DE2042901B2 - Anordnung zur optischen darstellung von zeitlich veraenderlichen elektrischen spannungen - Google Patents

Description

35

1. Anordnung zur optischen Darstellung zeitlich veränderlichen elektrischen Spar- >ngen in Form von sich entlang einer Abszisse ernden Ordinatenwerten mittels eines sich zwischen mindestens zwei Elektroden flächig erstreckenden Anzeigemediums, dessen für die Anzeige maßgebende optische Eigenschaft bezüglich der anliegenden Spannung einen Schwellwert aufweist, und in welchem durch Erzeugen eines Spannungsabfalls entlang mindestens einer der Elektroden eine kontrollierte örtliche Spannungsverteilung bewirkt werden kann, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine (2, 2') der Elektroden (1, V; 2, 2') aus sich senkrecht zur Abszisse ^erstreckenden, voneinander getrennten Streifen (2t'l... 2("K 2V).. .2'<ⁿ?) besieht, an welche die Meßspannung (Vm), und/oder zur Erzeugung einer von der Meßspannung unabhängigen örtlichen Spannungsverteilung [Vr-V₂(Ar)] eine Vorspannung (9₂, Vr), wahlweise anschaltbar sind.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die andere Elektrode (1, V) als über den Bereich des Anzeigemediums (3, 3') zusammenhängende Flächenelektrode ausgebildet ist.

3. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Streifenelektroden (2O...2W) einen Flächenwiderstarid aufweisen derart, daß sich entlang der Streifen ein wohldefiniertes Spannungsgefälle [V₂(X)] erzeugen läßt, und der elektrische Flächenwiderstand der zusammenhängenden Elektrode (1) ausreichend gering ist, daß sie beim Anlegen eines elektrischen Potentials (V\) als Äquipotentialfläche wirkt.

4. Anordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßspannung (Vm), vorzugsweise in Addition zu einer einen Teil der Vorspannung bildenden Spannung (Vr) nahe dem Schwellwert (Ur), an der gut leitenden Elektrode (1/8), und, zur Möglichkeit der Erzeugung eines Spannungsabfalles [V₂(A-)] an den Streifenelektroden (20...2W), an einem ersten Ende (6) derselben ein anderer Teil (V₂ + Vd) der Vorspannung liegt.

5. Anordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die mit ihrem anderen Ende (J (^mf) normalerweise von einem anderen Anschluß abgetrennten Streifenelektroden (2("'J) zyklisch aufeinanderfolgend auf einen von der Spannung (V₂ + Vp) am ersten Ende (6) verschiedenen Spannungswert (Vo) geschaltet werden.

6. Anordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die zyklische Durchschaltung mittels eines Schieberegisters (15) geschieht, welches von einem Impulsgenerator (13) einstellbarer Folgefrequenz gesteuert wird.

7. Anordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß nach Ablauf eines Zyklus das Schieberegister (15) nur dann wieder gestartet werden kann, wenn der Momentanwert der Meßspannung [V_m(tJ\ einen einstellbaren Pegel in vorbestimmter Richtung durchläuft.

8. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Streifenelektroden (2'O... 2'(">) einen so geringen elektrischen Widerstand aufweisen, daß sich bei Anlegen eines Potentials an den Elektroden-Anschlüssen (7'O ... T("J) ein verschwin-

40

45

50 dendes Spannungsgefälle entlang der Streifen-Elektroden bildet, und die zusammenhängende Elektrode (V) einen derartigen Fiächenwiderstand aufweist, daß sich entlang dieser Elektrode ein wohldefiniertes Spannungsgefälle erzeugen läßt, wobei zur Erzeugung dieses Spannungsgefälles [ V'₂(xj) entlang der zusammenhängenden Elektrode (!') in Richtung senkrecht zur Abszisse (t)una zwecks Beheizung der Anzeigeschicht (3'), an dem einen Ende dieser Elektrode eine von der am anderen Ende verschiedene Spannung ständig anliegt, und die Meßspannung [Vsi(t)\ sequentiell über einen Umschalter (4) an die Streifenelektrode gelegt wird.

9. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erfassung sehr schnell veränderlicher periodischer Spannungen jeweils nur ein Momentanwert pro Periode abgetastet wird.

10. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Speicherung der optisch dargestellten Meßspannung [ V_M(t}\ für das Anzeigemedium (3) eine Mischung aus nemaiischen und cholestrinischen Flüssigkristallen verwendet wird.

11. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Beheizung des Anzeigemediums (3) in seiner Intensität geregeltes Licht eingestrahlt wird.

12. Anordnung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß zur Regelung der Beheizung ein Teil des für das Anzeigemedium (3) vorgesehenen Raumes mit einem cholesterinischen Flüssigkristall gefüllt wird, dem ein mit dem Regler verbundener Photodetektor zugeordnet ist.

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur optischen Darstellung von zeitlich veränderlichen elektrischen Spannungen in Form von sich entlang einer Abszisse ändernden Ordinatenwerten mittels eines sich zwischen mindestens zwei Elektroden flächig erstreckenden Anzeigemediums, dessen für die Anzeige maßgebende optische Eigenschaft bezüglich der anliegenden Spannung einen Schwellwert aufweist, und in welchem durch Erzeugen eines Spannungsabfalls entlang mindestens einer der Elektroden eine kontrollierte örtliche Spannungsverteilung bewirkt werden kann.

In einem noch nicht veröffentlichten Vorschlag (DT-Pat.-Anm. 20 32 023) wird eine Anordnung beschrieben, bei welcher sich ein Anzeigemedium der vorstehend angegebenen Art, vorzugsweise ein nematischer Flüssigkristall, beispielsweise MBBA (4-Methoxy-4'-n-Butyl-Benzyliden-Anilin) oder p-(p-Äthoxypheny-Iazo)-Phenylheptanoat bzw. önantsäure-p-(p')-Äthoxyphenylazo-Phenytester (Journal de Physique, 30, C4-109, Nov.-Dez. 1969; vgl. auch US-PS 33 22 485), oder eine Festkörperschicht mit Injektionselektrolumineszenz, beispielsweise Cu₂Se-ZnSe (Journal Appl. Physique, 35 (1964), Seiten 606 —611), flächig zwischen zwei Elektroden erstreckt, von denen mindestens eine durchsichtig ist, und von denen die eine eine elektrische Äquipotentialfläche ist und die andere einen derartigen Flächenwiderstand aufweist, daß sich entlang dieser anderen Elektrode ein wohldefiniertes Spannungsgefälle erzeugen läßt.

Bei einer Ausführungsform der vorgeschlagenen Anordnung liegt an der als Äquipotentialfläche betriebenen Elektrode eine Spannung, die der Summe

crhwellwertspannung und der Meßspannung ^der -cht während entlang der anderen Elektrode ^eIltSu Anlegen unterschiedlicher Randspannungen ein ^durch _n,7"_sabfall erzeugt wird. Bei geeigneter Wahl der Spannu 6 _{sich dann im} Anzeigemedium zwischen 5

^Spanci Mroden bei Wert Null der Meßspannung eine de" ^E'^_ellwerl aus linear abfallende örtliche Span-^VOm Verteilung, die bei Werten der McBsppnnung ^nUngh,lb eines vorgegebenen Meßbereiches parallel zu '•"ifielbst in Rötung senkrecht zur Ortskoordinate io

hob*>n wird wodurch die durcl, den Ort des cTeichens der Schwellwertspanr.ung gegebene Grenze

hen den zvei Gebieten verschiedenen optischen 7^WSndes (Kontraständerung, Lichtemission) propor-

I zu den Werten der Meßspannung entlang der 15 Coordinate wandert. Die Meßspannung kann auf ••!«.Weise durch die Länge eines »Balkens«, der durch Uchtemission oder Kontrast ausgezeichnet ist, analog ^da\Te\ns!anderen Ausführungsform der vorgeschlage- 20 nen Anordnung wird die Meßspannung so an den Rand Her einen Elektrode angelegt, daß das totale Spannungsgefälle entlang dieser Elektrode proportional zur

Spannung ^ist· ^{Damit wird bei Sich ändernd},^en SsDannungswerten die Neigung der Geraden der 25

Liehen Spannungsverteilung geändert, und die Grenze zwischen den Gebieten optischen Zustandes verschiebt sich umgekehrt proportional zur Meßspannung.

ung.
Die Erfindung geht von der vorgeschlagenen 30

Anordnung aus. Ihr liegt die Aufgabe zugrunde, zeitlich sich ändernde Meßspannungen auf einem Bildschirm sichtbar zu machen, wie dies bis heute z. B. mit Kathodenstrahloszillographen bewerkstelligt wird.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, 35 daß bei einer Anordnung der eingangs beschriebenen Art mindestens eine der Elektroden aus sich senkrecht zur Abszisse erstreckenden, parallelen, voneinander getrennten Streifen besteht, an welche die Meßspannung, und/oder zur Erzeugung einer von der Meßspannung unabhängigen örtlichen Spannungsverteilung eine Vorspannung, wahlweise anschaltbar sind.

Dadurch kann, je nach Zahl der Streifenelektroden, eine Vielzahl von zeitlich aufeinanderfolgenden Spannungswerten nebeneinander dargestellt werden, so daß sich auf dem Bildschirm ein histogrammartiges Bild ergibt.

Wenn auch grundsätzlich beide Elektroden streifenförmig ausgebildet sein können, so ist es doch zweckmäßiger, weil weniger aufwendig, nur eine 5C Elektrode streifenförmig und die andere zusammenhängend auszubilden.

Durch eine geeignet mit der Meßspannung synchronisierte zyklische Ansteuerung der Streifenelektroden kann erreicht werden, daß periodisch sich wiederholende Spannungsverläufe als stehende Bilder erscheinen. Das Prinzip der Synchronisierung der Zeitablenkung entspricht im wesentlichen der vom Kathodenstrahloszillographen her bekannten Methode.

Flüssigkristallschichten werden zweckmäßigerweise t>o bei Temperaturen wenig oberhalb des Schmelzpunktes betrieben, da bei den heute bekannten, für die Erfindung geeigneten Materialien der Schwellwert für den Einsatz der optischen Änderung hier besonders gut ausgeprägt ist. Damit weist jedoch der die Kontraständerung bedingende Turbulenz-Effekt eine gewisse Trägheit auf. Mit der erfindungsgemäßen Anordnung werden daher bevorzugt Wechselvorgänge nicht allzu großer Geschwindigkeit gemessen, oder jber schnelle, periodische Wechselvorgänge, bei welchen dann pro Periode nur ein Momentanwert abgetastet wird. Einmalige Abläufe denen die Anordnung nach der Erfindung zu folgen vermag, sind dank der relativ langen Abklingzeit des optischen Streu-Effektes auch nach Ablauf des Vorganges noch erkennbar. Bei Verwendung einer geeigneten Mischung von nematischen und cholesterinischen Flüssigkristallen als Arizeigemedium können darüber hinaus in der Größenordnung von Stunden liegenden Speicherzeiten erreicht werden (Proc. IEEE 57 Nr. 1, pp. 34-38).

Weitere Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus den nachstehend anhand von Figuren erläuterten Ausführungsbeispielen. Hierbei zeigt

F i g. 1 eine Ausführungsform der Erfindung mit einer Elektronik zur sequentiellen Ansteuerung der Streifenelektroden zwecks Erzielung stehender Bilder von elektrischen Wechselvorgängen,

F i g. 2 ein Diagramm zur Erläuterung der elektrischen Spannungsverhältnisse im Anzeigemedium,

F i g. 3 ein Bild, wie es sich bei einer Anordnung nach der Erfindung auf dem Bildschirm ergeben kann, und

F i g. 4 eine weitere Ausführungsform der Erfindung, bei welcher eine Elektrode zur elektrischen Beheizung des Mediums verwendet wird.

In Fig. 1 ist eine zusammenhängende Elektrode 1 und eine in Streifen unterteilte Elektrode 2 dargestellt. Zwischen den Elektroden 1 und 2 befindet sich ein schichtförmiges Anzeigemedium 3, beispielsweise eine nematische flüssigkristalline Substanz.

Die Elektrode 1 besteht beispielsweise aus Glas und ist mit einer (durchsichtigen) Schicht Zinndioxid kleinen Flächenwiderstandes versehen, so daß sie eine Äquipotentialfläche bildet. Als elektrisches Potential V\(t) wird ihr über den Anschluß 8 und das Summierglied 9 die Summe aus einer Spannung Vr, die etwa gleich der Schwellspannung Ut des Anzeigemediums ist, der zeitlich veränderlichen Meßspannung Vm(O und einer Diodenvorspannung Vd mitgeteilt.

Die Elektrode 2 besteht aus Streifen 20)... 2<^m>... 2K die voneinander isoliert sind und einen konstanten Flächenwiderstand aufweisen, so daß bei Anlegen unterschiedlicher Randspannungen an die Anschlüsse 6 und 70)... 7<ⁿ> ein linearer Spannungsabfall entlang der Streifen erzeugt wird. Da eine Kontraständerung bei Flüssigkristallen bzw. eine Lichtemission bei lumineszierenden Stoffen einen Stromfluß im Anzeigemedium bedingt, ist der Flächenwiderstand der Streifer, klein genug zu wählen, so daß der Stromfluß durch das Anzeigemedium nicht den gewünschten linearen Spannungsabfall verfälscht.

Über einen gemeinsamen Anschluß 6 liegt an den oberen Rändern der Streifen 20)... 2^die Spannung V5, die sich aus V₂ und V₀ zusammensetzt, wobei V₂ kleiner oder höchstens gleich dem doppelten Wert der Schwellspannung l/r ist, wie weiter unten noch erläutert wird. Der untere Rand jeweils eines Streifens 20)... 2'" ist über einen Anschluß 70)... 7<">, einen npn-Transistot Τ ... T_n und zwei Dioden D_A\ und D_Ai auf Masse gelegt Die Basen der Transistoren T, ... T_n sind über Entkopp lungs-Dioden D₁ ... D_n jeweils mit dem Ausgang eine; Zelle eines Schieberegisters 15 verbunden, welcher der logischen Wert 0 oder 1 annehmen kann, entsprechen« «υ V oder >+2,5V. Die Basen der Transistorei Ti ... T_n sind außerdem über Widerstände R\... R_n mi einer positiven Spannung V₈ von z.B. +5 V verbunden. Es ist ersichtlich, daß je nach dem Zustand der Zelle

des Schieberegisters 15 die Transistoren 71... T_n leitend oder gesperrt sind. Im Zustand logisch 1 ist der Ausgang der entsprechenden Zelle m des Schieberegisters 15 durch die Diode D_m von dem Ansteuerungsschaltkreis Rm~T_m abgetrennt, der Strom durch R_m fließt als Basisstrom durch Transistor T_n, und treibt diesen in Sättigung. Im Zustand logisch 0 (z. B. Zelle 1) ist die Basis-Emitter-Spannung des zugehörigen Transistors Ti hingegen negativ, wodurch dieser Transistor T\ sperrt. Um sicherzustellen, daß dann der ganze Strom Vg/R\ durch die entsprechende Diode D\ fließt und nicht durch den Transistor Ti, ist die gemeinsame Emitter-Vorspannung mittels Ra, D_A\ und D_A2 vorgesehen, wodurch erreicht wird, daß das Basispotential eines Transistors für logisch 0 eines Schieberegisterausganges immer negativer ist als dasjenige des Emitters.

Weil die Spannung V_Düber den Dioden D_A\ und Da2 temperaturabhängig ist, sind zur Kompensation dieser Abhängigkeit vor dem Anschluß 6 die Dioden Db\ und Dbi an einer Spannung

VBB = I Ut+ 2 Vd

und in einer Abzweigung bei 6 ein mit seinem anderen Ende auf Masse liegender Widerstand Rb vorgesehen. Rb wird so gewählt, daß der durch Rb fließende Strom Iβ dem Strom durch R_A gleich ist.

Wenn ein Transistor T_n, bei logisch 1 der entsprechenden Zelle m des Schieberegisters 15 leitend ist, entsteht an der Streifenelektrode 2f^m> ein linearer Spannungsabfall V₂M zwischen den Werten

V₂= V₂+ Vp und Vi>

In dem Anzeigemedium 3 im Bereich der Streifenelektrode 2 entsteht dann ein lineares Spannungsgefälle

Ln,,= V_t(t)~ V₂(x),

wie dies in F i g. 2 für die Indizierung »m« angedeutet ist. Die Gerade U^m>(x) durchstößt die Ebene + Ut beim Ordinatenwert xmK der die der Meßspannung Vm(O proportionale Grenze des optisch ausgezeichneten Bereiches (Werte x< x\/^m^) angibt.

1st ein Transistor, z. B. Tl, aber bei logisch 0 der entsprechenden Zelle 1 des Schieberegisters 15 gesperrt, so befindet sich die ganze Streifenelektrode 2<" im wesentlichen auf gleichem Potential V₂ (Anschluß 6), wodurch sich in dem Anzeigemedium 3 ein Spannungsverlauf WXx) wie in Fig.2 für die Indizierung »1« gezeichnet, ergibt. U^(x) ist nun eine zur Ortskoordinate χ parallele Gerade, deren Position in Richtung U(x) zwar mit dem jeweiligen Wert V_K1(t) variiert, aber, da im Bereich

- U_T< U< + Ut

verlaufend, die Ebenen + LYund - V_T nicht durchstößt und keinen optischen Effekt im Anzeigemedium 3 hervorruft.

Aus Fig. 2 ist auch zu erkennen, daß V₂ < 2 LZ₇-sein muß, da sonst für den Fall »m« und V_M=0 in F i g. 2 ein Durchstoßpunkt mit der Ebene - Ut beim Ordinatenwert Xmax entsteht, und die Anzeige nicht mehr eindeutig wäre. Die gleiche Bedingung ergibt sich auch aus der mit 1 indizierten Darstellung in Fig. 2, gemäß welcher lP)(x) nicht unter - Lh absinken darf. Die Forderungen bestehen nicht, wenn das Anzeigemedium auf Spannungen negativer als i/₇ nicht reagiert, wie dies bei Festkörpern mit Injektionselektrolumincszenz der Fall sein kann.

Die Strcifcnclekirodcn 2·" ... 2'"' werden nun zwecks Erzielung eines stehenden Bildes einer periodisch wiederkehrenden Meßspannung Vm(i)sequentiell, unter geeigneter Synchronisierung mit VmM angesteuert. Dazu wird in dem Schieberegister 15 die Binärzahl 1000... permutiert, so daß nur ein Anschluß 7<^m> zu einer bestimmten Zeit auf ungefähr V_D geschaltet ist, und eine Momentananzeige für Vm(U im Bereich der Streifenelektrode 2<^m> ergibt.
Das Schieberegister 15 wird durch das Schiebekommando Sh gesteuert. Jedes Kommando Sh bewirkt eine Verschiebung des Schieberegisterinhalts um eine Zelle nach rechts. Anfang und Ende der Schieberegisterkette sind über die Rückführleitung Fmiteinander verbunden. Die Kette besteht aus n+\ Zellen, falls η Anzeigestreifen anzusteuern sind.

Die Folgefrequenz der Schiebe-Kommandos Sh ist durch den Impulsgenerator 13 gegeben. Die Wahl der Folgefrequenz entspricht der Wahl einer geeigneten Zeitablenkung beim Kathodenstrahloszillographen.

Das UND-Glied 12 wird durch den Flip-Flop 14 gesteuert. Solange 14 gesetzt ist (Q=I), werden Kommandos Sh an 15 abgegeben. Flip-Flop 14 wird über das UND-Glied 11 gesetzt, wenn die erste Zelle des Schieberegisters 15 logisch 1 ist und die Triggerschaltung 10 durch das darzustellende Signal Vm(O ausgelöst wird.

Die Triggerschaltung 10 kann z. B. ein Schmitt-Trigger sein, dem ein Differenzierglied und ein Monovibrator nachgeschaltet sind, so daß dem UND-Glied 11 nur dann logisch 1 zugeführt wird, wenn die darzustellende Wechselspannung Vm(O ^m vorbestimmter Richtung einen am Schmitt-Trigger einzustellenden Pegel durchläuft. Damit wird wie beim Kathodenstrahloszillographen der Anfangspunkt des dargestellten Abbildes der Wechselspannung festgelegt.

Rücksetzen des Flip-Flops 14 erfolgt, wenn die letzte Zelle des Schieberegisters 15 über die Leitung F die zirkulierende logische 1 an die erste Zelle weitergibt oder ein allgemeiner Reset eingeleitet wird. Der allgemeine Reset bewirkt auch, daß der Inhalt des Schieberegisters 1000... wird.

An Stelle der Ansteuerungsschaltung mit Hilfe eines Schieberegisters könnte auch eine anders geartete Einrichtung, wie z. B. eine Kette von rückflankengetriggerten monstabilen Multivibratoren verwendet werden. Dieses dynamische Schieberegister wäre zwar billig in integrierter Form herzustellen, hätte auf der anderen Seite aber den Nachteil, daß die Zeitablenkung nur in engen Grenzen wählbar wäre.

In F i g. 4 ist die zusammenhängende Elektrode Γ mit einem möglichst gleichmäßigen Flächenwiderstand beschichtet, und an ihren oberen Rand die Spannung V₂+ Vj- und an ihren unteren Rand die Spannung Vj gelegt. Dadurch entsteht ein lineares Potentialgefälle V₂M wobei der Stromfluß zur Beheizung der Anzeigeschicht 3' dient. Über einen Umschalter 4, der zweckmäßigerweise elektronisch, beispielsweise mit FET-Analogschaltern, auszuführen wäre, wird den Streifenelcktroden sequentiell die Spannung Vm(O

ho zugeführt.

Zur Einhaltung der optimalen Betriebstemperatur im Anzeigemedium kann ein Temperaturregelkreis notwendig sein. Die Beheizung kann, ähnlich wie zur F i g. 4 beschriebene, elektrisch über eine Widerstandsschicht

ι- · oder aber durch eine intcnsitätsgcstcucrtc Lichtcinstrahlung erfolgen. Eine Widerstandsschicht zur geregelten elektrischen Beheizung kann z. B. in wärmeleitendem Kontakt mit einer F.lektrode, jedoch elektrisch

204290t

abgeschirmt gegen dieselbe, angeordnet werden. Zur Temperaturfühlung kann ein Bereich des Raumes für die Anzeigeschiciu mit einem cholesterinischcn Flüssigkristall gefüllt werden, dessen spektrale Reflexionseigenschaften stark temperaturabhängig sind, wodurch über einen spektral selektiven Photodetektor und einen Pegeldiskriminator eine empfindliehe Regelung der Beheizung erfolgen kann.

Im Vergleich zu den konventionellen Kathodenstrahloszillographen handelt es sich bei der beschriebenen erfindungsgemäßen Anordnung um ein flächcnhaftes Gerät mit sehr geringem Raumbedarf. Hohe

Steuerspannungen sind nicht notwendig. An Stelle des Sägezahngenerators für die Zeit-Ablenkung tritt die Kombination eines Impulsgenerators mit einem Schieberegister. Solche digitalen Elemente lassen sich in integrierten Schaltungen zusammenfassen.

Matrix-Displays bedingen etwa doppelten Aufwand für die Ansteuerung im Vergleich zur hier beschriebenen Anzeige, weil bei diesen nicht nur eine Richtung der Anzeige in η Elemente unterteilt ist, sondern auch die hierzu orthogonale Richtung, so daß bei gleichetr Auflösevermögen in beiden Richtungen total 2 n-An steuerungselementc benötigt werden.

H.erzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims (1)

1. Patentansprüche:

   von

   10

   15

   20

   30