Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
Подписываем
Інститут фізики напівпровідників
Національної Академії наук України
На правах рукопису
БУШМА ОЛЕКСАНДР ВОЛОДИМИРОВИЧ
УДК 621.317.7
ПІДВИЩЕННЯ НАДІЙНОСТІ БАГАТОЕЛЕМЕНТНИХ СВІТЛОДІОДНИХ ШКАЛЬНИХ ІНДИКАТОРНИХ ПРИСТРОЇВ
05.12.20 - оптоелектронні системи
А В Т О Р Е Ф Е Р А Т
дисертації на здобуття наукового ступеня
кандидата технічних наук
Київ - 2000
Дисертацією є рукопис.
Робота виконана в Інституті фізики напівпровідників НАН України.
Науковий керівник: доктор фізико-математичних наук,
старший науковий співробітник
Сукач Георгій Олексійович,
Інститут фізики напівпровідників НАН України,
провідний науковий співробітник.
Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор
Осінський Володимир Іванович,
НДІ мікроприладів,
заступник директора по оптоелектронним технологіям;
кандидат фізико-математичних наук,
старший науковий співробітник
Копитко Юрій Володимирович,
Інститут фізики напівпровідників НАН України,
завідувач відділу.
Провідна установа: Національний технічний Університет України “КПІ”, кафедра оптичних та оптико-електронних приладів, Міністерство освіти і науки України, м. Київ.
Захист відбудеться 27 жовтня 2000 р. о 1415
на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 26.199.02
при Інституті фізики напів-про-відників НАН України
за адресою: 03028, Київ-28, проспект Науки, 45.
З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Інституту фізики напівпровідників НАН України (03028, Київ-28, проспект Науки, 45)
Автореферат розісланий 25 вересня 2000 р.
Вчений секретар спеціалізованої вченої ради,
доктор фізико-математичних наук Іщенко С.С.ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ
Удосконалення наукомістких технологій і автоматизація процесів керування в різноманітних сферах виробничої діяльності привели до різкого збільшення потоків інформації, що надходять операторові. Значно зросла складність контрольованих об'єктів, а обмежений час на прийняття відповідальних рішень суттєво підвищив рівень вимог до засобів відображення даних. У цих умовах оптоелектронні індикаторні пристрої стали найбільш поширеною і перспективною групою засобів інформаційної взаємодії в системі людина-машина завдяки їх надійності, економічності та високому рівню ергономічних характеристик, а також функціональній сумісності з цифровими структурами систем автоматичного контролю та керування.
Підвищена увага до надійності передачі інформації від технічних засобів до людини стимулювала проведення експериментальних досліджень сприйняття відліку пристроїв відображення інформації (ПВІ) індивідуального користування. Отримані результати показали, що образна аналогова форма подання даних має високу інформаційну надлишковість і дозволяє значно зменшити ймовірність по-милок оператора в складних експлуатаційних умовах. Поєднання аналогового відображення інформації із принципами побудови оптоелектронних систем, орієнтованих на цифрову техніку, привело до створення ПВІ з дискретно-ана-логовим індикатором (ДАІ). Розвиток масового виробництва напівпровіднико-вих елементів індикації та відповідне підвищення рівня їх експлуатаційних па--раметрів з одночасним суттєвим зниженням ціни забезпечили значне поширен--ня багатоелементних шкал на основі світло-діо-дів (СД). Практичне застосування світлодіодних шкальних ПВІ показало, що вони мають унікальний комплекс технічних характеристик, які роблять їх незамінними в більшості промислових і побутових виробів, а також у системах спеціального призначення.
Актуальність теми. Аналіз технічної політики провідних західних фірм в області засобів відображення інформації показав, що орієнтація на застосування ПВІ з багатоелементним ДАІ в системах із підвищеною надійністю і зараз залишається незмінною. У той же час зниження вартості елементної бази розширює коло технічних засобів, де існує економічна до-ціль-ність використання таких, відносно дорогих, індикаторних пристроїв. Якщо ра-ніше висока вірогідність передачі даних оператору в цій групі ПВІ досягалася за рахунок інформаційних властивостей аналогового відліку і дискретної обробки інфор-ма-ції, то зараз з'явилася практична необхідність комплексного підви-щен-ня рівня їх надійності. Таким чином, актуальність роботи обумовлена практичними потребами промисловості в сполученні з необхідністю розвитку наукових уявлень про функціональні та структурні властивості шкальних індикаторних пристроїв та їх окремих елементів, зокрема тим, що це дозволяє виявити і найбільш ефективно реалізувати наявні резерви підвищення надійності оптоелектронних систем.
Зв'язок з науковими програмами, планами, темами. Основні результати одержані при виконанні планових завдань ІФН НАН України:
1. Фізико-технологічні та приладні дослідження структур та середовищ для обробки та перетворення оптичної інформації. 1985-1989 р. р. Затверджена Розпорядженням Президії АН УРСР № 474 від 27.12.1985 р. Номер держ. реєстрації 01860074060.
2. Дослідження електрон-поляритонних явищ в твердотільних структурах на основі напівпровідників А3В5 з мікрорельєфною поверхнею, розробка нових оптоелектронних приладів і автоматизованих методів елек-тро-фі-зичної діагностики матеріалів та структур мікро- та оптоелектроніки. 1990-1994 р. р. Затверджена Постановою Бюро ВФА АН України № 10 від 19.12.1989 р. Номер держ. реєстрації 0193U028658.
3. Дослідження механізмів структурної та компонентної мо-ди-фі-ка-ції матеріалів під дією зовнішніх полів і створення низько-температурних тех-но-логій приладів і пристроїв оптоелектроніки. 1995-1999 р. р. Затверджена Постановою Бюро ВФА НАН України № 9 від 20.12.1994 р. Номер держ. реєстрації 0195U010991.
Мета роботи полягає в з’ясуванні та аналізі шляхів побудови високонадійних світлодіодних шкальних індикаторних пристроїв і практичній реалізації запропонованих рішень. Досягнення мети вимагало вирішення ряду задач:
- комплексного аналізу пристроїв на функціональному та структурному рівнях, а також на рівні елементної бази;
- розробки та застосування математичних моделей обробки інформації в ПВІ;
- дослідження теплових параметрів окремих СД та з’ясування закономірностей їх взаємного інжекційно-теплового впливу;
- розробки, апробації та впровадження в серійне виробництво оптоелектронних ін-дикаторних пристроїв з високою надійністю.
Об’єктом досліджень є передача, обробка та відтворення інформації в оптоелектронних системах, а предметом - шляхи побудови високонадійних багатоелементних шкальних індикаторних пристроїв на CД.
При вирішенні поставлених у роботі задач використовувались методи теорії цифрових систем, теорії електричних кіл, теорії надійності та математичного моделювання оптоелектронних систем для комплексного дослідження шкальних індикаторних пристроїв та їх елементів, розробки й аналізу конкретних технічних рішень. Експериментальні дослідження СД та багатоелементних модулів шкал базувались на електрофізичних та люмінесцентних методах.
Наукова новизна одержаних результатів:
1. На основі детального дослідження багатоелементних світлодіодних шкальних індикаторних пристроїв на функціональному та структурному рівнях подання, вперше показано, що найбільш ефективним шляхом підвищення функціональної надійності є використання динамічної двотактної адитивної інформаційної моделі. На структурному рівні надійність досягається за рахунок добору і мінімізації технічних рішень, що забезпечується використанням запропонованої формалізованої методики комплексної оцінки їх функціональної і конструктивної складності з урахуванням параметрів засобів комутації.
2. Науково обгрунтована і вперше застосована математична модель двотактного формування візуального подання інформації на відліковому пристрої, що використовує логіко-часові співвідношення для опису функціонування дискретно-аналогових структур (ДАС). На її основі створена мінімізована високонадійна структура керування індикатором і досліджені енергетичні параметри шкальних індикаторних пристроїв.
3. Вперше запропонована і реалізована математична модель перетворювача двійково-го нормального коду в одиничний нормальний код із керуванням ви-хід-ни-ми вен-тилями по молодшому розряду вхідного слова. На цій базі синтезовано, прак-тично випробовувано і досліджено ряд мінімізованих перетворювачів коду (ПК) для шкальних індикаторних пристроїв з адитивною інформаційною моделлю.
4. Експериментально вивчено та вперше встановлено, що в модулях шкал на основі СД, із яких будуються багатоелементні ДАІ, має місце взаємний вплив напів-про-від-ни-ко-вих випромінювачів. Це проявляється в зміні інтенсивності та довжини хвилі в максимумі смуги випромінювання, а також в появі взаємного теплового опору окремого елемента відповідно його просторовому місцезнаходженню в модулі.
Практичне значення одержаних результатів:
На основі проведених комплексних теоретичних і експериментальних досліджень, їх результатів, а також запропонованих у ході роботи технічних рішень:
1. Вперше розроблено та освоєно в масовому виробництві на Житомирському ВО "Електровимірювач" комбінований вимірювальний прилад 4323А зі світловою шкалою, у якій технічна реалізація подання результатів вимірів захищена авторським свідоцтвом СРСР № 759965.
2. Вперше створено і практично використано в серійному виробництві на Житомирському ВО "Електровимірювач" уніфікований вимірювальний при-стрій 43303 із комбінованою дискретно-аналоговою і цифровою ін-ди-ка-цією, структура якого захищена авторським свідоцтвом СРСР № 901919.
3. Синтезовано ряд практичних схем, що забезпечують базові технічні рішення ПК для шкальних приладів як на дискретних інтегральних мікросхемах, так і з використанням інтегральної схемотехніки на основі логічних структур, які захищені авторським свідоцтвом СРСР № 1631445.
4. Розроблені й апробовані практичні рекомендації по апаратурній реалізації основних структурних елементів шкальних індикаторних пристроїв і методиці добору надійних тех-ніч-них рішень для серійних виробів.
Особистий внесок здобувача. У дисертації використані результати робіт, виконаних у співавторстві. У більшості з них автор був ініціатором до-слід-жень, формулював завдання і визначав шляхи їх ви-рі-шен-ня, розробляв відповідні методики. Він приймав активну участь у виготов-ленні експериментальних зразків і установок, у впровадженні результатів у серійне ви-робництво, проведенні досліджень, обробці та інтерпретації отриманих даних. У шести науково-дослідних роботах він був відповідальним виконавцем. Основні наукові положення та висновки, що складають суть дисертації, автор сформулював особисто.
Апробація результатів дисертації. Основні результати дисертації допо-ві-да-лись і обговорювалися на Міжнародних науково-технічних конференціях "Приладобудування" (м. Сімферополь, 1998 р., м. Судак, 1996 р., м. Керч, 1992 р.); Міжнародній конференції по фізиці та техніці тонких плівок (м. Ів.-Франківськ, 1997 р.); Третій Міжнародній науково-технічній конференції “Контроль і керування в технічних системах” (м. Вінниця, 1995 р.); Всесоюзній конференції по обчислювальній оптоелектро-ні-ці (м. Єреван, 1987 р.); Другій Всесоюзній науково-технічній конференції по функціональній оптоелектроніці (м. Вінниця, 1987 р.); Третій Всесоюзній нараді "Оптичні пристрої, що сканують, та вимірювальні прилади на їх осно-ві" (м. Барнаул, 1986 р.); Всесоюзній науково-технічній конференції "Функ-ці-ональна оптоелектроніка в обчислювальній техніці та пристроях керування" (м. Тбілісі, 1986 р.); Всесоюзному семінарі "Оптоелектронні пристрої в приладобудуванні та інформатиці" (м. Тбілісі, 1985 р.); Всесоюзній конференції "Методи і мікроелектронні пристрої цифрового перетворення й обробки інформації. Мікропроцесори-85" (м. Москва, 1985 р.).
Публікації. Основні результати дисертації опубліковані в 7 наукових статтях, матеріалах 1 міжнародної конференції та 3 авторських свідоцтвах на винаходи.
Структура дисертації. Дисертація складається з вступу, чотирьох роз-ді-лів, висновків, списку використаних літературних джерел та додатку. Повний обсяг роботи - 220 сто-рінок, в тому числі, основний текст викладено на 149 сторінках, який супроводжується 35 ілюстраціями та 7 таблицями на 33 сторінках. Список цитованої літератури має 171 найменування на 18 сторінках. В додатку наведені акти впровадження на 7 сторінках.
ОСНОВНИЙ ЗМІСТ
У вступі обгрунтовані актуальність та напрям досліджень, сформульовані мета роботи та задачі, які вирішувались, визначені наукове та практичне значення виконаних досліджень, їх зв'язок з плановими завданнями та науковими проблемами, наведені відомості, що стосуються впровадження результатів у серійне промислове виробництво, а також щодо апробації роботи та пуб-лі-ка-цій, де висвітлені основні результати дисертації.
Перший розділ містить огляд літературних джерел, в яких зосереджено увагу на проблемах подання інформації в системах індивідуального користування зі шкальним відліком. Наведені принципи формалізації процесу обробки даних в індика-тор-них при-стро-ях з орієнтацією на дискретно-аналогове відтворення візуальних пові-дом-лень. Особлива увага приділена інформаційній взаємодії шкального інди-ка-то-ра та оператора, як основі побудови високонадійних тех-нічних засобів переда-чі даних людині. В цьому контексті розглянуті місце та роль відомих інформаційних моделей та відповідні обмеження при сприйнятті візу-аль-них повідомлень оператором. Проаналізована побудова шкал на СД, їх се-рій-на елементна база, найбільш типова топологія, основні електричні та оптичні характеристики. Розглянуті функ-ціо-наль-ні особливості та апаратурна реалізація позиційної та адитивної інформаційних моделей, які найбільш поширені в шкальних ПВІ.
Виявлено, що існують значні резерви збільшення на-дій-ності багатоелементних шкальних пристроїв відображення інформації, які можуть бути реа-лі-зовані завдяки інформаційному підходу до їх дослідження та побудови. При цьому висока надійність досягається при використанні шкал на СД завдяки комплексу їх оптичних та електричних параметрів. Встановлено, що адитивна форма відображення забезпечує найбільшу достовірність сприйняття візу-аль-них повідомлень оператором за рахунок дублювання ін-фор-маційних параметрів відліку. Високонадійні апаратурні реалізації таких інформаційних моделей базуються на динамічних ДАС у по-є-д-нанні з двокоординатною матричною організацією електричних з'єднань елементів шкали. Це дозволяє отримати мінімізовані індикаторні системи завдяки побудові шкальних пристроїв, які найліпше пристосовані для ефективної обробки кодованих даних з оптимальною довжиною інфор-ма-цій-них слів.
Показано, що особливості конструкції елементів шкали, які побудовані з декількох близько розташованих СД, обумовлюють їх взаємний вплив і породжують необхідність проведення експериментальних досліджень для оптимізації їх конструктивно-технологічних параметрів. Аналіз різних інформаційних джерел виявив відсутність моделей функціонування багатоелементних шкальних пристроїв на СД та їх окремих елементів, комплексних досліджень та розрахунків параметрів, що викликало потребу проведення таких робіт для збіль-шення надійності ін-фор-маційної взаємодії оператора та тех-ніч-них засобів.
Другий розділ присвячений експериментальним і теоретичним до-слід-жен-ням шкальних індикаторних пристроїв на СД та розробці їх методологічної та апаратурної бази. Показано, що дослідження надійності таких пристроїв - це комплексна задача і потребує, з одного боку, розгляду структур в цілому та їх функціональних елементів як технічних засобів обробки сигналів, а також аналізу ін-фор-ма-цій-ної взаємодії з оператором як елементів ергатичної системи, з іншого боку. Такий підхід обумовлює урахування системних властивостей індикаторів на рівні функціональних та структурних рішень без конкретизації реалізацій та особливостей побудови елементів структур, що дозволяє підвищити надійність шкальних пристроїв на функціональному рівні. Також проаналізовані елементи ДАС для їх оптимізації при фіксованих зовнішніх діях, які визначені функціональними рішеннями. Окремо розглянуті параметри шкальних індикаторних пристроїв, що визначають взаємодію з оператором і впливають на надійність сприй-няття інформації зі шкали.
Оцінка надійності ДАС базувалась на використанні методів аналітичного прогнозування та функціональної складності пристроїв, які є типовими для ескізного та технічного проектування мікроелектронної апаратури. Це дозволило оперативно, з високою достовірністю і мінімальною собівартістю порівняти відомі та запропоновані технічні рішення окремих вузлів та індикаторів в цілому.
Визначено, що дослідження властивостей шкальних пристроїв, які впливають на на-дій-ність, об’єднують аналіз параметрів структур на трьох рівнях. Функціональні дослідження припускають вищий рівень узагальнення процесів, що від-бу-ва-ють-ся в пристрої, і розглядають його взаємодію з джерелами інфор-мацій-них сигналів та оператором. Рівень структурних досліджень орієн-тований на аналіз властивостей функціональних блоків пристроїв при мі-ні-мальному урахуванні параметрів комплектуючих. На третьому рівні аналізується вплив елементної ба-зи на основні характеристики пристроїв. Різні принципи досліджень потребують за-сто-су-ван-ня відповідних методик, орі-єн-то-ва-них на той, чи інший рівень узагальнення і спе-цифіку параметрів, що розглядаються. На функціональному рівні найбільший інтерес представляє математичне моделювання алгоритмів, реалізованих ДАС. Структурні дослідження будуються, в основному, на аналізі складності бло-ків. Дослідження СД як елементної бази шкальних пристроїв базуються на використанні ряду електрофізичних вимірювальних методик.
Показано, що функціональний підхід до реалізації ПВІ припускає ін-ва-ріантність досліджень стосовно елементної бази і конструктивних особ-ли-во-стей окремих блоків. Тому отримані результати дозволяють оптимізувати алгоритм роботи шкального індикаторного пристрою і його структуру на рівні взаємодії окремих елементів, реалізувати потенційні можливості, закладені в технічних рішеннях на основі відомих алгоритмів, і розробити нові, які мають більш ши-рокі функціональні можливості. Встановлено, що даний напрям оптимізації є найбільш плідним шляхом підвищення надійності та рівня експлуатаційних характеристик шкальних ПВІ. Відповідна ефективність до-слід-жень тут досягнута завдяки використанню математичних моделей функціонування запропонованих та відомих структур.
Аналіз технічних рішень побудови функціональних блоків ПВІ, що зустрічаються най-більш часто, створює передумову для струк--турної оптимізації шкальних індикаторних пристроїв. Встановлено, що головним напрямом тут є апаратурна мі-ні-мізація технічних рішень з ураху-ван-ням властивостей компонентів, які використовуються. При цьому добір елементної бази є однією з найваж-ли-ві-ших складових оптимізації в цілому. Схемотехнічна мінімізація функціо-наль-них блоків шкальних ПВІ прямо пов'язана з підвищенням надійності, бо одно-часно скорочує кількість потрібних елементів і зв'язків між ними, а також енергоспоживання, масу та габарити пристрою.
Для аналітичної інтерпретації функціонування шкальних індикаторів застосовано логіко-часовий підхід до процесів обробки повідомлень у ДАС, що базується на формалізації перетворення інформації в пристрої та узагальненні роботи цифрових структур. Візуальний образ, що подається оператору, та багатоелементний ДАІ визначають побудову всіх інших структурних елементів ПВІ, тому функціональне моделювання процесів обробки потоку даних базується на математичному описі логіко-часових закономірностей реалізації інформаційної моделі.
Процес формування візуальних символів із підмножини елементів інформаційної моделі запропоновано подавати оператором
~ ,
де , , - порядкові номери візуального символу, початкового і кінцевого елементу моделі у сформованому неперервному (з точки зору позиційних номерів) візуальному образі відповідно.
Реалізація оператора визначається логіко-часовими співвідношеннями при r-тактному формуванні групи елементів інформаційної моделі. Для статичних реалізацій () залежність від часу відсутня. Динамічні структури, як правило, бувають багатотактними, а кількість тактів визначається закладеними в технічну реалізацію принципами сканування матриці ДАІ. В загальному випадку підмножина елементів формується як об’єднання підмножин , кожна з яких виділяється одноразово продовж одного з тактів на час за період формування символу ~ ,
,
де права частина виразу - об’єднання підмножин елементів інформаційної моделі, які відповідають -му такту формування візуального символу ; - час.
Такий підхід дозволяє формалізувати алгоритми функціонування шкального пристрою, знайти загальні закономірності, зробити кількісну оцінку та співставлення параметрів різних структурних рішень.
Особливістю пристроїв з багатоелементним шкальним індикатором є відносно висока складність, що поєднується з широким вибором алгоритмів функціонування. В цьому випадку розробнику доводиться оцінювати можливість побудови структури в цілому та добирати оптимальні рішення її окремих елементів. Показано суттєву роль оцінки складності пристроїв при їх аналізі на структурному рівні. Для цього запропонована методика оцінки конструктивної та функ-ціональної складності ДАС на довільній елементній базі. Оцінювання базується на уявленні елементів як багатополюсників. Ця методика на стадії проектування пристроїв дозволяє здійснити оперативний вибір рішень, що мають найбільш високу надійність.
Важливим шляхом підвищення надійності шкальних пристроїв є вдосконалення елементної бази. Значні резерви при цьому виявлені в найбільш відповідальному з функціональної точки зору блоці - у ДАІ. Тому електрофізичні дослідження СД та модулів шкал на їх основі дозволили виробити напрямки конструктивно-технологічної оптимізації елементної бази ДАІ. Показано, що найбільш перспективним є зниження робочої температури СД і зменшення взаємного теплового впливу окремих елементів у шкальних модулях.
Конструктивні особливості побудови багатоелементних модулів породжують інжекційно-термічний вплив ввімкнутих сусідніх випромінювачів на параметри СД, що досліджується. Визначено, що найбільш суттєвим при проведенні експерименту зі шкалами є аналіз режимів роботи випромінювачів при одночасному збудженні декількох СД в одному модулі.
Проаналізовані методики, які використовуються для вимірювання теплових параметрів СД, та апаратура, що застосовується в цих дослідженнях. Відсутність промислових вимірювальних комплексів, які б задовольняли поставленим вимогам, призвело до необхідності розробки та створення спеціалізованої установки для дослідження спектрів електролюмінесценції та вольт-амперних характеристик багатоелементних напівпровідникових випромінювачів при імпульсному збудженні.
Для експериментальних установок проведена оцінка складових похибок, визначені показники точності вимірювання спектральних характеристик СД. Показано, що зниження точності вимірювань відбувається, в основному, не через похибки засобів вимірювання, а за рахунок методики їх проведення та усього комплексу зовнішніх факторів, що впливають на експеримент.
У третьому розділі подані результати досліджень шкальних індикаторних пристроїв та шляхи підвищення їх надійності на рівні елементів структури. Такий підхід формує дві групи об’єктів, що підлягають аналізу. По-перше, це елементи вузлів, які реально не мають складної внутрішньої структури. До цієї групи відносяться модулі шкали, як елемент побудови вихідного електрооптичного перетворювача, та логічні структури, як основа цифрових схем різних блоків пристроїв. До складу другої групи входять елементи функціональних вузлів, що мають багаторівневу внутрішню структуру. Серед них з точки зору надійності найбільшу увагу привертають ПК, комутатори та формувач тактової послідовності.
Встановлено, що для більшості промислових реалізацій індикаторних пристроїв висока надійність досягається при використанні модулів шкал на основі СД з максимальною кількістю елементів, а для побудови вузлів обробки інформації до-цільно використовувати комплементарні метал-окисел-напівпровідникові (КМОН) логічні елементи (ЛЕ) та транзисторно-транзисторну логіку з діодами Шотткі.
При дослідженні окремих елементів модулів світлодіодних шкал головну увагу було приділено вивченню теплових процесів з урахуванням двобічного впливу ввімкнутих СД. Для експериментів було використано модулі з восьми СД червоного, жовтого та зеленого кольорів випромінювання відповідно на основі GaAlAs, GaP:N, Zn-O та GaP:N. В результаті було одержано величину теплового опору, який становить приблизно 500 К/Вт, та не залежить від матеріалу випромінювачів. Розкид значень для різних модулів досягав ±30%, що пояснюється неідентичністю їх конструктивних елементів. Також були знайдені температура перегріву та взаємні теплові опори СД у модулях і показано, що їх величини залежать від порядку збудження та просторового розташування.
Установлено, що підвищення температури навколо досліджуваного СД через збудження сусідніх випромінювачів, призводить до погіршення тепловідводу та зро-стання взаємного теплового опору елементів модуля. Внаслідок цього збільшуєть-ся температура СД пропорційно до струму, що тече через сусідні еле-менти, та від--повідно зменшується інтенсивність випромінювання. Це по-гір-шує умови зчитуван--ня інформації зі шкали та призводить до зниження на-дій-но-сті передачі даних опе--ратору. Прискорення деградаційних процесів у СД, ви---кликане збільшенням їх температури, одночасно знижує апаратурну надійність оптоелектронної системи в цілому.
Індикаторні пристрої на основі ДАІ базуються на логічних структурах, що виконують цифрову обробку сигналів. При цьому найбільш поширеною є процедура перетворення вхідного коду в один чи декілька вихідних, які відповідають інформаційній моделі та побудові індикатора. Крім того, одержані коди в динамічних ДАС підлягають комутації. В багатоелементних пристроях комутатори та ПК реалізовані як багаторозрядні вузли і суттєво впливають на надійність індикації.
Аналіз параметрів та оцінка складності вузлів були виконанані для двох типів ПК: двійкового нормального коду як в одиничний позиційний, так і в одиничний нормальний код, а також для комутатора “два до одного”. Детально розглянуто побудову, швидкодію та проаналізовано складність повних та неповних мінімізованих логічних структур ПК з кількістю розрядів від двох до шістнадцяти. Отримані аналітичні вирази, що описують їх основні параметри, та синтезовані їх практичні схеми. Досліджуваний перетворювач двійкового нормального коду в одиничний нормальний код базувався на діз’юнкції мінтермів вихідних перемінних. Показано, що складність цих ПК різко зростає, а швидкодія падає зі збільшенням довжини вихідного кодового слова. В той же час у комутаторі складність зростає лінійно, а швидкодія залишається незмінною. Тому для побудови високонадійних шкальних індикаторних пристроїв необхідно приділяти особливу увагу оптимізації ПК.
Аналіз динамічних функціональних рішень багатоелементних індикаторних пристроїв на основі КМОН структур показав, що суттєву частку в забезпечення надійності вносить формувач тактової послідовності. Причому, для її збільшення необхідно знижувати тактову частоту, що використовується в ДАС, головним чином за рахунок зменшення кількості тактів формування відліку на шкалі.
У динамічних ДАС тактовий генератор є невід’ємною складовою перетворювача код-символ і синхронізує роботу всіх його вузлів. Через те, що оптимізо-вана технічна реалізація має базуватися на єдиному елементному базисі, було досліджено тактові генератори на ЛЕ. Їх важливість зумов-лена використанням підсилювальних властивостей цифрових схем, які не нормуються і не контролюються при виготовленні й тестуванні та можуть суттєво впливати на загальну надійність пристрою. Тому були побудовані та досліджені апаратурно мінімізовані тактові генератори на двох ЛЕ. Запропоновано використовувати енергоспоживання в якості основного критерію для відбору найбільш надійного автогенератора. Показано, що для отримання тактової послідовності в серійних виробах доцільно використовувати симетричні мультивібратори на двох ЛЕ.
Проведені дослідження показали, що складним і водночас таким, що має резерви по апаратурній мінімізації та збільшенню надійності, є перетворювач двійкового нормального коду в одиничний нормальний код. Ці вузли, як правило, присутні у пристроях з найбільш надійною адитивною інформаційною моделлю. Тому були аналітично досліджені властивості такого ПК, що дозволило отримати мінімізовану математичну модель структурного рішення. Логічний оператор має властивості двоїстості та є математичною базою для побудови апаратурно оптимізованих ПК з високою надійністю та додатковими функціональними можливостями.
Для побудови оптимізованого перетворювача двійкового нормального коду в одиничний нормальний код була прийнята стратегія апаратурної мінімізації та керування вихідними ЛЕ за молодшим розрядом вхідного слова. Математичний аналіз загальної моделі ПК та мінімізація логічних рівнянь дозволила отримати оператор, придатний для його практичної реалізації на КМОН ЛЕ. На цій базі запропонована, розроблена та апробована оригінальна структура мінімізованого перетворювача двійкового нормального коду в одиничний нормальний код та досліджені її основні параметри. Детально розглянуто побудову, швидкодію та проаналізовано складність логічних структур з кількістю розрядів від двох до шістнадцяти. Показано, що такий ПК має високу швидкодію та набагато меншу складність у порівнянні з відомими. Це забезпечує побудову на його основі високонадійних індикаторних пристроїв з адитивним представленням інформації.
З точки зору підвищення надійності відліку в реальних індикаторних пристроях необхідно приділяти увагу яскравісній неоднорідності шкали, яка погіршує умови зчитування даних та збільшує ймовірність помилок оператора. З’ясовані та досліджені причини виникнення такого явища. Серед них виділено вплив засобів формування струмів збудження ДАІ, як такий що має суттєву величину та може бути мінімізований на стадії створення серійних виробів. Показано, що основними факторами, які породжують різну яскравість СД у шкалі, є розкид параметрів вихідних струмових ключів та струмообмежуючих резисторів. Запропоновано збільшувати ступінь насичування транзисторних ключів та опір резисторів, що дозволяє зменшити описане вище явище у два-три рази.
Четвертий розділ присвячений дослідженням шкальних індикаторних пристро-їв на структурному рівні та підвищенню їх надійності. Такий підхід найбільш ре-ально відповідає практичним потребам при розробці серійних приладів та аналізі їх характеристик. На цьому рівні формуються та реалізуються алгоритми обробки ін--формації, які закладаються в конструкцію конкретного пристрою. Тому теоретич-ні дослідження і оптимізація структурних рішень дозволяє найбільш ефективно ство-рювати технічні реалізації та формувати шляхи побудови високонадійних пристроїв.
Інформаційний підхід до аналізу обробки даних функціональними елементами ДАС дозволив отримати добре підгрунтя для побудови ефективних ПВІ. З цієї точки зору були досліджені ДАІ, блок узгодження та формувач коду. Показано, що електричний зв’язок елементів у ДАІ є головним фактором для аналізу та вибору шляхів створення надійних індикаторних пристроїв. Проаналізовано особливості побудови та збудження шкал з лінійним та двокоординатним матричним з’єднанням СД. Установлено, що для реалізації високонадійних пристроїв на СД треба з’єднувати елементи ДАІ матрицею. Розглянуто блоки узгодження, які використовуються для лінійного та матричного принципу побудови електричної схеми ДАІ. Проведений аналіз показав, що головним фактором підвищення надійності цього блоку є зниження струмових навантажень його елементів за рахунок скорочення тактів синтезу інформаційної моделі на шкалі. Значна увага приділена формувачу коду, бо його побудова нерозривно зв’язана з формою відліку та схемою ДАІ. Запропоновано для збільшення надійності використовувати мінімальну кількість тактів формування інформаційної моделі, що дозволяє скоротити кількість необхідних кодів і, відповідно, спростити схему формувача коду.
Аналітична форма представлення інформаційної моделі дозволяє підвищити ефективність досліджень та з’ясувати резерви підвищення надійності. Тому був запропонований логічний оператор формування адитивної інформаційної моделі на матриці з групп по елементів
де - ціла частина (антьє) виразу , а елемент Axy має “питому вагу” (номер) y у групі з “питомою вагою” (номером) x, причому , .
Були побудовані надійнісні схеми ДАС на функціональному та структурному рівнях деталізації інформаційних процесів, що відбуваються. Показано, що ці схеми є послідовними і надійність може бути обчислена як добуток ймовірностей безвідмовної роботи відповідно функціональних та структурних елементів шкальних індикаторних пристроїв.
Зменшення кількості тактів формування відліку на ДАІ є найбільш ефективним шляхом комплексного підвищення надійності пристроїв. Таке функціональне рішення одночасно підвищує ергономічні параметри ПВІ, знижує струмові навантаження на СД і спрощує конструкцію ДАІ та схеми керування. Оскільки мінімальна кількість тактів у динамічній системі дорівнює двом, то була розроблена найбільш надійна двотактна адитивна інформаційна модель
~ .
Запропонована нами інформаційна модель інваріантна відносно апаратурної реалізації та може бути основою для побудови родини високоефективних двотактних ДАС. Її дослідження дозволило розробити логіко-часову модель і побудувати від-повідний практичний двотактний шкальний індикаторний пристрій на принципах комутації кодів. Цей ПВІ складається з перетворювача вхідного коду в n-роз-рядний одиничний позиційний код та перетворювача вхідного коду в n-розрядний одиничний нормальний код, які через комутатори “два до одного” старших розрядів та блок узгодження старших розрядів з’єднані зі старшими розрядами ДАІ. Окрім цього, перетворювач вхідного коду в m-розрядний одиничний нормальний код та формувач m-розрядного одиничного нормального коду числа молодших розрядів через комутатори “два до одного” молодших розрядів та блок узгодження молодших розрядів з’єднані з молодшими розрядами ДАІ. Динамічною структурою керує тактовий генератор, який електрично зв’язаний з комутаторами.
Значний інтерес з точки зору надійності викликає аналіз енергоспоживання індикаторного пристрою, оскільки нагрів його елементів призводить до значного зниження строку служби їх та ПВІ в цілому. Виконано теоретичний аналіз розподілу енергоспоживання у шкальних пристроях, які побудовані на КМОН цифрових схемах та з ДАІ на СД. Джерелом тепла в даному випадку є електрична потужність, яка необхідна для формування візуального символу на шкалі. Запропоновані аналітичні вирази інваріантні відносно інформаційної мо-делі та можуть бути ефективно використані для аналізу, дослідження та опти-мізації режимів роботи і внутрішньої структури функціональних елементів ДАС.
Енергетичний критерій є дуже зручним параметром для аналізу та співставлення варіантів технічних рішень як на функціональному, так і апаратурному рівнях, оскільки при своїй простоті та наочності він пов’язаний, в першу чергу, з надійністю. Тому була запропонована кількісна оцінка побудови та ефективності роботи ДАС на основі аналізу коефіцієнту корисної дії формування візуальних символів на шкалі. Отримані аналітичні вирази для розробленої двотактної інформаційної моделі, які дозволяють досліджувати та порівнювати її апаратурні реалізації в різних режимах та з використанням різної елементної бази.
Теоретично та експериментально встановлено, що найбільш ефективними шля-хами підвищення надійності є, по-перше, спрощення алгоритму обробки повідомлень у пристрої, яке призводить до апаратурної мінімізація структурних рішень, і, по-друге, оптимізація режимів роботи структурних елементів для зниження нагріву за рахунок оптимального вибору параметрів компонентів, що використовуються. Аналіз показав можливість спрощення алгоритму роботи ДАС за рахунок заміни паралельного формування кодів на послідовне. Дослідження запропонованого алгоритму дозволило створити математичну модель відповідної цифрової структури, яка обробляє потік повідомлень у вигляді інформаційних слів у формі , що представляють дані у фіксований час
ДАС керується формувачем коду, який реалізує двотактну послідовність вихідних слів
,
а ПК обробляють слова, використовуючи відповідні мінтерми змінних.
На базі такої моделі синтезована та практично апробована мінімізована апаратурна реалізація ДАС, що дало можливість створити високонадійний шкальний індикаторний пристрій на серійних ПК і широко впровадити його в промислове виробництво.
Виконані дослідження енергоспоживання шкальних індикаторних пристроїв та отримані аналітичні вирази дозволили з’ясувати функціональні можливості та розробити рекомендації по збільшенню надійності ДАС за рахунок зниження нагріву елементів конструкції шляхом оптимального вибору параметрів компонентів, наприклад, транзисторів струмових ключів блоків узгодження.
ВИСНОВКИ
В дисертаційній роботі виявлені та досліджені оптимальні шляхи побудови найбільш надійних світлодіодних шкальних індикаторних пристроїв. Узагальнення результатів те-оретичних та експериментальних досліджень дало можливість розробити, апробувати та впровадити в виробництво нове покоління високонадійних вимірювальних приладів з використанням розроблених шкальних індикаторів та їх елементів.
Найбільш істотні результати можна сформулювати так:
1. На основі зіставлення теоретичних розрахунків, результатів проведених випробувань і аналізу практичних реалізацій:
- визначені шляхи, вироблені критерії і методи підвищення вірогідності високодискретного шкального подання інформації і надійності роботи багатоелементних дискретно-аналогових індикаторних пристроїв;
- розвинуто та випробувано інформаційний підхід до побудови шкальних індикаторних пристроїв і їх структурних елементів, що дозволило провести детальні дослідження їх функціональних особливостей та створити базу для оптимізації по заданим критеріям;
- вперше створена і застосована математична модель двотактного формування візуального образу адитивної інформаційної моделі на шкалі, а також на її основі реалізовані високонадійні структури керування індикатором і досліджені енергетичні параметри шкальних пристроїв;
- вперше науково обгрунтована і детально досліджена математична модель перетворювача двійкового нормального коду в одиничний нормальний код із керуванням вихідними вентилями по молодшому розряду вхідного слова.
2. За допомогою експериментальних фізико-технологічних і конструкторських досліджень і розробок:
- встановлено, що в модулях шкальних індикаторів на основі світлодіодів теплові параметри випромінювачів залежать від їхнього просторового положення в модулі;
- показано, що в модулях шкальних індикаторів має місце взаємний вплив напівпровідникових елементів, що проявляється в зміні інтенсивності та довжини хвилі в максимумі смуги випромінювання;
- запропоновані схемотехнічні напрямки і подані практичні рекомендації зниження в два - три рази яскравісної неоднорідності шкал на основі світлодіодів, використовуючи відповідний вибір параметрів вихідних кіл схем керування індикатором.
3. Розроблені, виготовлені і проведені комплексні конструкторські і технологічні дослідження шкальних індикаторних пристроїв, які дозволили визначити і реалізувати основні шляхи побудови високонадійних оптоелектронних систем індикації, при цьому:
- запропоновані і досліджені надійнісні схеми шкальних індикаторних пристроїв на
функціональному і структурному рівнях та проаналізовані їхні експлуатаційні властивості;
- показано, що найбільш ефективним шляхом підвищення функціональної надійності багатоелементних шкальних індикаторних пристроїв є використання динамічної двотактної адитивної інформаційної моделі, що формує відлік на шкалі зі світлодіодів, сполучених двокоординатною матрицею;
- запропоновано метод підвищення надійності шкальних індикаторних пристроїв на структурному рівні за рахунок добору і мінімізації технічних рішень, що досягається використанням запропонованої формалізованої методики комплексної оцінки їх функціональної і конструктивної складності;
- розроблено математичну модель обробки інформації в шкальному індикаторному пристрої на функціональному і структурному рівні, а також експериментально досліджені елементи, на основі яких реалізовані технічні рішення, що виявило значні резерви підвищення надійності оптоелектронних індикаторних систем і дало можливість розробити найбільш ефективні методи їх практичного використання.
4. На підставі аналізу теоретичних і експериментальних досліджень і натурних випробувань запропоновані, розроблені і впроваджені в масове виробництво високонадійні оптоелектронні пристрої, в тому числі:
- запропоновані, захищені авторськими свідоцтвами СРСР №759965 і №901919 та реалізовані в масовому виробництві оптимізовані за критерієм надійності структури динамічних двотактних шкальних індикаторних пристроїв з адитивною інформаційною моделлю;
- запропоновано і захищено авторським свідоцтвом СРСР №1631445 мінімізований перетворювач двійкового нормального коду в одиничний нормальний код. Синтезовано, випробувано ряд технічних реалізацій цього перетворювача та досліджені їх властивості;
- впроваджені в серійне виробництво засоби вимірювальної техніки на Житомирському ВО "Електровимірювач" на базі розроблених шкальних індикаторних пристроїв дозволили створити високонадійні вимірювальні і показуючі прилади із якісно новим рівнем технічних характеристик.
Таким чином, у дисертаційній роботі вироблені критерії, випробувані та доведені до практичної реалізації методи й пристрої, що забезпечують підвищення надійності багатоелементних світлодіодних шкальних індикаторів. Виявлено закономірності побудови логічних структур, функціонально орієнтованих на реалізацію пристроїв відображення інформації, запропоновані та реалізовані відповідні математичні моделі. Встановлені взаємозв'язки між формалізованим аналітичним описом функціонування структурних рішень і характеристиками надійності індикаторних пристроїв. Це послужило основою для розробки та серійного впровадження високонадійних компонентів інформаційних систем, засобів керування технологічними процесами, мобільними об'єктами та складними оптоелектронними системами.
СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ
1. Изменение характеристик излучения светодиодов при вариации внутренних факторов и параметров импульсного возбуждения / Г. А. Сукач, П. Ф. Олексенко, А. В. Бушма, В. Ю. Горонескуль // Измерительная техника. - 1999. - № 12. - С. 37-38.
2. Бушма А. В., Олексенко П. Ф., Сукач Г. А. Излучательные и тепловые свойства многоэлементных шкальных индикаторов на основе эпитаксиальных пленок GaAlAs и GaP // Матеріали VI міжнародної конференції “Фізика і технологія тонких плівок” (МКФТТП-97). - Частина 1. - Івано-Франківськ: Прикарпатський ун-тет ім. В. Стефаника. - 1997. - С. 145-146.
3. Тепловые параметры многоэлементных шкальных индикаторов при различном возбуждении / А. Б. Богословская, А. В. Бушма, П. Ф. Олек-сен-ко, Г. А. Сукач // Оптоэлектроника и полупроводниковая техника. - 1996. - Вып. 31. - С. 84-89.
4. Бушма А. В., Кушнеров И. Д., Сыпко Н. И. Преобразователь кода для оптоэлектронных средств вывода информации // Фотоэлектроника. - 1996. - Вып. 6. - С. 6-7.
5. Бушма А. В., Сыпко Н. И. Двухтактное формирование отсчета на светодиодном дискретно-аналоговом индикаторе // Оптоэлектроника и полупроводниковая техника. - 1988. - Вып. 13. - С. 77-81.
6. К вопросу оптимизации дискретных оптоэлектронных индикаторных ус-т-ройств / А. В. Бушма, И. Д. Кушнеров, П. Ф. Олексенко, Н. И. Сып-ко // Оптоэлектроника и полупроводниковая техника. - 1988. - Вып. 13. - С. 74-77.
7. Об особенно-стях построения оптоэлектронных средств дискретно-ана-ло-го-во-го предс-тав-ления информации / А. В. Бушма, И. Д. Кушнеров, С. В. Свечников, Н. И. Сып-ко // Фотоэлектроника. - 1988. - Вып. 2. - С. 88-90.
8. Бушма А. В., Сыпко Н. И. К оценке яркостной неоднородности светодиодных индикаторов // Оптоэлектроника и полупроводниковая техника. - 1988. - Вып. 14. - С. 91-92.
9. Устройство управления свето-вой шкалой: А. с. 759965 СССР, МКИ G 01 R 13/00 / А. В. Бушма, В. Н. Бушма, С. В. Свечников, Н. И. Сып-ко (СССР). - № 2535735/18-21; Заявлено 14.10.77; Опубл. 30.08.80, Бюл. № 32. - 3 с.
10. Устройство управления свето-вой шкалой: А. с. 901919 СССР, МКИ G 01 R 13/00 / А. В. Бушма, С. В. Свечников, П. Ф. Олексенко, Н. И. Сып--ко (СССР). - № 2863408/18-21; Заявлено 04.01.80; Опубл. 30.01.82, Бюл. № 4. - 5 с.
11. Устройство для вывода инфор-мации: А. с. 1631445 СССР, МКИ G 01 R 13/00 / А. В. Бушма, И. П. Грин-берг, И. Д. Кушнеров, П. Ф. Олек--сенко, Н. И. Сып-ко (СССР). - № 4107544/24-24; Заявлено 18.08.86; Опубл. 28.02.91, Бюл. № 8. - 3 с.
АНОТАЦІЯ
Бушма О. В. Підвищення надійності багатоелементних світлодіодних шкальних індикаторних пристроїв. - Рукопис.
Дисертація на здобуття вченого ступеня кандидата технічних наук із спеціальності 05.12.20 - оптоелектронні системи. - Інститут фізики напівпровідників НАН України, Київ, 2000.
Дисертація присвячена з’ясуванню та дослідженню шляхів побудови високонадійних світлодіодних шкальних індикаторних пристроїв і практичній реалізації запропонованих рішень в оптоелектронних системах. Проведено аналіз побудови цієї групи засобів відображення інформації на функціональному та структурному рівнях, а також на рівні елементної бази. Запропоновані та апробовані відповідні математичні моделі. Розроблені та досліджені оригінальні оптимізовані двотактні структури керування світлодіодним шкальним індикатором. Синтезовано та проаналізовано ряд цифрових вузлів індикаторних пристроїв. Запропоновано та випробувано оригінальний мінімізований перетворювач двійкового нормального коду в одиничний нормальний код. Експериментально вивчено та встановлено наявність взаємного інжекційно-термічного впливу світлодіодів у багатоелементних модулях шкал. Запропоновані практичні рекомендації по апаратурній реалізації та параметричній оптимізації основних структурних елементів шкальних індикаторних пристроїв на основі світлодіодів.
Ключові слова: надійність, моделювання, схемотехніка, світлодіод, шкальний індикатор, перетворювач коду, тепловий опір, яскравість, інтегральна схема, логічний елемент.
АННОТАЦИЯ
Бушма А. В. Повышение надежности многоэлементных светодиодных шкальных индикаторных устройств. - Рукопись.
Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.12.20 - оптоэлектронные системы. - Институт физики полупроводников НАН Украины, Киев, 2000.
Диссертация посвящена выявлению и исследованию путей построения высоконадежных светодиодных шкальных индикаторных устройств и практической реализации предложенных технических решений в оптоэлектронных системах. Выполнен анализ построения этой группы устройств отображения информации на функциональном и структурном уровнях, а также на уровне элементной базы. Показано, что наиболее эффективным путем повышения функциональной надежности является использование динамической двухтактной аддитивной информационной модели. На структурном уровне надежность достигается за счет выбора и минимизации используемых технических решений узлов устройства. Параметрическая оптимизация схемотехнических решений обеспечивает получение необходимой надежности на уровне элементной базы шкальных индикаторных устройств.
Исследование и реализация технических решений выполнены на основе предложенных математические моделей процессов обработки информации, происходящих в устройстве и его функциональных элементах. С использованием логико-временного подхода к обработке сообщений и формированию соответствующего визуального образа на шкале формализованы алгоритмы возбуждения элементов шкалы и предложена соответствующая информационная модель аддитивного отсчета. Путем сопоставления формализованного подхода и экспериментальных исследований разработан логический оператор формирования визуального образа на двумерной матрице элементов индикатора. Предложена наиболее надежная аддитивная информационная модель двухтактного шкального отсчета на шкале, элементы которой соединены двумерной матрицей. Показано, что предложенная модель инвариантна относительно аппаратурной реализации и может быть положена в основу построения семейства высокоэффективных двухтактных структур управления шкальным индикатором. С ее использованием разработана логико-временная модель обработки цифровых сигналов, построены и внедрены в серийное производство реальные светодиодные шкальные приборы на принципах коммутации кодов.
Для восьмиэлементных светодиодных модулей индикатора экспериментально определены значения теплового сопротивления (500 ± 150) К/Вт, величина которых не зависит от материала излучателей. Экспериментально исследовано и установлено наличие взаимного инжекционно-термического влияния светодиодов в модулях шкал. Определены их температура перегрева и взаимные тепловые сопротивления. Показано, что эти величины зависят от порядка возбуждения и пространственного расположения излучателей. Установлено, что для повышения надежности этих элементов необходимо снижать нагрев светодиодов за счет уменьшения амплитуды и скважности импульсов тока возбуждения, а также путем использования соответствующих конструктивно-технологических методов.
Анализ эксплуатационных параметров и оценка сложности были проведены для двух типов преобразователей двоичного нормального кода как в единичный позиционный, так и в единичный нормальный код, а также коммутаторов “два в один”. Получены аналитические выражения, которые описывают эти параметры, и синтезированы практические схемы. Показано, что сложность преобразователей двоичного нор-мального кода в единичный нормальный код резко возрастает, а быстродействие падает с увеличением длины выходного кодового слова. Установлено, что минимизация аппаратурных решений этих преобразователей обеспечивает повышение надежности шкальных устройств в целом.
Реализованы и исследованы аппаратурно минимизированные тактовые генераторы на логических элементах. Предложено использовать энергопотребление в качестве основного критерия для отбора наиболее надежного технического решения автогенератора. Показано, что в индикаторных устройствах целесообразно использовать симметричные мультивибраторы на двух логических элементах.
Предложена и исследована математическая модель минимизированного струк-турного решения преобразователя двоичного нормального кода в единичный нормальный код. Показано, что логический оператор обладает свойством двойственности и является математической базой для построения минимизированных схемотехнических решений. На этой основе разработан, исследован и апробирован оригинальный преобразователь кода, являющийся неотъемлемой составной частью светодиодных шкальных устройств с аддитивным представлением данных.
Предложена количественная оценка построения и эффективности работы структурных решений на основе анализа коэффициента полезного действия при формировании визуальных символов на шкале. Получены аналитические выражения для разработанной двухтактной информационной модели, которые позволяют исследовать и сопоставлять ее аппаратурные реализации в различных режимах и на основе произвольной элементной базы.
Путем исследования процессов обработки данных в устройстве показано, что возможно упрощение алгоритма его работы при замене параллельного формирования кодов на последовательное. Предложена математическая модель соответствующей цифровой структуры. Разработана, апробирована и внедрена в серийное производство оригинальная аппаратурная реализация этой модели.
С использованием разработанных математических моделей и энергетических кри-териев оценки предложена параметрическая оптимизация схемотехнических решений, направленная на повышение надежности отображения информации в оптоэлектронных системах. На этой основе предложены и исследованы пути снижения яркостной неоднородности шкалы, даны рекомендации по оптимальному выбору параметров компонентов схем.
Ключевые слова: надежность, моделирование, схемотехника, светодиод, шкальный индикатор, преобразователь кода, тепловое сопротивление, яркость, интегральная схема, логический элемент.
SUMMARY
Bushma O. V. Reliability Improvement for Multiple-unit LED-based Bar Graph Display Devices.
Thesis for a Candidate of Tech. Sci. degree (specialty 05.12.20 - optoelectronic systems). - Institute of Semiconductor Physics of the National Academy of Sciences of Ukraine, Kyiv, 2000.
The dissertation deals with researching construction of high reliable bar graph display devices and practical realization of the offered decisions. The analysis of construction intrinsic to this group of devices at functional and structural levels, and also at a level of their element base is performed. The appropriate mathematical models are offered and tested. The original optimized double cycle structures for controlling bar graph display are developed and investigated. A number of display digital units is synthesized and analyzed. The minimized original converter of a binary normal code in a bar graph code is proposed and tested. The injection-thermal interference of LEDs in multiple-unit scale modules is experimentally found and investigated. Practical recommendations for hardware realization and parametrical optimization of the basic structural units for bar graph display devices are suggested.
Key words: reliability, modeling, circuitry, LED, bar graph display, code converter, heat resistance, brightness, integrated circuit, logic element.