качестве их изготовления позволяют реализовать большое количество разнообразных измерительных преобразователей. При этом преобразователи различного функционального назначения отличаются лишь типом и количеством навесных, резистивных, реактивных, линейных элементов.

На рисунках представлены наиболее распространенные схемы включения операционных усилителей, обеспечивающие выполнение разнообразных измерительных операций и получившие распространение при построении цифровых измерительных приборов различного назначения.

Способы вывода кодированной

информации на цифровые индикаторы.

Индикатор является составным элементом. С его помощью осуществляется передача информации от прибора или системы к оператору. Успешный прием и переработка полученной информации возможен только про оптимальном выборе формы, размера, цвета знаков, расстояния между ними, уровня яркости и контрастности между знаком и фоном. Помимо учета психофизиологических особенностей оператора, при выборе типа индикатора необходимо учитывать надежность, долговечность, потребляемые мощности, технологичности, а также энергетической согласованности индикатора с ИМС.

Габаритные размеры, масса и надежность различных приборов и систем определяется не столько количеством ИМС, сколько количеством их внешних выводов и объемом монтажа. Так, например, в типовых блоках электронной аппаратуры: корпус занимает 1,5% объема, а остальное различные несущие конструкции и соединения.

Отображение объема блока к объему кристалла – большие цифры ( ).

При проектировании устройств индикации возникает задача минимизации количества выводов межсхемных соединений и компонентов. Наибольшее распространение получили устройства, использующие поразрядный метод построения схемы управления индикаторами, при котором в каждом из индуцирующих разрядов имеются функциональные узлы, необходимые для преобразования и запоминания кодов, для согласования уровней сигналов между узлами и индикатором.

Обобщенная функциональная схема устройства поразрядной индикации состоит из входного устройства 1, запоминающего устройства 2, преобразователя кодов (дешифраторное устройство) 3, устройства согласования 4, собственного индикатора 5.

Входное устройство предназначено для приема внешних сигналов и передачи их в данное устройство, которое хранит информацию. Преобразователь кода преобразует код входного сигнала в код индикатора. Устройство согласования необходимо для формирования сигналов управления индикатором.

Применение поразрядного метода позволяет унифицировать устройство в пределах нескольких серий.

Это дает возможность организовать производство отечественных устройств со всеми экономическими и техническими преимуществами серийного и массового производства.

Недостатком схемы поразрядной индикации является то, что при увеличении количества разрядов пропорционально увеличивается объем дешифрируемых и согласующих устройств, а также резко увеличивается количество контактов, необходимых для соединения внешних микросхем с выводами индикаторов.

Существуют динамические методы построения схемы управления многоразрядными индикаторами, которые основаны на временном разделении выходных сигналов кодирующего устройства, что ослабляет зависимость между количеством разрядов и количеством элементов схемы. Особое значение приобрели динамические методы индикации, пол на ИМС с большей степенью интеграции. По способам временного разделения информации:

• параллельный метод

• последовательный метод

• комбинированный метод

В устройствах с параллельным опросом каналов количество соединенных проводов n=m*N,

Где m- количество кодовых выходов в разряде

n - число дискретных разрядов такого устройства, имеющего максимальное количество проводов.

При последовательном опросе информации с выхода индикатора аппаратуры поступает на устройство индикации последовательно разряд за разрядом. Количество проводов при этом минимально, но резко возрастает объем дополнительной аппаратуры, необходимой для компенсации соединенных проводов и хранения информации. Компромиссное решение – применение комбинированных методов временного распределения. Устройства с комбинированным опросом разделяются на поразрядные, в которых информация с выхода каждого разряда поступает на вход коммутатора параллельно, а с выхода коммутатора последовательно разряд за разрядом.

Вторая группа последовательно-параллельные, когда выходной сигналы каждого разряда опрашиваются последовательно, а результаты опроса одноименных кодовых выходов в разных разрядах передаются одновременно.

Разнообразие типов индикаторов, необходимых учетов требований, а также учета стоимости, габаритных размеров, потребляемой мощности, характеристик управления делят задачу выбора конкретного типа индикатора для разрабатываемого прибора или системы достаточно сложной.

По принципу работы:

• газоразрядные

• люминесцентные

• жидкокристаллические

• накаливания

• светоизлучающих диодов

Газоразрядные индикаторы.

Газоразрядный индикатор заполнен неоном или обычно имеет 1 или 2 анода и несколько по числу знаков катодов, выполненных в виде цифр, знаков или букв.

Катоды собраны в группу или последовательно размещены в стеклянном балонне. Если напряжение, приложенное между катодом и анодом, превысит напряжения зажигания, то возникает тлеющий разряд, охватывающий всю поверхность катода, при этом становится видна цифра. Преимуществом является то, что каждый знак имеет привычную для восприятия форму, а недостатком является ограниченный угол обзора, вследствие размещения катода в разных областях. При проектировании высокочувствительных приборов следует иметь ввиду, что прибор с газоразрядным индикатором может быть источником шумов. Шумы могут воздействовать при ком-ции схем возбуждения индикатора и как следствие разряда в газе индикатора.

Электролюминесцентные индикаторы

В электролюминесцентных индикаторах используется явление свечения при возбуждении его электрическим полем. Электролюминесцентные индикаторы состоят из 2 электродов, образующих плоский конденсатор между обкладками, который помещен в электролюминесцентный слой (слой электрика с равномерно распределенными в нем кристаллами электролюминафора).

Первой областью конденсатора служит стеклянная пластина 1, с нанесенным на него электропроводящим слоем 4, например двуокись олова; 2 - металлический экран; электролюминесцентный слой 4 представляет собой порошкообразный фосфор, смешанный с эпоксидной смолой или керамикой. Металлический экран выполнен в виде 7 изолированных друг от друга сегментов, образующих как бы цифру 8. Выполняются электролюминесцентные индикаторы различного свечения: зеленого, синего, желтого и красного. Они отличаются частотой питания , используются для различных частот 400, 1200 Гц. Срок службы электролюминесцентных индикаторов определяется падением яркости в процессе работы, составляет не менее 5000ч. При f=1200 Гц. Яркость свечения

,

где - яркость при номинальном значении напряжения и частоте ( )

в- коэффициент

- круговая частота ( )

U- эффективное значение приложенного напряжения.

Верхний предел напряжения и частоты ограничивается напряжением пробоя диэлектрика и предельно допустимым током через диод. Потребляемая индикатором мощность зависит от площади знака. При =220В и частоте =400 Гц реактивная мощность составит около 30 мВА/ . Активная мощность 0,1 мВА/ . Плоская твердотельная конструкция электролюминесцентного индикатора обеспечивает высокую механическую прочность, большие углы обзора индикатора, малые габариты и массу. Кроме того, электролюминесцентные индикаторы обеспечивают получение как крупных, так и мелких одноцветных или многоцветных изобретений. Существенным недостатком является сложность схемы управления, которая должна компенсировать достаточно высокие уровни напряжения, переменного тока в цепях индикаторов.

Жидкокристаллические индикаторы.

Индикаторный элемент на жидком кристалле ( ЖК индикатор) состоит из 2 стеклянных пластин, имеющих на внутренних сторонах прозрачное поводящее покрытие, например из окиси олова. Полость между стеклянными пластинами заполнена жидкокристаллическим веществом. При подведении к пластинам напряжения жидкокристаллическое вещество становится непрозрачным (при уровнях напряженности около 5000 В/см.). При снятии напряжения ЖК вещество возвращается в исходное состояние. Процесс индикации может осуществляется как в проходящем, так и в отраженном свете.

Основными достоинствами ЖК–индикаторов являются малая потребляемая мощность (десятки мкВт), возможность работы при высоких уровнях освещенности, простота конструкции, низкие рабочие напряжения.

Недостатки, свойственные ЖК–индикаторам, заключается в узком диапазоне рабочих температур и ограниченном сроке службы.

При проектировании схемы управления жидкокристаллическим индикатором необходимо учитывать его световую инерционность. Время включения индикатора составляет около 5 мс, а время выключения до 100 мс. Время выключения можно сократить, если принудительно возвращать кристалл в исходное положение. Для этого создают высокочастотное стирающее поле частотой несколько килогерц, что делает время выключения примерно равным времени включения.

Для повышения долговечности необходимо отсутствие постоянной составляющей тока через индикатор.

Схема управления ЖК-индикатором показана на рис.

Для включения сегментов используются двунаправленные ключи 1, состоящие из 2 МОП-транзисторов (р-канального и n-канального), включенных параллельно. В качестве питающего генератора используется триггер 2, выход Q которого подключен к общей шине питания индикатора 3, а выход - к общей шине ключей. Триггер запускается по счетному входу от внешнего генератора. Ключи 1 управляются логической схемой 4. Когда один или несколько из n ключей находятся в открытом состоянии, ток через индикатор течет сначала в одном, затем в другом направлении, в соответствии с частотой переключения триггера, что устраняет постоянную составляющую тока через индикатор.

Сложность создания такой схемы управления состоит в том, что вследствие высокого полного сопротивления сегментов индикатора ток утечки закрытого ключа должен быть весьма мал (единицы наноампер). В противном случае будет наблюдаться подсветка выключенных сегментов.

Указанный недостаток устранен в схемах фазового управления, в которых сегменты работают от источников с низким сопротивлением, как во включенном, так и в выключенном состоянии.

Полупроводниковые индикаторы.

Полупроводниковые индикаторы основаны на свойстве арсенид-фосфид-галлиевых диодов излучать свет при пропускании через них тока. Полупроводниковые индикаторы на светоизлучающих диодах (СИД) имеют небольшие габаритные размеры, высокую яркость свечения, которую легко регулировать изменением тока через диод. Все цифры индикатора воспроизводятся в одной плоскости, поэтому индикатор имеет большой угол обзора. СИД-индикаторы непосредственно согласуются с ТТЛ-микросхемами по напряжению питания и рабочим токам. На основе таких индикаторов конструируются оригинальные отсчетные устройства цифровых приборов.

Логическая часть схемы управления СИД-индикаторами отличается от других схем управления семисегметных индикаторов лишь тем, что выходные каскады дешифраторов должны позволять коммутировать достаточно большие токи (иногда до 80-100 мА.). Схемы управления индикаторами в динамических режимах также практически не отличаются от рассмотренных ранее применительно к жидкокристаллическим и газоразрядным индикаторам. Особенность СИД-индикаторов состоит в том, что при работе в импульсном режиме наблюдается увеличение яркости, характерное для диодов из арсенида-фосфида галлия. Объясняется это тем, что глаз человека пульсирующий свет воспринимает более ярким, чем непрерывный от источника эквивалентной мощности. Если выбрать достаточно короткие импульсы тока, исключающие разогрев диода, то можно сохранить высокую яркость при резком снижении потребляемой мощности (до 7 мВт/знак).

Типовая зависимость относительной яркости (относительной яркости при питании импульсами тока к яркости при питании постоянным током) от амплитуды тока приведена на рис.

зависимость яркости светодиодного индикатора от величины

импульсного тока.

Верхним пределом пикового тока СИД является величина, близкая к 100 мА. . Этот предел обусловлен тем, что при больших токах носители заряда вытесняются в область под металлическим анодным контактом диода и туда же смещается область наибольшего излучения света. Таким образом, световое излучение частично экранизируется непрозрачным металлическим анодом СИД.

Реализовать импульсный режим работы СИД-индикатора можно несколькими способами. Наиболее простой состоит в использовании резистора, обеспечивающего пропускание заданного тока в цепи питания СИД.

В этой схеме последовательно с индикатором D включается резистор R. Резистор через анодный формирователь подключен к источнику питания +5 В. Катодный формирователь , подключает индикатор D к общей шине. Амплитуда тока через СИД в такой схеме зависит от сопротивления резистора R, а среднее значение тока определяется отношением длительности импульсов тока к длительности периода их повторения T.

Другим способом является применение схемы с накоплением энергии (рис. б).

В этой схеме резистор заменен катушкой индуктивности L, подключенной к источнику питания через анодный формирователь . Индикатор Dс катодным формирователем подключен параллельно катушке индуктивности L. Схема работает в два такта (3 мкс.) открыт анодный формирователь, происходит накопление энергии в индуктивности L и ток в катушке индуктивности увеличивается от нуля до максимального значения (80 мА). В течение второго такта (7 мкс) анодный формирователь закрыт, но открыт анодный. Накопленная в индуктивности энергия, рассеивается в виде тока через диод.

Последний способ наиболее целесообразен при питании аппаратуры от аккумуляторных батарей, т.к. за счет исключения из схемы резистора вдвое уменьшается потребляемая мощность при равной яркости свечения. Недостаток последнего способа заключается в необходимости катушки индуктивности, размеры которой могут оказаться значительными при формировании импульсов большой длительности. В качестве накопителя можно использовать и емкость, но при этом необходимо ограничение бросков тока в момент подключения конденсатора к источнику питания.