Устройство для считывания оптической информации Советский патент 1981 года по МПК G11C13/04 

(54) УСТРШСТВО ДЛЯ СЧИТЫВАНИЯ ОПТИЧЕСКОЙ ИНФОРМАЦИИ

Изобретение огносигся к усгройсгвам счктьшания дискретной оптической инфор-; мации н может использоваться для построения многоканальных матричных фототфиемников оптоэлектронных запоминающих устройств. Известен базовый элемент для считывания оптической информации, на основе которого может быть построено многоканальное устройство для считывания оптиче ской информации. Этот элемент содержит фотоавод (ФД), подключенный ко входу операционнся о усилителя, охваченного необходимыми цепями отрицательной обратной связи. В результате действия отрицательной обратной связи в таком устройстве оказывается скомпенсированным негативное действие разброса характеристик как ФД, так и ОУ. Поэтому чувствительность такого устройства может быть очен высокой и достигать предельных значений определяемых флуктуационными шумами И Однако указанное устройство имеет ряд недостатков, которые связаны с тем, что ОУ является сложным электронным прибс ом, имеющим большое количество радиоэлектронных компонентов (более ЗО). Указанное обстоятельство приврдит, вопервьсс, к трудностям при конструировании многоканальных матричных устройств считывания оптической информации, что связано с необходимостью размещения большого числа ОУ в ограниченном объеме, определяемом размерами фотоприемного поля, во-вторых, к существенному повышению стоимости устройства. Известно устройство для считывания оптической информации, которое содержит фотоприемный блок, выполненный в виде матрицы светочувствительных триггеров, каждый из которых имеет входы стирания О и , вход опроса и парафазный В№ход, усилитель-формирователь, формирователь импульсов стирания, блок опроса триггере, выполненный в виде матрицы формирователей импульсов опроса, имеющий N входов выбора строк, М входов выбора столбцов, вход синхроимпульсов опроса и 14 «. А выходов, н блок упрявпения устройством, гумеюлшй j BbixofloB выбора строк, М выходов выбора сгопбцов, выход синхроимпупьсов сгираиия и выход синхроимпульсов опроса. В этом устройстве на один фогочувсгвительный элемент приходит ся существенно меньшее число радиоэлектронных компонентов. При этом благодаря tipcweccy регенеративного усиления в светочувствительном тригг-ере обеспечивается усиление фотоэлектрического сигнала, такж как в случае схемы фотодиод - операционный усилитель L23. Недостаток известного устройства заключается в том, что для получения высоко чувствительности требуется высокая степень идeнтичiiocти электрических параметров схемносимметричных радиокомпонентов схемы светочувствительного триггера. Если это требование выполняется, го чувствительность устройства может быть такой же высокой, как и у схемы ФД-ОУ, На практике трудно Достичь требуемой степени электрической симметрии, поэто му и чувствительность известного устрой1ства оказьюается существенно ниже предельно возможной. Цепь изобретения - повышение чувствительности устройства, Поставленная цель достигается тем, что в устройстве для считывания оптической информации, содержащем фотоприемный блок, выполненный в виде матрицы светочувствительных триггеров, каждый из которых имеет, входы стирания О и 1, вход опроса и парафазный выход, подключенный к входу усилителя-формиро:. вателя, формирователь импульсов стирания, блок опроса триггеров, выполненный в виде матрицы формирователей импульсов опроса, имеющий входы выбора строк, выбора столбцов, синхроимпупьсов опроса, выходы опроса, и блок управления, имеющий выходы выбора строк, выбора столбцов, выход синхроимпульсов опроса и выход синхроимпульсов стирания, вводится автоматическая настройка чувствительнос ти каждого светочувствительного триггер основанная на использовании импульсной отрицательной управляемой обратной связ В ходе такой настройки устройство обеспечивает определение величины и знака дополнительного заряда, который необходимо ввести в каждый светочувствительный триггер для компенсации заряда помехи, обусловленного неоднородностью электрических параметров радиокомпсжентов светочувствительного триггера. Для этого в устройство дополнительно введены блок суммирования, выполненный в виде магрииы элементов аналогового суммирования, блок памяти, выполненный в виде матрицы аналоговых накопительных элементов и блок записи, выполненный в виДе матрицы формирователей импульсов записи, при этом выходы одного элемента аналогового суммирования каждой строки матицы элементов аналогового суммирования подключены к входам стирания О светочувствительных триггеров, а выход каждого из остальных элементов аналогового суммирования подключен к входу стирания 1 соответствующего светочувствительного триггера, выходы каждого аналогового накопителя подключены к первому входу соответствующего элемента аналогового суммирования, вторые входы элементов аналогового суммирования подключены к вьрсоду формирователя импульсов стиряния, входы аналоговых накопителей подключены к соответствующим выходам формирователей импульсов записи, входы выборки строк и столбцов, входы разрешения суммирования, вычитания и записи исходной информации блока записи подключены к вькодам блока управления. На фиг. 1 приведена функциональная схема предлагаемого устройства; на фиг. 2 - схема реализации предлагаемого устройства. Устройство содержит светочувствительные триггеры 1 матричного фотоприемного блока, каждый из KOTqjbix имеет вход 2 стирания О, вход 3 стирания 1, вход 4 опроса, парафазный выход 5, элементы 6 аналогового суммирования матричного блока суммирования, при этом каждый элемент аналогового суммирования имеет два суммирующих входа и один выход, аналоговые накопительные элементы 7, формирователь 8 импульсов стирания, блок 9 опроса, имеющий N входов 10 выбора строк, М входов 11 выбора столбцов, вход 12 синхроимпульсов опроса и выходы 13 импульсов опроса, блок 14 записи, имеющнй входы 15 выбора строк, входы 16 выбора столбцов, вход 17 разрешения суммирования, вход 18 разрешения вычитания, вход 19 разрешения записи исходной информации и выходы импульсов записи, блок 21 управления, имеющий информационный вход 22, а также выход разрешения суммирования, выход разрешения вычитания, выход разрешения записи исходной информации, выход синхроимпульсов опроса, выход синхроимпульсов стирания, выходы выбора строк 58 и выходы выбора столбцов, усипитель-формнровагель 23. Устройство работает следующим образом. Имеется два чередующихся режима ра- боты усгройсгва. Первый режим - режим периодической настройки, второй - режим считывания оптическсй информации. Режим настройки отличается от режима считывания огоптической информации тем, что, во первых, на устройство не подается оптическая информация, и во-вторых, фи помо щи блоков 14 и 21 осуществляются опера ции По настройке всех светочувствительны триггеров 1 на максимальную чувствитель ность. В ходе этих операций осфеделяются энак и величина баланс фующего заряда, который необходимо ввести внутрь каждого светочувствительного тригг м для ком пенсации его собственных зарядов помех. Для фс)М1фования компенсирующего заряда используется зависимость величины заряда, вносимого в одно из плеч светочувствительного триггера во время вы полнения операции стирания, от амплитуды импульса стирания, подаваемого на соответствующий вход стирания. Для определе ния необходимого направления изменения амплитуды импульса стирания и, следовательно, направления изменения компенг-ирующего заряда используется зависимость логического значения сигнала (О или 1), создаваемого на выходе усилителяформирователя при опросе настраиваемого светочувствительного триггера, от знака эффективного заряда помехи, действующего внутри триггера. При этом амплитуда импульса стирания изменяется дискретно таким образом, чтобы дополнительный заряд, вносимый в светочувствительный триггер, частично компенсировал бы заряд помехи и тем самым приводил к изменению предпочтительного состояния триггера в сторону противоположного предпочтительного состояния. Такой результат может быть Достигнут соответствующим изменением амплитуды импульсов стирания как на входе 3 стирания , так и на входе 2 стирания О. Необходимая при этом отрицательная офатная связь между логическим значением сигнала на выходе усилителя-формирователя 23 и направлением изменения амплитуды импульса стирания обеспечивается блоком 21 управления. В начале режима настройки из блока 21 управления на вход 19 разрешения запкси исходной информации блока 14 записи поступает управляющий сигнбШ, ко 356 которому через выходы 20 разрещенця записи блоке 14 в общие для строка устройства аналсяхюые накопительные элементы 7 осушесгвдяется запись исходной информации. В результате устанавливается заданная величина амплитуды импульса стирания О на входах 2 стирания О всех свегочувств8телы1ых триггеров 1. Затем выпопняегся последовательность рабочих цтслов настройки устрЫ1ства. Каждый цикл состовг вз аоследовагельно вьшолняемых операций ст|фания, накопления эв ряда к опроса. Временные характеристики этих операций для режимов как настройки, так я считывания оптич ской информации .идентичны и типичны для устройства на светочувствительных триггерах. Во юмя операови стирания из блока 21 управления устрсАством на вход формирователя 8 стирания поступает синхроимпульс стирания. этом на вход 2 ст|фания О светочувствительных триггеров одной сгрсжи поступает импульс стирания, амплитуда которло является одинаковой для триггеров этой строки (величина амплитуды определена информацией, храним( в общем для этой строки аналоговом накопительном элементе 7). На вход 3 стирания каждого светочувствительного триггера поступает импульс стирания, амплитуда которого индивидуальна для этого светочувствительного триггера. Величина амплитуды определяется информацией, хранимся в соответствующем этому светочувствительному триггеру аналоговом накопительном элементе 7. В результате при стирании в каждый светочувствительный триггер вносится дополнительный компенсирующий заряд, величина и знак которого определяются величиной и знаком разности амплитуд импульсов стирания О и 1 на его входах стирания. В ходе после дунмдей -операции, происходит накопление в трвпггере электрического заряда. В режйМ настройки, когда информационный сигнал на оптических входах светочувствительных триггеров отсутствует, величина этого заряда определяется неоднорО1 ностью элементов схемы светочувствительного триггера и фпуктуационными щумамц. Затем следует операция опроса, в ходе которой из блока 21 управления устройством на входы Ю выбора стрсж н входы 11 выбора столбцов поступают сигналы, по которым осуществляется выбор опрашиваемого светочувствительного триггера, я по подаче на вход 12 синхроимпульсов опроса очередного синхроимпульса через вход 4 о{фоса в выбранный све 8гочувствнгельный подается ток о роса. В результате протекания гока огфоса в светочувствительном триггере начинает развиваться процесс регенеративного усиления. Направление развития этого процесса определяется величиной и знаком заряда помехи, имеющегося в светочувствительном триггере к моменту опроса. В результате развития регенеративного процесса в триггере происходит переключение тока опроса в одну из выходных шин парафазного выхода 5. Этот фак фиксируется усилителем-фс эмирователем 23, логический сигнал с выхода которого подается на информационный вход 22 бло ка 21 управления. В соответствии с логи ческим значением этого сигнала из блока 21 либо на вход 17 разрешения сумм рования, либо на вход 18 разрешения вычитания блока 14 записи поступает коман да, по которой информация, хранимая в аналоговом накопительном элементе 7, со ответствующем опрашиваемому светочувст вительному триггеру 1, изменяется на один дискретный шаг, выбор этого аналогового элемента осуществляется соответс венно тем номером входа 15 выбора стр ки и входа 16 выбора столбца блока 14 записи, на котфый поданы сигналы выбсра из блока 21. Так как входы 15 и 16вьйора блока 14 Попарно объединены с соответствующими входами 10 и 11 выбфа матричного блока 9 опроса, то выбор светочувствительного триггера 1 при опросе однозначно определяет и выбор соответствующего ему аналогового накопительного элемента 7 при настройке. Направление изменения информации в аналоговом накопительном элементе оп ределяется тем, по какому из входов 17или 18 блока 14 поступает разрешающий сигнал. В результате изменения информации в аналоговом накопительном элементе 7 изменяется и амплитуда импульса стирания на выходе элемента 6 аналогового суммирования, один из входов которого соединен с В1з1ходом этого аналогового накопительного элемента 7, а выход подключен к входу 3 стирания 1 настраиваемого светочувствительного триггера. Следовательно, изменяется и величина компенсирующего .заряда, вносимого в светочувствительный триггер при стирании. На этом заканчивается ОДИН ЦИКЛ работы рассматриваемого светочувствительного триггера в режиме настройки. Затем в соответствии с коман дами блока 21 управления выбирается следующий светочувствительный триггер. 58 Аналогичным образом выполняется опрос этого триггера и изменение информации в соответствующем ему аналоговом накопительном элементе. Работа устройства в режиме настройки продолжается до тех пор, пока в аналоговых накопительных элементах 7 не будет накоплена информация о таких величинах амплитуд импульсов стирания 1, при которых заряды помех во всех светочуиствительньос триггерах не будут скомпенсированы полностью (с точностью до шумового заряда). За критерий окончания настройки может быть принят факт изменения логического сизгнала, считываемсяго светочувствительным Триггером после очередного цикла настройки. /Цэугим критерием окончания настройки может служить факт выполнения достаточно большого наперед заданного числа цикло© настройки, т.е. светочувствительные триггеры, в которьк KOivfпенсация достигается раньше, будут при последующих циклах настройки колебаться вблизи положения максимальной чувствительности. Как в том, гак и в случае при достаточно малом шаге настройки уровень чувс1вительности схемы определяется уровнем флуктуационных шумов. В связи с изменением эксплуатационных условий и возможным несовершенством длительного хранения информации в аналоговых накопительных элементах 7, в результате чего могут нарушиться условия компенсации зарядов, режам настройки периодически повторяется. Практическая реализация предлагаемого устройства может быть осуществлена по схеме, приведенной на фиг. 2. В этсй схеме каждый элемиат 6 аналсгового суммирования выполнен . на резистс е 24 и полевом траизисторе 25, причем первый вход элемш та аналогового суммчования офазован выводом соответствующего резйстфа 24, вт1орсй вход элемента 6 аналогового суммирования образован затвором соответствующего полевого rpaK3HCTqpa 25, выход элемента 6 аналогового суммирования образован точкой соединения втсфого вывода резистора 24 и ст(жа полевого транзистсфа 25, , входящих в состав элемента 6, истсжи полевых транзисторов 25 всех элементов 6 аналогового суммирования объединены и подключены к общему для устройства дополнительному источнику напряжения. Каждый аналетговьй накопительный элемент 7 выпога€ен на конденсатqje 26, причем первая обкладка 27 ксжденсатора 26 является одновременно входом запи9си н выходом соотвегствующего аналогового накопительного элемента, а вгорые обкладки ксмденсагоров всех аналоговых накопигельных элементов, входящих в состав одной строки устрсАства, объединены и подключены к дополнительной шике 28 управления записью этой строки устройства. Матричный блсж 9 оп роса построен на переключателях 29 тока,число которых равно числу строк в устройстве, каждый переключатель 29 то ка вьтолнен на бипопярных транзисторах с проводимостью п-Р-п -типа по схеме с объединенными эмиттерами и разделенн ми коллекторами, причем число транзисто ров (каналов переключения тока) в каждом переключателе 20 тока на два (тревы шает число столбцов в устройстве. Блсж 14 записи посгроен на переключател$1Х 3 тока, число которых равно числу строк в устройстве, и насыщенных ключах по одно му на каждый переключатель 30 тока, пр этом переключатель ЗО тока блока 14 за писи аналогичен переключателю 29 тока матричного блока 9, но coaqiiKHT на один транзистор (один канал переключения) бо льше, каждый насыщенный ключ бдсжа уп равления записью вьтолнен на соответств ющем биполярном транзисторе 31 с проводимостью -типа и на токозадающем резисторе 32, подключенном одним своим выводом к базе р-п-р транзистора 3 Устройство, построенное по схеме, пр веденной на фиг. 2, работает следующим образом. S- Полевой транзистор 25 каждого элемента 6 аналогового суммирования задает ток через включенный в ыепь его стока резистор 24. Величина этого тока определяется напряжением на конденсаторе 26. При стирании падение напряжения на резисторе 24, создаваемое током полевого транзистора 25, вычитается из напряжения формирователя 8 стирания, и в результате эффективное напряжение стирания, действующее на входное стирание 1 светочувствительного триггера, сжазывается зависящим от напряжения rta каиденсатс зах 26 соответствующего аналог вго накопительнсго элемента 7, а напряжение на входах стирания О всех светочувствительных трипперов зависит от напряжения на конденсаторе 26 общего для строки устройства аналогового накопительного элемента 7. Таким офазом, изменяя заряд, хранимый в аналоговых накопительных элементах 7, оказывается возможным изменять нагфяжение 35 на затворе в токи стока полевых транзвоTi oB 25 и эффективно управлять величвной к м 1пексирующего заряда, вводимого в светочувствительные триггеры. По сравнению с вэвестными предлагаемое устройство имеет более высокий урсжень чувствительности базового зарядочувствительного элемента - светочувствительното триггера к энергии принимаемого оптического сигнала, при этом возможно даже увеличение допуска на рвэброс параметров входящих в состав светочувствительного триггера компсжентов; более высокий уровень чувствительности базового зарядочувствительнся о элемента - светочувствительного триггера к мопшости оптического информационного сигнала; устойчивость к изменению параметров элементов в результате их естествен кого старения и изменения условий эксплуатации, так как заряды помех, возникающих при этом, компенсируются в процео се настрс ки. Кроме того, предлагаемое устройство имеет меньшее число компонентов по сравнению с устройством, построенным по схеме фотодиод-операционный усилитель. Предлагаемое устройство может бъ1ть применено для исследования динамики изменения оптических информационных изоб ражений во времени и пространстве. Для этого необходимо режим настройки устройства выполнять совместно с подачей на него оп- ического информацисмного изображения. При этом оптическая информация, подаваемая на устройство, воспринимается как сигнал помехи. В процессе настройки устройство адаптируется к подава-. емому на него изображению и перестает воспринимать его как полезный сигнал. В результате при последующем режиме считывания оптической информации устройство регкстрщ)ует лишь изменения в подаваемой на него информационной картине. УкаЗ.шое «фименение предлагаемого устройства может быть полезным не только в вычислительной технике, но также и в других областях связанных с обработкой оптической «{формации. Формула изобретения ycTpcrftcTBO для считывания оптической информации, содержащее фотоприемнъй блсж, выпопненюай в виде матрицы, светочувствителы1ых тр1.тггеров, парафазные вь ходы которых подключены к усилитегооформироватепю, блсж опроса триггеров. 118 выполненный в виде матрицы ффмироватеяей импульсов огфоса, выход канадого из когорых подключен к входу опроса соогветствующегч) свегочувсгвигельного триггера, формирователь импульсов стирания и блок управления, вход которого соединен с выходом усилителя-формирователя, выход синхроимпульсов, выходы выбсрки столбов и строк блока управления подключоны к формирователю импульсов опроса, выход стирания блока управления подключен к блоку формирования импульсов стирания, отличающееся тем, что, с целью повышения чувствительности, в него введены блок суммирования, выполненный в виде матрицы элементов аналогового суммирования, блок памяти, выполненный в виде матрицы аналоговых накопителей и блок записи, выполненный в виде матрицы формирователей импульсов записи, причем выходы одного элемента аналогового суммирования каждой строки матрицы элементов анался ового суммирования подключены к входам стирания О светочувствительных триггеров, а выход каждо35го из остальных элементов аналогового суммирования подключен к входу стирания 1 соответствующего светочувствительного триггера, выход каждого аналогового накопителя подключен к первому входу соответствующего элемента аналогового суммирования, вторые входы элементов аналогсжого суммирования подключены к вьсхоДУ формирователя импульсов стирания, входы аналоговых накопителей подключены к соответствующим выходам формирователей импульсов записи, входы выборки строк к столбцов, входы разрешения сумм1фсюания, вычитания и записи исходной информации формирователей импульсов записи подключены к выходам блока управления. Источники инфсфмации, принятые во внимание при экспертизе 1.Рутковский Д. Интегральные оп ациснные усилители. М., Мир, 1978, с. 310. 2.Авторское свидетега ство СССР N 653625,кл.С 11 С 11/42, 1976 (прототип).

л

м