DE2042901C3 - Anordnung zur optischen Darstellung von zeitlich veränderlichen elektrischen Spannungen - Google Patents

Description

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 (DE-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-Äthoxy_pheny-Iazo)-Phenylheptanoat bzw. önantsäure-p-(p')-Äthoxyphenylazo-Phenylester (Journal de Physique, 30, C4-109, Nov.'Dez. 1969; vgl. auch US-PS 33 22 485), oder eine Festkörperschicht mit lnjektionselektrolumineszenz, 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, da'J 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

der Schwellwertspannung und der Meßspannung entspricht, während entlang der anderen Elektrode durch Anlegen unterschiedlicher Randspannungen ein Spannungsabfall erzeugt wird, Bei geeigneter Wahl der Spannung ergibt sich dann im Anzeigemedium zwischen s den Elektroden bei Wert Null der Meßspannung eine vom Schwellwert aus linear abfallende örtliche Spannungsverteilung, die bei Werten der Meßspannung innerhalb eines vorgegebenen Meßbereiches parallel zu sich selbst in Richtung senkrecht zur Ortskoordinate verschoben wird, wodurch die durch den Ort des Erreichens der Schwellwertspannung gegebene Grenze zwischen den zwei Gebieten verschiedenen optischen Zustandes (Kontraständenuig, Lichtemission) proportional zu den Werten der Meßspannung entlang der Ortskoordinate wandert Die Meßspannung kann auf diese Weise durch die Länge eines »Balkens«, der durch Lichtemission oder Kontrast ausgezeichnet ist, analog dargestellt werden.

In einer anderen Ausführungsform der vorgeschlagenen Anordnung wird die Meßspannung so an den Rand der einen Elektrode angelegt, daß das totale Spannungsgefälle entlang dieser Elektrode proportional zur Meßspannung ist. Damit wird bei sich ändernden Meßspannungswerten die Neigung der Geraden der örtlichen Spannungsverteilung geändert, und die Grenze zwischen den Gebieten optischen Zustandes verschiebt sich umgekehrt proportional zur Meßspannung.

Die Erfindung geht von der vorgeschlagenen 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, 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 Meßspan- nung 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 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.

PlUssigkristallschichten werden zweckmäßigerweise 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 μ bedingende Turbulenz-Effekt eine gewisse Trägheit auf. Mit der erfindungsgemäß'jn Anordnung werden daher bevorzugt Wechselvorgänge nicht allzu großer Geschwindigkeit gemessen, oder aber 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 Anzeigemedium 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,

Fig.2 eih Diagramm zur Erläuterung der elektrischen Spannungsverhältnisse im Anze^emedium,

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

Fig.4 eine weitere Ausführungsform der Erfindung, bei welcher eine Elektrode zur elektrischen Beheizung des Mediams verwendet wird.

In F i g. 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 Vt, die etwa gleich der Schwellspannung Ut des Anzeigemediums ist, der zeitlich veränderlichen Meßspannung Vm(V ^und ^ei^ner Diodenvorspannung Vbmitgeteilt.

Die Elektrode 2 besteht aus Streifen 20>... 2<^m>... 2(">, die voneinander isoliert sind und einen konstanten Flächenwiderstand aufweisen, so daß bei Anlegen unterschiedlicher Randspannungen an die Anschlüsse 6 und 70... V") 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 Streifen klein genug zu wählen, so daß der Stromfluß durch das Anzeigemedium nichiden gewünschten linearen Spannungsabfall verfälscht.

Über einen gemeinsamen Anschluß 6 liegt an den objreii Rändern der Streifen 2C... 2Wdie Spannung Vl, die sich aus % und Vb zusammensetzt, wobei V₂ kleiner oder höchstens gleich dem doppelten Wert der Schwellspannung LV ist, wie weiter unten noch erläutert wird. Der untere Rand jeweils eines Streifens 20)... 2("> ist über einen Anschluß 7<'>... 7<ⁿ>, einen npn-Transistor T₁ ...T_n und zwei Dioden Dm und Dm auf Masse gelegt. Die Basen der Transistoren Ti... T_n sind über Entkopplungs-Dioden D\... D_n jeweils mit dem Ar.sgang einer Zelle eines Schieberegisters 15 verbunden, welcher den logischen Wert 0 oder 1 annehmen kann, entsprechend «0V oder >+2,5V. Die Basen der Transistoren Γι... T_n sind außerdem über Widerstände R₁... R_n mit einer positiven Spannung Ve von z. B. +5 V verbunden.

Es ist ersichtlich, daß je nach dem Zustand der Zellen

des Schieberegisters 15 die Transistoren Ti... T_n leitend oder gesperrt sind. Im Zustand logisch I ist der Ausgang der entsprechenden Zelle m des Schieberegisters 15 durch die Diode D_m von dem Ansteuerungsschaltkreis R_n,- T_m abgetrennt, der Strom durch R_n, fließt als Basisstrom durch Transistor T_m 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 Ti sperrt. Um sicherzustellen, daß dann der ganze Strom V₈ZR₁ durch die entsprechende Diode D₁ fließt und nicht durch den Transistor 7Ί. ist die gemeinsame Kmittcr-Vorspannung mittels R.\. D\\ und D.\₂ 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), über den Dioden Dw und Du temperaturabhängig ist. sind /ur Kompensation dieser Abhängigkeit vor dem Aiisc'riiuG 6 die Dioueii ί?«ι· ui'iii Dir. an einer Spannung

V_He = 2U, + 2 V_n

und in einer Abzweigung bei 6 ein mit seinem anderen Ende auf Masse liegender Widerstand R_H vorgesehen. Rh wird so gewählt, daß der durch Rp fließende Strom In dem Strom durch R.\ gleich ist.

Wenn ein Transistor T_n, bei logisch I der entsprechenden Zelle in des Schieberegisters 15 leitend ist. entsteht an der Streifenelektrode 2''"'ein linearer Spannungsabfall V.fv^zwischen den Werten

V,= V₂+ V„und V;>

In dem An/eigemedium 3 im Bereich der .Streifenelektrode 2 entsteht dann ein lineares Spannungsgefälle

wie dies in F i g. 2 für die Indi/ierung »m« angedeutet ist. Die Gerade If^'fx) durchstößt die Ebene +Lh beim Ordinatenwert W"''. der die der Meßspannung V^t) proportionale Grenze des optisch ausgezeichneten Bereiches (Werte χ < W""') angibt.

Ist ein Transistor, z. B. T₁. aber bei logisch 0 der entsprechenden Zelle 1 des Schieberegisters 15 gesperrt, so befindet sich die ganze Streifenelektrode ? ' im wesentlichen auf gleichem Potential V^/#2 (Anschluß 6). wodurch sich in dem Anzeigemedium 3 ein Spannungsverlauf U''(x) wie in F i g. 2 für die Indizierung »1« gezeichnet, ergibt. U''(x) ist nun eine zur Onskoordinate ν parallele Gerade, deren Position in Richtung U(x) zwar mit dem jeweiligen Wert Vm(I) variiert, aber, da im Bereich

- Ut< U< + Ut

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

Aus Fig. 2 ist auch zu erkennen, daß V₂ <2 Ut sein muß. da sonst für den Fall »m« und Vm= 0 in F i g. 2 ein Durchstoßpunkt mit der Ebene — Ut beim Ordinatenwert Xmi 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 U'^A(x) nicht unter -Ut absinken darf. Die Forderungen bestehen nicht, wenn das Anzeigemedium auf Spannungen negativer als Ut nicht reagiert, wie dies bei Festkörpern mit injektionselektrotumineszenz der Fall sein kann.

Die Streifenelektroden 2<'>... 2f"> werden nun zwecks Erzielung eines stehenden Bildes einer periodisch wiederkehrenden Meßspannung Kw^sequentiell, unter geeigneter Synchronisierung mit Vm(I), angesteuert. Dazu wird in dem Schieberegister 15 die Binärzahl 1000... permutiert, so daß nur ein Anschluß !<"> > zu einer bestimmten Zeit auf ungefähr V_n geschaltet ist, und eine Momentananzeige für Vm(I) im Bereich der Streifenelektrode Vergibt. Das Schieberegister 15 wird durch das Schiebekom mando Sh gesteuert. Jedes Kommando Sh bewirkt eine Verschiebung des Schieberegisterinhalts um eine Zelle nach rechts. Anfang und Ende der Schieberegisterkette sind über die Rückführleitung !-"miteinander verbunden. Die Kette besteht aus n+ 1 Zellen, falls η Anzeigcstrei· fen 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 KaiModcriSiraMiosÄiiloj-rapncri.

Das UND-Glied 12 wird durch den Flip-Flop 14 gesteuert. Solange 14 gesetzt ist (Q-Λ), 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 V^i) ausgelöst wird.

Die Triggerschaltung 10 kann z. B. ein Schmitt-Trigger sein, ,um ein Differenzierglied und ein Monovibrator nachgeschaltet sind, so daß dem UND-Glied Il nur dann logisch I zugeführt wird, wenn die darzustellende Wechselspannung ^vst(t) in vorbestimmter Richtung einen am Schmitt-Trigger einzustellenden Pegel durchläuft. Damit wird wie beim Kathodenstrahloszillograf phen 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 Flächenwidersiand beschichtet, und an ihren oberen Rand die Spannung V₂+ Vt und an ihren unteren Rand die Spannung V7 gelegt. Dadurch entsteht ein lineares Potentialgefälle V₂(x), wobei der Strornfluß zur Beheizung der Anzeigeschicht 3' dient. Über einen Umschalter 4, der zweckmäßigerweise elektronisch, beispielsweise mit FET-Analogschaltern, auszuführen wäre, wird den Streifenelektroden sequentiell die Spannung V^t₁

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 oder aber durch eine intensitätsgesteuerte Lichteinstrahlung erfolgen. Eine Widerstandsschicht zur geregelten elektrischen Beheizung kann z. B. in wärmeleitendem Kontakt mit einer Elektrode, jedoch elektrisch

abgeschirmt gegen dieselbe, angeordnet werden. Zur Temperaturfühlung kann ein Bereich des Raumes für die Anzeigeschicht mit einem cholesterinischen Flüssigkristall gefüllt werden, dessen spektrale Reflexionseigenschaften stark temperaturabhängig sind, wodurch über einen spektral selektiven Photodetektor und einen Pegeldiskriminator eine empfindliche Regelung der Be«-'izung erfolgen kann.

Im Vergleich zu den konventionellen Kathodenstrahloszillographen handelt es sich bei der beschriebenen erfindungsgemäBen Anordnung um ein flächenhaftes 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 π Elemente unterteilt ist, sondern auch die hierzu orthogonale Richtung, so daß bei gleichem Auflösevermögen in beiden Richtungen total 2 n-Ansteuerungselemente benötigt werden.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims (12)

Patentansprüche:

1. 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, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine (2, 2') der Elektroden (I₁ 1'; 2, 2') aus sich senkrecht zur Abszisse (t) erstreckenden, voneinander getrennten Streifen (2(''...2W, IV)...2'("I) besteht, an welche die Meßspannung (Vm), und/oder zur Erzeugung einer von der Meßspannung unabhängigen örtlichen Spannungsverteilung [Vr—V^Jf)] eine Vorspannung (Yi, Vt), wahlweise anschaltbar sind.

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

3. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Streifenelektroden (20)...2W) einen Flächenwiderstand aufweisen derart, daß sich entlang der Streifen ein wohldefiniertes Spannungsgefälle [V₂(X)] erzeugen läßt, und der elektrische Flächenwiderstand der zusammen/hängenden Elektrode (1) ausreichend gering ist, daß sie beim Anlegen eines elektrischen Pol· titials (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 (Vt) nahe dem Schwellwert (Ut), an der gut leitenden Elektrode (1/8), und, zur Möglichkeit der Erzeugung eines Spannungsabfalles [V₂M] an den Streifenelektroden (2i')...2^, an einem ersten Ende (6) derselben ein anderer Teil (Vi + Vd) der Vorspannung liegt

5. Anordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die mit ihrem anderen Ende (7<">I) normalerweise von einem anderen Anschluß abgetrennten Streifenelektroden {2<^mf) zyklisch aufeinanderfolgend auf einen von der Spannung (V₂ + Vd) am so ersten Ende (6) verschiedenen Spannungswert (Vd) 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 Momentänweft der Meßspannung [VVJ] einen einstellbaren Pegel in vorbestimmter Richtung durchläuft.

8. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Streifenelektroden (2'C)...2'Cf) e>5 einen so geringen elektrischen Widerstand aufweisen, daß sich bei Anlegen eines Potentials an den Elektroden-Anschlüssen (7'O... T<«f) ein verschwindendes Spannungsgefälle entlang der Streifen-Elektroden bildet, und die zusammenhängende Elektrode (Γ) einen derartigen Flächenwiderstand aufweist, daß sich entlang dieser Elektrode ein wohldefiniertes Spannungsgefälle erzeugen läßt, wobei zur Erzeugung dieses Spannungsgefälles\V'i(xJ\ entlang der zusammenhängenden Elektrode (1') in Richtung senkrecht zur Abszisse ft) und zwecks Beheizung der Anzeigeschicht (3'), an dem einen Ende dieser Elektrode eine von der am anderen Ende verschiedene Spannung ständig anliegt, und die Meßspannung [VAiC(JO 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 [ Vm(^ für das Anzeigemedium (3) eine Mischung aus nematischen 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 II, 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.