Описание схемы вывода управляющего сигнала цап. Цифро-аналоговый преобразователь: описание, принцип работы, применение. Основные типы статических погрешностей ЦАП
ЖК дисплей на основе микроконтроллера HD44780 является наиболее часто используемым в электроники. Вы можете его встретить в кофейных автоматах, часах, копирах, принтерах, роутерах и т.п. Также данный дисплей используется в LCD шилдах для Arduino .
ЖК дисплей представляет из себя модуль , состоящий из микроконтроллера HD44780 разработанный фирмой Hitachi и непосредственно самим ЖК дисплеем . Микроконтроллер принимает команды и обрисовывает соответствующие символы на ЖК дисплее.
Существует огромное
количество разновидностей
данного ЖК модуля, он может быть 1,2, 4 –ех строчный
с различным числом символов
на строке
, с подсветкой
или без
, с различным цветом
подсветки и т.п. Объединяет их всех наличие микроконтроллера HD44780
, зная команды которого позволит нам без проблем
использовать в своих проектах ту или иную модификацию
.
Предисловие
Для работы с дисплеями на основе HD44780 создано большое количество библиотек как на ассемблере так и на СИ , также для Arduino существует своя библиотека «LiquidCrystal ».
Для изучения я решил не использовать наработки, а поработать с ним на «низком уровн е», подергать его ножки самим , тем самым я получу представление о его работе. Полученные навыки позволят мне самому написать библиотеку если в этом будет необходимость.
Где взять первоисточник информации?
Если вы захотите сами разобраться как работать с LCD дисплеем на HD44780 и вникнуть глубже , то в этом вам поможет даташит на микроконтроллер HD44780 , которые легко найти в интернете (но если вам лень, вы можете с сайта).
Изучение я разобью на два этапа
1. Сначалая я приведу матчасть по работе с LCD на HD44780 , этому посвящён данный пост
Вам будет интересно:
Описание устройства карманного компьютера начнем с самого привлекательного и самого дорогого компонента - жидкокристаллического экрана. Именно он в значительной степени определяет стоимость и класс компьютера, именно он требует от пользователя бережного отношения.
Все ЖК экраны компьютеров семейств Pocket PC 2002 и 2003 построены по технологии активной матрицы. В альтернативных аппаратах иногда встречаются и пассивные экраны, например, в Pocket Manager ВЕ300 от Casio.
Принцип действия жидкокристаллической матрицы основан на способности жидких кристаллов принимать в электромагнитном поле упорядоченное положение и снова располагаться хаотично при его отсутствии. Если сильно увеличить одну ячейку жидкокристаллической матрицы, то можно увидеть, что она представляет собой герметичную капсулу, в которой заключено небольшое количество жидких кристаллов. Основанием капсулы служит стекло с прозрачным тонкопленочным электрическим проводником. Когда на проводник ячейки подается электрический потенциал определенной полярности, кристаллы принимают упорядоченное положение, когда потенциал не подается - возвращаются в хаотичное исходное состояние. Таким образом устроена ячейка пассивной матрицы.
Устройство активной матрицы сложнее. Поскольку при исчезновении потенциала жидкие кристаллы стремятся вернуться в исходное положение, у пассивной матрицы возникает эффект инерционности изображения. Чтобы удержать кристаллы в определенном положении, потенциал должен подаваться постоянно. Для этого в активной матрице к каждой ячейке подводится не просто проводник, а вывод тонкопленочного транзистора (отсюда и название TFT - Thin Film Transistor - тонкопленочный транзистор), который сохраняет заряд до того момента, пока на него не будет подан электрический сигнал обратной полярности. Применение транзисторов вместо простых проводников многократно усложняет устройство и в конечном итоге производство жидкокристаллических матриц. Ведь в прямоугольной матрице размером 57,6 х 76,82 мм расположено 76 800 ячеек размером 0,24 мм, каждая из которых представляет собой комплекс из трех более мелких ячеек - триад - из которых затем синтезируется цветное изображение.
Каждая ячейка, состоящая из трех элементов триады, представляет собой пиксел и имеет прямоугольную форму. Сами ячейки образованы продольными перегородками на стекле подложки экрана и поперечными пластиковыми вставками. Ячейки этой решетки заполняются жидкими кристаллами и накрываются покровным, внешним
Но это еще не все. Кроме токопроводящего пленочного слоя, расположенного на покровном стекле, в толще жидкокристаллической матрицы есть еще несколько слоев. Во-первых, это внутренний поляризационный фильтр, расположенный между лампой подсветки экрана и стеклом подложки матрицы. Затем идет матрица микроскопических светофильтров, в которой каждому элементу триады образующей пиксель, соответствует один из базовых цветов - красный, зеленый или синий (red, green, blue, RGB). На внешней поверхности покровного стекла экрана устанавливается второй поляризационный фильтр. Наконец, сверху матрицы располагается специальный прозрачный экран сенсорной чувствительности.
Как работает эта сложная система? Контроллер дисплея, согласно командам операционной системы строит изображение и подает его в виде электрических сигналов на выводы транзисторов ячеек матрицы. Жидкокристаллическая матрица является устройством вывода информации с непосредственной адресацией. То есть напряжение к каждой ячейке матрицы (к каждому пикселу) подается индивидуально, а не построчным сканированием луча, как это происходит в электронно-лучевых трубках мониторов настольных компьютеров. Благодаря этому изображение, получаемое при помощи жидкокристаллической матрицы, отличается высокой стабильностью и полным отсутствием геометрических искажений.
Сами по себе жидкие кристаллы какого-либо изображения построить не способны, поскольку света не излучают. Их роль в матрице - перекрыть либо пропустить световой поток от лампы подсветки. При этом яркость изображения зависит от яркости лампы подсветки, а контрастность - от точного совпадения направления луча света и вектора ориентации жидких кристаллов.
Повысить контраст изображения до приемлемого уровня, призвана пара фильтров-поляризаторов - внутреннего и внешнего. Свет лампы подсветки, проходя через внутренний поляризационный фильтр, ориентируется таким образом, что направление вектора поляризации совпадает с вектором ориентации кристаллов, которые под воздействием управляющего сигнала контроллера располагаются параллельно поляризованным лучам света. Свет в этом случае проходит беспрепятственно, пиксел выглядит ярко светящимся. Если кристаллы в ячейке матрицы располагаются под углом к лучам света и частично перекрывают его, пиксел выглядит затемненным (таким образом строится полутоновое изображение). Кристаллы, расположенные перпендикулярно, полностью перекрывают лучи света, испускаемые лампой подсветки, - пиксел выглядит темным.
В качестве подсветки в экранах карманных компьютеров используются либо трубчатые люминесцентные лампы белого свечения (в карманных компьютерах с монохромным экраном - белого, янтарного или зеленого свечения), либо люминесцентные полимерные панели, излучающие свет всей поверхностью. Если в качестве источника света используются лампы, то за внутренним стеклом жидкокристаллической матрицы установлена относительно толстая стеклянная призма. Лампы светят в ее торцы, а призма рассеивает свет, обеспечивая тем самым равномерность подсветки экрана. Поскольку площадь экрана КПК невелика, а проблема энергосбережения стоит достаточно остро, зачастую подсветка осуществляется одной лампой.
Так были устроены экраны карманных компьютеров до появления семейства Pocket PC. Именно в это время среди пользователей и компьютерных аналитиков разгоралась жаркая дискуссия - нужен ли вообще карманному компьютеру цвет? Дело в том, что в то время даже самая качественная жидкокристаллическая матрица давала изображение по яркости и контрасту уступавшее изображению, получаемому при помощи электроннолучевой трубки. Теперь вспомните, что происходит, когда в комнату, где работает телевизор, проникает яркий солнечный свет - изображение на экране телевизора практически исчезает. При этом контраст изображения электроннолучевой трубки вчетверо выше, чем контраст изображения жидкокристаллической матрицы рядового КПК.
Казалось бы, в условиях дневного освещения, не говоря уже о ярком солнечном свете, у цветной жидкокристаллической матрицы нет ни одного шанса - на экране карманного компьютера ничего не видно, включай подсветку или не включай (она на компьютерах с активными матрицами, кстати, и не выключалась). Но монохромные экраны со своей задачей справлялись, поскольку основной их режим - работа в отраженном свете. То есть внешний свет попадает на экран, проходит сквозь прозрачные слои матрицы, отражается от внутренней поверхности и поверхности кристаллов и возвращается, участвуя в построении экранного изображения.
По такому же принципу построены экраны всех карманных компьютеров Pocket PC 2002. Отражающие (или рефлективные) экраны имеют такое же устройство, как и обычная активная жидкокристаллическая матрица, но за одним исключением. На внутреннюю поверхность стеклянной призмы, которая рассеивает свет от лампы подсветки, нанесена отражающая амальгама, увеличивающая отражающую способность призмы. В результате яркий внешний свет проникает сквозь прозрачные слои экрана, отражается от поверхности призмы и возвращается, осуществляя подсветку.
Комбинация рефлективного экрана и лампы подсветки позволяет подобрать наиболее эффективный режим вывода изображения, при котором пользователю даже прямые солнечные лучи перестают быть помехой. А с практической точки зрения, отражающие экраны выглядят мягче и спокойнее, чем активные матрицы. Возможно на них не такие яркие и насыщенные цвета, зато работать с таким экраном комфортнее и безопаснее. Проблема не только в каких-то вредных излучениях, но и в резком перепаде яркостей. На ярком солнечном свете даже чтение обычного текста с обычной бумаги превращается в пытку. И яркая, красочная картинка на экране маленького компьютера в условиях умеренной освещенности в этом смысле ничуть не лучше. Поэтому мы можем смело записать в плюсы компьютеров Pocket PC еще и заботу о нашем зрении.
В современных КПК рефлективная подсветка используется только для удешевления моделей, а если производитель хочет предоставить экран максимального качества, то используется трансфлективная матрица. Практически сохраняя все особенности отражающей конструкции, источник света перемещается за стекло - освещение становится более равномерным и контрастным, а цвета более живыми.
Экран iPhone, устроен по другому и его конструкция - тема отдельной статьи. Здесь же мы отметим лишь одну особенность экрана устройства от Apple. Согласно многочисленным отзывам пользователей iPhone, иногда им не хватает возможности использовать стилус для ввода или управления. Несмотря на то, что сама ОС и приложения для iPhone , ориентированы исключительно на управление пальцами, на рынке существуют специальные стилусы для работы с устройствами, имеющими экраны емкостного типа. Так что, если вы привыкли пользоваться стилусом, то и управлять iPhone, можно и при помощи пера.
LCD дисплей – это самый распространенный вид экранов телевизоров и мониторов, а также дисплеев телефонов и других устройств. Такое распространение данный вид экрана получил благодаря целому ряду неоспоримых преимуществ.
Для того чтобы понять все положительные качества ЖК дисплеев следует понять, что это такое, а также знать принцип работы и устройства таких экранов. Именно об этом и пойдет речь в данной статье.
1. Расшифровка LCD
ЖК-дисплей означает – жидкокристаллический экран, если перевести на английский язык - Liquid crystal display. Из этого следует, что ЖК и LCD – это одно и тоже. Данная технология получила такое название благодаря применению уникального вещества, которое всегда находится в жидком состоянии и обладает оптическими свойствами, присущими кристаллам.
Современный ЖК экран отличается рядом преимуществ, которые обеспечиваются именно жидкими кристаллами. Постоянное жидкое состояние молекул жидких кристаллов позволяет управлять их оптическими свойствами, воздействуя на них электричеством. При этом молекулы меняют свое расположение, преломляя проходящий свет под нужным углом, отсеивая определенный спектр излучения.
2. Устройство ЖК дисплея
Практически все существующие сегодня ЖК дисплеи имеют идентичное устройство. Если говорить о конструкции, то любой LCD монитор или телевизор состоит из следующих компонентов:
- ЖК матрицы;
- Источник света;
- Контактного жгута;
- Обрамление (корпус).
ЖК матрица представляет собой две стеклянные пластины, между которыми располагается тонкий слой жидких кристаллов. По сути – это массив, состоящий из огромного множества ячеек, называемых пикселями. Каждый пиксель матрицы состоит из нескольких молекул жидких кристаллов и двух поляризационных фильтров. Причем плоскости этих фильтров расположены перпендикулярно относительно друг друга.
Каждый пиксель матрицы расположен между двумя специальными прозрачными электродами, что дает возможность управлять расположением молекул в каждом пикселе отдельно. LCD технология может основываться на прохождении либо отражении света, в зависимости от устройства монитора, через молекулы жидких кристаллов. Разницы между этими типами матриц практически нет. Однако стоит отметить, что большинство ЖК дисплеев работают на прохождение света через слой жидких кристаллов.
3. Принцип работы ЖК дисплея
Принцип работы LCD дисплея заключается в том, что при условии отсутствия молекул жидких кристаллов свет пропускается первым поляризационным фильтром и полностью блокируется – вторым.
Сами жидкие кристаллы расположены между этими фильтрами таким образом, чтобы преломлять свет, проходящий через первый фильтр так, чтобы он беспрепятственно проходил через второй. Так устроены TN матрицы. Жидкокристаллические дисплеи с другими типами матриц могут действовать наоборот, однако принцип работы при этом не меняется. То есть в спокойном состоянии излучение блокируется и не проходит через матрицу, а при возбуждении электромагнитного поля плоскость излучения меняется так, чтобы свет проходил без препятствий
Для того чтобы молекулы жидких кристаллов располагались в нужном порядке без воздействия электричеством, на контактирующую поверхность электродов нанесены специальные микроскопические бороздки, выстраивающие молекулы в нужном порядке. Таким образом, если воздействовать на определенные области матрицы получается изображение.
Каждый современный жидкокристаллический экран имеет высокое разрешение. Это означает, что матрица состоит из огромного количества пикселей, при этом управлять ими можно каждым в отдельности. Другими словами, если увеличить какую-либо область экрана можно заметить мелкие ячейки, меняя напряжение каждой из этих ячеек можно изменить угол преломления света именно в данной точке. Путем создания необходимого напряжения в каждой из ячеек и создается определенное изображение.
4. Тип подсветки ЖК матрицы
Современные LCD дисплеи могут использовать два варианта подсветки:
- Люминесцентные лампы;
- Светодиодная подсветка.
Конечно же, тип подсветки существенно влияет на качество изображения. Люминесцентные лампы считаются устаревшим методом подсветки. Главной проблемой данного типа подсветки является невозможность равномерного распределения света по всей плоскости экрана, что не позволяет достичь высокого качества изображения. Он использовался в первых ЖК матрицах и сегодня встречается все реже.
Светодиодная подсветка, более известная под название LED, является последней разработкой, которая позволила достичь более высокого качества изображения. Такой тип подсветки отличается рядом преимуществ.
Во-первых – это низкое потребление электроэнергии. Во-вторых, LED подсветка излучает более интенсивный свет, который позволяет более равномерно распределить излучение. Благодаря компактным размерам такая подсветка не занимает много места, что позволяет делать экраны еще более тонкими.
5. Типы ЖК матриц
В мире существует несколько типов LCD матриц, однако на отечественном рынке встречается только два вида:
- TN+Film;
Оба варианта имеют достаточно высокие характеристики. Если говорить о том, какой вариант лучше выбрать, то следует отметить, что все больше производителей отдают предпочтение IPS матрицам, так как они позволяют передать более естественные цвета.
Конечно, как и в любой другой технологии, здесь также есть свои плюсы и минусы. IPS матрицы отличаются отличным качеством изображения, высокой четкостью и прекрасной цветопередачей. Однако при этом имеют медленный отклик. Современные технологии позволили улучшить этот показатель до высокого уровня.
TN+Film матрицы уступают по качеству и четкости изображения. Однако при этом они имеют быстрый отклик, который позволяет таким мониторам отображать самые яркие спецэффекты и быстрые видео записи. Однако стоит понимать, что все эти измерения проводятся при помощи специальной техники. В домашних условиях вы вряд ли сможете заметить существенную разницу между этими матрицами. Поэтому выбор остается за вами.
6. Устройство TFT дисплея: Видео
Конечно, зная все эти нюансы, люди, которые занимаются обработкой фотографий, предпочитают IPS матрицы, так как им не требуется быстрый отклик, но при этом необходима максимально естественная цветопередача. В других случаях, тип матрицы не играет роли.
Ну и, конечно же, все характеристики зависят и от производителя, а также от используемой технологии и материалов. Не стоит думать, что все IPS матрицы одинаковы, они также могут отличаться между собой. Стоит понимать, что чем дороже монитор (или телевизор) тем более высокое качество изображения вы сможете получить. То же самое можно сказать и о TN+Film матрицах.
Какой бы жидкокристаллический дисплей вы не выбрали, стоит обязательно ознакомиться с его возможностями и техническими характеристиками. На сегодняшний день ЖК-дисплеи являются самыми распространенными по ряду причин. Их преимущества вы уже знаете. Благодаря этому они являются прямыми конкурентами плазменным панелям, но при этом они имеют более низкую стоимость, что делает их более доступными для пользователей. Кроме того, они имеют больший ресурс. Другими словами, ЖК-дисплей служит существенно дольше плазменной панели.
Статья:Устройство дисплея мобильного телефона (смартфона) и планшета. Устройство жидкокристаллического экрана. Типы дисплеев, их отличия.
Предисловие
В этой статье мы разберем устройство дисплеев современных мобильных телефонов, смартфонов и планшетов. Экраны крупных устройств (мониторов, телевизоров и т.п.), за исключением небольших нюансов, устроены аналогично.
Разборку будем проводить не только теоретически, но и практически, со вскрытием дисплея "жертвенного" телефона.
Рассматривать, как устроен современный дисплей, мы будем на примере наиболее сложного их них - жидкокристаллического (LCD - liquid crystal display ). Иногда их называют TFT LCD , где сокращение TFT расшифровывается "thin-film transistor" - тонкопленочный транзистор; поскольку управление жидкими кристаллами осуществляется благодаря таким транзисторам, нанесенным на подложку вместе с жидкими кристаллами.
В качестве "жертвенного" телефона, дисплей которого будет вскрыт, выступит дешевенький Nokia 105.
Основные составные части дисплея
Жидкокристаллические дисплеи (TFT LCD , и их модификации - TN, IPS, IGZO и т.д.) состоят укрупненно из трех составных частей: сенсорной поверхности, устройства формирования изображения (матрица) и источника света (лампы подсветки).Между сенсорной поверхностью и матрицей расположен еще один слой, пассивный. Он представляет собой прозрачный оптический клей или просто воздушный промежуток. Существование этого слоя связано с тем, что в ЖК-дисплеях экран и сенсорная поверхность представляют собой совершенно разные устройства, совмещенные чисто механически.
Каждая из "активных" составных частей имеет достаточно сложную структуру.
Начнем с сенсорной
поверхности (тачскрин, touchscreen). Она располагается самым верхним
слоем в дисплее (если она есть; а в кнопочных телефонах, например, ее
нет).
Её наиболее распространенный сейчас тип - ёмкостная. Принцип действия
такого тачскрина основан на изменении электрической емкости между
вертикальными и горизонтальными проводниками при прикосновении пальца
пользователя.
Соответственно, чтобы эти проводники не мешали рассматривать
изображение, они делаются прозрачными из специальных материалов (обычно
для этого используется оксид индия-олова).
Существуют также и сенсорные
поверхности, реагирующие на силу нажатия (т.н. резистивные), но они уже
"сходят с арены".
В последнее время появились и комбинированные сенсорные
поверхности, реагирующие одновременно и на емкость пальца, и на силу нажатия (3D-touch
-дисплеи).
Их основу составляет емкостной сенсор, дополненный датчиком силы нажатия
на экран.
Тачскрин может быть отделен от экрана воздушным промежутком, а может
быть и склеен с ним (так называемое "решение с одним стеклом", OGS
- one
glass solution).
Такой вариант (OGS) имеет значительное преимущество по качеству,
поскольку уменьшает уровень отражения в дисплее от внешних источников
света. Это достигается за счет уменьшения количества отражающих
поверхностей.
В "обычном" дисплее (с воздушным промежутком) таких поверхностей -
три. Это - границы переходов между средами с разным коэффициентом
преломления света: "воздух-стекло", затем - "стекло-воздух", и, наконец,
снова "воздух-стекло". Наиболее сильные отражения - от первой и
последней границ.
В варианте же с OGS отражающая поверхность - только одна (внешняя), "воздух-стекло".
Хотя
собственно для пользователя дисплей с OGS очень удобен и имеет хорошие
характеристики; есть у него
и недостаток, который "всплывает", если дисплей разбить. Если в
"обычном" дисплее
(без OGS) при ударе разбивается только сам тачскрин (чувствительная
поверхность), то при ударе дисплея
с OGS может разбиться и весь дисплей целиком. Но происходит это не
всегда, поэтому утверждения некоторых порталов о том, что дисплеи с OGS
абсолютно не ремонтируемые - не верно. Вероятность того, что разбилась
только внешняя поверхность - довольно велика, выше 50%. Но ремонт с
отделением слоев и приклейкой нового тачскрина возможен только в
сервис-центре; отремонтировать своими руками крайне проблематично.
Экран
Теперь переходим к следующей части - собственно экрану.
Он состоит из матрицы с сопутствующими слоями и лампы подсветки (тоже многослойной!).
Задача матрицы и относящихся к ней слоев - изменить количество проходящего через каждый пиксель света от лампы подсветки, формируя тем самым изображение; то есть в данном случае регулируется прозрачность пикселей.
Немного детальнее об этом процессе.
Регулировка "прозрачности" осуществляется за счет изменения направления поляризации света при прохождении через жидкие кристаллы в пикселе под воздействием на них электрического поля (или наоборот, при отсутствии воздействия). При этом само по себе изменение поляризации еще не меняет яркости проходящего света.
Изменение яркости происходит при прохождении поляризованного света через следующий слой - поляризационную пленку с "фиксированным" направлением поляризации.
Схематично структура и работа матрицы в двух состояниях ("есть свет" и "нет света") изображена на следующем рисунке:
(использовано изображение из
нидерландского раздела Википедии с переводом на русский язык)
Поворот поляризации света
происходит в слое жидких кристаллов в зависимости от приложенного
напряжения.
Чем больше совпадут направления
поляризации в пикселе (на выходе из жидких кристаллов) и в пленке с фиксированной поляризацией, тем
больше в итоге проходит света через всю систему.
Если направления поляризации получатся перпендикулярными, то свет теоретически вообще проходить не должен - должен быть черный экран.
На практике такое "идеальное" расположение векторов поляризации создать невозможно; причем как из-за "неидеальности" жидких кристаллов, так и не идеальной геометрии сборки дисплея. Поэтому и абсолютно-черного изображения на TFT экране не может быть. На лучших LCD экранах контрастность белое/черное может быть свыше 1000; на средних 500...1000, на остальных - ниже 500.
Только что была описана работа матрицы, изготовленной по технологии LCD TN+film. Жидкокристаллические матрицы по другим технологиям имеют схожие принципы работы, но другую техническую реализацию. Наилучшие результаты по цветопередаче получаются по технологиям IPS, IGZO и *VA (MVA, PVA и т.п.).
Подсветка
Теперь переходим к самому "дну" дисплея - лампе подсветки. Хотя современная подсветка собственно ламп и не содержит.
Несмотря на простое название, лампа подсветки имеет сложную многослойную структуру.
Связано это с тем, что лампа подсветки должна быть плоским источником света с равномерной яркостью всей поверхности, а таких источников света в природе крайне мало. Да и те, что есть, не очень подходят для этих целей из-за низкого КПД, "плохого" спектра излучения, или же требуют "неподходящего" типа и величины напряжения свечения (например, электролюминесцентные поверхности, см. Википедию ).
В связи с этим сейчас наиболее распространены не чисто "плоские" источники света, а "точечная" светодиодная подсветка с применением дополнительных рассеивающих и отражающих слоев.
Рассмотрим такой тип подсветки, проведя "вскрытие" дисплея телефона Nokia 105.
Разобрав систему подсветки дисплея до её среднего слоя, мы увидим в левом нижнем углу единственный светодиод белого свечения, который направляет свое излучение внутрь почти прозрачной пластины через плоскую грань на внутреннем "срезе" угла:
Пояснения к снимку. В центре кадра - разделенный по слоям дисплей
мобильного телефона. В середине на переднем плане снизу - покрытая
трещинами матрица (повреждена при разборке). На переднем плане вверху -
срединная часть системы подсветки (остальные слои временно удалены для
обеспечения видимости излучающего белого светодиода и полупрозрачной "световодной"
пластины).
Сзади дисплея видна материнская плата телефона (зеленого цвета) и
клавиатура (снизу с круглыми отверстиями для передачи нажатия от
кнопок).
Эта полупрозрачная пластина является одновременно и световодом (за счет внутренних переотражений), и первым рассеивающим элементом (за счет "пупырышков", создающих препятствия для прохождения света). В увеличенном виде они выглядят так:
В нижней части изображения левее середины виден яркий излучающий
белый светодиод подсветки.
Форма белого светодиода подсветки лучше различима на снимке с пониженной яркостью его свечения:
Снизу и сверху этой пластины подкладывают обыкновенные белые матовые пластиковые листы, равномерно распределяющие световой поток по площади:
Его условно можно назвать "лист с полупрозрачным зеркалом и двойным лучепреломлением". Помните, на уроках физики нам рассказывали про исландский шпат, при прохождении через который свет раздваивался? Вот это похоже на него, только еще и немного с зеркальными свойствами.
Вот так выглядят обычные наручные часы, если часть их прикрыть этим листом:
Вероятное назначение этого листа - предварительная фильтрация света по поляризации (сохранить нужную, отбросить ненужную). Но не исключено, что и в плане направления светового потока в сторону матрицы эта пленка тоже имеет какую-то роль.
Вот так устроена "простенькая" лампа подсветки в жидкокристаллических дисплеях и мониторах.
Что касается "больших" экранов, то их устройство - аналогично, но светодиодов в устройстве подсветки там больше.
В более старых
жидкокристаллических мониторах вместо светодиодной подсветки
использовали газосветные лампы с холодным катодом (CCFL,
Cold Cathode Fluorescent Lamp)
.
Структура дисплеев AMOLED
Теперь - несколько слов об устройстве нового и прогрессивного типа дисплеев - AMOLED (Active Matrix Organic Light-Emitting Diode ).
Устройство таких дисплеев значительно проще, так как там нет лампы подсветки.
Эти дисплеи образованы массивом светодиодов и светится там каждый пиксель в отдельности. Достоинствами дисплеев AMOLED являются "бесконечная" контрастность, отличные углы обзора и высокая энергоэффективность; а недостатками - уменьшенный срок "жизни" синих пикселей и технологические сложности изготовления больших экранов.
Также надо отметить, что, несмотря на более простую структуру, стоимость производства дисплеев AMOLED пока что выше, чем дисплеев TFT LCD.
Аналого-цифровой преобразователь (АЦП, англ. Analog-to-digital converter, ADC) — устройство, преобразующее входной аналоговый сигнал в дискретный код (цифровой сигнал). Обратное преобразование осуществляется при помощи ЦАП (цифро-аналогового преобразователя, DAC).
Как правило, АЦП — электронное устройство, преобразующее напряжение в двоичный цифровой код. Тем не менее, некоторые неэлектронные устройства с цифровым выходом, следует также относить к АЦП, например, некоторые типы преобразователей угол-код. Простейшим одноразрядным двоичным АЦП является компаратор.
Разрешение
Разрешение АЦП — минимальное изменение величины аналогового сигнала, которое может быть преобразовано данным АЦП — связано с его разрядностью. В случае единичного измерения без учёта шумов разрешение напрямую определяется разрядностью АЦП.
Разрядность АЦП характеризует количество дискретных значений, которые преобразователь может выдать на выходе. В двоичных АЦП измеряется в битах, в троичных АЦП измеряется в тритах. Например, двоичный 8-ми разрядный АЦП, способен выдать 256 дискретных значений (0…255), поскольку , троичный 8-ми разрядный АЦП, способен выдать 6561 дискретное значение, поскольку .
Разрешение по напряжению равно разности напряжений, соответствующих максимальному и минимальному выходному коду, делённой на количество выходных дискретных значений. Например:
Диапазон входных значений = от 0 до 10 вольт
Разрядность двоичного АЦП 12 бит: 212 = 4096 уровней квантования
Разрешение двоичного АЦП по напряжению: (10-0)/4096 = 0,00244 вольт = 2,44 мВ
Разрядность троичного АЦП 12 трит: 312 = 531 441 уровень квантования
Разрешение троичного АЦП по напряжению: (10-0)/531441 = 0,0188 мВ = 18,8 мкВ
Диапазон входных значений = от −10 до +10 вольт
Разрядность двоичного АЦП 14 бит: 214 = 16384 уровней квантования
Разрешение двоичного АЦП по напряжению: (10-(-10))/16384 = 20/16384 = 0,00122 вольт = 1,22 мВ
Разрядность троичного АЦП 14 трит: 314 = 4 782 969 уровней квантования
Разрешение троичного АЦП по напряжению: (10-(-10))/4782969 = 0,00418 мВ = 4,18 мкВ
На практике разрешение АЦП ограничено отношением сигнал/шум входного сигнала. При большой интенсивности шумов на входе АЦП различение соседних уровней входного сигнала становится невозможным, то есть ухудшается разрешение. При этом реально достижимое разрешение описывается эффективной разрядностью (effective number of bits, ENOB), которая меньше, чем реальная разрядность АЦП. При преобразовании сильно зашумлённого сигнала младшие разряды выходного кода практически бесполезны, так как содержат шум. Для достижения заявленной разрядности отношение С/Ш входного сигнала должно быть примерно 6 дБ на каждый бит разрядности (6 дБ соответствует четырёхкратному изменению уровня сигнала).
Типы преобразования
По способу применяемых алгоритмов АЦП делят на:
Последовательные прямого перебора
Последовательного приближения
Последовательные с сигма-дельта-модуляцией
Параллельные одноступенчатые
Параллельные двух- и более ступенчатые (конвейерные)
Передаточная характеристика АЦП — зависимость числового эквивалента выходного двоичного кода от величины входного аналогового сигнала. Говорят о линейных и нелинейных АЦП. Такое деление условное. Обе передаточные характеристики — ступенчатые. Но для «линейных» АЦП всегда возможно провести такую прямую линию, чтобы все точки передаточной характеристики, соответствующие входным значениям delta*2^k (где delta — шаг дискретизации, k лежит в диапазоне 0..N, где N — разрядность АЦП) были от неё равноудалены.
Точность
Имеется несколько источников погрешности АЦП. Ошибки квантования и (считая, что АЦП должен быть линейным) нелинейности присущи любому аналого-цифровому преобразованию. Кроме того, существуют так называемые апертурные ошибки которые являются следствием джиттера (англ. jitter) тактового генератора, они проявляются при преобразовании сигнала в целом (а не одного отсчёта).
Эти ошибки измеряются в единицах, называемых МЗР — младший значащий разряд. В приведённом выше примере 8-битного двоичного АЦП ошибка в 1 МЗР составляет 1/256 от полного диапазона сигнала, то есть 0,4 %, в 5-тритном троичном АЦП ошибка в 1 МЗР составляет 1/243 от полного диапазона сигнала, то есть 0,412 %, в 8-тритном троичном АЦП ошибка в 1 МЗР составляет 1/6561, то есть 0,015 %.
Типы АЦП
Ниже перечислены основные способы построения электронных АЦП:
Параллельные АЦП прямого преобразования, полностью параллельные АЦП, содержат по одному компаратору на каждый дискретный уровень входного сигнала. В любой момент времени только компараторы, соответствующие уровням ниже уровня входного сигнала, выдают на своём выходе сигнал превышения. Сигналы со всех компараторов поступают либо прямо в параллельный регистр, тогда обработка кода осуществляется программно, либо на аппаратный логический шифратор, аппаратно генерирующий нужный цифровой код в зависимости от кода на входе шифратора. Данные с шифратора фиксируются в параллельном регистре. Частота дискретизации параллельных АЦП, в общем случае, зависит от аппаратных характеристик аналоговых и логических элементов, а также от требуемой частоты выборки значений.
Параллельные АЦП прямого преобразования — самые быстрые, но обычно имеют разрешение не более 8 бит, так как влекут за собой большие аппаратные затраты ( компараторов). АЦП этого типа имеют очень большой размер кристалла микросхемы, высокую входную ёмкость, и могут выдавать кратковременные ошибки на выходе. Часто используются для видео или других высокочастотных сигналов, а также широко применяются в промышленности для отслеживания быстро изменяющихся процессов в реальном времени.
Конвейерная работа АЦП, применяется в параллельно-последовательных АЦП прямого преобразования, в отличие от обычного режима работы параллельно-последовательных АЦП прямого преобразования, в котором данные передаются после полного преобразования, при конвейерной работе данные частичных преобразований передаются по мере готовности до окончания полного преобразования.
АЦП последовательного приближения или АЦП с поразрядным уравновешиванием содержит компаратор, вспомогательный ЦАП и регистр последовательного приближения. АЦП преобразует аналоговый сигнал в цифровой за N шагов, где N — разрядность АЦП. На каждом шаге определяется по одному биту искомого цифрового значения, начиная от СЗР и заканчивая МЗР. Последовательность действий по определению очередного бита заключается в следующем. На вспомогательном ЦАП выставляется аналоговое значение, образованное из битов, уже определённых на предыдущих шагах; бит, который должен быть определён на этом шаге, выставляется в 1, более младшие биты установлены в 0. Полученное на вспомогательном ЦАП значение сравнивается с входным аналоговым значением. Если значение входного сигнала больше значения на вспомогательном ЦАП, то определяемый бит получает значение 1, в противном случае 0. Таким образом, определение итогового цифрового значения напоминает двоичный поиск. АЦП этого типа обладают одновременно высокой скоростью и хорошим разрешением. Однако при отсутствии устройства выборки хранения погрешность будет значительно больше (представьте, что после оцифровки самого большого разряда сигнал начал меняться).
АЦП дифференциального кодирования (англ. delta-encoded ADC) содержат реверсивный счётчик, код с которого поступает на вспомогательный ЦАП. Входной сигнал и сигнал со вспомогательного ЦАП сравниваются на компараторе. Благодаря отрицательной обратной связи с компаратора на счётчик код на счётчике постоянно меняется так, чтобы сигнал со вспомогательного ЦАП как можно меньше отличался от входного сигнала. По прошествии некоторого времени разница сигналов становится меньше, чем МЗР, при этом код счётчика считывается как выходной цифровой сигнал АЦП. АЦП этого типа имеют очень большой диапазон входного сигнала и высокое разрешение, но время преобразования зависит от входного сигнала, хотя и ограничено сверху. В худшем случае время преобразования равно Tmax=(2q)/fс, где q — разрядность АЦП, fс — частота тактового генератора счётчика. АЦП дифференциального кодирования обычно являются хорошим выбором для оцифровки сигналов реального мира, так как большинство сигналов в физических системах не склонны к скачкообразным изменениям. В некоторых АЦП применяется комбинированный подход: дифференциальное кодирование и последовательное приближение; это особенно хорошо работает в случаях, когда известно, что высокочастотные компоненты в сигнале относительно невелики.
АЦП сравнения с пилообразным сигналом (некоторыеАЦП этого типа называют Интегрирующие АЦП, также к ним относятся АЦП последовательного счета) содержат генератор пилообразного напряжения (в АЦП последовательного счета генератор ступенчатого напряжения, состоящий из счетчика и ЦАП), компаратор и счётчик времени. Пилообразный сигнал линейно нарастает от нижнего до верхнего уровня, затем быстро спадает до нижнего уровня. В момент начала нарастания запускается счётчик времени. Когда пилообразный сигнал достигает уровня входного сигнала, компаратор срабатывает и останавливает счётчик; значение считывается со счётчика и подаётся на выход АЦП. Данный тип АЦП является наиболее простым по структуре и содержит минимальное число элементов. Вместе с тем простейшие АЦП этого типа обладают довольно низкой точностью и чувствительны к температуре и другим внешним параметрам. Для увеличения точности генератор пилообразного сигнала может быть построен на основе счётчика и вспомогательного ЦАП, однако такая структура не имеет никаких других преимуществ по сравнению с АЦП последовательного приближения и АЦП дифференциального кодирования.
АЦП с уравновешиванием заряда (к ним относятся АЦП с двухстадийным интегрированием, АЦП с многостадийным интегрированием и некоторые другие) содержат генератор стабильного тока, компаратор, интегратор тока, тактовый генератор и счётчик импульсов. Преобразование происходит в два этапа (двухстадийное интегрирование). На первом этапе значение входного напряжения преобразуется в ток (пропорциональный входному напряжению), который подаётся на интегратор тока, заряд которого изначально равен нулю. Этот процесс длится в течение времени TN, где T — период тактового генератора, N — константа (большое целое число, определяет время накопления заряда). По прошествии этого времени вход интегратора отключается от входа АЦП и подключается к генератору стабильного тока. Полярность генератора такова, что он уменьшает заряд, накопленный в интеграторе. Процесс разряда длится до тех пор, пока заряд в интеграторе не уменьшится до нуля. Время разряда измеряется путём счёта тактовых импульсов от момента начала разряда до достижения нулевого заряда на интеграторе. Посчитанное количество тактовых импульсов и будет выходным кодом АЦП. Можно показать, что количество импульсов n, посчитанное за время разряда, равно: n=UвхN(RI0)−1, где Uвх — входное напряжение АЦП, N — число импульсов этапа накопления (определено выше), R — сопротивление резистора, преобразующего входное напряжение в ток, I0 — значение тока от генератора стабильного тока, разряжающего интегратор на втором этапе. Таким образом, потенциально нестабильные параметры системы (прежде всего, ёмкость конденсатора интегратора) не входят в итоговое выражение. Это является следствием двухстадийности процесса: погрешности, введённые на первом и втором этапах, взаимно вычитаются. Не предъявляются жёсткие требования даже к долговременной стабильности тактового генератора и напряжению смещения компаратора: эти параметры должны быть стабильны лишь кратковременно, то есть в течение каждого преобразования (не более 2TN). Фактически, принцип двухстадийного интегрирования позволяет напрямую преобразовывать отношение двух аналоговых величин (входного и образцового тока) в отношение числовых кодов (n и N в терминах, определённых выше) практически без внесения дополнительных ошибок. Типичная разрядность АЦП этого типа составляет от 10 до 18 двоичных разрядов. Дополнительным достоинством является возможность построения преобразователей, нечувствительных к периодическим помехам (например, помеха от сетевого питания) благодаря точному интегрированию входного сигнала за фиксированный временной интервал. Недостатком данного типа АЦП является низкая скорость преобразования. АЦП с уравновешиванием заряда используются в измерительных приборах высокой точности.
АЦП с промежуточным преобразованием в частоту следования импульсов. Сигнал с датчика проходит через преобразователь уровня, а затем через преобразователь напряжение-частота. Таким образом на вход непосредственно логической схемы поступает сигнал, характеристикой которого является лишь частота импульсов. Логический счётчик принимает эти импульсы на вход в течение времени выборки, таким образом, выдавая к её окончанию кодовую комбинацию, численно равную количеству импульсов, пришедших на преобразователь за время выборки. Такие АЦП довольно медленны и не очень точны, но тем не менее очень просты в исполнении и поэтому имеют низкую стоимость.
Сигма-дельта-АЦП (называемые также дельта-сигма АЦП) производит аналого-цифровое преобразование с частотой дискретизации, во много раз превышающей требуемую и путём фильтрации оставляет в сигнале только нужную спектральную полосу.
Неэлектронные АЦП обычно строятся на тех же принципах.
Коммерческие АЦП
Как правило, выпускаются в виде микросхем.
Для большинства АЦП разрядность составляет от 6 до 24 бит, частота дискретизации до 1 МГц. Мега- и гигагерцовые АЦП также доступны (февраль 2002). Мегагерцовые АЦП требуются в цифровых видеокамерах, устройствах видеозахвата и цифровых ТВ-тюнерах для оцифровки полного видеосигнала. Коммерческие АЦП обычно имеют выходную ошибку от ±0,5 до ±1,5 МЗР.
Один из факторов увеличивающих стоимость микросхем — это количество выводов, поскольку они вынуждают делать корпус микросхемы больше, и каждый вывод должен быть присоединён к кристаллу. Для уменьшения количества выводов часто АЦП, работающие на низких частотах дискретизации, имеют последовательный интерфейс. Применение АЦП с последовательным интерфейсом зачастую позволяет увеличить плотность монтажа и создать плату с меньшей площадью.
Часто микросхемы АЦП имеют несколько аналоговых входов, подключённых внутри микросхемы к единственному АЦП через аналоговый мультиплексор. Различные модели АЦП могут включать в себя устройства выборки-хранения, инструментальные усилители или высоковольтный дифференциальный вход и другие подобные цепи.
Другие применения
Аналого-цифровое преобразование используется везде, где требуется принимать аналоговый сигнал и обрабатывать его в цифровой форме.
Специальные видео-АЦП используются в компьютерных ТВ-тюнерах, платах видеовхода, видеокамерах для оцифровки видеосигнала. Микрофонные и линейные аудиовходы компьютеров подключены к аудио-АЦП.
АЦП являются составной частью систем сбора данных.
АЦП последовательного приближения разрядностью 8-12 бит и сигма-дельта-АЦП разрядностью 16-24 бита встраиваются в однокристальные микроконтроллеры.
Очень быстрые АЦП необходимы в цифровых осциллографах (используются параллельные и конвеерные АЦП)
Современные весы используют АЦП с разрядностью до 24 бит, преобразующие сигнал непосредственно от тензометрического датчика (сигма-дельта-АЦП).
АЦП входят в состав радиомодемов и других устройств радиопередачи данных, где используются совместно с процессором ЦОС в качестве демодулятора.
Сверхбыстрые АЦП используются в антенных системах базовых станций (в так называемых SMART-антеннах) и в антенных решётках РЛС.
Цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП ) — устройство для преобразования цифрового (обычно двоичного) кода в аналоговый сигнал (ток , напряжение или заряд). Цифро-аналоговые преобразователи являются интерфейсом между дискретным цифровым миром и аналоговыми сигналами.
Аналого-цифровой преобразователь (АЦП) производит обратную операцию.
Звуковой ЦАП обычно получает на вход цифровой сигнал в импульсно-кодовой модуляции (англ. PCM, pulse-code modulation). Задача преобразования различных сжатых форматов в PCM выполняется соответствующими кодеками.
Применение
ЦАП применяется всегда, когда надо преобразовать сигнал из цифрового представления в аналоговое, например, в проигрывателях компакт-дисков (Audio CD).
Типы ЦАП
Наиболее общие типы электронных ЦАП:
Широтно-импульсный модулятор — простейший тип ЦАП. Стабильный источник тока или напряжения периодически включается на время, пропорциональное преобразуемому цифровому коду, далее полученная импульсная последовательность фильтруется аналоговым фильтром нижних частот. Такой способ часто используется для управления скоростью электромоторов, а также становится популярным в Hi-Fi-аудиотехнике;
ЦАП передискретизации, такие как дельта-сигма-ЦАП, основаны на изменяемой плотности импульсов. Передискретизация позволяет использовать ЦАП с меньшей разрядностью для достижения большей разрядности итогового преобразования; часто дельта-сигма ЦАП строится на основе простейшего однобитного ЦАП, который является практически линейным. На ЦАП малой разрядности поступает импульсный сигнал с модулированной плотностью импульсов (c постоянной длительностью импульса, но с изменяемой скважностью), создаваемый с использованием отрицательной обратной связи. Отрицательная обратная связь выступает в роли фильтра верхних частот для шума квантования.
Большинство ЦАП большой разрядности (более 16 бит) построены на этом принципе вследствие его высокой линейности и низкой стоимости. Быстродействие дельта-сигма ЦАП достигает сотни тысяч отсчетов в секунду, разрядность — до 24 бит. Для генерации сигнала с модулированной плотностью импульсов может быть использован простой дельта-сигма модулятор первого порядка или более высокого порядка как MASH (англ. Multi stage noise SHaping). С увеличением частоты передискретизации смягчаются требования, предъявляемые к выходному фильтру низких частот и улучшается подавление шума квантования;
ЦАП взвешивающего типа, в котором каждому биту преобразуемого двоичного кода соответствует резистор или источник тока, подключенный на общую точку суммирования. Сила тока источника (проводимость резистора) пропорциональна весу бита, которому он соответствует. Таким образом, все ненулевые биты кода суммируются с весом. Взвешивающий метод один из самых быстрых, но ему свойственна низкая точность из-за необходимости наличия набора множества различных прецизионных источников или резисторов и непостоянного импеданса. По этой причине взвешивающие ЦАП имеют разрядность не более восьми бит;
ЦАП лестничного типа (цепная R-2R-схема). В R-2R-ЦАП значения создаются в специальной схеме, состоящей из резисторов с сопротивлениями R и 2R, называемой матрицей постоянного импеданса, которая имеет два вида включения: прямое — матрица токов и инверсное — матрица напряжений. Применение одинаковых резисторов позволяет существенно улучшить точность по сравнению с обычным взвешивающим ЦАП, так как сравнительно просто изготовить набор прецизионных элементов с одинаковыми параметрами. ЦАП типа R-2R позволяют отодвинуть ограничения по разрядности. С лазерной подгонкой резисторов на одной подложке достигается точность 20-22 бита. Основное время на преобразование тратится в операционном усилителе, поэтому он должен иметь максимальное быстродействие. Быстродействие ЦАП единицы микросекунд и ниже (то есть наносекунды);
ХарактеристикиЦАП находятся в начале аналогового тракта любой системы, поэтому параметры ЦАП во многом определяют параметры всей системы в целом. Далее перечислены наиболее важные характеристики ЦАП.
Разрядность — количество различных уровней выходного сигнала, которые ЦАП может воспроизвести. Обычно задается в битах; количество бит есть логарифм по основанию 2 от количества уровней. Например, однобитный ЦАП способен воспроизвести два () уровня, а восьмибитный — 256 () уровней. Разрядность тесно связана с эффективной разрядностью (англ. ENOB, Effective Number of Bits), которая показывает реальное разрешение, достижимое на данном ЦАП.
Максимальная частота дискретизации — максимальная частота, на которой ЦАП может работать, выдавая на выходе корректный результат. В соответствии с теоремой Найквиста — Шеннона (известной также как теорема Котельникова), для корректного воспроизведения аналогового сигнала из цифровой формы необходимо, чтобы частота дискретизации была не менее, чем удвоенная максимальная частота в спектре сигнала. Например, для воспроизведения всего слышимого человеком звукового диапазона частот, спектр которого простирается до 20 кГц, необходимо, чтобы звуковой сигнал был дискретизован с частотой не менее 40 кГц. Стандарт Audio CD устанавливает частоту дискретизации звукового сигнала 44,1 кГц; для воспроизведения данного сигнала понадобится ЦАП, способный работать на этой частоте. В дешевых компьютерных звуковых картах частота дискретизации составляет 48 кГц. Сигналы, дискретизованные на других частотах, подвергаются передискретизации до 48 кГц, что частично ухудшает качество сигнала.
Монотонность — свойство ЦАП увеличивать аналоговый выходной сигнал при увеличении входного кода.
THD+N (суммарные гармонические искажения + шум) — мера искажений и шума вносимых в сигнал ЦАПом. Выражается в процентах мощности гармоник и шума в выходном сигнале. Важный параметр при малосигнальных применениях ЦАП.
Динамический диапазон — соотношение наибольшего и наименьшего сигналов, которые может воспроизвести ЦАП, выражается в децибелах. Данный параметр связан с разрядностью и шумовым порогом.
Статические характеристики:
DNL (дифференциальная нелинейность) — характеризует, насколько приращение аналогового сигнала, полученное при увеличении кода на 1 младший значащий разряд (МЗР), отличается от правильного значения;
INL (интегральная нелинейность) — характеризует, насколько передаточная характеристика ЦАП отличается от идеальной. Идеальная характеристика строго линейна; INL показывает, насколько напряжение на выходе ЦАП при заданном коде отстоит от линейной характеристики; выражается в МЗР;
усиление;
смещение.
Частотные характеристики:
SNDR (отношение сигнал/шум+искажения) — характеризует в децибелах отношение мощности выходного сигнала к суммарной мощности шума и гармонических искажений;
HDi (коэффициент i-й гармоники) — характеризует отношение i-й гармоники к основной гармонике;
THD (коэффициент гармонических искажений) — отношение суммарной мощности всех гармоник (кроме первой) к мощности первой гармоники
