Шкальный индикатор Советский патент 1992 года по МПК G01D7/00 

1

(21)4843480/10 (22) 18.06.90 (46)07.10.92. Бюл. № 37

(71)Винницкий политехнический институт

(72)А.Т.Теренчук, Б.М.Ковальчук и В.В.Бур- ковский

(56)1. Известия вузов СССР - Приборостроение, 1983, № 10, с. 81--85.

2.Известия вузов - Приборостроение, 1983. N: 5. с. 67-73.

3.Авторское свидетельство СССР № 1647262. кл. G 01 F 7/00, 1989.

(54) ШКАЛЬНЫЙ ИНДИКАТОР

(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 о тактированном распространении возбуждения по ячейкам структуры, каждая из которых содержит индикационный свето- диод и тиристор. Отсчетное устройство выполнено на основе интегральной тиристорно-полевой структуры, представляющей собой интегральную линейку тиристоров, между которыми имеется управляемая полевая связь. Построение отсчетного устройства на основе тиристорно- полевой структуры обеспечивает его упрощение и повышение технологичности индикатора. 3 ил.

4S

Ё

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 нейри- стора (Гурин Н.М. Шкальный индикатор напряжения на основе светоизлучающего нейристора. - Изв. вузов СССР - Приборостроение. 1983. № 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 светоизлучагащий нейристор,

первый вход которого соединен с выходом генератора импульсов запуска, а второй - с выходом ключевого элемента; светоизлуча- ющий нейристор содержит п тиристорных оптронов, светодиод первого из которых соединен с выходом генератора импульсов запуска и оптически связан с перв ым фототиристором, анод фототиристора каждого оптрона соединен с катодом светодио- да следующего оптрона, п светодиодов. каждый из которых подключен анодом к катоду одного из фототиристоров, катоды всех светодиодов соединены с отрицательной выходной шиной амплитудно-временного преобразователя, (п-1) резисторов и (п-1) конденсаторов, соединенных попарно-параллельно, первые выводы которых соединены с анодом светодиода каждого оптрона за исключением первого, вторые выводы всех резисторов и конденсаторов соединеVIOs VI CJ СА) Ю

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 светоизлучающих диодах. - Изв. вузов СССР. Приборостроение, 1983, № 10, с. 81-85), содержащий п каскадно соединенных переключателей тока, состоящих из двух транзисторов с соединенными эмиттерами, п светодиодов, соединенных с соответствующими переключателями токов, п последовательно - согласно включенных полупроводниковых диодов, анод каждого из которых подключен к базе первого транзистора переключателя тока, делитель напряжения, состоящий из п резисторов и п полупроводниковых диодов, выводы которого- соединены с соответствующими пере- к ючателями тока, три источника .постоянного 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. Ns 1647262), содержащий амплитудно-временной преобразователь (АВП), вход которого является входом устройства, формирователь импульса и элемент 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 п ячеек, тактовые входыiкоторого

подключены к выходам формирователя тактовых импульсов, п МДП-транзисторов, затворы которых соединены с плавающими электродами соответствующих ячеек ЛПЭ С,

истоки - с шиной нулевого потенциала, п светодиодов, образующих отсчетную шкалу, катоды которых соединены со стоками соответствующих МДП-транзисторов, а аноды через резистор подключены к поло0 жительной шине питания, первый управляющий вход ЛПЗС соединен с выходом формирователя импульса, а выход элемента задержки через инвертор и преобразова- . тель уровня напряжения соединен со вто5 рым управляющим входом ЛПЭС.

Недостатками этого устройства являются: 1) сложность, обусловленная сложностью индикационной ячейки, которая содержит ячейку ЛПЗС (МДП-конденсатор),

0 МДП-траизистор и светодиод; 2) неоднородность ячейки, обусловленная ее сложностью и приводящая к сложности технологии изготовления индикационной структуры, которая должна совмещать довольно разно5 родные технологические процессы изготовления ПЭС-структуры, выращивания на ней МДП-транзисторов и затем на них - светодиодов.

Целью изобретения является повыше0 ние технологичности индикатора и упрощение его индикационной структуры.

Указанная цель достигается тем, что в шкальный индикатор, содержащий п индикационных светодиодов, образующих от5 счетную шкалу, амплитудно-временной преобразователь (АПВ), вход которого является входом устройства, токоограничитель- ный резистор, подключенный к положительной шине питания, формирова0 тель 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 импуль5 сов, дополнительно введены второй и третий токоограничительные резисторы, тиристорно-полевая структура, представляющая собой интегральную линейку тиристоров, между которыми имеется управляемая

0 связь, которые соединены с индикационными светодиодами, и в состав формирователя тактовых импульсов введены первый, второй и третий формирователи импульсов и два элемента 2И-НЕ.

5 Сущность изобретения состоит в том, что отсчетное устройство индикатора построено на основе линейной тиристорно-по- левой структуры с управляемой связью между соседними тиристорами структуры, о которой реализуется последовательное тактирование распространение возбуждения по ячейкам структуры. Использование данной структуры обеспечивает простое строение ячейки, в которую входят только тиристор и светодиод. Такое строение ячей- ки обеспечивает ее схемотехническую и технологическую однородность, что позволяет упростить технологию изготовления структуры и за счет этого получить ее удешевление it повышение выхода годных изделий.

Анализ научно-технической и патентной литературы показывает, что реализация отсчетного устройства индикатора на основе интегральной тиристорно-полевой структуры является отличием заявляемого технического решения от аналогичных объектов, причем то отличие является существенным, т.к. не встречается в других объектах и обеспечивает достижение положительного эффекта. Действительно, от- счетное устройство на основе интегральной линейной структуры с последовательным тактированным распространением ёозбуж- дения используется в шкальном индикаторе (авт.св. № 1647262 - прототип), в котором в отличие от заявляемого, отсчетное устройство построено на линейке приборов с зарядовой связью, что обусловливает более сложное строение и дикационной ячейки (ПЗС-ячейка, МДП-транзистор и светодиод), ее технологическую неоднородность и соответственно сложность технологии изготовления. Индикационная структура на тиристорах используется в оптоэлектрон- ных шкальных индикаторах )а с. N; 1242837, N2 1275299. № 1432412, № 1506362), в которых, в отличие от заявляемого, связи между индикационными ячейками являются оптическими, что требует использования дополнительных светодиодов связан с создания оптических связей между ячейками, что связано с большими технологическими трудностями. Таким образом, заявляемое техническое решение соответствует критерию существенные отличия.

На фиг. 1 приведена функциональная схема шкального индикатора; на фиг. 2 - временные диаграммы, поясняющие работу устройства; на фиг 3 - строение индикационной структуры устройства.

Устройство содержит амплитудно-временной преобразователь (АВП)1, генератор импульсов 2, формирователь управляющих сигналов 3, счетный триггер 4, формирователь импульсов 5, элементы И6 и 7, преоб- разователи уровня напряжения 8 и 9, тиристор запуска 10 отсчетное устройство 11, выполненное в виде размещенных последовательно индикационных ячеек 12,- 12П, каждая из которых образована

тиристором 13 и индикационным светодио- дом 14, формирователи импульсов 15 и 16, элементы И-НЕ 17 и 18, первый 19, второй 20 и третий 21 резисторы. Вход АВП2 соединен со входной шиной устройства, к выходу АВП1 подключены вход сброса триггера 4, катод тиристора запуска 10 и вторые входы элементов И-НЕ 17 и 18. Выход генератора импульсов 3 соединен со счетным входом триггера 4 и входом формирователя импульсов 5. Инверсный и прямой выходы триггера 4 соединены соответственно со входами формирователей импульсов 15 и 16ч1 с первыми входами элементов И 6 и 7, вторые входы которых подключены к выходу формирователя импульсов 5. Выходы формирователей импульсов 15 и 16 соединены с первыми входами элементов 17 и 18 соответственно. Выходы элементов И 6 и 7соединены с первыми входами преобразователей уровня напряжения 8 и 9 соответственно, вторые входы которых подключены к отрицательной шине питания -Е. Управляющий электрод тиристора запуска соединен с отрицательной шиной питания -Е. через резистор 19. а анод - через резистор 20 с положительной шиной питания +Е. Тиристор запуска 10 и тиристоры 13 ячеек выполнены в виде тиристорно-полевой структуры, в которой тиристор запуска 10 расположен против тиристора 13 первой ячейки 12, отсчетного устройства. Аноды тиристоров 13 индикационных чеек 12,-12„ соединены с положительной шиной питания +Е через резистор 21 В каждой индикационной ячейке 12 катод тиристора 13 соединен с анодом индикационного св етодиода 14 Катоды индикационных светодиодов 14 нечетных ячеек подключены к выходу элемента И-НЕ 18, а четных ячеек- к выходу элемента И-НЕ 17. Управляющие электроды тиристоров 13 нечетных ячеек соединены с выходом преобразователя уровня напряжения 9, а четных - с выходом преобразователя уровня напряжения 8 Оптические выходы светодиодов 14 ячеек образуют шкалу отсчетного устройства.

Отсчетное устройство (фиг. 3) выполнено на основе тиристорно-полевой структуры и представляет собой линейку интегральных тиристоров, сформированных в полупроводниковой структуре п-типа. Сформированная в пластине р+-область является р - -эмиттером для всех тиристоров структуры. На р- --о5ласти выполнены металлические электроды запускающего тиристора 10 и тиристоров 13|-13П, от которых выполнены их анодные выводы. Катодный вывод тиристора запуска 10 выполней от металлического электрода 29 на п-эмиттере этого тиристора. На 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 катодные выводы этих тиристоров, соединенные с анодами соответствующих индикационных светодиодов 14. Между соседними тиристорами 13i и 13i+i имеются металлические управляющие электроды 30, изолированные от полупроводниковой пластины слоем диэлектрика. Управляющие электроды 30 перекрывают р- базы соседних тиристоров 13i и 13н-1.

Индикатор работает следующим образом.

При отсутствии входного напряжения на выходе АВП1 имеется нулевое напряжение, которое, воздействуя на вход сброса триггера 4, поддерживает его о нулевом состоянии и, поступая на катод тиристора запуска 10. поддерживает его в открытом состоянии. Нулевое 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 Т0 (фиг, 2а).

Амплитудно-временной преобразователь 1 выполняет преобразование входной величины (напряжения) в длительность временного интервала, т.е. осуществляет ши- ротно-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. 26), длительность tx которого пропорциональна величине Vx

tx - kVx

О)

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 Т0 (фиг. 2в,г). Формирователь импульсов 5 вырабатывает

по переднему фронту каждого поступающего на его вход импульса генератора 2 прямоугольный импульс напряжения высокого уровня, длительность которого равна Гу

(фиг. 2д). Выходные импульсы формирователя 5 поступают на вторые входы элементов И б и 7, на первые входы которых поступают импульсы с инверсного и прямого выходов триггера 4. При этом четные импульсы формирователя 5 проходят на вход элемента И 7, а нечетные - на выход элемента И б, откуда они поступают на первые входы преобразователей уровня напряжения 8 и 9 со- ответственно.

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

4 поступают также на входы формирователей импульсов 15 и 16 соответственно, которые по передним фронтам входных импульсов вырабатывают прямоугольные импульсы напряжения низкого уровня длительностью Гф, 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

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

катоды индикационных светодиодов 14 ячеек 12.

Таким образом, с началом выходного импульса АВП1 под действием первого импульса генератора 2 триггер 4 переключается в единичное состояние, на выходе элемента И-НЕ 17 появляется импульс напряжения высокого уровня длительностью поступающий на катоды соетодиодов 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 гу. поступающий отсюда на управляющие электроды тиристоров 13 нечетных, ячеек 12, Под действием этого импульса за смет связи между тиристором запуска 10, который был открыт во время паузы импульсов АВП1, и соседним с ним тиристором 13 первой ячейки 12i, тиристор 13i 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. Ячейка12( остается в возбужденном состоянии о течение осего премени, пока на выходе элемента И-НЕ 18 сохраняется нулевое напряжение. При поступлении второго импульса генератора 2 происходит переключение триггера Л 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 эле- мента И-НЕ 18 появляется импульс высокого напряжения длительностью Тф, поступающий на катоды светодиодов 14 нечетных ячеек 12, на выходе элемента И-НЕ 17 в это время сохраняется нулевое напря- жение. При этом возбуждение с открытого тиристора 13 ячейки 121 передается на тиристор 13 ячейки 21д, и он открывается (т.к. на катоде светодиода 14 этой ячейки в это время имеется нулевое напряжение с выхо- да элемента И-НЕ 17). Ячейка 12г возбуждается и остается открытой до начала следующего такта. В это время импульс напряжения высокого уровня с выхода элемента И-НЕ 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 tx выходного импульса АВП1, так что количество пх воз- будившихся за время tx ячеек равно

Пх

tx

/ 2

где То - длительность такта;

. - целая часть числа.

Таким образом, число возбудившихся ячеек пропорционально величине входного напряжения Кх, и за время т световое пятно перемещается по шкале отсчетного устройства на расстояние, пропорциональное напряжение Ux. Если частота следования импульсов АВП1 выше критической частоты человеческого зрения (txmax 20 мс), то тра- ектория светового пятна на шкале воспринимается как непрерывная немсрцающая полоска.

По окончании выходного импульса АВП1 на его выходе устанавливается нуле- вое напряжение, и индикатор переходит в исходное состояние: триггер 4 установлен в нулевое состояние, тиристор Ю 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 тиристорно-полевой структуры, строение которой изображено на фиг. 3. Распространение возбуждения в такой структуре обеспечивается механизмом взаимодействия близко расположенных интегральных тиристоров, имеющих общую n-базу и р+-эмиттер. Этот механизм состоит в том, что, если два тиристора имеют общую n-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 электроды тиристорной структуры, вызывают возникновение индуцированной 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 Ту импульсов формирователя 5 должна быть больше времени развития процесса включения тиристора и меньше времени включения тиристора

ТвыклГвыкл Ту Т окл

(3)

40

б) длительность выходных импульсов формирователей 15 и 16 должна быть не менее времени выключения тиристоров

Тф 5: Т выкл

(4)

в)период следования Т0 импульсов генератора 2 должен быть больше времени выключения тиристоров Гоыкл и составлять;

То - Тоыкл ТИНА ЕВЫКЛ (5)

гдо Тинд время пребывания ячейки в возбужденном состоянии;

г)длительность паузы tn выходных импульсов АВП1 должна быть больше время выключения тиристоров

Тп 2: Тоикя (6)

д) длительность импульса формирователя 5 должна быть меньше длительности импульсов формирователей 17 и 18

Ту Гф

(7)

Построение 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 технологически отсчетного устройства за счет хорошей технологической совместимости элементов индикационных ячеек и возможность создания интегрального отсчетного устройства.

Формула изобретения Шкальный индикатор, содержащий амплитудно-временной преобразователь; соединенный входом с входной шиной и подключенный выходом к входу сброса триггера, подсоединенного счетным входом к выходу генератора импульсов и соединенного прямым и инверсным выходами с первыми входами соответственно первого и второго элементов И. подключенных выходами « первым входам соответственно первого и второго преобразователей уровня напряжения, отсчетное устройство, выполненное в виде размещенных последовательно индикационных ячеек, каждая из которых снабжена индикационным светодиод ом, резистор, подсоединенный первым выводом к положительной шине питания, формирователь импульсов и отрицательную шину питания, отличающийся тем, что, с целью повышения технологичности шкального индикатора и упрощения отсчетного устройства, в шкальный индикатор введены тиристор запуска, подсоединенный анодом к второму выводу резистора, соединенный катодом с выходом амплитудно-оре- менного преобразователя и расположенный против первой из ячеек отсчетного устройства, каждая из которых снабжена тиристором, первый и второй дополнительные формирователи импульсов, подсоединенные входами соответственно к прямым и инверсным выходам триггера, первый дополнительный резистор, соединенный первым выводом с отрицательной шиной питания, к которой подключены вторые входы первого и второго преобразователей уровня напряжения, второй дополнитель- ный резистор, соединенный первым выводом с положительной шиной питания, и первый и второй элементы И-НЕ, причем тиристор запуска и тиристоры ячеек отсчет- ного устройства выполнены с виде тиристорно-полевой структуры, второй вывод

первого дополнительного резистора соединен с анодами тиристоров ячеек отсчетного устройства .выходы первого и второго дополнительных формирователей импульсов подключены к первым входам соответственно.первого и второго элементов И-НЕ, соединенных вторыми входами с выходом амплитудно-временного преобразователя, формирователь импульсов включен между выходом генератора импульсов и вторыми

входами первого и второго элементов И. в каждой нечетной ячейке отсчетного устройства индикационный светодиод подключен катодом в выходу первого элемента И-НЕ и соединен анодом с катодом тиристора, подсоединенного управляющим электродом к выходу первого преобразователя уровня напряжения, а в каждой четной ячейке отсчетного устройства индикационный светодиод подключен катодом к выходу второго элемента И-НЕ и соединен анодом с катодом тиристора, подсоединенного управляющим электродом к выходу второго преобразователя уровня напряжения.

о

л

п

f

(О

п пп п

1767339 о

пппппппп

П П... nllfn П П П П-Л П П П П Л .t

и

и

9ъ.г

ю Рт1 з,г«гг-5,

& .r; :: я гст:гг трт1кг 2ГЖ77гзш - :

fiii

JM

ппп

л

i о

п

- t

i1 r

«

в

и

и

U

и

I