Шкальный индикатор

ОЮЗ СОВЕТСКИХОЦИАЛИСТИЧЕСКИЕСПУБЛИК 7339 А 5 601 07/00 ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМПРИ ГКНТ СССР БРЕТЕН КСАН ТЕЛЬСТВУ К АВТОРСКОМУ С аИзобретение относится к информаци- первый вход которого соединен с выходом онно-измерительной технике и средствам генератора импульсов запуска, а второй - с отображения информации; оно может быть выходом ключевого элемента; светоизлучаиспольэовано для отображения значений ющий нейристор содержит и тиристорных различных величин в контрольно-измери- оптройов, светодиодпервого из-которьгх сотельных устройствах, единен с выходом генератора импульсов заИзвестен шкальный индикатор напря- . пуска и оптически связан с первым 6 д жения на основе светоизлучающего нейри- . фототиристором, анод фототиристора каж- (,д) стора (Гурин Н.М, Шкальный индикатор дого оптрона соединен с катодом светодио- К .напряжения на основе светоизлучающего да следующего оптрона, и светодиодов, нейристора. - Изв. вузов СССР. - Приборо- каждый из которых подключен анодом к кастроение, 1983, )ч. 5. с. 69-73), который со- тодуодного изфототиристоров, катоды всех держит генератор импульсов запуска, светодиодов соедийенцс отрицательной амплитудно-временной преобразователь, выходной шиной амплитудно-временного первый вход которого соединен со входной преобразователя, (и) резисторов и (и) виной, второй вход - с выходом генератора конденсаторов, соединенных попарно-паимпульсов запуска, а выход - с управляю-раллельно, первые Вывбдыкоторых соеди-" щим входом ключевого элемента, первый нены с анодом светодиода каждого оптрона вход которого соединен с выходом источни-за исключением первого, вторые выводы ка питания, и светоизлучающий нейристор, всех резисторов и конденсаторов соедине 0 4 1(71) Винницкий политехнический институт(56) 1. Известия вузов СССР - Приборостроение, 1983, М 10, с. 81-85,2. Известия вузов - Приборостроение,1983, Ь 5, с, 67-73.3. Авторское свидетельство СССРМ 1647262, кл. О 01 Р 7/00, 1989.(57) Использование: в информационно-измерительной технике. для отображения измерительной информации. Сущность изобретения: значение отображаемой величины преобразуется в длительность импульса, в течение которого происходит сканирование отсчетного устройства, состоящее е тактированном распространении возбуждения по ячейкам структуры, каждая из которых содержит индикационный светодиод и тиристор. Отсчетное устройство выполнено на основе интегральной тиристорно-полевой структурй, представляющей собой интегральную линейку тиристоров, между которыми ймеется управляемая полевая Связь. Построение отсчетного устройства на основе тиристорно- полевой структуры обеспечивает ето упрощение и повышение технологичности индикатора. 3 ил.20 25 диодов. 30 35 40 50 55 ны с положительной выходной шиной амплитудно-временного преобразователя.Недостатками этого устройства являются; 1) низкая точность, обусловленная нестабильностью скорости распространениянейтристорного импульса и влиянием разброса параметров элементов; 2) сложностьи неоднородность структуры и связанная сэтим низкая технологичность; 3) сложностьизготовления и несовместимость с интегральной твердотельной технологией.Известен индикатор напряжений и сопротивлений на светодиодах (КооальковВ.И. Индикаторы напряжений и сопротивлений на светоиэлучающих диодах. - Изв.вузов СССР. Приборостроение, 1983, М 10,с, 81-85), содержащий и каскадно соединенных переключателей тока, состоящих издвух транзисторов с соединенными эмиттерами, и светодиодов, соединенных с соответствующими переключателями токов, ипоследовательно - согласно включенных. полупроводниковых диодов, анод каждогоиз которых подключен к базе первого транзистора переключателя тока, делитель напряжения, состоящий из и резисторов и иполупроВодникОВых диОдОВ, выводы кОтО"роюаоединены с соответствующими переключателями тока, три источника,постоянного тока на транзисторах и параметрический стабилизатор напряжения, выход которого соединен с входамиисточников постоянного тока, выходы которых подключены к диодной цепочке, переключателям тока и делителю напряжения.Недостатками этого индикатора являются низкая точность, обусловленная влиянием разброса паоаметоов элементов и ихнестабильностей. высокое энергопотребление вследствие одновременного возбуждения большого числа ячеек, сложностьиндикаторной ячейки и ее неоднородность,обуСлавливающие низкую технологичностьиндикационной структуры,Наиболее близким по технической сущности к заявляемому является шкальный индикатор (авт. св, М 1647262), содержащийамплитудно-временной преобразователь(АВП), вход которого является входом устройства, формирователь импульса и элеМент задержки, входы которых подключенык выходу АВП. генератор импульсов, подключенный к тактовому входу формирователя тактовых импульсов, в который входятсчетный триггер, два элемента 2 ИЛИ, 2 элемента 2 И и доа преобразователя уровня напряжения, выходы которых являютсявыходами формирователя, линейный прибор с зарядовой связью (ЛПЗС), содержащий и ячеек, тактовые входыкоторого подкл 1 очены к выходам формирователя тактовых импульсов, и МДП-транзисторов, затвори которых соединены с плавающими электродами соответствующих ячеек ЛПЭ С, истоки - с шиной нулевого потенциала, и светодиодоо, образующих отсчетную шка. лу, катоды которых соединены со стоками соответствующих МДП-транзисторов, а аноды через резистор подключены к положительной шине питания, первый управляющий вход ЛПЗС соединен с выходом формирователя импульса, а выход элемента задержки через иноертор и преобразователь уровня напряжения соединен со вторым управляющим входом ЛПЭС.Недостатками этого устройства являются: 1) сложность, обусловленная сложностью индикационной ячейки, которая содержит ячейку ЛПЗС (МДП-конденсатор),МДП-транзистор и светодиод; 2) неоднородность ячейки, обусловленная ее сложностью и приводящая к сложности технологии изготовлен ия индикаци Он ной структуры, которая должна совмещать довольно разнородные технологические процессы изготовления ПЭС-структуры, выращивания на ней МДП-транзисторов и затем на них - соетоЦелью изобретения является повышение технологичности индикатора и упрощение его индикационной структуры,Указанная цель достигается тем, что в шкальный индикатор, содержащий п индикационных светодиодоо, образующих отсчетную шкалу, амплитудно-временной преобразователь (АП В), вход которого является входом устройСтва, токоограничительный резистор, подключенный к положительной шине питания, формирователь тактовых импульсов, в который входят счетный триггер, доа элемента 2 И и два преобразователя уровня напряжения, и генератор импульсов. выход которого соединен со входом формирователя тактовых импульсоо, дополнительно введены второй и третий токоограничительные резисторы, тиристорно-полевая структура, представляющая собой интегральную линейку тиристоров, между которыми имеется управляемая соязь, которые соединены с индикационными светодиодами, и о состав формирователя тактовых импульсоо введены первый, второй и третий формирователи импульсов и два элемента 2 И-КЕ.Сущность изобретения состоит в том, что отсчетное устройство индикатора построено на основе линейной тиристорно-полевой структуры с управляемой связью между соседними тиристорами структуры, о которой реализуется последовательное так1767339тирование распространение возбуждения тиристором 13 и индикационным светодиопо ячейкам структуры. Использование дан- дом 14, формирователи импульсов 15 и 16, ной структуры обеспечивает простое строе- элементы И-НЕ 17 и 18, первый 19, второй ние ячейки, в которую входят только 20 и третий 21 резисторы. Вход АВП 2 соетиристор и светодиод, Такое строение ячей динен со входной шиной устройства, к выкиобеспечиваетеесхемотехническуюитех- ходу. АВП 1 подключены вход сброса нологическую однородность, что позволяет триггера 4, катод тиристора запуска 10 и . упростить технологию изготовления"струк- вторые входы элементов И-НЕ 17 й 18. Вытуры и за счет этого получить ее удешевле- ход генератора импульсов" 3 соединен со ние и повышение выхода годных иэделий. 10 счетным входом триггера 4 и входом формиАнализ научно-технической и. патент- рователя ийпульсоо 5, Инверсный и прямой ной литературы показывает, что реализация выходы триггера 4 соединены соответственотсчетного устройства индикатора на осно- но со входами формирователей импульсов ве интегральной тиристорно-полевой струк и 16 и с порвыми входами элементов И 6 туры является отличием заявляемого 15 и 7, вторые входы которых подключены к технического решения от аналогичных объ- выходу формирователя импульсов 5, Выхоектов, причем то отличие являетсясущест-" ды формирователей импульсоо 15 и 16 соеоенным, т,к. не встречается вдругик динены с первыми входами элементов 17 и объектах и обеспечивает достижение поло соответственно. Выходы элементов И 6 и жительного эффекта, Действительно,.от 7 соединеныспервымивходамипреобразосчетное устройство на основе интегральной оателей уровня напряжения 8 и 9 соответстлинейной структуры с последовательным венйо,вторыевхОдыкоторыхподключенык тактированным распространением возбуж- отрицательной шине питания -Е. Управляюдения используется в шкальном индикаторе щий электрод тиристора.запуска соединен (авт.св.%1647262 - прототип), о котором в 25 с отрицательной шийой питания -Е; через отличие от заявляемого, отсчетное устрой- резистор 19, а анод - через резистор 20 с ствопостроеноналинейкеприборовсэаря- положительной шиной питания +Е. Тиридовой связью; что обусловливает более стор запуска 10 итиристоры 13 ячеек выполсложное строение и дикационной ячейки нены в виде тиристорно-полевой структуры, (ПЗС-ячейка, МДП-транзистор и светодиод), 30 в которой тиристор запуска 10 расположен ее технологическую неоднородностьи соот- против тиристора 13 первой ячейки 12 ответственно сложность технологии изготов- счетного устройства. Аноды тиристоров 13 ления. Индикационная структура на индикационных чеек 12;-12 соединены с тиристорах используется в оптоэлектрон- положительной шиной питания+Е через реых школьных индикаторах)а,с. Ь 1242837, 35 зистор 21. В каждой индикацйонной ячейке чи 1275299, М 1432412. М 1506362), в кото катод тиристора 13 соединен с анодом рых; в отличие от заявляемого, связи между индикационного светодиода 1, Катоды ининдикационными ячейками являются.опти- дикационных светодиодов 14 нечетных ячеческими, что требует использования допол- ек йодключены к выходу элемента И-НЕ 18, нительных светодиодоо связан с создания 40 а четных ячеек - к выходу элемента И-НЕ 17. оптических связей между ячейками, что свя- Управляющие электроды тиристоров 13 незано с большими технологическими трудно-. четных ячеек соединены с выходом преобстями. Таким образом, заявляемое разователя уровнй напряжения 9, а четных техническое решение соответствует крите- - с выходом преобразователя уровня напря-. рию "существенныеотличия". 45 жейия 8. Оптические выходы светодиодовНа фиг.а фиг. 1 приведена функциональная 14 ячеекобразуютшкалуотсчетногоустройсхема шкального индикатора; на фиг, 2 - . ства.временные диаграммы, поясняющйе работу Отсчетное устройство (фиг, 3) выполнеустройства; на фиг. 3 - строение индикаци- но на основе тиристорно-полевой структуры онной структуры устройства, 50 и представляет собой линейку интегральменн йУстройство содержит амплитудно-вре- ных тиристоров, сформированны о и ои преобразователь(АВП)1, генератор проводникооой: структуре п-типа. импульсоо 2, формирователь управляющих Сформированная в пластине р+ -область сигналов 3, счетный триггер 4, формирооа- является р +-эмиттером для всех тиристотель импульсов 5, элементы И 6 и 7, преоб .ров структуры. На р-области выполнены разователи уровня напряжения 8 и 9, металлические электроды запускающеготитиристор запуска 10. отсчетное устройство ристора 10 и тиристоров 13-13, от кото, выполненное о виде размещенных по- рых выполнены их анодные выводы. следовательно индикационных ячеек 12,- Катодный вывод тиристора запуска 10 вы-.12, каждая из которых образованаполнен от металлического электрода 29 на и-эмиттере этого тиристора. Нэ р-базе тиристора 10 выполнен металлический управляющий электрод 28, от которого выполнен управляющий вывод структуры. На эмиттерах тиристоров 13 имеются электроды 29, от которых выполнены кэтодные выводы этих тиристоров; соединенные с анодами соответствующих индикационных светодиодов 14. Между соседними тиристорами 13 и 13+1 имеются металлические уйравляющие электроды 30, изолированные от полупроводниковой пластины слоем диэлектрика.Управляющие электроды ЗО перекрывают рбазы соседних тиристоров 13 и 13+1.Индикатор работает следующим образом.При отсутствии входного напряжения . на выходе АВП 1 имеется нулевое напряже: ние, которое, воздействуя на вход сброса трйггера 4, поддерживает его в нулевом со. стоянии и, поступая на катод тиристора запуска 10, поддерживает его в открь 1 том состоянии. Нулевое напряжение с выхода АВП 1 поддерживает также напряжение высокого уровня на выходах элементов И-НЕ 17 и 18, вследствие чего тиристоры 13 и светодиоды 14 заперты, и ячейки 12 находятся в невозбужденном состоянии, Гене.ратор 2 вырабатывает прямоугольные импульсы, период следования которых равен То (фиг, 2 а).Амплитудно-временной преобразователь 1 выполняет преобразование входной величины (напряжения) в длительность временного интервала, т.е. осуществляет широтно-импульсную модуляцию, При наличии на входе АВП напряжения он вырабатывает прямоугольные импульсы напряжения высокого уровня, длительность которых пропорциональна значению входной величины.При поступлении на вход АВП измеряемой величины (напряжения) на его выходе появляется импульс напряжения высокого уровня (фиг. 2 б), длительность йх которого пропорциональна величине Чх1 х 1(Чх (") где М - коэффициент преобразования АВП,При появлении на выходе АВП 1 напряжения высокого уровня триггер 4 начинает переключаться под действием импульсов, поступающих на его счетный вход, так что на его выходах формируются противофазные последовательности прямоугольных импульсов, длительности импульса и паузы которых одинаковы и равны То (фиг, 2 в,г), Формирователь импульсов 5 вырабатывает по переднему фронту каждого поступающего нэ его вход импульса генератора 2 прямоугольный импульс напрякения высокогоуровня, длительность которого равна ту5 (фиг. 2 д). Выходные импульсы формирователя 5 поступают на вторые входы элементовИ 6 и 7, на первые входы которых поступаютимпульсы с инверсного и прямого выходовтриггера 4. При этом четные импульсы фор 10 мирователя 5 проходят на вход элемента И7, э нечетные - на выход элемента И 6,откуда они поступают на первые входы преобразователей уровня напряжения 8 и 9 соответственно,15 Преобразователи уровня напряжения 8и 9 преобразуют эти импульсы в импульсыотрицательной полярности той же длительности ту амплитудой Оу(фиг, 2 е,ж). Импульсы с прямого и инверсного выходов триггера20 4 поступают. также на входы формирователей импульсов 15 и 16 соответственно, которые по передним фронтам входныхимпульсов вырабатывают прямоугольныеимпульсы напряжения низкого уровня дли 25 тельностью тф, которые с их выходов поступают на первые входы элементов И-НЕ 17 и18 соответственно. На вторые входы этихэлементов поступают выходные импульсыАВП 1, При этом во время паузы импульсовЗО АВП 1 на.выходах элементов И-НЕ 17 и 18присутствует напряжение высокого уровня,а во время импульса -. инвертированныевыходные импульсы формирователей 15 и16 (фиг, 2 а.и), которые поступают отсюда на35 катоды индикационных светодиодов 14 ячеек 12.Таким образом, с началом выходногоимпульса АВП 1 под действием первого импульса генератора 2 триггер 4 переключает 40 ся в единичное состояние, на выходеэлемента И-НЕ 17 появляется импульс напряжения высокого уровня длительностьюпоступающий нэ катоды светодиодов 13четных ячеек 11, а на выходе элемента И-НЕ45 18 остается нулевое напряжение, В то жевремя на выходе преобразователя уровнянапряжения 9 появляется импульс отрицательного напряжения длительностью гпоступающий отсодэ на управляющие элек 50 троды тиристоров 13 нечетньх, ячеек 12.Под действием этого импульса за счет связимежду тиристором запуска 10, который былоткрыт во время паузы импульсов АВП 1, исоседним с ним тиристором 13 первой ячей 55 ки 121, тиристор 131 открывается, т.к. накатоде светодиода 14 этой ячейки имеетсянулевое напряжение. При этом светодиод14 первой ячейки возбуждается и излучаетсвет, индицируя включение ячейки. Ячейкй.10 15 20 25 30 35 пх=Т 1 (2) 40 50 12, остается в возбужденном состоянии в течение всего времени, пока на выходе элемента И-НЕ 18 сохраняется нулевое напряжение. При поступлении второго импульса генератора 2 происходит переключение триггера 4 в нулевое состояние. При этом с выхода преобразователя уровня напряжения 8 импульс отрицательного напряжения поступает на управляющие электроды тиристоров 13 четных ячеек 12, и на выходе элемента И-НЕ 18 появляется импульс высокого напряжения длительностью хф, поступающий на катоды светодиодов 14 нечетных ячеек 12, на выходе элемента И-НЕ 17 в это время сохраняется нулевое напряжение. При этом возбуждение с открытого тиристора 13 ячейки 12 передается на тиристор 13 ячейки 21 д. и он открывается (т,к. на катоде светодиода 14 этой ячейки в это время имеется нулевое напряжение с выхода элемента И-НЕ 17). Ячейка 12 возбуждается и остается открытой до начала следующего такта. В это время импульс напряжения высокого уровня с выхода элемента И-КЕ 18 поступает на катоды светодиодов 14 нечетных ячеек 12, вследствие чего тиристор 13 ячейки 12, закрывается, и она переходит в невозбужденное состояние. Под действием третьего импульса генератора 2 аналогично описанному происходит возбуждение третьей ячейки. Данный процесс последовательного возбуждения ячеек отсчетного устройства протекает в течение всего времени тх выходного импульса АВП 1, так что количество пх возбудившихся за время тх ячеек равно где Тв - длительность такта;Ц - целая часть числа,Таким образом, число возбудившихся ячеек пропорционально величине входного напряжения О и за время тхсветовое пятно перемещается по шкале отсчетного устройства на расстояние, пропорциональное напряжение О Если частота следования импульсов АВП 1 выше критической частоты человеческого зрения (схввх20 мс), то траектория светового пятна на шкале воспринимается как непрерывная немерцающая полоска. 4,По окончании выходного импульса АВП 1 на его выходе. устанавливается нулевое напряжение, и индикатор переходит в исходное состояние; триггер 4 установлен в нулевое состояние, тиристор 10 открыт, на выходах элементов И-НЕ 17 и 18 присутствует напряжение высокого уровня, на выходах преобразователей уровня напряжения 8 и 9 имеется нулевое напряжение. Во время следующего выходного импульса АВП 1 описанный процесс повторяется.Отсчетное устройство индикатора выполнено в виде тиристорно-полевой структуры, строение которой изображено на фиг.3. Распространение возбуждения в такой структуре обеспечивается механизмом взаимодействия близко расположенных интегральных тиристоров, имеющих общую и-базу и р -эмиттер. Этот механизм состоит в тбм, что, если два тиристора имеют+общую и-базу и р -эмиттер, и один из них находится в включенном состоянии, то при их обьединении по р-базе происходит передача включенного состояния от одного тиристора второму, Объединение тиристорных ячеек 13 по р-базам в данной структуре (фиг 3) происходит под действием выходных импульсов отрицательного напряжения Оу преобразователей уровня напряжения 9 и 8, которые, поступая на управлякщие элект- роды тиристорной структуры, вызывают возникновение индуцйровайной р-области, соединяющей р-базы соседних тиристоров, за счет полевого эффекта в структуре МДП- типа (фиг. 3),Для работы индикатора необходимо выполнение следующих условий:а) Длительность ху импУльсов фоРмиРо-. вателя 5 должна быть больше времени раз- ВИТИЯ ПРОЦЕССа ВКЛЮЧЕНИЯ тИРИСтОРа Хвкл и меньше времени включения тиристора Хвыкл. ХвыклХу Хвкл Р) б) длительностьвыходных импульсовформирователей 15 и 16 должна быть неменее времени выключения тиристоров ХфХ вык.л (4) в) период следования Тя импульсов генератора 2 должен быть больше времени выключения тиристоров хвыкл и составлять; То = Хаыкл+ ХильдХвыкл (5) где Х 11 вд - время пребывания ячейки в возбужденном состоянии;г) длительность паузы тв выходных импульсов АВП 1 должна быть больше время выключения тиристоровтпХвыкл (б)д) длительность импульса формировате- ненный катодом с выходом амплитудно-вреля 5 должна быть меньше длительности им- менного преобразователя и расположен- пульсов формирователей 17 и 18 ный против первой из ячеек отсчетногоустройства, каждая из которых снабжена тих( тф (7) 5 ристором, первый и второй дополнительныеформирователи импульсов, подсоединенПостроение отсчетного устройства на ные входами соответственно к прямым и основе тиристорно-полевой структуры инверсным выходам триггера, первый до. обеспечивает упрощение отсчетного уст- полнительный резистор, соединенный пер. ройства за счет того, что индукционная 10 вцм выводом с отрицательной шиной ячейка содержит только интегральный тири- питания, к которой подключены вторые вхосторисветодиод.Приэтомдостигаетсятак- ды первого и:второго преобразователей же повышение технологйчески отсчетного уровня напряжения, второй дополнительустройства за счет хорошей технологиче- ный резистор, соединенный первым вцвоской совместимости элементовиндикаци дом с положйтельйой шйной питания, и онных ячеек и возможность создания . первый и второй элементы И-НЕ, причем интегрального отсчетного устройства. тиристор запуска и тиристоры ячеек отсчетного устройства выполнены с вйде тириф о р м у л а и э о б р е т е н и я . сторно-полевойструктуры, второй вывод Шкальный индикатор, содержащйй ам пеРвого дополйительного резистора соедиплитудно-временной преобразователь,"сое- нен с анодами тиристоров ячеек отсчетного диненный входом с входйой шиной и устройства, выходы первого и второго доподключенный выходом к входу сброса полнйтельных формирователей импульсов триггера, подсоединенного счетным входом подключенй к первым входам соответственк выходу генератора импульсов и соединен но первого и второго элементов Й-НЕ, соеного прямым и инверсным выходами с пер- . диненнцх вторыми входами с выходом выми входамисоответственнопервого и: амплитудно-временного преобразователя, второго элементов И, подключенных выхо- формирователь импульсов включен между дами к первым входам соответственно пер-выходом генератора импульсов и вторыми вого и второго преобразователей уровня ЗО входами первого и второго элементов И, в напряжения, отсчетное устройство, выпол-каждой нечетной ячейке-отсчетйого устройненное в виде размещенных йоследова- ства индикационный светодиод подключен тельйо индикационных ячеек, каждая йз катодом в выходу первого элемента Й-НЕ и которых снабжена индикационным свето- соединен анодом с катодом тиристора, поддиодом, резистор, подсоединенный первым 35 соединенного управляющим электродом к выводом к положительной шине питания, выходупервогопреобразователяуровнянаформирователь импульсов йотрицательную пряжения, а в каждой четной ячейке отсчет- шину питанйя, о т л и ч а ю щ и й с я тем;ного. устройства индикационный светодиод что, с целью повышения технологичности подключен катодом к выходу второго элешкального индикатора и упрощения отсчет мента И-НЕ и соединен анодом с катодом. . ного устройства, в шкальный индикатор вве- тиристора, подсоединенного управляющим дены тиристор запуска; подсоединенный электродом к выходу второго преобразоваанодом к второму выводу резистора, соеди- теля уровня напряжения.ю Фаю щт ЮЮЮЕаВГ Г ф9 Йе, 3Составитель А. Тер ехред М.Моргентал ук Корректор Н. Ревск Реда кто изводственно-издательский комбинат "Патент", г. ужгород, ул, Гагарина, 1 Заказ 3541 Тираж . Подписное ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР 113035, Москва, Ж, Раущская наб., 4/5