Материал по информатике "Средства отображения цифровой информации"

Мотивация. Как известно, 80% всей информации человек воспринимает органами зрения. В тоже время развитие систем автоматического сбора и обработки информации, систем программного управления, телеметрии и робототехники, измерительной, регистрирующей аппаратуры и других автоматических устройств привело к созданию широкой номенклатуры различных типов приборов, воспроизводящих информацию в удобной форме для зрительного восприятия. Поэтому визуальному восприятия информации должно уделяться первостепенное внимание.

Цель занятия: Изучение различных цифровых средств отображения информации и принципов управления ими.

Студент должен знать:

Назначение визуальных средств отображения информации.

Классификацию средств отображения информации.

Признаки и принципы действия средств отображения информации.

Виды отображаемой информации.

Достоинства и недостатки различных средств отображения информации.

Конструктивную и технологическую особенность построения полупровод-никовых знакосинтезирующих индикаторов (ЗСИ).

Условно-графическое изображение и маркировку ЗСИ.

Режимы работы и управления ЗСИ.

Преобразователи цифровых кодов в сигналы сегментного кода.

Единицы измерения световых величин.

Студент должен уметь:

Подбирать приемлемые типы средств отображения информации для конкретных целей.

Устанавливать достаточные рабочие режимы индикаторов по яркости свечения, многоцветности, расходу мощности и рабочего напряжения.

Разрабатывать оптимальные режимы управления средствами отображения информации.

Осуществлять монтаж и наладку средств отображения и управления ими.

Составлять функциональные схемы преобразователей цифровых сигналов

двоичного кода в сигналы сегментного кода.

По назначению использовать таблицу истинности дешифраторов кода для управления ЗСИ.

Строить многоразрядные декадные средства отображения информации.

Безошибочно устанавливать применимость ЗСИ по их маркировке.

Вопросы для подготовки к занятию:

а) по базисным знаниям:

По каким признакам классифицируются знакосинтезирующие индикаторы?

Как работают единичные свето-излучающие диоды и для чего они используются?

Как изображаются на схемах единичные светоизлучающие диоды?

Как функционируют семисегментные знако - синтезирующие индикаторы?

Как отображаются цифры на семисегментном индикаторе?

Нарисуйте схему полупроводникового семисегментного индикатора.

Какие недостатки и достоинства полупроводниковых ЗСИ вы знаете?

Чем отличается полупроводниковые ЗСИ  от вакуумных, люминесцентных и вакуумных накаливаемых ЗСИ?

б) по теме занятия:

Каково быстродействие полупроводниковых ЗСИ?

Чем определяются цвет и яркость излучения полупроводниковых ЗСИ?

Что такое контрастность изображения?

Изучить назначение и принцип действия одинарных индикаторов, используемых для индицирования состояния логических устройств.

Изучить принцип действия и конструктивные особенности семисегментного индикатора.

Освоить принцип управления одинарными светодиодами.

Изучить принципы управления семисег-ментными ЗСИ.

Изучить принцип работы и логику управления преобразователями кодов.

Изучить принцип работы двоично-десятичного дешифратора.

Подготовить отчет по выполненной работе.

Краткое содержание работы

Средства отображения информации являются важной составной частью систем автоматики, робототехники и вычислительной техники. К средствам отображения относятся стрелочные электромеханические индикаторы, электроннолучевые трубки, лампы накаливания, светодиоды и т.п. В последние годы получили широкое распространение знако синтезирующие индикаторы (ЗСИ). Особенностью ЗСИ является наличие одного или нескольких элементов отображения информации, имеющих отдельные цепи управления.

Хотя способы получения цифр, букв и других знаков разнообразны, однако все они должны удовлетворять требованиям, относящимся к геометрическим размерам, начертанию, освещенности, яркости, расположению в пространстве. Скорость и точность опознания цифр зависят от их формы. Буквы и цифры, образованные прямыми линиями, опознаются быстрее и точнее знаков, для начертания которых использованы криволинейные элементы.

Безошибочность и быстрота считывания информации, воспроизводимой ЗСИ, в частности, определяется яркостью свечения индикатора, расстоянием до наблюдателя и др. Яркость зависит от силы света, излучаемой единицей поверхности. Человеческий глаз способен воспринимать широкий диапазон яркости от 10^-6 до 10⁶ кд/м². Для примера, отметим, что яркость свечения экрана телевизора составляет 100-130 кд/м².

Весь материал - в документе.

Средства отображения цифровой Информации

Мотивация. Как известно, 80% всей информации человек воспринимает органами зрения. В тоже время развитие систем автоматического сбора и обработки информации, систем программного управления, телеметрии и робототехники, измерительной, регистрирующей аппаратуры и других автоматических устройств привело к созданию широкой номенклатуры различных типов приборов, воспроизводящих информацию в удобной форме для зрительного восприятия. Поэтому визуальному восприятия информации должно уделяться первостепенное внимание.

Цель занятия: Изучение различных цифровых средств отображения информации и принципов управления ими.

Студент должен знать:

1. Назначение визуальных средств отображения информации.

2. Классификацию средств отображения информации.

3. Признаки и принципы действия средств отображения информации.

4. Виды отображаемой информации.

5. Достоинства и недостатки различных средств отображения информации.

6. Конструктивную и технологическую особенность построения полупровод-никовых знакосинтезирующих индика-торов (ЗСИ).

7. Условно-графическое изображение и маркировку ЗСИ.

8. Режимы работы и управления ЗСИ.

9. Преобразователи цифровых кодов в сигналы сегментного кода.

10. Единицы измерения световых величин.

Студент должен уметь:

1. Подбирать приемлемые типы средств отображения информации для конкретных целей.

2. Устанавливать достаточные рабочие режимы индикаторов по яркости свечения, многоцветности, расходу мощности и рабочего напряжения.

3. Разрабатывать оптимальные режимы управления средствами отображения информации.

4. Осуществлять монтаж и наладку средств отображения и управления ими.

5. Составлять функциональные схемы преобразователей цифровых сигналов

двоичного кода в сигналы сегментного кода.

1. По назначению использовать таблицу истинности дешифраторов кода для управления ЗСИ.

2. Строить многоразрядные декадные средства отображения информации.

3. Безошибочно устанавливать применимость ЗСИ по их маркировке.

Вопросы для подготовки к занятию:

а) по базисным знаниям:

1. По каким признакам классифицируются знакосинтезирующие индикаторы?

2. Как работают единичные свето-излучающие диоды и для чего они используются?

3. Как изображаются на схемах единичные светоизлучающие диоды?

4. Как функционируют семисегментные знако - синтезирующие индикаторы?

5. Как отображаются цифры на семисегмент-ном индикаторе?

6. Нарисуйте схему полупроводникового семисегментного индикатора.

7. Какие недостатки и достоинства полупроводниковых ЗСИ вы знаете?

8. Чем отличается полупроводниковые ЗСИ от вакуумных, люминесцентных и вакуум-

ных накаливаемых ЗСИ?

б) по теме занятия:

1. Каково быстродействие полупроводниковых ЗСИ?

2. Чем определяются цвет и яркость излучения полупроводниковых ЗСИ?

3. Что такое контрастность изображения?

4. Изучить назначение и принцип действия одинарных индикаторов, используемых для индицирования состояния логических устройств.

5. Изучить принцип действия и конструк-тивные особенности семисегментного индикатора.

6. Освоить принцип управления одинарными светодиодами.

7. Изучить принципы управления семисег-ментными ЗСИ.

8. Изучить принцип работы и логику управления преобразователями кодов.

9. Изучить принцип работы двоично-десятичного дешифратора.

10. Подготовить отчет по выполненной работе.

Краткое содержание работы

Средства отображения информации являются важной составной частью систем автоматики, робототехники и вычислительной техники. К средствам отображения относятся стрелочные электромеханические индикаторы, электроннолучевые трубки, лампы накаливания, светодиоды и т.п. В последние годы получили широкое распространение знако синтезирую- щие индикаторы (ЗСИ). Особенностью ЗСИ является наличие одного или нескольких элементов отображения информации, имеющих отдельные цепи управления.

Хотя способы получения цифр, букв и других знаков разнообразны, однако все они должны удовлетворять требованиям, относящимся к геометрическим размерам, начертанию, освещенности, яркости, расположению в пространстве. Скорость и точность опознания цифр зависят от их формы. Буквы и цифры, образованные прямыми линиями, опознаются быстрее и точнее знаков, для начертания которых использованы криволинейные элементы. Безошибочность и быстрота считывания информации, воспроизводимой ЗСИ, в частности, определяется яркостью свечения индикатора, расстоянием до наблюдателя и др. Яркость зависит от силы света, излучаемой единицей поверхности. Человеческий глаз способен воспринимать широкий диапазон яркости от 10^-6 до 10⁶ кд/м². Для примера, отметим, что яркость свечения экрана телевизора составляет 100-130 кд/м².

ЗСИ классифицирует по следующим признакам:

• по виду отображаемой информации;

• по виду элементов отображения;

• по физическому принципу действия.

По виду отображаемой информации ЗСИ бывают:

• единичные, цифровые, буквенно-цифровые и графические.

По виду элементов отображаемой информации ЗСИ подразделяются на сегментные и матричные. В сегментных ЗСИ элементами отображения являются сегменты, сгруппированные в одно или несколько знакомест. По физическому принципу действия ЗСИ подразделяются на вакуумные люминесцентные, вакуумные накаливаемые, полупроводниковые, газоразрядные и жидкокристаллические.

Рассмотрим полупроводниковые ЗСИ, широко распространенные в свое время в автоматике и получившие название светоизлучающих диодов. Они преобразуют электрическую энергию в световое излучение за счет рекомбинации электронов и дырок. В обычных диодах рекомбинация электронов и дырок происходит с выделением тепла, без светового излучения. Такая рекомбинация называется фононной. В светоизлучающих диодах (СИД) преобладает рекомбинация с излучением света, которая называется фотонной. Обычно такое излучение бывает резонансным и лежит в узкой полосе частот.

Для изменения длины волны излучения нужно менять материал, из которого изготовлен светодиод, или изменять величину тока через диод. Для изготовления светодиодов используют арсенид галлия (GaAs, инфракрасное излучение, l=1 мкм), фосфид галлия (GaP, красное излучение, l=0,7 мкм), карбид кремния (SiC, зеленое излучение, l=0,5 мкм). Из отдельных светодиодов собирают блоки и матрицы, позволяющие высвечивать изображение букв и цифр.

В качестве примера рассмотрим ЗСИ типа АЛС324А, установленный на стенде в блоке индикации 2. Этот индикатор является одно-разрядным цифровым индикатором, предназ-наченным для отображения цифр от 0 до 9 и точки (.). Отображение цифр осуществляется путем синтезирования их из семи сегментов, условно обозначенных буквами латинского алфавита a, b, c, d, e, f, g (рисунок 1). Отображение точки (.) реализуется с помощью сегмента h, не указанного на рисунке. Каждый сегмент выполнен в виде узкой линзы из пластмассы, подсвечиваемой соответствующим светодиодом. Таким образом, электрическая

схема индикатора АЛС324А содержит восемь светодиодов. Для управления индикаторами разработана специальная микросхема КР514ИД1, представляющая двоично-десятич-ный дешифратор. Он осуществляет преобразо-вание цифровых сигналов двоичного кода в сигналы сегментного кода. Включение ЗСИ осуществляется подачей на элементы изображения постоянного или импульсного напряжения соответствующего “лог.1”. Схема соединения ЗСИ и дешифратора показана на рисунке 2. Здесь входные цепи дешифратора обозначены через 1, 2, 4, 8, представляющие весовые значения разрядов 2⁰, 2¹, 2², 2³. Вход “Г” используется для гашения индикатора при подаче на него “лог.0”. Таблица истинности двоично-десятичного дешифратора КР514ИД1 показывает (таблица 1) на соответствие двоич-ного кода на входах дешифратора синтези-руемому индикатором знаку. Например, если подать на входы дешифратора двоичный код “0000” при Г=1, на всех выходах (кроме G) появится “лог.1” и на индикаторе высветится цифра “0”, если подать на входы DC двоичный код “0001”, то на индикаторе высветится цифра “1” и т.д.

Порядок выполнения работы

Задание 1

Изучение принципа управления единичным светоизлучающим диодом.

Единичный полупроводниковый ЗСИ - это полупроводниковый диод, в переходе

которого в результате рекомбинации электронов и дырок при их инжекции в прямом направлении генерируется световое излучение. Из этих приборов формируется групповые индикаторы, организованные в один или несколько разрядов. Полупроводниковые знако синтезирующие индикаторы – низковольтные приборы, удобно совмещаемые с источниками питания и уровнями токов микросхем. Они достаточно миниатюрны и позволяют конструировать устройства, предназначенные для отображения информации различной сложности – от светящейся точки до текстов и графиков. Основными материалами, используемыми для изготовления светодиодов, являются твердые растворы арсенида галлия (GaAs) и фосфида галлия (GaP).

В простейшем случае единичный СИД представляет переход с омическими (не выпрямляющими) контактами. Для уменьшения отражения света, на поверхности полупроводника формируют полусферическое покрытие из материала с промежуточным коэффициентом преломления между коэффициентами преломления воздуха и кристалла. В такой конструкции лучи света подходят к разделу полупроводник – воздух практически перпендикулярно, что резко снижает потери не внутреннее отражение.

На лабораторном стенде смонтирован блок индикации 1 из 18 единичных полупроводниковых СИД, образующих две линейки девятиразрядных индикаторов каждая. Кроме того, между сегментными индикаторами блока индикации 2 имеется еще один светодиод HL красного цвета свечения с ограничивающим резистором R1 (рисунок 3а).

Если на катод этого диода подать высокий потенциал от переключателя SA1, соответствующий лог.“1”, то из-за отсутствия тока через диод, он не излучает свет, тогда как наличие излучения света обычно воспринимается за лог. “1”, а отсутствие – за лог.“0”. В этом случае между аргументом Х и функцией У существует инвертированное соотношения У=`Х. Чтобы привести в соответствие действие высокого потенциала со свечением СИД, последний управляется через дополнительный логический элемент - инвертор (рисунок 3б).

В качестве инвертора может быть использован один из шести элементов ИМС К155ЛН1.Только тогда свечение диода HL, воспринимаемое за лог.“1”, будет полностью соответствовать действию высокого потенциала (Х=1), а отсутствие свечения – действию низкого потенциала (Х=0). Для проведения этих положений необходимо:

1. Смонтировть на стенде схему изучения единичного полупроводникового СИД (рисунок 3а).

2. Включить блок питания стенда и проверить правильность функционирования схемы составлением таблицы истинности. Убедиться, что между аргументом Х и функцией У существует инвертированная зависимость: У=`Х.

3. Выключить блок питания стенда.

4. Перестроить схему проверки СИД с добовлением логического элемента НЕ по схеме на рисунке 3б.

5. Включить блок питания стенда и проверить правильность функционирования схемы составлением таблицы истинности. Убедиться, что между значением аргумента Х и функции У существует прямая зависимость: У = Х.

6. Выключить приборы и демонтировать схему.

Задание 2

Монтаж схемы исследования семисегментного знако синтезирующего индикатора.

1. Ознакомиться с принципиальной схемой исследования ЗСИ на АЛС324А (рисунок 4).

2. Изучить самостоятельно принцип работы преобразователя двоичного кода в двоично-десятичный на ИМС К155ПР7.

Операция изменения кода числа называется его перекодированием. Интегральные микросхемы, выполняющие эти операции, называются преобразователями кодов. Преобразователи кодов бывают простые и сложные. Простые преобразователи кодов выполняют стандартные операции изменения кодов чисел, напр., двоичного кода в одинарный

или обратную операцию. Сложные преобразователи кодов выполняют нестандартные преобразования кодов и их схемы приходиться разрабатывать каждый раз с помощью алгебры логики. Будем счи-

тать, что преобразователи кодов имеют n входов и К выходов. соотношения между n и К могут быть любыми: n = K, n K и n K. При преобразовании кода чисел с ними могут выполняться различные дополнительные операции, например, умножение на весовые коэффициенты. Примером невесового преобразования является преобразование двоично-десятичного кода в двоичный. Весовые преобразователи кодов используются при преобразовании числовой информации. Интегральные микросхемы преобразователей кодов выпускаются только для наиболее распространенных операций.

Основой ИМС 155ПР7 является запо-минающая матрица с организацией 32-х восьмиразрядных слов. Обращение к матрице происходит по пятиразрядному двоичному коду, поступающему на входы А0¸А4. При наличии низкого уровня напряжения на входе разрешения RE, на выходах ИМС 155ПР7 появляется восьми разрядный двоичный код. Считываемая информация накапливается в 4-х разрядном двоичном счетчике (СТ2) на ИМС К155ИЕ7, затем выдается на пре-образователь кодов (Х/У) на ИМС 155ПР7, который управляет работой двоично-десятичного дешифратора (DC) на ИМС 514ИД1. Выходные цепи этого дешифратора являются входными для знакосинтезирующих индикаторов HG1 и HG2. Один индикатор HG2 используется для индицирования младшего десятичного разряда, другой HG1 служит для индицирования старшего десятичного разряда. Т.о., максимальная числовая информация, индицируемая схемой, определяется объемом информации, накапливаемой 4-х разрядным двоичным счетчиком на ИМС типа 155ИЕ7. Именно поэтому на входные цепи А0-А4 второго преобразователя кодов (Х/У-2) поданы нулевые потенциалы.

1. Написать таблицу соединений схемы исследования с учетом того, что внутренние соединения блока индикации 2 уже выполнены печатным монтажом, кроме выводов гашения (Г) ИМС 514ИД1 и подключения источника +5В.

2. К органом управления приложить бумажный шаблон с указанием задаваемых функций.

3. После проверки правильности монтажа схемы, включить блок питания стенда.

Задание 3

Проверка функционирования ЗСИ

1. По входу R- счетчика СТ2 установить его разряды в нулевые состояния. Убедиться в том, что на индикаторах HG2 и HG1 высвечиваются “0”.

2. Формируя кнопкой SB1 счетные импульсы, проверить по индикаторам HG2 и HG1 правильность отображения на них информации, записанной в счетчике. Последняя отображается состоянием светодиодов (HL-B1)-(HL-B4) блока индикации 1. При правильной работе схемы информация, записанная в счетчике, должна высвечиваться десятичными цифрами в блоке индикации 2.

3. Найти неисправность, внесенную в схему преподавателем.

4. Объяснить работу схемы на рисунке 3.

5. Произвести демонтаж схемы и привести рабочее место в порядок.

Совместная работа студента с преподавателем

Преподаватель проводит проверку самостоятельной работы студентов с опросом каждого студента, выполняет обсуждение результатов СРС, дает анализ темы занятия, подробно излагает вопросы применения темы в различных системах отображения информации.

Контроль исходного и заключительного уровня знаний

При закреплении пройденной темы преподаватель может задать студентам контрольные вопросы такого характера, которые непосредственно или косвенно относятся к изучаемой теме, стимулируют поиску оригинальных ответов, способствуют мысленно заново проигрывать тот или иной пункт эксперимента, чтобы оживить его перед своим взором и осознанно ответить на заданный вопрос. Например:

1. Сущность возникновения фотонного излучения в светодиодах?

2. Какие светоизлучающие индикаторы используются в различных световых табло и экранах мониторов?

Литература

1. Лисицин Б.Л. Низковольтные индикаторы. – М.: Энергоатомиздат.1985.

2. Знакосинтезирующие индикаторы. Справочник. –М.: Энергоатомиздат. 1987.

3. Пароль Н.В., Кайдалов С.А. Знако синтезирующие индикаторы и их применение. –М.: Радио и связь. 1989.

4. Прянишников В.А. Электроника. С.-Пб.: Корона Принт.2000.

5. Мукашев К.М., Шадинова К.С., Андаспаева А.А. Основы автоматики и микро-электроники. Лабораторный практикум. Алматы, 2003 г. 173-184 стр.