Шкальный индикатор Советский патент 1991 года по МПК G01D7/00 G01R19/00 

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

Цель изобретения - упрощение строения индикационных ячеек и упрощение индикационной структуры, а также повышение технологичности и достижение совместимости с интегральной твердотельной технологией, что позволяет упростить производство и повысить производительность.

На фиг. 1 изображена функциональная схема оптоэлектронного шкального индикатора; на фиг. 2 - временные диаграммы, поясняющие работу индикатора.

Устройство содержит амплитудно-временной преобразователь (АВП) 1,генератор 2 импульсов, формирователь 3 тактовых импульсов, в который входят счетный триггер 4, элементы ИЛИ 5 и 6, элементы И 7 и 8, преобразователи 9 и 10 уровня напряжения, элемент 11 задержки формирователь 12 одиночного импульса инвертор 13, преобразователь 14 уровня напряжения, ПЗС-ли- нейку 15, содержащую п ячеек 16i-16n, п МДП-транзисторов 17i-17n, n индикаторных светодиодов и токоограничи- тельный резистор 19

Вход АВП 1 соединен с входом устройства 20, а его выход- с входами элемента 11 задержки и формирователя 12, а также с входом сброса триггера 4 который является входом сброса формирователя 3. Выход генератора 2 соединен со счетным входом триггера 4, который является входом формирователя тактовых импульсов Прямой и инверсный выходы триггера 4 соединены с первыми входами элементов ИЛИ 5 и 6, вторые входы которых соединены со счетным

О

4Ьь VI

Ю О К

входом триггера 4, а их выходы - с первыми входами элементов И 7 и 8. Вторые входы элементов И 7 и 8 подключены к управляющему входу формирователя 3, который соединен с выходом элемента 11. Выходы элементов И 7 и 8 соединены с входами преобразователей 9 и 10, выходы которых подключены соответственно к первому 23 и второму 24 тактовым входам ПЗС-линейки 15, содержащей п ячеек 16i-16n. Выход формирователя 12 соедиен с выводом 21 входного затвора ПЗС-линейки, а выход элемента 11 задержки через инвертор 13 и преобразователь 14 уровня напряжения - с выводом 22 инжектирующего электрода ПЗС-линейки. Аноды индикационныхсвето- диодов соединены через резистор 19с положительной шиной питания +Е, а катод каждого светодиода 18; подключен к стоку соответствующего МДП-транзистора 17i. Истоки всех полевых транзисторов 17i- 17П соединены с шиной нулевого потенциала (общей шиной), а затвор каждого i-ro МДП-транзистора 17| - с плавающим электродом соответствующей ячейки 16i ПЗС-линейки 15 (плавающие электроды показаны утолщенными черными линиями в ячейках

161-1 6п).

Устройство работает следующим образом.

В исходном состоянии на выходе АВП 1 присутствует нулевое напряжение (напряжение логического О), которое, поступая на вход сброса триггера 4, поддерживает его нулевое состояние (на прямом выходе логический О (Q 0), на инверсном - логическая 1) и, поступая на вторые входы элементов И 7 и 8, поддерживает логический О на их выходах, вследствие чего с выходом преобразователей 9 и 10 уровня напряжения на тактовые входы 23 и 24 ПЗС-линейки 15 поступают нулевые напряжения. На выводе21 входного затвора ПЗС- линейки также присутствует нулевое напряжение, поступающее с выхода формирователя 12, в на выходе 22 инжектирующего электрода ПЗС-линейки присутствует инжектирующее напряжение высокого уровня, поступающее через преобразователь 14 уровня напряжения с выхода инвертора 13, на выходе которого действует нулевое напряжение выхода АВП 1. При этом во входной диффузионной области ПЗС-линейки, на которую подается напряжение с электрода 22, происходит инжек- ция заряда, который не попадает в ячейки 16i-16n, так как на выводе 21 действует нулевое запирающее напряжение и на тактовых входах 23 и 24 также действует нулевое напряжение. Вследствие эгогр

зарядовые пакеты.в ячейках 16i-16n отсутствуют, в результате чего напряжение на плавающих электродах ячеек ПЗС-линейки равно нулю или близко к нулю (это напряжение меньше порогового напряжения МДП- транзисторов). При этом МДП-транзисторы ,17i-17n находятся в запертом состоянии (нормально запертые транзисторы), вследствие чего светодиоды 18i-18n находятся в

0 невозбужденном состоянии и не излучают. Генератор 2 вырабатывает прямоугольные импульсы, длительность которых равна г, а период следования Т0 (фиг. 2а).

При наличии на входе 20 устройства

5 входной величины Ux (например, электрического напряжения Ux) АВП 1 вырабатывает на своем выходе прямоугольные импульсы напряжения, период следования которых равен Тдвп, а длительность tx пропорцио0 нальна значению входной величины Ux.

(1)

где К - коэффициент преобразования АВП., Присутствие на выходе АВП 1 напряжения логической 1, поступающего на вход

5 сброса триггера 4, разрешает работу триггера. Под действием к-аждого импульса генератора 2 происходит переключение триггера и на его прямом и инверсном выходах вырабатываются противофазные им0 пульсные последовательности, причем их период следования равен 2TQ, а длительность - Т0. На выходах элементов ИЛИ 5 и

6формируются 2-фазные последовательности перекрывающихся во времени прямо5 угольных импульсов, причем длительность перекрытия импульсов равна длительности импульсов генератора 2.

Когда на вторые входы элементов И 7 и 8 воздействует напряжение логической еди0 ницы, поступающее на нмх с выхода АВП 1 через элемент 11, импульсы с входов элементов 5 и 6 проходят на выходы элементов

7и 8, откуда они поступают на входы преобразователей 9 и 10, которые изменяют уров5 ни напряжения этих импульсов до значений, необходимых для работы ПЗС-линейки (преобразование уровня напряжения может состоять в увеличении амплитуды импульсов или в изменении знака напряжения и усиле0 нии его до нужного значения - это зависит от типа применяемых логических элементов и ПЗС-линейки). С выходов преобразователей 9 и 10 импульсы поступают на входы тактовых импульсов 23 и 24 ПЗС-линейки

5 При этом благодаря тому, что во время пау зы между выходными импульсами АВП вы ходное нулевое напряжение АВП поддерживает триггер 4 в нулевом состоянии сразу с началом выходного импульса АВП 1, когда начинается переключение

триггера 4. Под действием первого же импульса на входе триггера появляется логическая 1 на его прямом выходе, вследствие чего на тактовом входе 23 ПЗС- линейки появляется напряжение высокого уровня, а на входе 24 - нулевое напряжение. Таким образом, предварительная установка триггера 4 в нулевое состояние во время паузы обеспечивает необходимую начальную фазу импульсов на тактовых входах ПЗС-линейки.

Выходной импульс АВП 1 поступает на вход формирователя 12, который по переднему фронту этого импульса вырабатывает импульс длительностью 1ф, поступающий с его выхода на вывод входного затвора 21 ПЗС-линейки 15 (фиг. 2д). Задержанный элементом 11 на время гз выходной импульс АВП 1 поступает также на вход инвертора 13, с выхода которого через преобразователь 14 поступает на вывод 22 инжектирующего электрода ПЗС-линейки 15.

Инвертор 13 инвертирует задержанные на время Т3 выходные импульсы АВП 1, благодаря чему во время паузы между выходными импульсами АВП 1 на его выходе присутствует напряжение логической 1, а во время импульса - напряжение логического О, При этом во время паузы между задержанными выходными импульсами АВП 1 на выходе 22 инжектирующего электрода ПЗС-линейки 15 действует напряжение высокого уровня (с выхода преобразователя 14), вызывающее инжекцию заряда во входной диффузионной области ПЗС-линейки 15, во время задержанного выходного импульса АВП 1 на этом выводе действует нулевое напряжение, при котором инжекция заряда не происходит.

Благодаря задержке выходных импульсов АВП 1 на время Т3 и соответствующему выбору длительности 1ф выходного импульса формирователя 12 выходной импульс формирователя 12 перекрывается с паузой между выходными импульсами АВП 1, во время которой происходит инжекция заряда во входной диффузионной области ПЗС- линейки (время перекрытия равно длительности задержки т3 ) и с импульсом АВП 1, поступающим на вторые входы элементов И 7 и 8, при этом длительность перекрытия такова, что захватывается часть тактового импульса на тактовом входе 23 ПЗС-линейки (фиг. 2г. д). Вследствие этого при поступлении импульса с выхода формирователя 12 на вход 21 ПЗС-линейки входной затвор ПЗС-линейки 15 открывается, и заряд, инжектированный во входной диффузионной области под действием напряжения на входе 22 переносится в первую ячейку 16i ПЗС-линейки, в которой напряжение, присутствующее на тактовом входе

23, создает потенциальную яму, а которую и переносится заряд.

Заряд, занесенный в первую ячейку 16i ПЗС-линейки 15, сохраняется в ней в течение времени присутствия напряжения высо0 кого уровня на тактовом входе 23 ПЗС-линейки, т.е. в течение всего первого такта сканирования, длительность которого равна То + г . В следующем такте, когда вследствие переключения триггера 4 на так5 товом входе 23 ПЗС-линейки устанавливается нулевое напряжение, а на тактовом входе 24 - напряжение высокого уровня, происходит перенос зарядового пакета из первой ячейки 16i во вторую ячейку 1б2(пе0 ренос происходит за счет зарядовой связи, между ячейками), в которой он сохраняется в течение всего второго такта. В дальнейшем по мере переключения триггера и соответствующего изменения напряжения на

5 тактовых входах 23 и 24 происходит последовательный тактированный перенос зарядового пакета по ячейкам ПЗС-линейки 15. т.е. ее сканирования. При этом зарядовый пакет в каждой ячейке находится в течение

0 времени одного такта.

Когда зарядовый пакет находится в некоторой ячейке 16i, он наводит на плаваю-1 щем электроде этой ячейки электрическое напряжение, величина которого пропорци5 опальна величине зарядового пакета и обратно пропорциональна емкости конденсатора, образованного плавающим электродом и ячейкой. Напряжение с плавающего электрода ячейки 16 поступает на

0 затвор транзистора 17|, вследствие чего этот транзистор открывается в течение всего i-ro такта. Открывание транзистора 171 вызывает протекание тока через токоогра- ничительный резистор 19 и светодиод 18i,

5 вследствие чего этот светодиод возбуждается и в течение 1-го такта излучает свет. Таким образом, в процессе тактированного сканирования ПЗС-линейки 15 происходит последовательное возбуждение соответствующих

0 светодиодов 18 так, что по отсчетной шкале, образованной светодиодами 18, перемещается световое пятно. Так как перемещение светового пятна тактировано и происходит на одну ячейку в каждом такте, то за время

5 tx выходного импульса АВП 1 возбуждается число пх ячеек, равное

Ьо. где - целая часть.

Пх

(2)

Из (1) и (2) следует, что число возбудившихся ячеек пх,, а следовательно, и длина траектории светового пятна на шкале, пропорционально значению входной величины Ux. При достаточно высокой частоте сканирования и достаточно высокой частоте следования выходных импульсов АВП 1 (Тдвп : 20 мс). Траектория светового пятна на шкале воспринимается как непрерывная немерцающая световая полоска, длина которой пропорциональна значению выходной величины.

Во время сканирования ПЗС-линейки по ней распространяется только один зарядовый пакет. Это обеспечивается тем, что в начале цикла отображения в ПЗС-линейку вводится только один зарядовый пакет, так как инжекция во входной диффузионной области прекращается с окончанием импульса на входе 22, а входной затвор ПЗС-линейки открывается импульсом на входе 21 только один раз в начале цикла, это обеспечивает ввод заряда в первую ячейку ПЗС-линейки,

По окончании цикла индикации, т.е. по окончании задержанного выходного импульса АВП 1, на вторых входах элементов И 7 и 8 устанавливается напряжение логического нуля, вследствие чего на тактовых входах 23 и 24 ПЗС-линейки устанавливается нулевое напряжение. В результате этого происходит рассасывание зарядового пакета, находящегося в последней достигнутой ячейке (за счет эффектов рекомбинации, растекания, инжекции в подложку и т.д.). Таким образом, ПЗС-линейка переходит в нейтральное состояние и подготавливается к следующему циклу индикации.

Длительность паузы между выходными импульсами АВП 1, равная

tn ТДВП -txMax

где txMax максимальная длительность выходного импульса АВП, должна быть достаточной для подготовки ПЗС-линейки к новому циклу индикации. Длительность импульса, вырабатываемого формирователем 12, должна обеспечивать ввод зарядового пакета в первую ячейку ПЗС-линейки.

Формула изобретения Шкальный индикатор, содержащий амплитудно-временной преобразователь, вход которого является входом устройства,

генератор импульсов, формирователь тактовых импульсов, имеющий два элемента И и счетный триггер, счетный вход которого соединен с выходом генератора импульсов,

а также инвертор, токоограничительный резистор и п индикационных светодиодов, образующих отсчетную шкалу, аноды которых через резистор соединены с шиной + питания, шину нулевого потенциала, о т л ичающийся тем ,что ,с целью упрощения индикационной структуры и улучшения технологичности устройства за счет достижения совместимости с интегральной технологией, в него введены два элемента

ИЛ И, три преобразователя уровня напряжения, элемент задержки, формирователь одиночного импульса, линейная схема на приборах с зарядной связью с двухфазным управлением и п МДП-транзисторов, при

этом выход амплитудно-временного преобразователя подключен через формирователь одиночного импульса к выводу входного затвора линейной схемы на приборах с зарядовой связью через элемент зздержки, инвертор и третий преобразователь уровня напряжения - к выводу инжектирующего электрода, в формирователе тактовых импульсов вход сброса триггера подключен к выходу амплитудновременного преобразователя, прямой и инверсный выходы триггера соединены соответственно через первый и второй элементы ИЛИ, другие входы которых соединены со счетным входом счетного триггера, с

входами первого и второго элементов И, другие входы которых подключены к выходу элемента задержки, а выходы - к входам первого и второго преобразователей уровня напряжения, выходы которых являются соответственно первым.и вторым выходами формирователя тактовых импульсов и соединены соответственно с первым и вторым тактовыми входами линейной схемы на приборах с зарядной связью, катод каждого пго индикационного светодиода соединен со стоком соответствующего n-го МДП-транзи- стора, истоки которых соединены с шиной нулевого потенциала, а затвор каждого МДП-транзистора подключен к считывающему плавающему электроду соответствующей ячейки линейной схемы на приборах с зарядовой связью

tf 19

Шкаловык индикатор относится к информационно-измерительной технике и предназначен для отображения значений различных величин Отображение осуществляется световой полоской на шкапе, длина которой пропорциональна значению входной величины, Для формирования световой полосы используется тактированное сканирование индикационной структуры. Изобретение обеспечивает упрощение индикационной структуры и улучшение технологичности индикатора за счет построения индикационной структуры на основе линейной схемы на приборах с зарядовой связью, к которой подключены МДП- транзисторы и индикационные светодиоды, образующие отчетную 2 ил

20

Фиг.1

фиг. 2