Шкальный индикатор

Шкальный индикатор

Иллюстрации

Показать все

Реферат

 

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (я)5 G 01 D 7/00

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

1 (21) 4843480/10 (22) 18.06.90 (46) 07.10.92. Бюл. М 37 (71) Винницкий политехнический институт (72) А.Т.Теренчук, Б.M.Êîâàëü÷óê и В.B,Áóðковский (56) 1. Известия вузов СССР— Приборостроение, 1983, М 10, с. 8 1.-85, 2. Известия вузов — Приборостроение, 1983, N. 55, . сс, 67-73.

3. Авторское свидетельство СССР

М 1647262, кл. 6 01 F 7/00, 1989. (54) ШКАЛЬНЫЙ ИНДИКАТОР (57) Использование: в информационно-измерительной технике. для отображения измерительной информации. Сущность

Изобретение относится к информациоННо-измерительной технике и средствам отображения информации; оно может быть использовано для отображения значений различных величин в контрольно-измерительных устройствах.

Известен шкальный индикатор напряжения на основе светоизлучающего нейристора (Гурин Н.М. Шкальный индикатор .напряжения на основе светоизлучающего нейристора. — Изв. вузов СССР.— Приборостроение, 1983, N 5. с. 69-73). который содержит генератор импульсов запуска, амплитудно-временной преобразователь, первый вход которого соединен со входной шиной, второй вход — с выходом генератора импульсов запуска, а выход — с управляющим входом ключевого элемента, первый вход которого соединен с выходом источника питания. и светоизлучающий нейристор, „„ ЦÄÄ 1767339 А1 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 тиристар. 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 тиристорнополевой структуры обеспечивает его упрощение и повышение технологичности индикатора. 3 ил. первый вход которого соединен с выходом генератора импульсов запуска, а второй — с выходом ключевого элемента; светоизлучающий нейристор содержит и тиристорных оптройов, светодиод первого из-которьгх соединен с выходом генератора импульсов за- 4 пуска и оптически связан с первым (A) фототиристором. анод фототиристора каж- (д) дого оптрона соединен с катодом светодиода следующего оптрона, и светодиодов. каждый из которых подключен анодом к катоду одного из фототиристоров, катоды всех светодиодов соедийены с отрицательной выходной шиной амплитудно-временного преобразователя, (n-t) резисторов и (n-1) конденсаторов. соединенных попарно-параллельно, первые выводы которых соеди -" нены с анодом светодиода каждого оптрона за исключением первого. вторые выводы всех резисторов и конденсаторов соедине1767339

Ф

25 диодов.

55 ны с положительной выходной шиной амплитудно-временного преобразователя.

Недостатками этого устройства являются: 1) низкая точность. обусловленная нестабильностью скорости распространения нейтристорного импульса и влиянием разброса параметров элементов; 2) сложность и неоднородность структуры и связанная с этим низкая технологичность; 3) сложность изготовления и несовместимость с интегральной твердотельной технологией.

Известен индикатор напряжений и сопротивлений на светодиодах (Ковальков

В.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 из двух.т" ранзисторов с соединенными эмиттерами, и светодиодов, соединенных с соответствующими переключателями токов, и последовательно - согласно включенных . полупроводниковых диодов, анод каждого из: которых подключен к базе первого транзистора переключателя тока, делитель напряжения, состоящий из и резисторов и и полупроводниковых диодов, выводы которого соединены с соответствующими переключателями тока, три источника .IloctoAHHDfo тока на транзисторах и параметрический стабилизатор напряжения, выход которого соединен с входами источников 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 их нестабильностей. высокое энергопотребление вследствие одновременного возбуждения большого числа ячеек, сложность индикаторной ячейки и ее неоднородность, обуславливающие низкую технологичность индикационной структуры, Наиболее близким по технической сущности к заявляемому является шкальный индикатор (авт. св, М 1647262). содержащий амплитудно-временной преобразователь (АВП), вход которого является входом устройства, формирователь импульса и элемвнт задержки, входы которых подключены к выходу АВП. генератор импульсов, подключенный к тактовому входу формирователя тактовых импульсов, в который входят счетный триггер, два элемента 2ИЛИ, 2 элемента 2И и два преобразователя уровня напряжения, выходы которых являются выходами формирователя, линейный прибор с зарядовой связью (ЛПЗС), содержащий и ячеек, тактовые входы которого подкл1очены к выходам формирователя тактовых импульсов, и МДП-транзисторов, затвори которых соединены с плавающими электродами соответствующих ячеек ЛПЭ С, истоки — с шиной нулевого потенциала, и светодиодов, образующих отсчетную шкалу, 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 инвертор и преобразователь уровня напряжения соединен со вторым управляющим входом ЛПЭС.

Кедостатками 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 изготовления индикационной структуры, которая должна совмещать довольно разнородные технологические процессы изготовления ПЗС-структуры, выращивания на ней

МДП-транзисторов и затем на них — светоЦелью изобретения является повышение технологичности индикатора и упрощение его индикационной структуры, Указанная цель достигается тем, что в шкальный индикатор, содержащий и индикационных светодиодов, 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, два элемента 2И и два преобразователя уровня напряжения, и генератор импульсов. выход которого соединен со входом формирователя тактовых импульсов, дополнительно введены второй и третий токоограничительные резисторы, тиристорно-полевая структура, представляющая собой интегральную линейку тиристоров, между которыми имеется управляемая связь, которые соединены с индикационными светодиодами, и в состав формирователя тактовых импульсов введены первый, второй и третий формирователи импульсов и два элемента 2И-КЕ.

Сущность изобретения состоит в том, что отсчетное устройство индикатора построено на основе линейной тиристорно-полевой структуры с управляемой связью между соседними тиристорами структуры, в которой реализуется последовательное так1767339 тирование 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 АВП2 соетиристор и светодиод, Такое строение ячей- 5 динен со входной шиной устройства, к выкиобеспечиваетеесхемотехническуюитех-. ходу АВП1 подключены вход сброса нологическую однородность. что позволяет триггера 4, катод тиристора запуска 10 и . упростить технологию изготовления струк- вторые входы элементов И-НЕ 17 и 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 ийпульсов 5, инверсный и прямой ной литературы показывает, что реализация выходы триггера 4 соединены соответственотсчетного устройства индикатора на осна- HO со входами формирователей импульсов ве интегральной тиристорно-полевой струк- 15 и 16 и с первыми 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 является ау@ест- ды формирователей импульсов 15 и 16 соевенным, т.к. не встречается в другик динены с первыми входами элементов 17 и объектах и обеспечивает достижение поло- 18 соответственно. Выходы элементов И 6 и жительного эффекта. Действительно,. от- 20 7соединены спервымивходамипреобразосчетное устройство на основе интегральной вателей уровня напряжения 8 и 9 соответстлинейной структуры с последовательным венно,вторыевхОдйico1.îðéõïîäêëþ÷åíûк тактированным распространением возбуж- отрицательной шине питания -Е. Управляюдения используется в шкальном индикаторе щий электрод TMf)MGTopa.запуска соединен (авт.св. % 1647262 — прототип), в 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 неоднородноСть и соот- против тиристора 13 первой ячейки 12 от4 ветственно 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 ре1 ых шкальных индикаторах)а,с. М 1242837, 35 зистор 21. В каждой индикацйонной ячейке

hh 1275299, ¹ 1432412. M 1506362), в кото- 12 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 светодиодов 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 технологическимитрудно- четных ячеек соединены с выходом преобстями. Таким образом, заявляемое разователя уровня напряжения 9, а четных техническое решение соответствует крите- — с выходом преобразователя уровня напря-. рию "существенные отличия". 45 жейия 8. Оптические выходы светодиодов

На фиг. а фиг. 1 приведена функциональная 14 ячеек образуютшкалу отсчетного устройсхема 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 и

Устройство содержит амплитудно-вре- ных тиристоров, сформированны в и

«ои преобразователь (АВП) 1, генератор и р о вод н и ко вой: структуре п-типа. импульсов 2, формирователь управляющих Сформированная в пластине р+ -область сигналов 3, счетный триггер 4, формирова- является р «--змиттером для всех тиристотель импульсов 5, элементы И6 и 7, преоб- 55 .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 кото11, выполненное в виде размещенных по- рых выполнены их анодные выводы. следовательно индикационных ячеек 12,- Катодный вывод тиристора запуска 10 вы-.

12„, каждая из которых образована

1767339 полнен от металлического электрода 29 на и-эмиттерэ 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

13н- имеются металлические уйравляющие электроды 30, изолированные от полупроводниковой пластины слоем диэлектрика.

Управляющие электроды 30 перекрывают рбазы соседних тиристоров 13(и 13 +1.

Индикатор работает следующим образом.

При отсутствии входного напряжения . на выходе ABfll имеется нулевое напряже: ние. которое, воздействуя на вход сброса трйггера 4, поддерживает eio D нулевом ео. стоянии и, поступая на катод тиристора запуска 10. поддерживает его в открытом состоянии. Hynesbe напряжение с выхода

АВП1 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 Т (фиг. 2а).

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. 2б), длительность tx которого йропорциональна величине Vx

tx kVx () где k — 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. 2в,г), Формирователь импульсов 5 вырабатывает по переднему фронту каждого поступающего нэ его вход импульса генератора 2 прямоугольный импульс напряжения высокого уровня, длительность которого равна ly

5 (фиг. 2д). Выходные импульсы формирователя 5 поступают на вторые входы элементов

И 6 и 7, на первые входы которых поступают импульсы с инверсного и прямого выходов триггера 4. При этом четные импульсы фор10 мирователя 5 проходят на вход элемента И

7, э нечетные — на выход элемента И 6. откуда они поступают нэ первые входы преобразователей уровня напряжения 8 и 9 со. ответственно.

15 Преобразователи уровня напряжения 8 и 9 преобразуют эти импульсы в импульсы отрицательной полярности той же длительности fy амплитудой Uy(fur, 2е,ж). Импульсы с прямого и инверсного выходов триггера

20 4 поступают также на входы формирователей импульсов 15 и 16 соответственно, которые по передним фронтам входных импульсов вырабатывают прямоугольные импульсы напряжения низкого уровня дли25 тельностью тф, которые с их выходов поступают на первые входы элементов И-НЕ 17 и

18 соответственно. На вторые входы этих элементов поступают выходные импульсы

АВП1. При этом во время паузы импульсов

30 АВП1 на.выходах элементов И-НЕ 17 и 18 присутствует напряжение высокого уровня, а во время импульса -. инвертированные выходные импульсы формирователей 15 и

16 (фиг. 2а.и), которые поступают отсюда на

35 катоды индикационных светодиодов 14 ячеек 12.

Таким образом, с началом выходного импульса АВП1 под действием первого импульса генератора 2 триггер 4 переключает40 ся в единичное состояние, на выходе элемента И-HE 17 появляется импульс напряжения высокого уровня длительностью поступающий нэ катоды светодиодов 13 четных ячеек 11, а на выходе элемента И-НЕ

18 остается нулевое напряжение, В то же время на выходе преобразователя уровня напряжения 9 появляется импульс отрицательного напряжения длительностью х „ поступающий отс|одэ на управляющие элек50 троды тиристоров 13 нечетных, ячеек 12.

Под действием этого импульса за счет связи между тиристором запуска 10, который был открыт во время паузы импульсов АВП1, и соседним с ним тиристором 13 первой ячей55 ки 12>, тиристор 131 открывается, т.к. на катоде светодиода 14 этой ячейки имеется нулевое напряжение. При этом светодиод

14 первой ячейки возбуждается и излучает свет, индицируя включение ячейки. Ячейкй1767339

10

20

40

12, остается в возбужденном состоянии в течение всего времени, пока на выходе элемента И-HE 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 21д 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 тк выходного импульса АВП1, так что количество и возбудившихся за время tx ячеек равно где Т > — длительность такта; (.) — целая часть числа, Таким образом, число возбудившихся ячеек пропорционально величине входного напряжения О,, и за время тксветовое пятно перемещается по шкале отсчетного устройства на расстояние, пропорциональное напряжение U,, Если частота следования импульсов АВП1 выше критической частоты человеческого зрения (,л < < 20 мс), то траектория светового пятна на шквале воспринимается как непрерывная немерцающая полоска. 4, По окончании выходного импульса

АВП1 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 АВП1 описанный процесс повторяется.

Отсчетное устройство индикатора выполнено в виде тиоисторно-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 объединении 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 Uy преобразователей уровня напряжения 9 и 8, которые, поступая на управляющие элект- роды тиристорной структуры, вызывают возникновение индуцйровайной р-области, соединяющей р-базы соседних тиристоров, за счет полевого эффекта в структуре МДПтипа (фиг. 3), Для работы индикатора необходимо выполнение следующих условий: а) длительность гу импульсов формиро-. вателя 5 должна быть больше времени развития процесса включения тиристора t"вкл и меньше времени включения тиристора еыкл. выкл >

Ф формирователей 15 и 16 должна быть не менее времени выключения тиристоров

Гф вык.л (4) в) период следования Тя импульсов генератора 2 должен быть больше времени выключения тиристоров гвыкл и составлять;

То = гаыкл + t vip+ > выкл (5) где %,вд — время пребывания ячейки в возбужденном состоянии; г) длительность паузы t выходных импульсов АВП1,цол>кна быть больше время выключения тиристоров тп т выкл (б) 1767339

12 д) длительность импульса формирователя 5 должна быть меньше длительности импульсов формирователей 17 и 18 (7) ty (тф

Формула изобретения

: Шкальный индикатор, содержащйй амплитудно-временной преобразователь,"соединенный входом с входйой шиной и подключенный выходом к входу сброса триггера, подсоединенного счетным входом к выходу генератора импульсов и соединенного прямым и инверсным выходами c первыми входами соответственно первого и второго элементов И, подключенных выходами к первым входам соответственно первого и второго преобразователей уровня напряжения, отсчетное устройство, выполненное в виде размещеннйх йоследовательйо индикационных ячеек, каждая йз которых снабжена индикациокным светодиодом, резистор, подсоединенный первым выводом к положительной шине питания, формирователь импульсов йотрицательную шину питанйя, отличающийся тем; что, с целью повышения технологичности шкального индйкатора и упрощения отсчет. ного устройства, в шкальный индикатор введены тиристор запуска, подсоединенный анодом к второму выводу резистора, соедиПостроение отсчетного устройства на основе тиристорно-полевой структуры обеспечивает упрощение отсчетного устройства за счет того, что индукционная ячейка содержит только интегральный тиристор и светодиод. При этом достигается также повышение технологйчески отсчетного устройства за счет хорошей технологиче ской совместимости элементов: индикационных ячеек и возможность создания интегрального отсчетного устройства. ненный катодом с выходом амплитудно-вре-. менного преобразователя и расположенный против первой из ячеек отсчетного устройства, каждая из которых снабжена ти5 ристором, первый и второй дополнительные формирователи импульсов, подсоединенные входами соответственно к прямым и инверсным выходам триггера. первый до-полнительный резистор, соединенный пер10 вым выводом с отрицательной шиной питания, к которой подключены вторые входы первого и :второго преобразователей уровня напряжения, второй дополнительный резистор, соединенный первым выво15 дом с положйтельйой шйной питания, и . первый и второй элементы И-НЕ, причем тиристор запуска и тиристоры ячеек отсчетного устройства выполнены с вйде тиристорно-полевой структуры, второй вывод

20 первого дополйительного резистора соединен с анодами тиристоров ячеек отсчетного устройства, выходы первого и второго дополнйтельных формирователей импульсов подключенй к первым входам соответствен25 но первого и второго элементов Й-НЕ, соединенных вторыми входами с выходом амплитудно-временного преобразователя. формирователь импульсов включен между выходом генератора импульсов и вторыми

30 входами первого и второго элементов И, в . каждой нечетной ячейке-отсчетйого устройства индикационный светодиод подключен катодом в выходу первого элемента Й-НЕ и соединен анодом с катодом тиристора, под35 соединенного управляющим электродом к выходу первого преобразователя уровня напряжения, а в каждой четной ячейке отсчет ного устройства индикационный светодиод подключен катодом к выходу второго эле40 мента И-НЕ и соединен анодом с катодом. тиристора, подсоединенного управляющим электродом к выходу второго преобразователя уровня напряжения.

1767339

1767339 6ю и

Жар. 5

Составитель A. Теренчук

ТехРед М.МоРгентал КоРРектоР Н. Ревская

Редактор

Производственно-издательский комбинат "Патент", r. Ужгород, ул, Гагарина, 101

Заказ 3541 Тираж . Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., 4/5