Управление ЖКИ без контроллера: цифровой термометр, цифровой дисплей. Эспо электроникс-библиотека-жидкокристаллические индикаторы
Квантовая и оптическая электроника. Лекция N 1 1
ПАССИВНЫЕ ИНДИКАТОРЫ
В эту группу входят три вида пассивных индикаторов: жидкокристаллические индикаторы (ЖКИ), электрохромные и электрофоретические индикаторы (ЭХИ и ЭФИ). Последние два, в свою очередь, входят в состав электрохимических пассивных индикаторов.
1.Жидкокристаллические индикаторы
Принцип действия жидкокристаллических индикаторов (ЖКИ) основан на изменении оптических свойств жидких кристаллов под действием электрического поля. В отличие от активных индикаторов ЖКИ не генерируют оптическое излучение, а модулируют его интенсивность за счет изменения таких характеристик, как амплитуда, фаза, длина волны, плоскость поляризации и направление распространения.
Жидкокристаллические индикаторы (ЖКИ) являются пассивными индикаторами, преобразующими падающий на них свет.
Жидкокристаллическое или мезоморфно е состояние - это состояние вещества, при котором оно обладает свойствами, присущими как твердым кристаллам, так и жидкостям.
Рис.1
идкие кристаллы (ЖК) – это анизотропные жидкости, электрические и оптические свойства которых зависят от направления их наблюдения. В ЖК наблюдаются электрооптические эффекты, связанные с движением вещества: - динамическое рассеяние(ДР) , а также с поворотом молекул в электрическом поле - твист-эффект (ТЭ) и эффект гость - хозяин (Г-Х) .
Конструкции жки
Конструктивные схемы ЖКИ показаны на Рис.1.
Основой простейшего индикаторного элемента с использованием ЖК являются две стеклянные пластины. Вне зависимости от используемого электрооптического эффекта ЖКИ разделяются на два класса: индикаторы, работающие на просвет, и индикаторы, работающие на отражение. У первых (Рис.1.а) обе стеклянные пластины прозрачны; электродами служат прозрачные электропроводящие пленки (например, двуокись олова), между которыми помещено ЖК вещество. За индикатором помещается источник света. Цвет и яркость индикатора определяются цветом и яркостью источника света. У вторых: (Рис.1.б) «задний» электрод изготовлен в виде зеркала. Такой индикатор использует внешнее отражающее освещение (специальная подсветка отсутствует).
К
Рис.3
В ЖКИ, работающем на основе ДР , при приложении электрического поля напряжённостью около 5 кВ/см (примерно 30 В - к пленке ЖК толщиной 0,25 мм) молекулы переориентируются, возникают турбулентность и сильное оптическое рассеяние. Материал, прозрачный в отсутствие поля, становится непрозрачным. В таком ЖКИ, работающем на отражение, задний электрод представляет собой зеркало, на котором при подаче напряжения появляются участки молочно-белого цвета, форма которых соответствует конфигурации электродов. Для повышения однородности и четкости изображения, а также срока службы на поверхность проводящих слоев наносится тонкое химически инертное по отношению к ЖК оптически прозрачное покрытие. Материалом таких покрытий служат винилацетатные смолы, смолы на основе этилена, эпоксидные компаунды и т.д. (Рис.3).
Заднюю стеклянную пластину индикатора чернят (Рис.4); тогда на черном фоне возникает белое изображение.
В
Рис.4
В ЖКИ на основе ТЭ, работающем на просвет, поляризаторы устанавливают так, чтобы их плоскости поляризации были параллельны друг другу. Индикатор не пропускает свет в отсутствие электрического поля и пропускает при подаче напряжения.
В индикаторах на эффекте Г-Х тонкий слой ЖК - «хозяина» взаимодействует с молекулами «гостя» (красителя). Слой ЖК - хозяина за счет поглощения световой энергии при отсутствии электрического поля приобретает характерную для красителя (гостя) окраску: под воздействием электрического поля он обесцвечивается. Но существуют также вещества гостя и хозяина, в которых окрашивание происходит под воздействием электрического поля. Цветовые различия в индикаторах на эффекте Г-Х хорошо воспринимаются в условиях высокой освещенности даже при небольшом яркостном контрасте. Для повышения механической прочности и влагостойкости ЖКИ используют специальные защитные конструкции .
Индикаторы на эффекте ДР и ТЭ преимущественно применяются там, где экономичность играет решающую роль: в электронных наручных часах, микрокалькуляторах с автономным питанием, портативных многофункциональных измерительных приборах, индикаторах для переносных радиоприемников, магнитофонов, автомобильных индикаторных устройствах и т. п.
В
Рис.5
Основные параметры ЖКИ :
Контрастность К и пропускание - это отношение интенсивности света, выходящего из ЖК ячейки в исходном состоянии, к интенсивности света в возбужденном состоянии ЖК ячейки называется пропусканием, если наблюдение ведется в направлении навстречу входящему лучу и контрастностью во всех других случаях.
Пороговое напряжение U nop и управляющее напряжение U ynp . Эти значения напряжений определяются по коэффициенту рассеяния света в ячейке (К р) . Зависимость коэффициента рассеяния света от напряжения, приложенного к электродам ячейки, показана на Рис.5. Пороговое напряжение U nop соответствует значению Кр=0,05. Управляющее напряжение U упр - значению Кр=0,5. Значение U пор для индикатора, использующего эффект ДР, увеличиваться на низких и высоких частотах (индикатор становится менее эффективным). Индикаторы на основе ТЭ обычно используют на частотах 1...10 кГц. В справочных данных индикаторов указывают рекомендуемую частоту управляющего напряжения.
Время включения (реакции) Т вкл – это время, в течение которого контрастность достигает 90% установившегося значения.
Время выключения (релаксации) Т выкл – это время уменьшения контрастности от 90 до 10% установившегося значения.
Долговечность. В процессе эксплуатации ЖКИ изменяется внешний вид информационных полей, что проявляется как ухудшение и исчезновение контраста между активными и пассивными зонами, увеличивается время реакции. Изменения внешнего вида и времени реакции является следствием электрохимических явлений на границе жидкокристаллического вещества (ЖКВ) - поверхность подложки. Скорость деградационных процессов в основном определяется постоянной составляющей напряжения возбуждения, предельно допустимое значение которого указывается в справочных данных. Наличие постоянной составляющей приводит к электролизу ЖКВ, в результате которого возникает газовыделение в объёме ЖКВ, образуются пузырьки газов, визуально воспринимаемые как чёрные точки. Электроды индикатора (проводящие плёнки) теряют свою прозрачность, и сегменты становятся видимыми в отсутствие напряжения возбуждения. В результате старения нарушается ориентация молекул ЖКВ и растет ток, потребляемый индикатором. Ток также может расти за счет проникновения влаги через слой герметика. Влага разрушает ЖКВ.
При эксплуатации ЖКИ в условиях низкой температуры отдельные компоненты ЖКВ могут кристаллизоваться. Чередование замораживания и размораживания ЖКВ может привести к образованию воздушных пузырьков, которые выглядят как черные точки.
Достоинства ЖКИ:
малая потребляемая мощность (для ЖКИ на основе твист - эффекта удельная мощность потребления единицы мкВт/см 2);
низкие рабочие напряжения (1,5...5 В);
хорошая совместимость с КМОП - микросхемами;
удобное конструктивное исполнение - плоская форма экрана и ограниченная толщина индикатора (до 0,6 мм);
возможность эффективной индикации в условиях сильной внешней засветки;
большая долговечность (около 10-12 лет непрерывной работы).
Основные недостатки:
сравнительно низкое быстродействие;
ограниченный угол обзора;
необходимость внешнего освещения.
ИЖЦ71-5/7; ИЖЦ72-5/7
Цифровые пятиразрядные индикаторы ИЖЦ71 -5/7 и ИЖЦ72-5/7 с децимальной точкой в каждом разряде и встроенным микросхемным блоком управления предназначены для отображения цифровой информации в аппаратуре, устанавливаемой вне помещения (счетчики газа, жидкого топлива, электроэнергии, уличные термометры и т. п.).
Конструктивно индикатор представляет собой в общем виде две плоские тонкие стеклянные пластины, герметично склеенные по периметру с малым зазором, заполненным холодоустойчивым жидкокристаллическим веществом.
Работа индикатора основана на твист-эффекте в жидких кристаллах, для чего в конструкции предусмотрены два поляроида - две тонкие пленки, обладающие свойством поляризации проходящего через них света. Твист-эффект - это явление вращения плоскости поляризации поляризованного света тонким (около 20 мкм) слоем жидких кристаллов, исчезающее при действии на этот слой электрического поля. Плоскости поляризации света, обеспечиваемой каждым из поляроидов, взаимно перпендикулярны (их называют скрещенными).
Вообще говоря, система из скрещенных поляроидов света не пропускает, но если между ними разместить слой жидких кристаллов, в свою очередь, вращающий на 90 град, плоскость поляризации света, система становится прозрачной. Под действием электрического поля на какой-либо участок слоя жидких кристаллов они теряют способность вращать плоскость поляризации света и пропускание света прекращается. Зрительно это воспринимается как появление на светлом фоне темного, непрозрачного участка.
Электрическое поле должно быть знакопеременным, в противном случае в слое жидких кристаллов возникает электролитический процесс, приводящий к резкому сокращению срока их службы.
Индикатор ИЖЦ71-5/7 рассчитан для работы на отраженном свете, для чего на тыльную сторону прибора нанесено зеркальное покрытие. Индикатор ИЖЦ72-5/7 - полупрозрачный и работает на просвет, однако его можно перевести в отражательный режим, если установить позади прибора вплотную к нему зеркальную пластину.
Прибор снабжен двадцатью жесткими лужеными выводами квадратного сечения для подачи внешних сигналов. Внешний вид индикатора представлен на рис. 1. Масса прибора - не более 60 г.
Цоколевка индикатора представлена в табл.1.
Блок управления индикатора построен на основе бескорпусной сорокаканальной микросхемы КБ1835ИД1-4 структуры КМОП.
Как было указано, в индикаторе применено холодоустойчивое жидкокристаллическое вещество, допускающее нормальную работу прибора вплоть до температуры -30°С. При температуре ниже -30°С время смены информации на табло заметно увеличивается.
Необходимое быстродействие индикатора при температуре в пределах -30...-40°С обеспечивает специальный подогреватель, питающийся током. Это устройство выполнено на основе металлокерамики, имеет собственные выводы и поставляется отдельно от индикатора.
Для того чтобы предохранить поляроид индикатора, размещенный на его лицевой стороне, от повреждений при хранении и монтаже, табло на заводе-изготовителе прикрывают защитной пленкой. Перед началом эксплуатации прибора защитную пленку следует удалить.
Первые три буквы наименования индикатора означают Индикатор Жидкокристальный Цифровой, число 71 - порядковый номер разработки, цифра 5 - число разрядов, а 7 - число элементов изображения в разряде.
- Потребляемый ток, мА, не более, при напряжении питания 5 В, частоте перезаписывания 100 Гц и частоте смены полярности возбуждения 100 Гц......0,2
- Входное напряжение информационных сигналов в состоянии высокого уровня......4,5...5
- низкого уровня......0...0,5
- Входной ток цепей логических сигналов, мкА, не более......5
- Время реакции, мс, не более......150
- Время релаксации, мс, не более......150
- Напряжение питания логических цепей, В......4,5...5,5
- Рабочий температурный интервал, °С без подогревателя... -30...+65
- с подогревателем.....-40...+65
- Основные технические характеристики подогревателя
- Сопротивление элемента, Ом......100...160
- Мощность, потребляемая подогревателем при выходе на установившийся режим, Вт, не более......6
- Мощность, потребляемая подогревателем в установившемся режиме, Вт, не более......3
- Максимально допустимая температура элемента, °С.....+70
Внешнюю информацию индикатор принимает по восьмиразрядной линии DO - D7 по тактирующему сигналу CWR. После введения информации о всех элементах изображения во входной регистр блока управления (в течение пяти тактовых импульсов записи байта) на вход "Перезаписывание" поступает импульс WR, обеспечивающий перезаписывание информации из входного регистра в регистр хранения. Временные диаграммы, иллюстрирующие работу блока управления, представлены на рис. 2.
Из регистра хранения информация поступает в выходные формирователи, отвечающие за включенное или выключенное состояние элементов первого кадра в соответствии с принятой внешней информацией.
Новая информация второго кадра проходит тот же путь и поступает на табло. Таким образом, можно сказать, что блок управления имеет память на две страницы - одна хранит информацию о принятом кадре, а другая в это время записывает информацию о следующем кадре.
Формирование знакопеременного (без постоянной составляющей) возбуждающего индикатор напряжения происходит по сигналам COSL.
Функция "Инверсия выходной информации" предоставляет пользователю возможность подачи на индикатор информации как в прямом виде (когда высокому уровню на информационном входе соответствует включенный элемент табло), так и в инверсном (когда элемент табло включается низким входным уровнем). Прямое введение соответствует низкому уровню на входе Iп, а инверсное - высокому.
"Выход эстафетного сигнала" при использовании одиночного индикатора оставляют свободным. Если же необходимо наращивание числа разрядов индикации, рядом устанавливают второй такой же индикатор, а выв. 20 первого соединяют с внешним управляющим блоком.
Для индикаторов этого и других типов, способных работать в проходящем свете, выпускают специальные модули подсветки с лампами накаливания.
Жидкокристаллические индикаторы всех типов следует предохранять от длительного воздействия прямых солнечных лучей - это может привести к необратимой деструкции жидких кристаллов. По этой же причине следует оберегать индикаторы от статического электричества и перегревания при пайке.
ИЖЦ35-6/7
Шестиразрядные цифровые индикаторы ИЖЦ35-6/7 предназначены для отображения выходной информации в карманной электронной аппаратуре медицинского назначения с автономным питанием. Кроме шести цифровых разрядов, на табло размещены шесть мнемонических элементов. Работа индикатора основана на твист-эффекте. Прибор рассчитан на работу в отраженном свете; цвет изображения - черный, фон - светлосерый. Режим управления - статический.
Корпус - стеклянный, плоский (рис. 3). Выводы представляют собой прозрачные (на рисунке условно показаны черными) проводящие полосы - площадки, напыленные на стекло корпуса с лицевой стороны. Подключение индикатора к цепям устройств выполняют с помощью двух контактных резиновых гребенок, составленных из чередующихся проводящих и непроводящих участков.
Контактные площадки (их общее число - 52) размещены в два ряда, по одному на каждой длинной стороне корпуса. Если смотреть на табло прибора спереди (выступ-ключ на корпусе должен быть слева), то нижний ряд будет первым, верхний - вторым. Нумерация выводов в первом ряду (с 1 -го по 26-й) идет слева направо, а во втором (с 27-го по 52-й) - справа налево.
Цоколевка индикатора ИЖЦ35-6/7 (нумерация разрядов на табло увеличивается слева направо): выв. выв.
- 1 - общий; выв.
- 2 - элемент g разряда 1;
- выв. 3 - е1;
- выв. 4 - d1;
- выв. 5 - с1;
- выв. 6 - g2;
- выв. 7 - е2;
- выв. 8 - d2;
- выв. 9 - с2;
- выв. 10 - децимальная
- точка разряда 2;
- выв. 11 - g3;
- выв. 12 - еЗ;
- выв. 13 -d3
- выв. 14 - сЗ;
- выв. 15 -g4;
- выв. 16 -е4
- выв. 17 - d4;
- выв. 18 - с4;
- выв. 19 - g5
- выв. 20 - е5;
- выв. 21 - d5;
- выв. 22 - с5
- выв. 23 - g6;
- выв. 24 - е6;
- выв. 25 - d6
- выв. 26 - с6; выв.27 - b6;
- выв. 28 - а6
- выв. 29 - f6;
- выв. 30 - Д;
- выв. 31 - Е
- выв. 32 - b5;
- выв. 33 - а5;
- выв. 34 - f5
- выв. 35 - Г;
- выв. 36 - 3;
- выв. 37 - b4
- выв. 38 - а4;
- выв. 39 - f4;
- выв. 40 - bЗ
- выв. 41 - В;
- выв. 42 - аЗ;
- выв. 43 - f3
- выв. 44 - Ж;
- выв. 45 - b2;
- выв. 46 - Б
- выв. 47 - а2;
- выв. 48 - f2;
- выв. 49 - b1
- выв. 50 - А;
- выв. 51 - а1;
- выв. 52 - f 1.
Масса индикатора - не более 2 г.
Основные технические характеристики индикатора при Токр.ср = 25°С
- Собственный яркостный контраст, %, не менее......83,3
- Потребляемый ток, мкА, не более......2,5
- Номинальное напряжение управления, В......2,8
- Номинальная рабочая частота управляющего напряжения, Гц. .32
- Время релаксации, мс,не более......300
- Угол обзора, град......45
- Срок сохраняемости, лет, не менее......6
Предельные эксплуатационные значения
- Напряжение управления, В....2,6...3,1
- Рабочая частота управляющего напряжения, Гц......30...64
- Рабочий температурный интервал,°С......-1...+55
Основной параметр всех жидкокристаллических индикаторов, отражающий качество их работы, - контраст знака по отношению к фону. Контраст К определяют как отношение значений интенсивности света, выходящего из индикатора, в исходном и возбужденном состояниях. Этот параметр измеряют с помощью специальной оптической установки, основой которой служит микроскоп с встроенным фотоэлектронным умножителем тока на выходе.
Контраст вычисляют в процентах по формуле: К = (IФ - I3) 100/ Iф, где Iф - ток фона - выходной фототок электронного умножителя при выключенном индикаторе; l3 - ток знака - выходной фототок умножителя при возбужденном номинальным управляющим напряжением индикаторе (если изображение знака темнее фона табло).
Контраст выражают иногда в относительных единицах; в этих случаях из указанной формулы выпадает сомножитель 100.
ИЖЦ4-12/7
Двенадцатираэрядные цифровые твистэффектные индикаторы ИЖЦ4-12/7 работают на отражение света и предназначены для отображения информации в многофункциональных телефонных аппаратах и таксофонах. Цвет изображения - черный, фон - светлосерый. Режим работы индикатора - мультиплексный.
Кроме цифровых разрядов, на табло прибора размещены в строку семь слов, управляемых каждое так же, как и отдельный элемент разряда.
Прибор способен нормально работать при низких значениях температуры окружающей среды - до -30°С. Это достигнуто применением морозостойкого жидкокристаллического материала.
Корпус индикатора - стеклянный плоский (рис. 4); выводы - жесткие, луженые. Масса - не более 80 г.
Если расположить прибор лицевой стороной к себе и выводами вниз, то крайним слева окажется выв. 1, а крайним справа - выв. 39. Нумерация разрядов на табло увеличивается слева направо.
Цоколевка индикатора представлена в табл. 2 (цифровые разряды) и табл. 3 (слова).
Основные технические характеристики при Токр.ср = 25°С
- Собственный яркостный контраст, отн. ед., не менее......0,9
- Потребляемый ток, мкА, не более......50
- Номинальное напряжение управления, В......3
- Номинальная рабочая частота управляющего напряжения, Гц......64
- Время реакции, мс, не более......200
- Время релаксации, мс, не более......200
- Минимальная наработка на отказ, ч......50 000
- Минимальный срок сохраняемости, лет......4
- Предельные эксплуатационные значения
- Напряжение управления, В... .2,5...3,5
- Рабочая частота управляющего напряжения, Гц......44...84
- Рабочий температурный интервал, °С......-30...+55
Как было указано, индикатор рассчитан на мультиплексный режим управления с тактовым соотношением 1:3. Это означает, что после каждого временного такта возбужденного состояния того или иного элемента изображения следуют три такта отсутствия управляющего напряжения. В результате инерционности жидкокристаллического вещества яркостный контраст за это время не успевает заметно измениться. Далее процесс повторяется с тем же тактовым соотношением.
ИЖВ74-160Х16; ИЖВ76-160Х16
Буквенно-цифровые матричные индикаторы ИЖВ74-160х 16 и ИЖВ76-160Х16 со встроенным блоком управления предназначены для отображения буквенной и цифровой информации в портативной измерительной и вычислительной аппаратуре. Индикаторы ИЖВ74-160Х16 работают на отражение света, а ИЖВ76-160Х16 - на просвет. В основе работы индикаторов лежит твист-эффект. Включенные элементы изображения выглядят черными на светло-сером фоне.
На табло прибора размещены две строки длиной 149,1 мм, состоящие из 32 знакомест в каждой. Знакоместо имеет матричную структуру из 7X5 элементов прямоугольной формы. Размеры элемента 0,8x0,6 мм, размеры знакоместа 6,2x3,4 мм. Под каждой из строк расположена так называемая курсорная строка, состоящая из одинарного ряда элементов тех же размеров. Эти строки позволяют формировать перемещающиеся метки-указатели того или иного знака в строке.
Корпус индикаторов - стеклянный плоский (рис. 5,а). Выводы для приема сигналов управления выполнены в виде печатных токопроводящих дорожек из фольги на двух тонких (толщиной около 0,1 мм) гибких лентах из полиимида. На одной ленте - 12 выводов (эта группа обозначена Х1), на другой - 21 (Х2). Шаг выводов - 1,25 мм; ширина выводов - 0,6 мм.
Выводы сформированы на крайнем обрезе полиимидных лент справа от корпуса (если смотреть на лицевую сторону индикатора). Форма лент такова, что снизу оказывается лента с выводами группы Х2, причем их проводящая сторона обращена назад, а сверху - лента с выводами группы Х1, обращенными вперед.
На рис. 5,6 показано крупно расположение элементов знакомест индикатора. Размеры индикационного поля - 149,1X16,1 мм. Масса индикатора - 100 г.
В наименовании прибора буква В обозначает в принятой системе буквенно-цифровую группу индикаторов, числа 74 или 76 - порядковые номера разработки, а 160 и 16 указывают на число столбцов и строк соответственно, образующих информационное поле индикатора. Каждый элемент изображения образуется на пересечении своих строки и столбца.
Цоколевка индикатора представлена в табл. 4.
Основные технические характеристики при Токр.ср = 25 °С
- Собственный яркостный контраст, отн. ед., не менее......0,75
- Входное напряжение низкого логического уровня, В......0...0.5
- Входное напряжение высокого логического уровня, В......4,5...5,5
- Время реакции, мс, не более......200
- Время релаксации, мс, не более......200
Предельные эксплуатационные значения
- Напряжение питания логического блока индикатора, В......4,5...5,5
- Тактовая частота управляющего логического блока, кГц......50...400
- Рабочий температурный интервал окружающей среды, °С......-1...+55
- Предельные значения температуры,°С......-45; +60
Встроенный логический блок управления строками и столбцами индикатора выполнен на бескорпусных микросхемах КБ1835ИД1-4 структуры КМОП. Каждая микросхема способна обслуживать 40 каналов (строк или столбцов). Временные диаграммы, иллюстрирующие работу блока, показаны на рис. 6.
Введение информации во входной регистр происходит параллельно-последовательно по входной восьмиразрядной линии D0 - D7 и тактируется сигналом CWR. За 20 тактов записывается входная информация о всех 160 элементах одной строки.
По фронту импульса WR входная информация параллельно переписывается из входного регистра в выходной. Этот же сигнал, поданный на узел управления строками, начинает сканировать следующую строку с ее начала. Процесс записи протекает слева направо вдоль по строке и сверху вниз по столбцам. Начальный бит D0 в каждом байте отображается слева.
Кадровую синхронизацию (установку начала развертки в левый верхний угол индикационного поля перед передачей кадра) обеспечивают импульсы SR, подаваемые на индикатор с внешнего блока управления. Формированием знакопеременного напряжения возбуждения индикатора управляет сигнал COSL
Кроме этого, на узел управления столбцами необходимо подать сигнал In. Если на входе In низкий уровень, то высокому уровню на входах D0 - D7 будут соответствовать включаемые элементы изображения, а низкому - не-включаемые. При высоком уровне на входе In, наоборот, высокому уровню на входах D0 - D7 соответствует невключение элементов, а низкому - включение. Для возбуждения элементов отображения используют шестиуровневый оптимизированный режим. Выходные цепи узла управления строками питаются по двум парам входов группы Х1 - U1, U2, U5, U6, а для узла управления столбцами - U1, U3, U4, U6 группы X2. Напряжение питания - от Uпит до -10 В. Эти сигналы формирует либо внешний блок управления, либо набор внешних резистивных делителей.
Принцип расчета значений U1 - U6 напряжения питания подробнее изложен ниже, при описании индикаторов ИЖГ96-240Х80 и ИЖГ97-240Х80.
ИЖГ96-240Х80; ИЖГ97-240Х80
Графические индикаторы ИЖГ96-240Х80 и ИЖГ97-240Х80 со встроенным блоком управления предназначены для отображения буквенной, цифровой и графической информации в портативной измерительной и вычислительной аппаратуре.
Индикатор ИЖГ96-240Х80 отражательный, а ИЖГ97-240Х80 - просветный. В основу работы приборов положен супертвист-эффект. Этим термином, бытующим в научно-технической литературе последние несколько лет, обозначают тот же твист-эффект, но реализованный в конструкциях более высоких технологий с более совершенными материалами. Супертвист-эффект обеспечивает более высокий контраст изображения и большее быстродействие.
Цвет включенных элементов на табло рассматриваемых приборов - темно-синий на светло-желто-зеленом фоне. Размеры индикационного табло - 131,9x43,9 мм.
Корпус - плоский стеклянный (рис. 7,а). Выводы выполнены в виде печатных фольговых дорожек на двух гибких лентах из полиимида. На одной ленте 12 выводов (группа Х1), на другой - 21 (Х2). Шаг выводов 1,25 мм, ширина выводов 0,6 мм.
Ленты выведены на правую сторону индикатора (если смотреть на лицевую сторону его табло), причем снизу находится лента с выводами группы Х2 проводящей стороной назад, а сверху - лента с группой Х1 проводящей стороной вперед.
На рис. 7,б показаны взаимное расположение и размеры элементов изображения на табло индикатора. Элементы изображения - точки квадратной формы - размещены на поле равномерно. Размеры одного элемента - 0,45x0,45 мм.
Масса индикатора - не более 80 г.
Буква Г в наименовании индикатора указывает на способ отображения информации - графический, числа 96 и 97 - порядковые номера разработки, а 240 и 80 - числа столбцов и строк соответственно, образующих информационное поле прибора.
По цоколевке индикаторы ИЖГ96-240Х80 и ИЖГ97-240х80 аналогичны ИЖВ74-160х16 и ИЖВ76-160Х16 (см. табл. 4).
Основные технические характеристики при Токр.ср=25°С
- Собственный яркостный контраст, отн. ед., не менее......0,8
- Ток, потребляемый логическим блоком управления, мА, не более......2
- Ток, потребляемый выходными цепями блока управления, мА, не более......2
- Входной ток информационных и логических входов, мкА, не более......20
- Номинальное напряжение питания управляющего логического блока, В......5
- Номинальная тактовая частота логической части управляющего блока, кГц......200
- Время реакции, мс, не более......500
- Время релаксации, мс, не более......500
- Минимальная наработка на отказ, ч......3000
- Минимальный срок сохраняемости, лет......4
Предельные эксплуатационные значения
- Напряжение питания управляющего логического блока, В......4,5...5,5
- Входное напряжение низкого логического уровня, В......0..0,5
- Входное напряжение высокого логического уровня, В......4...5,5
- Тактовая частота, кГц......120.. .400
- Минимальная кадровая частота, Гц......50
- Частота смены полярности напряжения возбуждения, Гц......100...500
- Рабочий температурный интервал, °С......-1...+55
- Предельные значения температуры окружающей среды, °С.......-45; +60
Встроенный логический блок управления строками и столбцами выполнен на бескорпусных микросхемах КБ1835ИД1-4. Общий принцип управления строками и столбцами таков же, как и у ИЖВ74-160Х16. Выходные цепи узле управления строками питаются также но пределы напряжения питания несколько шире - от Uпит до -12 В.
Диаграммы сигналов, формируемых узлами управления по строкам и столбцам и прикладываемых к выводам индикатора, изображены на рис. 8.
Значения U1-U6 напряжения питания узлов управления строками и столбцами (формируемые внешним блоком) должны удовлетворять следующим соотношениям: U1≤Uпит; U2=U1-U0; U3=U1-2U0; U4=U1-(a-1)U0; U5=U1-U0; U6≥-12 В, где Uпит=5±0,5 В; a=√n-9 - коэффициент оптимизации; п=80 - степень мультиплексирования (или, иначе, скважность сканирования строк); U0 - начальное напряжение, определяемое индивидуальными характеристиками индикатора и лежащее в пределах 1 ...2 В; типовое значение - 1,3 В.
Равенство разностей U1-U2=U2-U3= U4-U5=U5-U6=U0 должно быть обеспечено с точностью не менее ±1%. Точность задания коэффициента оптимизации должна находиться в пределах ±5%.
Все, что касается выбора значений напряжения питания выходных цепей узлов управления строками и столбцами, в равной мере относится и к индикаторам ИЖВ74-1 60х 16 и ИЖВ76-160х 16.
На рис. 9 показана зависимость собственного яркостного контраста от напряжения U1-U6. На рис. 10 - 12 изображены зависимости тока, потребляемого индикатором, от различных параметров - от напряжения U1-U6, от частоты fcwr и fcosi. соответственно.
Читайте и пишите полезные
В настоящее время наблюдается значительный подъем производства радиоэлектронной аппаратуры в России. На рынке появилось разнообразное оборудование для автоматизированной сборки плат как отечественного, так и зарубежного производства. Технология же производства жидкокристаллических индикаторов (ЖКИ) на сегодняшний день в России трудно осуществима по двум причинам. Во-первых, необходимо устанавливать управляющие кристаллы на плату по технологии кристалл на плату (COB). Во-вторых, отсутствуют доступные кристаллы российского производства. Компания МЭЛТ уже более двух лет занимается решением этих задач. Разработаны и серийно производятся управляющие кристаллы для различных вариантов жидкокристаллических модулей. Запущена собственная линия сборки методом COB. Качество производства модулей обеспечивается современным технологическим оборудованием и применением новейших разработок компании МЭЛТ.
Конструкция ЖКИКомпания МЭЛТ производит ЖКИ по стандартной конструкции, завоевавшей популярность во всем мире: жесткое основание модуля в виде печатной платы с установленной на ней М/С контроллера по технологии COB. Металлическая рамка фиксирует ЖК-панель и прижимает токопроводящую резину к плате и стеклу. Одним из несомненных преимуществ данной конструкции является возможность восстанавливать работоспособность модулей путем несложной замены платы или ЖК-панели.
Технология Chip On Board (СОВ)
Известны два варианта установки микросхем на плату. Первый - кристалл упаковывается в пластмассовый корпус с гибкими или жесткими выводами, которые припаиваются к плате. Преимущества этого способа: ремонтопригодность, простота установки, а существенный недостаток - высокая цена. Стоимость корпуса кристалла сравнима со стоимостью платы, на которую он впоследствии будет устанавливаться, поэтому есть смысл устанавливать кристалл непосредственно на плату. В этом случае при выходе из строя кристалла плату попросту заменяют новой. Сборка индикаторов по технологии Chip On Board гарантирует получение достаточно конкурентоспособной продукции, полностью соответствующей международным требованиям качества.
Температурный диапазон
Температурный диапазон ЖКИ определяют физико-химические свойства ЖК-панели. При понижении температуры увеличивается время переключения ЖК-панели, что делает трудноосуществимой динамическую индикацию. Дальнейшее понижение температуры приводит к разрушению ЖК-панели. Таким образом, если выключено питание прибора, где установлен ЖКИ с подогревом, то при низкой температуре работоспособность модуля утрачена. Для решения этой проблемы компания МЭЛТ выпускает ЖКИ двух температурных диапазонов: обычного (0...50 °С) и расширенного (–30...70 °С).
Тип ЖК-панели ЖКИ
Компания МЭЛТ выпускает ЖКИ с ЖК-панелями двух видов: Reflective - работает на отражение светового потока и Transflective - на просвет (рис. 1). Стекла типа Transflective бывают двух типов: positive и negative. Рositive представляет собой прозрачный фон, на котором при подаче соответствующих сигналов становятся непрозрачными определенные участки. Negative представляет собой непрозрачный фон, на котором становятся прозрачными соответствующие участки.
ЖКИ с ЖК-панелями Transflective дороже, поскольку в них применяется дополнительный элемент подсветки. Их рекомендуется использовать в конструкциях, которые эксплуатируются при любых условиях освещения.
Тип подсветки
В ЖКИ, выпускаемых компанией МЭЛТ, применяют светодиодную (LED) и люминесцентную (EL) подсветки. LED-подсветка отличается долговечностью (20 000–100 000 часов), не требует дополнительного источника питания, однако у нее достаточно высокий ток потребления (от 10 до 100 мА) и большие габаритные размеры (высота индикатора увеличивается в среднем на 3–5 мм). EL-подсветка отличается весьма низким током потребления при повышенной светоотдаче и малыми габаритами, но этот тип подсветки требует дополнительного источника питания (100 В), а срок службы составляет 2000–5000 часов. В настоящее время ЖКИ с EL-подсветкой находятся в стадии подготовки к производству.
Напряжение питания ЖКИ
Один из наиболее привлекательных моментов для разработчика - широкий диапазон питающих напряжений. Управляющая микросхема ЖКИ требует напряжения питания от 3 до 6 В. Однако для получения нормальной контрастности ЖК-панели на нее требуется подавать напряжение от 3 до 16 В в зависимости от температуры окружающей среды и типа самого стекла. Таким образом, если требуется ЖКИ с напряжением питания 3 В, то достаточно взять серийный модуль и в дополнение к нему собрать микромощный преобразователь напряжения, выход которого необходимо соединить со входом управления контрастностью ЖКИ (рис. 2). От выходного напряжения преобразователя в этом случае зависит контрастность ЖКИ. Если напряжение питания индикатора и ЖК-панели равны, то контрастность можно регулировать при помощи подстроечного резистора, включенного между входом V0 и GND ЖКИ. Контрастность ЖКИ зависит также и от рабочей температуры, поэтому для изделия, работающего в широком диапазоне температур, выходное напряжение преобразователя следует сделать термозависимым. Обратите внимание, что на ЖКИ любого типа недопустимо воздействие статического электричества выше 30 В.
Жидкокристаллический модуль МТ-10Т7-7
Жидкокристаллический модуль МТ-10Т7-7 является самым простым из выпускаемых компанией МЭЛТ ЖКИ. Этот модуль стал наиболее популярным при разработке простых конструкций в связи с невысокой ценой и очень удобным интерфейсом. Он собран на односторонней печатной плате с одним управляющим кристаллом. Все элементы модуля расположены между платой и стеклом, что позволило обеспечить наивысшее качество и надежность (рис. 3). Модуль может отображать десять знакомест, каждое знакоместо представляет собой восемь сегментов, расположенных в виде восьмерки с точкой (рис. 4). Любой сегмент любого знакоместа можно включать и выключать независимо от других сегментов, что позволяет обеспечить достаточно информативную индикацию в недорогих конструкциях. Структурная схема модуля МТ-10Т7-7 приведена на рис. 5. Память модуля состоит из десяти регистров, соответствующих каждому из десяти знакомест. Каждый регистр поделен на две тетрады, старшую (H) и младшую (L). Старшая тетрада соответствует сегментам h, b, c и f, младшая - g, e, d и a (рис. 4). Запись высокого уровня вызывает высвечивание соответствующего сегмента, запись низкого уровня - его погасание.
Описание интерфейса
Запись данных в любой из регистров индикатора производится следующим образом. На шине данных (DB0-DB3) выставляется адрес регистра. Сигнал адрес/данные (A0) необходимо установить в значение 0. Адрес в регистре DCA защелкнется при условии WR1 & ^WR2, то есть одновременного сочетания высокого уровня на выводе WR1 и низкого уровня на выводе WR2. Такое решение позволяет более гибко осуществлять функцию CS (выбор кристалла), когда на шине данных находится несколько различных устройств. Если в этом нет необходимости, то вывод WR2 можно замкнуть на GND, а сигнал CS подавать на вывод WR1. После того как адрес защелкнут в регистре DCA, следует подать данные. Для этого вывод A0 надо перевести в высокое состояние, на шине данных установить значение младшей тетрады данных и подать сигнал CS (см. выше). Далее на шину данных подать значение старшей тетрады данных и вновь подать сигнал CS. После записи второй тетрады содержимое адреса инкрементируется, и можно записывать данные в последующие регистры без предварительной записи адреса. По адресу 0Fh расположен триггер блокировки шины. Запись в него DB0 = «L» вызовет блокировку записи в модуль адресов и данных. Разблокировка шины производится записью DB0 = «H» по адресу 0Fh. Первой командой после подачи питания должна быть команда разблокировки шины, так как состояние регистров индикатора может быть любым.
Назначения выводов модуля приведены в табл. 1. Соответствие адресов регистров данных и номеров знакомест модуля - в табл. 2. Динамические характеристики модуля показаны на рис. 6 и в табл. 3. Электрические параметры по постоянному току приведены в табл. 4. Габаритные размеры модуля МТ-10Т7-7 указаны на рис. 7. Временные диаграммы записи данных в индикатор приведены на рис. 8. В настоящее время ЖКИ МТ-10Т7-7 производится серийно в стандартном температурном диапазоне со стеклом Reflective. Другие варианты исполнения ЖКИ производятся под заказ. Зарубежных аналогов у ЖКИ МТ-10Т7-7 нет.
Жидкокристаллические модули со встроенным знакогенератором
Общее описание
В настоящее время компания МЭЛТ серийно производит три типа жидкокристаллических модулей со встроенным знакогенератором: MT-10S1-2, MT-16S2-2Н, MT-16S2-2D (рис. 9–11). В процессе подготовки к производству находится ЖКИ МТ-16S2Q, который отличается от MT-16S2-2Н большим размером отображаемых символов. Контроллер управления ЖК-панелью аналогичен HD44780 фирмы Hitachi или KS0066 фирмы Samsung. Модули выпускаются со светодиодной подсветкой и без нее.
Модули МТ-16S2-2H и MT-16S2-2D позволяют отображать две строки по шестнадцать символов в каждой. Символы отображаются в матрице 5–8 точек и курсор. Интервалы между символами шириной в одну отображаемую точку. Эти модули являются полными аналогами ЖКИ производства POWERTIP, MICROTIPS, BOLYMIN и т. п.
MT-10S1-2 позволяет отображать 10 символов в одной строке при матрице символа 5–8 точек плюс курсор. Каждому отображаемому символу соответствует его код в ячейке памяти модуля. Модули содержат два вида памяти: кодов отображаемых символов и пользовательского знакогенератора, а также логику для управления ЖК-панелью. Габаритные размеры модулей (рис. 12–14).
Назначение выводов МТ-10S1-2, МТ-16S2-2Н и МТ-16S2-2D приведено в табл. 7.
ЖКИ со встроенным знакогенератором позволяют:
- выводить на ЖК-панель изображения символов из встроенного знакогенератора;
- запоминать до восьми изображений символов, задаваемых пользователем, а также выводить их;
- выводить мигающий и немигающий курсор двух типов;
- работать как по 8-, так и по 4-битной шине данных.
Временные диаграммы чтения и записи изображены на рис. 15. Динамические характеристики приведены в табл. 5. Характеристики модулей по постоянному току приведены в табл. 6.
Модули управляются по 4- или 8-битному интерфейсу. Разрядность интерфейса задается пользователем при помощи соответствующих команд (рис. 16). Указанное время выполнения команд является максимальным. Его нет необходимости выдерживать при условии чтения флага BS. Как только флаг BS равен 0, можно писать следующую команду или данные. Диаграмма обмена по 4-битному интерфейсу изображена на рис. 17, а по 8-битному - на рис. 18. При работе по 4-битному интерфейсу в каждом цикле необходимо передавать (читать или писать) все восемь бит. Передача старших четырех бит без последующей передачи младших четырех бит не допускается. Рекомендуемый алгоритм начальной установки модулей после подачи питания приведен на рис. 19.
Продолжение следует
И так. Недавно пришли из Китая, через eBay заказанные и купленные, жидкокристаллические алфавитно-цифровые индикаторы на платформе контроллеров HD44780 или KS0066
Они давно уже пользуются большой популярностью у радиолюбителей. Марку сих девайсов определить не удалось. Смотрим фото. Кроме того, что они имеют две строки и в каждой по 16 символов – больше ничего. Такие ЖКИ имеют простую схему управления, например, для отображения информация на таком дисплее достаточно всего шести линий микроконтроллера, а так же они имеют относительно небольшую стоимость. Большинство таких индикаторов имеют подсветку, что позволяет использовать их в условиях плохой видимости или в полной темноте.
Индикаторы имеют однорядную или двух рядную разводку выводов при строго определённой последовательности их нумерации (рис. 2). Но из практического опыта использования ЖКИ-индикаторов необходимо констатировать, что выводы 1 и 2 (питание) зачастую могут иметь обратную полярность. Поэтому перед подключением обязательно убедитесь, как в вашем индикаторе разведено питание. Сделать это очень просто – вывод питания «минус» соединён с металлической рамкой, которая прижимает собственно сам дисплей к печатной плате. При неправильной полярности можно вывести индикатор из строя.
ЖКИ — индикаторы позволяют отображать символы латинского алфавита, цифры, при наличии соответствующего знакогенератора – кириллические (русские буквы), а так же специальные символы. Существуют знакогенераторы и с символами других алфавитов. Таблица знакогенератора «двуязычного» индикатора, или как её называют «Epson раскладка Russian» приведена в таблице ниже.
Для того что бы отобразить, допустим символ русской буквы Ш, необходимо указать позицию символа на индикаторе (например, для моего 2-х строчного 16-ти символьного индикатора первая строка имеет адресацию в интервале 80h – 8Fh, вторая строка С0h-CFh), а затем код отображаемого символа Ш – AСh (А – «координата» по горизонтали, С – по вертикали таблицы знакогенератора).
Все это хорошо, но в купленных мною индикаторах, мало того, что нет знакогенератора русских букв, но в нем нет значка градуса, часто необходимого при разработке термометров и т.п. Но в этих LCD предусмотрена запись в знакогенератор семи своих «самодельных» символов. Как это сделать я расскажу. Для начала, чтобы лишить себя удовольствия определения кода каждой точки в матрице, состоящей из 5×8 точек, скачайте программу скачали раз:, она свободно распространяется в сети. Смотрим скриншот этой программы.
Нажатием на ячейки матрицы, мы рисуем нужный символ, в данном случае это символьный значок градуса. Внизу нам программа сразу пишет коды выбранных точек матрицы. Теперь нам необходимо эти коды записать в контроллер индикатора. Для этого нам надо написать небольшую программку. Что бы не путать рубрики сайта эту программу я выложу в статье «Программа взаимодействия PIC16 и ЖК дисплея». Еще документацию на LCD можно прочитать здесь.
- Изучить схему подключения жидкокристаллического индикатора (ЖКИ) к микроконтроллеру.
- Изучить особенности работы символьного ЖКИ.
- Изучить особенность параллельной синхронной передачи данных.
- Научится выводить на ЖКИ информацию.
2 Предварительная подготовка к работе
- По конспекту лекций и рекомендуемой литературе изучить принцип работы символьного жидкокристаллического индикатора.
- По конспекту лекций и рекомендуемой литературе изучить принцип работы параллельных портов ввода-вывода микроконтроллера.
- Составить алгоритм работы программы, соответственно заданию.
- Составить программу на языке программирования С.
3 Краткие теоретические сведения
3.1 Устройство и принцип работы символьного жидкокристаллического индикатора
В настоящее время в микропроцессорных системах для отображения широко используют жидкокристаллические индикаторы (ЖКИ) . Условно все ЖКИ можно разделить на две категории: символьные , или знакосинтезирующие, и графические . Графические индикаторы представляют собой матрицу из m строк и n столбцов, на пересечении которых находятся пиксели. Пиксель представляет собой неделимый объект прямоугольной или круглой формы, обладающий определённым цветом; пиксель – наименьшая единица растрового изображения. Если на определенный столбец и строку подать электрический сигнал, то пиксель на их пересечении изменит свой цвет. Подавая группу сигналов на столбцы и строки можно формировать по точкам произвольное графическое изображение. Так работает графический ЖКИ. В символьном же ЖКИ матрица пикселей разбита на подматрицы, каждая подматрица предназначена для формирования одного символа: цифры, буквы или знака препинания. Как правило, для формирования одного символа используют матрицу из восьми строк и пяти столбцов. Символьные индикаторы бывают одно-, двух- и четырехстрочными.
Для упрощения взаимодействия микропроцессорной системы и ЖКИ используют специализированную микросхему – контроллер (драйвер) ЖКИ. Он управляет пикселями жидкокристаллического дисплея и интерфейсной частью индикатора. Обычно такой контроллер входит в состав индикатора. В целом жидкокристаллический индикатор представляет собой печатную плату, на которой смонтирован сам дисплей, контроллер и необходимые дополнительные электронные компоненты. Внешний вид ЖКИ показан на рисунке ниже.
Рисунок 1 – Внешний вид жидкокристаллического индикатора
4 Задание к работе в лаборатории
4.1 Вывод символа на ЖКИ
- Разработайте алгоритм программы, выводящей на экран ЖКИ ваше имя в заданной строке. Режим работы ЖКИ и номер строки определяется согласно варианту задания (таблица 2).
- По принципиальной схеме учебного стенда LESO1 определите, к каким выводам микроконтроллера ADuC842 подключен ЖКИ. По таблице SFR определите адреса используемых портов ввода-вывода.
- Разработайте и введите текст программы в соответствии с созданным алгоритмом.
- Оттранслируйте программу, и исправьте синтаксические ошибки.
- Убедитесь, что на экране дисплея в заданной позиции появился требуемый символ.
4.2 Управление ЖКИ через последовательный порт персонального компьютера (дополнительно)
- Измените программу таким образом, что бы на экране ЖКИ выводилась информация, переданная с персонального компьютера через UART. Передача команды осуществляется через терминал nwFlash. Выбор источника синхронизации и скорости передачи данных осуществляется по усмотрению студента.
- Загрузите полученный *.hex файл в лабораторный стенд LESO1.
- Через терминал nwFlash передайте коды символов, убедитесь, что соответствующие символы выводятся на экране индикатора.
Таблица 2 – Варианты заданий
| номер варианта | номер строки | режим курсора |
| 1 | первая | выключен |
| 2 | вторая | включен, мерцает |
| 3 | первая | включен, не мерцает |
| 4 | вторая | выключен |
| 5 | первая | включен, мерцает |
| 6 | вторая | включен, не мерцает |
| 7 | первая | выключен |
| 8 | вторая | включен, мерцает |
| 9 | первая | включен, не мерцает |
| 10 | вторая | выключен |
| 11 | первая | включен, мерцает |
| 12 | вторая | включен, не мерцает |
| 13 | первая | выключен |
| 14 | вторая | включен, мерцает |
| 15 | первая | включен, не мерцает |
5 Указания к составлению отчета
Отчет должен содержать:
- Цель работы.
- Принципиальную схему подключения ЖКИ к управляющему микроконтроллер.
- Структурную схему ЖКИ.
- Диаграммы передачи данных по параллельному интерфейсу.
- Расчет параметров таймера.
- Графическую схему алгоритма работы программы.
- Исходный текст программы.
- Содержимое файла листинга программного проекта.
- Выводы по выполненной лабораторной работе.
Схемы, а также отчет в целом, выполняются согласно нормам ЕСКД.
