UNIVERZA V LJUBLJANI FAKULTETA ZA ELEKTROTEHNIKO

PRIKAZ DIGITALNIH VREDNOSTI

Seminarska naloga pri predmetu Merilni pretvorniki

Ljubljana 2011

Študenta: Kavšek Matej

Peter Kulovec Mentor: doc. dr. Peter Zajec

MERILNI PRETVORNIKI

2

Kazalo 1.0 Uvod: ........................................................................................................................................... 3

2.0 Zgodovina razvoja optičnih prikazovalnikov.................................................................................. 3

2.1 Razvoj tekočih kristalov ................................................................................................................. 3

2.2 Razvoj LED prikazovalnikov............................................................................................................ 4

3.0 Pogoji uporabe.................................................................................................................................. 4

4.0 Optični prikazovalniki ........................................................................................................................ 5

4.1 LED prikazovalnik ........................................................................................................................... 5

Slika 4.1.1 Svetleče LED diode .......................................................................................................... 5

Slika 4.1.2 Sedem segmentni LED prikazovalnik ............................................................................... 5

Slika 4.1.3 Razporeditev LED segmentov........................................................................................... 6

4.2 LCD prikazovalnik .......................................................................................................................... 6

Slika 4.2.1 Zgradba LCD ................................................................................................................... 7

Slika 4.2.2 Ponazoritev prehajanja svetlobe .................................................................................... 8

4.3 TFT prikazovalnik.............................................................................................................................. 9

Slika 4.3.1 Ponazoritev delovanja TFT prikazovalnika ....................................................................... 9

4.4 Prikazovalnik na osnovi plazme ................................................................................................... 10

Slika 4.4.1 Izvedba matrične strukture ........................................................................................... 10

Slika 4.4.2 Ponazoritev načina delovanja....................................................................................... 11

4.5 Elektro luministični prikazovalnik................................................................................................. 11

Slika 4.5.1 Izvedba matrične strukture .......................................................................................... 12

Slika 4.5.2 Praktična izvedba prikazovalnika v preseku .................................................................. 12

5.0 Mehanski prikazovalniki .................................................................................................................. 13

Slika 5.1 Mehanski prikazovalnik na železniški postaji .................................................................... 13

Slika 5.2 Mehanski prikazovalnik na bencinski črpalki .................................................................... 14

6.0 Viri in literatura:............................................................................................................................... 15

MERILNI PRETVORNIKI

3

1.0 Uvod:

Prikazovalnik (display) omogoča pretvorbo kodiranih električnih signalov v človeku razumljivo obliko, v obliki desetiškega številčnega zapisa, v obliki teksta, v grafični podobi ali pa na simbolnem nivoju. Prikazovalniki služijo v merilni tehniki za prikaz vrednosti merilnih rezultatov in se nahajajo na koncu merilne proge.

2.0 Zgodovina razvoja optičnih

prikazovalnikov

2.1 Razvoj tekočih kristalov

Med leti 1850 in 1888 je veliko število znanstvenikov s področja biologije, kemije, medicine in fizike opazilo "čudno" obnašanje nekaterih materialov ob segrevanju pri prehodu iz trdnega v tekoče stanje. Tako je W. Heintz leta 1850 ugotovil, da se trdni stearin ob segrevanju pri 52°C stopi v motno tekočino, se pri 58°C pretvori v neprozorno tekočino in nato pri 62.5°C v popolnoma prozorno tekočino. Biologi Virchow, Mettenheimer in Valentin so opazili anizotropične optične lastnosti živčnih vlaken raztopljenih v vodi ob osvetlitvi s polarizirano svetlobo. Do takrat so takšne optične lastnosti izražali le kristali.

Prvi sintetični tekoči kristal sta izdelala Gatterman and Ritschke leta 1890 in sicer je bil to p-azoksianizol. Zatem je bilo sintetiziranih več različnih materialov, tako da lahko sedaj izdelamo tekoče kristale z vnaprej določenimi lastnostmi.

Na začetku 20. stoletja je George Freidel prvi opazil orientacijski efekt električnega polja na tekoče kristale in tudi defekte v tekočih kristalih. Leta 1922 je predlagal razvrstitev tekočih kristalov glede na ureditev molekul v različnih materialih ob različnih temperaturah: nematična, smektična in holesterolična faza. Ta shema se uporablja tudi danes.

Od začetka druge svetovne vojne pa do okoli 1958 so znanstveniki menili, da so odkrili že vse v zvezi s tekočimi kristali in so skoraj opustili razvoj, češ da niso preveč uporabni. Celo v učbenikih so bili tekoči kristali le skromno obdelani. Okoli 1960 so ugotovili, da električno polje spremeni urejenost molekul tekočih kristalov, a so bili takrat izdelani prikazovalniki relativno nestabilni, dokler niso uporabili materiala bisfenil. Leta 1968 so raziskovalci iz podjetja RCA prvič predstavili delujoč LCD zaslon. Od takrat naprej pa je razvoj LCD zaslonov doživel nepretrgano eksponentno rast.

MERILNI PRETVORNIKI

4

2.2 Razvoj LED prikazovalnikov

Prve LED diode so se pogosto uporabljale kot nadomestek za svetila in kazalce. Sedem segmentni prikazovalniki so se najprej vgrajevali v drago opremo, kot so laboratorijski testerji opreme in elektronike, kasneje v naprave kot so televizorji, radijski sprejemniki, telefoni, kalkulatorji in ure. LED diode so na trg prišle leta 1962 kot praktična elektronska komponenta. Druga razvita,za infrardečo LED diodo je bila rdeča LED diode. Rdeča LED diode je bila dovolj svetla le za uporabo signalizacije, ni pa bila dovolj močna za osvetlitev območja. Ko je LED tehnologija materiala postala bolj napredna,so se LED diode začele množično uporabljati za sedem segmentne prikazovalnike in osvetlitev za različne aplikacije,kot so luči in druge svetlobne napeljave.

3.0 Pogoji uporabe

Glede na potrebe kompleksnosti prikaza (številke, črke, barvni prikaz, simboli,…), na način opazovanja, potrošnjo energije in podobne zahteve lahko izbiramo med izvedbami, ki se razlikujejo po specifičnih lastnostih. Glede na vsebino prikaza lahko ločimo univerzalne prikazovalnike, ki večinoma lahko sporočajo le številke in črke ter prikazovalnike po posebnem naročilu, ki omogočajo še najrazličnejše druge znake (custom design) npr. pri videorekorderjih, fotokopirnih strojih, itd. Vendar se v novejšem času vse bolj uporabljajo standardni matrični prikazovalniki s pomočjo, pri katerih je mogoče na podlagi ustrezno napisanega programa kreirati najrazličnejše oblike prikaza. Takšni prikazovalniki imajo že vgrajene pripadajoče prekodirnike in so zelo primerni za prototipno delo ali pri manjših serijah naprav. Pogosto jih srečamo na elektronskih glasbenih instrumentih (npr. prisynthesizerjih), medicinskih aparatih, PPK krmilnikih in drugje. Najpogosteje delujejo na bazi tekočih kristalov ali pa kot prikazovalniki na osnovi plazme. LED prikazovalniki se zaradi velike porabe energije uporabljajo tam, kjer je potrebna velika svetilnost.

MERILNI PRETVORNIKI

5

4.0 Optični prikazovalniki

4.1 LED prikazovalnik

LED prikazovalnik je zgrajen na osnovi svetlečih LED diod. Svetleča dioda je polprevodniški elektronski element. Njene električne karakteristike so podobne navadni polprevodniški diodi s to razliko, da kadar prevaja tok sveti. Razlikujejo se po barvi, velikosti, obliki in električnih karakteristikah. Svetloba, ki jo oddajajo ima valovno dolžino v ozkem pasu. Modro barvo so uspeli dobiti šele pred nekaj leti.

Slika 4.1.1 Svetleče LED diode

Številčni ali črkovni modul je sestavljen iz vsaj sedmih LED diod, katere so opremljene z difuzorji in ustrezno razmeščene po segmentih tako, da glede na potrebno kombinacijo predstavijo ustrezno številko oz. črko. Bistvena prednost pred ostalimi je v veliki svetilnosti in možnosti uporabe v vseh pogojih.

Slika 4.1.2 Sedem segmentni LED prikazovalnik

MERILNI PRETVORNIKI

6

Slika 4.1.3 Razporeditev LED segmentov

S pomočjo antiparalelne vezave LED diod dveh barv je možno s spremembo polaritete spremeniti tudi barvo prikaza.Seveda je možno še multipleksirani obeh ali impulznoširinsko napajanje (PWM) , kar omogoča vmesne barvne kombinacije. Za večmestni prikaz se večinoma uporablja multipleksiranje posameznih mest, kar omogoča da lahko uporabimo samo en prekodirnik in še bistveno znižamo porabo energije. Ločimo Izvedbe s skupno anodo -CA in izvedbe s skupno katodo -CK, kar je potrebno upoštevati pri izbiri prekoderjev.

4.2 LCD prikazovalnik

LCD prikazovalniki spadajo med najbolj razširjene saj jih odlikuje nizka poraba energije in cenena izvedba. Delovanje temelji na osnovi lastnosti tekočih kristalov, da se pod električno napetostjo zavrtijo v določeno smer in na ta način omogočijo oz. preprečijo pot zunanje svetlobe. Ker so posamezni segmenti v obliki elektrod, se glede na prisotno napetost posamezni segmenti zatemnijo oz. osvetlijo od svetlobnega vira v ozadju (npr. pri avtomobilskem sprejemniku). Tekočina s tekočimi kristali se nahaja med dvema steklenima ploščama , kateri sta znotraj prevlečeni s prozornimi metaliziranimi plastmi v obliki segmentov. Normalno področje delovanja je od –15°C do 80°C.

MERILNI PRETVORNIKI

7

Slika 4.2.1 Zgradba LCD Značilne vrednosti za 4-mestni LCD so sledeče: • Delovna napetost……..8VAC

• tok……………………6µA • čas nastavitve…………150msec • čas povratka…………..350ns • življenska doba……….50000ur Na sliki desno je ponazorjeno delovanje LCD prikazovalnika. Na notranji strani steklenih plošč so prozorne elektrode v obliki simbolov ali pa matričnih točk. Na površini teh elektrod je žlebasta struktura, ki je glede na medsebojno lego premaknjena za 90° .Tekoči kristali, ki se nahajajo v tekočini med ploščama se postavijo ob elektrodah vzporedno v žlebasto strukturo. Glede na to, da sta plošči ena na drugo zasukani za 90°, se molekule postavijo v obliko zavitih stopnic. Na zunanjih površinah steklenih plošč sta polarizacijska filtra 2,7. Zunanjo nepolarizirano svetlobo gornji filter polarizira in tako polarizirano molekule toliko zavrtijo, da lahko na spodnji strani skozi polarizator izstopi. Takšen LCD je normalno prepusten.

MERILNI PRETVORNIKI

8

V primeru prisotne napetosti se molekule postavijo v vrsto, kar polarizirani svetlobi onemogoči izhod in nastane kontrast v obliki elektrode. V primeru premika obeh plošč skupaj s polarizatorji za 90°, bo učinek ravno nasproten: v breznapetostnem stanju bo nepropustno, v napetostnem pa propustno za svetlobo, ki prihaja v tem primeru iz ozadja.

Slika 4.2.2 Ponazoritev prehajanja svetlobe

MERILNI PRETVORNIKI

9

4.3 TFT prikazovalnik

Za TFT (Thin Film Transistor) prikazovalnik je značilno, da je vsaka slikovna točka aktivno krmiljena preko tranzistorja na zadnji elektrodi. Glede na vsebino slikovnega signala se za vsako vrstico vzporedno krmili še ustrezen stolpec, ki preko vzporednega tranzistorja napolni pripadajoči kondenzator na temensko vrednost videosignala. Čas praznjenja kondenzatorja je približno 10-krat večji od ponovitve signala, kar omogoča mirno neutripajočo sliko.

Slika 4.3.1 Ponazoritev delovanja TFT prikazovalnika

MERILNI PRETVORNIKI

10

4.4 Prikazovalnik na osnovi plazme Svetlobne točke nastanejo na osnovi plinske razelektritve. Krmilne elektrode so v matrični obliki v razmaku 0,1mm. Plošča z luknjicami, v katerih je Neon ali Xenon služi tudi kot vmesni izolator. Pri dovolj visoki napetosti med vrstico in stolpcem pride do ionizacije plina in s tem do aktiviranja slikovne točke. Pri DC izvedbi je potrebno zagotoviti začetno ionizacijo plina (pilotsko), kar omogoči svetlo ionizacijo, ki traja za čas DC impulza.

Slika 4.4.1 Izvedba matrične strukture

Pri plinski razelektritvi prihaja tudi do »obrabe« elektrod, kar ima za posledico omejeno življenjsko dobo na približno 30.000 ur. Pri AC izvedbi je uporabljena dodatna zaščita za elektrode, kar poveča življenjsko dobo na 50.000 ur. Plazma prikazovalniki omogočajo pri gostoti 5linij /mm, resolucijo 640 krat 480 slikovnih točk. Prednost pred LCD je v večjem kontrastu, samosvetilnosti in možnosti opazovanja do kota 160°.

MERILNI PRETVORNIKI

11

Slika 4.4.2 Ponazoritev načina delovanja

4.5 Elektro luministični prikazovalnik

Zgradba luminiscenčnih prikazovalnikov je podobna plazma prikazovalniku. Na nasproti steklenih ploščah so z notranje strani nanesene za 90° premaknjene trakaste elektrode, ki so prekrite s prosojno izolacijsko plastjo. Med obema izolacijskima slojema je z manganom dotiran sloj cinkovega sulfida.

MERILNI PRETVORNIKI

12

Slika 4.5.1 Izvedba matrične strukture Pri jakosti električnega polja velikosti 106 V/cm prične sloj sulfida svetiti rumeno oranžno barvo. Krmiljenje poteka s sinusno izmenično napetostjo, npr. Uef=140V in f=1kHz. Svetlost pade na

polovico šele po več kot 50 000 delovnih urah.

Slika 4.5.2 Praktična izvedba prikazovalnika v preseku

MERILNI PRETVORNIKI

13

5.0 Mehanski prikazovalniki

Pod mehanske prikazovalnike digitalnih informacij štejemo t.i. “flip disc” ali “flop-dot” prikazovalnike. Ta tehnologija temelji na elektromehanski matriki slikovnih elementov, ki tvorijo sliko oz. napis. Uporablja se za velike zunanje zaslone, po navadi tiste, ki so izpostavljeni sončni svetlobi. Ta tehnologija se pogosto uporablja na železniških postajah, kjer označujejo odhode vlakov in smeri.

Slika 5.1 Mehanski prikazovalnik na železniški postaji

Flip disc je sestavljen iz mreže majhnih kovinskih diskov, ki so na eni strani črne barve, na drugi pa rumene ali bele barve. Ko dovedemo električni tok do posameznega elementa, se disk obrne na nasprotno stran. Ko je disk obrnjen ostane v tem položaju tudi če izklopimo napajanje. Disk je pritrjen na os, na kateri je prav tako tudi majhen magnet. Poleg magneta je tudi solenoidno navitje.

MERILNI PRETVORNIKI

14

Ko pulziramo to navitje s primerno električno polariteto, se magnet na osi poravna z magnetnim poljem, in obrne disk. Druga izvedenka uporablja magnet, ki je že vgrajen v sam disk s posebnim navitjem na koncu diskov. Elektronski sistem prebere podatke, tipično so to znaki in številke in obrne prave elemente, da se prikaže željen napis. Nekateri prikazovalniki uporabljajo releje, ki kontrolirajo led diode za disk, kar nam omogoča, da so osvetljeni in vidni tudi ponoči a ne potrebujejo nobene dodatne elektronike. V rabi je več različnih vrst različnih vezav v želji po tem da zmanjšamo potrebno ožičenje in pripadajočo elektroniko, da nadziramo navitja. Vse metode povezujejo navitja v neke vrste matrike. Eden od enostavnih sistemov uporablja vezavo, kjer so solenoidna navitja vezana v prepogosto matriko. Tista navitja katera so na stičišču dveh napajalnih žic so napajana z dovolj velikim tokom, da obrnejo diske. Ostala navitja so napajana le horizontalno oziroma vertikalno. Sila je v primerjavi z dvojno napajanimi navitji velika le za eno četrtino posledično se diski ne obrnejo. Navitja, ki niso napajana prav tako ne obrnejo diskov. Po navadi je potrebno za spremembo na zaslonu počakati nekaj sekund. Tipično se najprej napaja horizontalna linija, in nato vsaka želena vertikalna, preden nadaljujemo na naslednjo horizontalno. Glavne prednosti “flip disc” prikazovalnika so:

• Dobra vidljivost v vseh vremenskih pogojih • Velik kot vidnosti • Ohranitev zadnjega prikaza ob izpadu napetosti • Majhna poraba energije

Slika 5.2 Mehanski prikazovalnik na bencinski črpalki

MERILNI PRETVORNIKI

15

6.0 Viri in literatura: � http://en.wikipedia.org

� http://www.vsi.si/stranke/goto/prikazovalnik.htm

� Uglešič,Marijo _LCD prikazovalniki (diplomsko delo)

� Svenšek,Viljem_Prikazovalnik z LED elementi (diplomsko delo)