Что такое цифровой индикатор

5.7. Цифровые индикаторы

Цифровой отсчет, лишенный информационной избыточности, абстрактен. Поэтому он наиболее эффективен для получения точных количественных характеристик. Классификация цифровых индикаторов приведена на рис. 5.8.1[Ключ. с. 66 — 78].

Рис. 5.8.1. Классификация цифровых индикаторов.

К основным параметрам индикаторов, определяющих качество восприятия цифр, можно отнести размер знака и его форму, яркостный контраст, время экспозиции и цвет знака. Основные варианты цифровых индикаторов и критериальные оценки их параметров приведены в табл. 5.8.1.[Орнатс., с. 334-338].

Форма и располо-жение знаков

разделенные знаки в объёме, сегментные, матричные

красный, желтый, зелёный

зелёный, красный, синий

в оранжевом свете

Потреб-ляемая мощность мВт/знак

Газоразрядные ЦИ основаны на явлении тлеющего разряда в газах. Однознаковые ЦИ (ИН-8, ИН-14) представляют собой стеклянный баллон с неоном, в котором находятся нихромовые электроды, изогнутые в виде знаков. Другие модификации – сегментные плоские панели на несколько знакомест (ГИП-11, ГИП-17 – 11 и 17 знаков соответственно) и матричные двухкоординатные индикаторы (ИМГ-1-01 – на 10000 светоточек). Цвет индикатора оранжевый.

Преимущества: контрастное изображение; стандартная форма знаков.

Недостатки: требуется высокое напряжение 100…300 В для поддержания разряда, что затрудняет их использование с интегральными микросхемами; потребляют большую мощность.

В электролюминесцентных (обычных) ЦИ изображение образуется светящимися люминофорами, находящимися между прозрачной проводящей плёнкой и металлическими сегментами. Вся конструкция находится в корпусе, закрытом Стеклянной пластинкой (ИЭЛ-0-IV). Люминофоры светятся под действием переменного напряжения 220 – 250 В частотой 400 – 1200 Гц, приложенного к проводящей плёнке и металлическим сегментам. Знаки синтезируются из светящихся сегментов. Цвет в основном зелёный, бывает голубой, жёлтый и красный.

Преимущества: жесткая и плоская конструкция, устойчивая к ударам.

Недостатки: требуется генератор для питания индикатора; большая потребляемая мощность; малая яркость свечения.

В ЦИ на светоизлучающих диодах свечение возникает в p-n переходе из фосфида галлия или карбида кремния при пропускании по нему тока в прямом направлении. Выпускаются однознаковые сегментные (АЛ304А) и мозаичные (АЛС357) индикаторы и многоразрядные панели (АЛС311А). Цвет индикатора — красный, желтый, зеленый.

Достоинства: низкое напряжение питания (2. 3 В); высокая яркость.

Недостатки: большая потребляемая мощность; высокая стоимость.

Катодолюминисцентный ЦИ, или вакуумные люминисцентные индикаторы представляет собой электровакуумную лампу, состоящую из прямонакального катода, управляющей сетки и анодов-сегментов, покрытых люминофором. Все электроды находятся в стеклянном баллоне (ИВ-ЗА). Выпускаются также многоразрядные ЦИ, в которых одинаковые сегменты разрядов соединены, и каждый разряд имеет свою сетку (ИВ-28Б). Такие индикаторы работают в динамическом режиме.

Преимущества: большая яркость при относительно низком питающем напряжении; простота организации многоразрядных индикаторов.

Недостатки: большая потребляемая мощность.

Различные варианты управления вакуумными люминесцентными индикаторами (ВМИ), а также справочная информация по ним приведены в [21, с. 15-49]. Индикаторы, представляющие интерес для применения в ЦИУ для отображения цифро-буквенной информации, приведены в табл. 5.8.2.

7.1. Цифровые индикаторы

Рис. 7.3. Классификация цифровых индикаторов

К основным параметрам индикаторов, определяющим качество восприятия цифр, можно отнести размер знака и его форму, яркостный контраст, время экспозиции и цвет знака. Основные варианты цифровых индикаторов и критериальные оценки их параметров приведены в табл. 6 [13, с. 334-338].

Преимущество: контрастное изображение; стандартная форма знаков.

Недостатки: требуется высокое напряжение 100-300 В для поддержания разряда, что затрудняет их использование с интегральными микросхемами; потребляют большую мощность.

Форма и располо-жение знаков

разделен-ные знаки в объёме, сегмент-ные, матричные

красн., желтый, зелёный

зелёный, красный, синий

в оранже-вом свете

Потреб-ляемая мощ-ность мВт/зн.

В электролюминесцентных (обычных) ЦИ изображение образуется светящимися люминофорами, находящимися между прозрачной проводящей плёнкой и металлическими сегментами. Вся конструкция находится в корпусе, закрытом стеклянной пластинкой (ИЭЛ-0-IV). Люминофоры светятся под действием переменного напряжения 220–250 В частотой 400–1200 Гц, приложенного к проводящей плёнке и металлическим сегментам. Знаки синтезируются из светящихся сегментов. Цвет в основном зелёный, бывает голубой, жёлтый и красный.

Преимущество: жесткая и плоская конструкция, устойчивая к ударам.

В ЦИ на светоизлучающих диодах свечение возникает вp-nпереходе из фосфида галлия или карбида кремния при пропускании по нему тока в прямом направлении. Выпускаются однознаковые сегментные (АЛ304А) и мозаичные (АЛС357) индикаторы и многоразрядные панели (АЛС311А). Цвет индикатора -красный, желтый, зеленый.

Достоинства: низкое напряжение питания (2-3В); высокая яркость.

Недостатки: большая потребляемая мощность; высокая стоимость.

Катодолюминисцентный ЦИ, или вакуумные люминисцентные индикаторы представляет собой электровакуумную лампу, состоящую из прямонакального катода, управляющей сетки и анодов-сегментов, покрытых люминофором. Все электроды находятся в стеклянном баллоне (ИВ-3А). Выпускаются также многоразрядные ЦИ, в которых одинаковые сегменты разрядов соединены, и каждый разряд имеет свою сетку (ИВ-28Б). Такие индикаторы работают в динамическом режиме.

Преимущество: большая яркость при относительно низком питающем напряжении; простота организации многоразрядных индикаторов.

Недостатки: большая потребляемая мощность.

Различные варианты управления вакуумными люминесцентными индикаторами (ВЛИ), а также справочная информация по ним приведены в [20, с. 15-49]. Индикаторы, представляющие интерес для применения в ЦИУ для отображения цифро-буквенной информации, приведены в табл. 7.

Вакуумные люминесцентные индикаторы

Размер знака, мм

Напряжение накала, В

Напряжение анодов-сегментов импульсное, В

Ток анодов-сегментов постоянный, суммарный, мА

Основные параметры многоразрядных ВЛИ приведены в табл. 8.

Параметры многоразрядных ВЛИ

Размер знака, мм

Размер информационного поля, мм

Число цифровых разрядов

Напряжение накала, В

Импульсное напряжение анодов-сегментов, В

Напряжение запирания, В

Суммарный ток анодов-сегментов, мА

Жидкокристаллические индикаторы (ЖКИ) основаны на изменении оптических свойств жидких кристаллов под действием электрического поля. Выпускаются ЖКИ двух типов: с изменением показателя преломления и с изменением коэффициента поляризации жидких кристаллов. ЖКИ состоят из слоя жидких кристаллов между двумя электродами и зеркального слоя и работают в отраженном свете. Под действием поля слой ЖК пропускает или не пропускает свет к зеркалу. Знаки синтезируются черными сегментами на светлом фоне.

Преимущество: малое управляющее напряжение (1-1,5В); очень малая потребляемая мощность.

Недостатки: инерционность; ограниченный диапазон рабочих температур; низкая контрастность.

Долговечность ЖКИ, работающих на постоянном токе, примерно на порядок ниже, чем при использовании переменного напряжения. Обычно на электроды передней и задней пластин подаются импульсы прямоугольной формы одинаковой полярности, но сдвинутые по фазе так, что управляющее напряжение представляет собой биполярный сигнал, не имеющий постоянной составляющей. ЖКИ инерционны: время включения достигает 10-20 мс, а время выключения на порядок больше. Обычно возбуждают ЖКИ двумя способами. Частотный способ приведён на рис. 7.4.

Рис. 7.4. Частотный способ возбуждения ЖКИ

К коллектору транзисторного ключа приложено постоянное напряжение, равное удвоенной амплитуде переменного напряжения возбуждения ЖКИ. На сегмент индикатора подаются прямоугольные импульсы f_возб, а для ускорения гашения – импульсыf_гаш. На общий электрод ЖКИ подаётся постоянное напряжениеU/2для компенсации постоянной составляющей возбуждающего сигнала.

Фазовый способ (рис. 7.5) позволяет вдвое снизить напряжение питания, но нельзя уменьшить время включения ЖКИ (частота вывода информации примерно 5 Гц). В зависимости от уровня управляющего сигнала, на сегмент ЖКИ с выхода формирователя подаются напряжения в противофазе и сегмент возбуждается. Когда выходные сигналы транзисторов, поступающие на сегмент, находятся в фазе, он не возбуждается. При высоких частотах смены информации (динамической информации) целесообразно использовать частотный метод управления.

Рис. 7.5. Фазовый способ возбуждения ЖКИ

Управление ЖКИ в статическом режиме производится обычным способом. Динамическое управление производится двумя способами.

В способе с последовательной выборкой знакоместа, рис. 7.6, распределитель знакомест РЗМ последовательно через формирователь Ф₁-Ф_nвозбуждает знакоместа десятичных разрядов З₁-З_n, на которые синхронно с помощью коммутатора с регистра памяти подаётся информация.

Рис. 7.6. Динамическое управление ЖКИ по способу с последовательной выборкой знакоместа

Такт распределителя T_p = n_p, где_p– время возбуждения одного разряда, аn – число разрядов. Частота распределителя f_p = 1/( n_p)должна быть выше или равной некоторой критической частотыf_кр, при которой мерцание разрядов незаметно:f_p = n f_кр[20].

В способе с последовательной выборкой цифры дешифратор цифры ДШЦ последовательно и синхронно с генератором фазоимпульсных констант ГФК синтезирует цифры от 0 до 9 параллельно на всех знакоместах З₁-З_n, рис.7.7.

Информация о фазоимпульсном десятичном коде подаётся через формирователи Ф₁-Ф_nна общий электрод знакомест. Цифра высвечивается в момент совпадения входной информацией синтезируемой цифрой. Способ не имеет ограничений по разрядности, но работает при постоянной скважности 10 (цифры от 0 до 9), что неудобно при использовании ЖКИ с малым контрастом.

Рис. 7.7. Динамическое управление ЖКИ по способу с последовательной выборкой цифры

Примеры ЖКИ приведены в табл. 9.[20].

Вакуумные накальные ЦИ состоят из нескольких вольфрамовых накальных нитей, расположенных в виде сегментов знака внутри вакуумного стеклянного баллона.

Преимущество: самая высокая среди ЦИ других видов яркость знака (хорошо виден при прямом солнечном свете); широкий спектр излучения; низкое напряжение (2,5-6 В).

Недостатки: малое внутреннее сопротивление; значительное выделение тепла.

6.2 Цифровые индикаторы. Классификация

Под цифровым (дискретным) индикатором понимают прибор, информационное поле которого состоит из отдельных фиксированных в пространстве элементов отображения (ЭО), а изображение создается одним ЭО или их совокупностью. Каждый ЭО представляет собой неделимую конструкцию, управляемую извне.

В основу классификации дискретных индикаторов положено две группы признаков: назначение, которое в основном задается формой, расположением и числом ЭО, и физические процессы, определяющие действие прибора.

По назначению различают следующие категории индикаторов: мнемосхемы; фиксированные надписи; одноразрядные буквенно-цифровые индикаторы; многоразрядные буквенно-цифровые индикаторы и т.д.

По виду ЭО буквенно-цифровые индикаторы делятся на знакосинтезирующие и знакомоделирующие. Знакосинтезирующие индикаторы могут выполняться как матричными ЭО в местах пересечения электродов строк и столбцов, мозаичные (каждый ЭО может включаться или выключаться независимо) и сегментные, ЭО которых представляют собой полоски-сегменты, сгруппированные в знакоместа. В знакосинтезирующих индикаторах (рис. 6.4, а-в, д, е) изображение создается из элементов, расположенных в плоскости, и угол обзора больше, однако, схемы для формирования из таких ЭО знаков зачастую сложнее, чем в знакомоделирующих индикаторах.

В знакомоделирующих (с целостным представлением информации) индикаторах ЭО выполняются в виде набора готовых знаков. Из рис. 6.4, г видно, что знаки, отображаемые с помощью знакомоделирующих индикаторов, имеют более привычные для глаза начертания, чем в случае знакосинтезирующих. В то же время ЭО в знакомоделирующих индикаторах обязательно должны быть расположены в различных плоскостях, что приводит к взаимной их экранировке.

Рис. 6.4 Расположение элементов отображения в дискретных индикаторах:

По принципу действия индикаторы делятся на две основные группы: активные, в которых электрическая энергия непосредственно преобразуется в свет, и пассивные, которые только модулируют внешний световой поток. Основными преимуществами активных индикаторов являются высокое быстродействие, способность работать при малой освещенности окружающей среды и большой угол обзора. По этим параметрам пассивные индикаторы уступают активным, но зато сохраняют контраст при высокой освещенности и потребляют значительно меньше электрической энергии.

В группу активных индикаторов входят полупроводниковые, электролюминесцентные, вакуумные люминесцентные, газоразрядные, накаливаемые вакуумные. К пассивным индикаторам относятся жидкокристаллические, электрофорезные, электрохромныеи т.д.

Тема 7. Конструирование оптических деталей и узлов

Детали, изготовленные из прозрачного для оптического излучения материала и входящие в оптическую схему прибора, называются оптическими. К ним относятся линзы, зеркала, призмы, светофильтры, прозрачные шкалы, сетки и защитные стекла. Исключение составляют зеркала с наружным покрытием и дифракционные решетки, которые могут быть выполнены из непрозрачного материала.

У оптических деталей можно выделить две группы параметров, необходимых для их изготовления.

Первая группа (расчетные) — параметры, которые характеризуют оптическое действие линз: к ним относятся световые диаметры, толщина линзы по оси и радиусы кривизны преломляющих поверхностей, а так же константы оптического стекла и технические требования к нему, допуски на качество поверхности, чистоту и центрировку.

Вторая группа (конструктивные) — параметры, влияющие на способ крепления. К этой группе относится полный диаметр линзы, выбираемый при окончательном оформлении конструкции линзы в зависимости от способа крепления ее в оправе, а также размеры и расположение фасок.

Фаски, классифицируются на три группы:

Технологические – предназначенные для удаления мелких выколок, образовавшихся при центрировке и для предохранения деталей от выколок;
Конструкторские – предназначенные для крепления оптических элементов завальцовкой или обеспечения центрировки; причем размер фаски берется в отличие от механических деталей по гипотенузе;
Конструктивные – предназначенные для удаления излишков стекла, уменьшения массы, обеспечения условий удобного крепления.

Первые два вида фасок нормализованы и выбираются в зависимости от диаметра оптических элементов; конструктивные фаски не нормализованы и определяются из конструктивных соображений.

Существуют следующие способы крепления линз: крепление завальцовкой (закаткой), крепление резьбовым (зажимным) кольцом, крепление пружинящими планками, проволочным (разрезным) кольцом и крепление приклеиванием. Первые два вида крепления используются наиболее широко, так как они являются универсальными.

Крепление завальцовкой. При этом способе линза удерживается в оправе тонкой кромкой, которая приобретает свою конечную форму в результате пластического деформирования металла во время завальцовки (рис.7.1). Такое крепление является неразъемным. Крепежная кромка оправы после завальцовки находится в сопряжении с конусной поверхностью специальной фаски линзы, при этом она не должна выступать за пределы фаски.

Крепление завальцовкой позволяет избежать необходимости проведения юстировочных работ, так как перекос и децентрировка линз исключаются одновременной обработкой наружного диаметра оправы и подрезкой её опорных торцев с использованием автоколлимационного метода.

Рис. 7.1 Крепление линз завальцовкой

Достоинства:

высокая надежность крепления, особенно для линз малого диаметра;
отсутствие пережимов в стекле при правильной технологии процесса завальцовки;
высокоточное совмещение оптических и механических баз и отсутствие необходимости котировочных работ после крепления оптической детали.

– падение надежности крепления с увеличением габаритных размеров детали;

– высокая точность изготовления опорных поверхностей оправы и линзы.

Резьбовое соединение. Крепление линз резьбовым кольцом применяют, когда невозможно применить крепление завальцовкой. При этом способе крепления оптическая деталь прижимается к опорному уступу оправы резьбовым кольцом, кромка которого нажимает на деталь с противоположной стороны. Это крепление является разъемным. На рис. 7.2 показаны примеры конструкций узлов крепления линз резьбовым кольцом.

Рис. 7.2 Крепление оптической детали резьбовым кольцом

В отличие от крепления завальцовкой этот вид крепления является жестким. Поэтому, при работе в сложном температурном режиме, возможно существенное ухудшение качества крепления. Помимо того, при креплении резьбовым кольцом трудно обеспечить равномерный прижим оптической детали по всей окружности опорного уступа из-за погрешностей изготовления резьбы, погрешностей расположения торца резьбового кольца (неперпендикулярность), а также погрешностей формы уступа и торца.

Для предотвращения от самоотвинчивания резьбовых колец их необходимо контрить. Для этого применяют установочные винты, завертываемые в резьбовое отверстие оправы или резьбового кольца с внутренней резьбой. При недостатке места установочный винт, может быть, завернут в торец оправы и резьбового кольца с внешней резьбой, для чего при сборке под установочный винт засверливают резьбовое отверстие. Резьбовые кольца могут также контриться с помощью грунтовок или уплотнителей.

Достоинства резьбового соединения:

возможность сборки разборки конструкции оптического узла;
использование в тех случаях, когда по конструктивным соображениям крепление завальцовкой невозможно (крепления линз больших диаметров).

– неравномерный прижим линзы торцом резьбового кольца, что в свою очередь это приводит к нарушению центрировки, местным натяжениям в стекле и ухудшению качества изображения;

– отсутствие компенсаций температурных колебаний, приводит также к местным натяжениям в стекле и даже возможно разрушение линзы;

– необходимость стопорение резьбового кольца при работе в условиях вибрации и ударных нагрузок;

– при завертывании резьбового кольца, его вращение передается на линзу, что вызывает ее проворачивание.

Рис. 7.3 Крепление линз пружинными планками

Крепление пружинящими планками. Этот вид крепления основан на принципе «трех точек» (рис. 7.3). В трех зонах, расположенных под углом 120°, на оптическую деталь нажимают три одинаковые плоские пружины на три выступа пружины, обеспечивая силовое замыкание детали на базирующий уступ оправы. Эти плоские пружины называются пружинящими планками. Прижимные пружинящие планки прикрепляются к оправе винтами, их конструкция и расположение относительно оправы могут быть самыми разнообразными. Конкретное конструктивное решение зависит от особенностей конструкции оправы и всего узла.

Крепление в эксцентриковых оправах. Крепление в эксцентриковых оправах применяется для обеспечения возможности юстировки оправы с линзой относительно оптической оси всей системы. В этих оправах линзы укрепляются завальцовкой или резьбовым кольцом.

Величина эксцентриситета (n) для всех типов оправ — порядка 0,5 мм, что совместно с кольцом позволяет смещать ось до 1 мм в любую сторону.

Правила обеспечения зазоров между линзами и оправой остаются те же, как и для предыдущих случаев.

Крепление методом гальванического наращивания металла в местах соединения. Такой вид крепления применяется главным образом в микрообъективах, на менисках малого диаметра, где затруднительны или невозможны другие способы крепления.

Крепление проволочным кольцом. Этот способ конструктивно прост и технологичен, но используется только для крепления линз в наименее ответственных случаях, когда не предъявляется высоких требований к точности, надежности и герметичности соединения. К таким случаям относятся: рассеиватели, конденсорные линзы.

Рис. 7.4 Крепление линз проволочным кольцом

В случае крепления проволочным кольцом оптическая деталь находится между уступом оправы и выступающей частью проволочного кольца, помещенного в специальную канавку (рис. 7.4). Ширина канавки равна диаметру проволоки, глубина-половине диаметра. Кольца изготовляются из пружинной проволоки. Во избежание выколок, сопряжение оптической детали и кольца должно осуществляться по поверхности её фаски.

Рис. 7.5 Крепление линз приклеиванием

Крепление приклеиванием. В конструктивном отношении этот способ является самым простым, так как он не требует дополнительных элементов крепления, кроме оправы и склеивающего вещества. На рис. 7.5 показаны варианты крепления линз приклеиванием. Однако такое крепление применяется ограниченно. Оно является неразъемным и жестким. При больших перепадах температуры, из-за разницы коэффициентов термического расширения материалов линзы и оправы, возможно расклеивание или возникновение недопустимых напряжений в стекле и деформаций линзы. Поэтому этот способ крепления применяется, как и крепление проволочным кольцом только в неответственных случаях. Приклеивание эффективно, если проектируемое устройство предназначено для работы в лабораторных условиях, особенно, если реализация других способов затруднительна (детали очень малого диаметра). При этом следует учитывать, что некоторые склеивающие вещества при затвердевании сильно уменьшаются в объеме (усаживаются), что может вызвать появление напряжений в оптической детали сразу же после завершения процесса склейки.

Для приклеивания линз к металлическим оправам могут применяться: оптические клеи по ГОСТ 14887-80 (акриловый, эпоксидные ОК-50П, ОК-72 и полиэфирный клей ОК-90 пластифицированный), технические клеи по РТМ 3-522-74 (полиуретановый ПУ-2, шеллачный), герметики по ОСТ 3-1927-73 (УТ-32, УТ-34), герметик У30 м (ГОСТ 13489-79).

Цифровые индикаторы. Классификация