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Ein neues Uhrenkonzept mit Flüssigkristall-Quasianaloganzeige
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1. Einleitung Uhren mit Flüssigkristallanzeigen (LCD) wurden bisher
fast ausschließlich mit Digitaldisplays ausgerüstet. Diese Art der Darstellung gestattet
dem Betrachter in der Regel keine schnelle Informationsaufnahme wie er es von der
Analoguhr gewöhnt ist und sie widerspricht auch dem gewohnten Erscheinungsbild einer
Zeigeruhr.
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Die Firma Texas Instruments hat im Oktober 1978 eine Armbanduhr mit
einem Quasianalogdisplay vorgestellt, bei dem Stunden- und Minutenzeiger gemeinsam
in einer Ebene integriert sind. Durch diesen einfachen planaren Aufbau des Displays
wird jedoch nur eine unvollkommene Nachbildung der Zeiger erreicht.
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Im Folgenden wird die Konzeption einer Flüssigkristall-Ouasianaloganzeige
beschrieben, die eine sehr getreue, gut ablesbare Nachbildung eines Uhrenzifferblatts
darstellt. Das beschriebene Layout gestattet die Darstellung folgender Parameter:
- Minuten und Stunden mit Hilfe von "Zeigern", wobei die Form der Zeiger dem gewohnten
Bild entspricht, d.h. kurze breite Zeigerform für die Stundenanzeige und lange schlanke
Zeigerform für die Minutenanzeige.
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- Sekundenanzeige in Form eines umlaufenden Punktes - Feste Markierungen
in 5-Minuten-Unterteilung - Symbole für die Anzeige des jeweiligen Betriebszustandes
(Uhrzeit, Wecker, Stoppuhr, Tagachtbetrieb) Durch eine einfache Layoutänderung,
dessen Design nahezu beliebig gestaltet werden kann, ist eine zusätzliche Anzeige
der Uhrzeit auf einer im Display integrierten Digitalanzeige möglich.
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2. Flüssigkristallanzeige 2.1 Prinzipieller Aufbau Das Flüssigkristalldisplay
ist aus drei Glasplatten und zwei Flüssigkristallschichten aufgebaut, Abb. 1 zeigt
eine Schnittzeichnung.
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Die linke Seite der mittler N»1'to ildet zusammen mit der zugehörigen
Gegenelektrode das sogenannte "Minutendisplay".
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In dieser Anzeigenebene werden die Minuten angezeigt. Die rechte
Seite der Mittelplatte bildet mit der anderen Gegenelektrode das "Stundendisplay",
das die Stundenzeiger trägt.
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Zusammen mit Sekundenpunkten, festen Markierungen und Symbolfeldern
ergeben sich insgesamt 177 einzelne Bildelemente.
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Um die Anzahl der Anschlüsse m5sliahst klein zu halten, werden die
Einzelsegmente so untereinander verbunden, daß eine 32 x 7 - Matrix entsteht. Durch
geeignete Multiplexverfahren ist jedes Element über 32 + 7 ç 39 Anschlüsse eindeutig
ansteuerbar. Sämtliche Zuleitungen sind auf der jeweiligen Seite der mittleren Platte
nach unten herausgeführt und können dort mittels eines einfachen zweiseitigen Steckverbinders
kontaktiert werden. Die Dicke dieser Glasplatte kann je nach Abmessung der Anzeige
zwischen einem und drei Millimetern variieren.
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Die durch den Abstand der beiden Oberflächen hervorgerufene Parallaxe
zwischen den beiden Zeigerebenen verstärkt die Assoziation zu dem gewohnten Bild
einer herkömmlichen Analoguhr.
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Auf den beiden anderen Platten sind die entsprechenden Gegenelektroden
(backplates) angeordnet. Abstandshalter (spacer) gewährleisten einen Elektrodenabstand
von etwa 10#15 µm. Die Uberkontaktierung der Backplate-Elektroden auf die mittlere
Glasplatte geschieht jeweils durch einen kleinen Leitsilber-Punkt.
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2.2 Layout der Elektroden 2.2.1 Minutendisplay Die linke Seite der
Mittelplatte und die zugehörige Gegenelektrode bilden das Minuten-/Sekunden-Display.
Es enthält 60 Minutenzeiger, 60 Sekundenpunkte und zur Orientierung 12 ständig angesteuerte
Markierungselemente, entsprechend den Ziffern 1 bis 12 auf einem herkOmmlichen Ziffernblatt.
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Das Layout der Mittelplatte des Minutendisplayiothi b 9ugehörigen
Gegenelektrode ist in Abb. 2 dargestellt.
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Die Minutenzeiger 0 und 29 sind zusammen mit den Sekundenpunkten
O und 29 an eine Segmentleitung angeschlossen und untereinander verbunden. Ihre
Gegenelektroden gehören jedoch zu den 4 verschiedenen, halbkreisförmigen Gegenelektroden-Bereichen:
Se 1, Se 2, Mi 1 und Mi 2 und bilden mit den Segmenten eine 4 x 1-Matrix.
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Durch Anlegen einer Spannung an den jeweiligen Kreuzungspunkt ist
jedes Matrix-Element eindeutig ansteuerbar. Analoges gilt für die anderen Minutenzeiger
und Sekundenpunkte, sodaß diese eine 4 x 30 - Matrix bilden.
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Die dauernd angesteuerten Rechtecke sind mit den Segmenten 4, 9,
15, 20, 25, 30, 35, 40, 45, 50, 54, 59 verbünden. Ihre Gegenelektroden sind zu einem
Bereich zusammengefaßt und mit einem eigenen Anschluß (RS) herausgeführt.
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Das gesamte Minutendisplay stellt somit eine 30 x 5-Matrix dar. Insgesamt
führen 30 Anschlüsse zu den Segmenten und 5 Anschlüsse zu 5 Gegenelektrodenbereichen.
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2.2.2 Stundendisplay Die andere Seite der Mittelplatte bildet mit
der zugehörigen Gegenelektrodenplatte das Stunden-Display; Abb. 3. Es enthält 36
Stundenzeiger und die Betriebsartenanzeigen. Die Stundenzeiger 0 und 17, 1 und 16
usw. sind zusammengefaßt, aber getrennten Bereichen der Gegenelektroden zugeordnet
(St 1, St 2).
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Die Betriebsartenanzeigen sind teilweise an die Zeiger segmente angeschlossen.
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Die zugehörige Gegenelektrode (RS) wird extern mit den Gegenelektroden
der dauernd angesteuerten Rechtecke des Minuten-Displays verbunden. Um Zuleitungen
zum Gesamt-Display einzusparen, werden die 18 Stundenzeiger-Anschlüsse in geeigneter
Weise extern mit den Minuten-/Sekundenzeigern zusammengeschaltet.
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Insgesamt werden jetzt an das Doppel-Display 39 Leitungen, und zwar
32 zu den Zeigersegmenten und der Stoppuhr-Betriebsanzeige und 7 Anschlüsse zu den
Gegenelektrodenbereichen geführt. Auf diese Weise ist eine 32 x 7 - Matrix entstanden.
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Abb. 4 zeigt eine Übersicht über die Zeilen- und Spaltenbelegung
der Matrix. Sie verdeutlicht, daß noch eine weitere Einsparung von Displayanschlilssen
durch geeignetere Kombination der Segmente untereinander möglich ist. Auf eine völlige
Optimierung wurde im beschriebenen Beispiel bewußt verzichtet, da eine Layouterweiterung
um eine vierstellige Digitalanzeige als endgültige Ausbaustufe vorgesehen ist.
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2.3 Erzeugung des elektrooptischen Effektes In die beiden Hohlräume
zwischen den 3 Glasplatten wird Flüssigkristall eingefüllt. Durch Anlegen einer
Spannung an den jeweiligen Kreuzungspunkt der Matrix kann dieser zu einem elektrooptischen
Effekt angeregt werden, wobei sich im wesentlichen die folgenden Effekte anbieten:
- Dynamische Streuung, - Speichereffekt mit cholesterischen Substanzen, - Phasenumwandlungseffekt
(cholesterisch-nematischer Phasenübergang), - DAP-/Fréedericksz-Effekt - Farbeffekte
durch Einlagerung dichroitischer Farbstoffe - Farbeffekte mit cholesterischen Flüssigkristallen.
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Das im folgenden beschriebene Modell wurde mit einem Display ausgerüstet,
das nach dem Prinzip der dynamischen Streuung arbeitet (Abb.5).
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Eine im Ruhezustand (U = 0) homöotrop ausgerichtete Flüssigkristallschicht
- die Moleküle stehen mit ihrer Längsachse senkrecht zu den Glasoberflächen - läßt
einfallendes Licht, abgesehen von der Eigenabsorption der Gläser, der Leitschichten
und der Flüssigkristallschicht, ungehindert passieren.
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Bei Anlegen einer Spannung wird diese einheitliche Ausrichtung gestört,
der Flüssigkristall gerät beim Überschreiten der Schwellspannung UO in turbulente
Bewegung. Durch den ständig wechselnden Brechungsindex dieser doppelbrechenden Flüssigkeit
wird einfallendas
Licht stark gestreut. Die zuvor transparente
Schicht erscheint nunmehr milchig trübe.
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In Abb. 5 sind die vier möglichen Betriebsarten einer Doppelschichtanordnung
aufgezeichnet.
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Wird die Anzeige von der Rückseite mit parallelem Licht angestrahlt,
so gelangt dieses im 1. Fall ungehindert in das Auge des Beobachters, da die nicht
angeregten Schichten das einfallende Licht ungehindert passieren lassen.
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Im zweiten Fall passiert das Licht die linke Schicht ungehindert und
wird in der rechten Schicht gestreut, während im dritten Fall das Streulicht der
linken Schicht die rechte ungehindert passieren kann.
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Im vierten Fall wird das Licht von beiden Schichten gestreut.
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Die Summe aus beiden Effekten erscheint dem Beobachter etwas intensiver
als im zweiten und dritten Fall.
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Zur Erzeugung eines guten Kontrastes zwischen den angesteuerten Segmenten
und der umgebenden Fläche sind folgende Bedingungen zu erfüllen: 1.) Die streuenden
Flächen müssen möglichst hell beleuchtet werden und 2.) der Hintergrund soll möglichst
dunkel sein.
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Diese Bedingungen lassen sich recht gut durch Verwendung einer sogenannten
Jalousiefolie erfüllen. Diese auch "Light-Control-Film" genannte Folie besteht aus
einer alternierenden Folge von einigen vm starken schwarzen Schichten und etwa 250
vm starken transparenten Schichten. Wenn Licht parallel zu den schwarzen Schichten
einfällt, wird es nahezu ungeschwächt durchgelassen (Transmission ca. 85 8). Für
Licht anderer Einfallsrichtungen nimmt der Transmissionsgrad stark ab. In diesem
Fall erscheint die Folie für den Betrachter schwarz. Nachteilig an dieser Belechtungsmethode
ist, daß der Auslesebereich der Anzeige in eine Richtung eingeschränkt wird. Abb.
6 zeigt zwei mögliche Anordnungen einer Transmissionsanzeige mit Jalousiefolie.
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Eine noch geringere Bautiefe kann durch Verwendung eines flachen
Beleuchtungskörpers erreicht werden, wie er in Abb.7 dargestellt ist. Als Lichtleiter
dient hierbei ein Kunststoffkeil (Plexiglas, Epoxydharz), in den das Licht einer
Leuchtstofflampe eingespeist wird. Die verspiegelten Kanten verhindern ein Austreten
des Lichtes nach den Seiten, die Auskopplung erfolgt lediglich an der rauhen, dem
Display zugewandten Seite des Keiles. Diese Anordnung gewährleistet eine gute und
gleichmäßige Ausledchtung des Displays.
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Die Beschreibung der Eigenschaften der anderen zu Beginn dieses Abschnitts
genannten Effekte, die sich ebenfalls für den Aufbau einer solchen Anzeige eignen,
würde hier zu weit führen.
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Es mag die Bemerkung genügen, daß der prinzipielle Zellenaufbau der
gleiche ist, daß jedoch den jeweiligen charakteristischen Eigenheiten des ausgenutzten
Effekts durch optische Hilfsmittel (z.B. Polarisatoren) und z.T. durch spezielle
elektrische Ansteuerverfahren Rechnung getragen werden muß.
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3. Elektrische Ansteuerung der Anzeige Im Interesse eines guten Kontrastes
wurde eine Multiplexrate von 4 zu 1 gewählt. Dies ist trotz der größeren Anzahl
von Gegenelektroden (7) möglich, da ein angesteuerter Zeiger immer nur in einem
der beiden halbkreisförmigen Gegenelektroden-Bereiche liegen kann und somit beim
Multiplexen immer 3 Bereiche ausgelassen werden können.
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3.1 Mikroprozessor Für den Schaltungsaufbau wurde der Mikroprozessor
SC/MP II von National Semiconductor gewählt.Er muß folgende Funktions-Programme
ausführen: 1. die Anzeigetreiber periodisch laden, 2. die Uhrzeit berechnen, 3.
die Stoppuhrzeit berechnen, 4. die Tastatur abfragen, 5. äus der Uhrzeit und dem
Betriebszustand die Informationen für die Display-Treiber - das mustern - errechnen,
6. die Tastaturbefehle ausführen.
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Geht man von einer maximalen Befehlsausführungszeit von 20 ps bei
einer Taktfrequenz von 3,28 MHz aus, so kann der Prozessor innerhalb von 5 ms mindestens
250 Befehle bearbeiten.
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Funktion 1: Die Anzeigetreiber müssen jeweils zu Beginn einer 5-ms-Periode,
hier "Auffrischperiode" genannt, eine neue Information erhalten, eine Information,
die innerhalb der vorhergegangenen Sekunde im Funktionsprogramm 5 im RAM aufgebaut
wurde. Die Dauer der Auffrischperiode ergibt sich aus der Multiplexrate von 1:4
bei einer Multiplex-Frequenz von 50 Hz.
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Funktionen 2 und 3: Die Software-Frequenzteiler 200:1 für die Uhrzeit
und die Stoppuhr müssen inkrementiert werden.
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Diese Frequenzteiler veranlassen, daß in den Speicherplätzen für
die beiden Uhren nach 200 "Auffrischperioden" jeweils eine Sekunde weitergezählt
wird.
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Funktion 4: Abfragen der Tastatur, ob in der laufenden Periode eine
Taste betätigt wurde.
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Diese vier Funktionen sind in einem Programm zusammengefaßt, es wird
als Auffrischprogramm" bezeichnet.
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Durch einen besonderen Schaltungs- und Programmaufbau benötigt es
nur 70 Programmschritte. Der Prozessor kann somit noch weitere 180 Programmschritte
innerhalb einer Auffrischperiode ausführen.
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Diese werden dazu verwendet, die Funktionsprogramme 5 und 6 in Teilschritten
(max. 180 Befehle) abzuarbeiten.
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Funktion 5: Aus den Speichern für Uhrzeit und Betriebszustand (Uhr,
Stoppuhr, Hecker) werden Informationen entnommen und zu einem bit-Muster verarbeitet.
Dieses bestimmt über die Display-Treiber die Ansteuerung der Segmente der Anzeige.
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Funktion 6: Eine bei der periodischen Abfrage im Funktionsprogramm
4 erkannte Tasterbetätigung wird vom Funktionsprogramm 6 ausgewertet. Dabei wird
das "Prellen" einer Taste als Fehler erkannt. Bei einer eindeutigen Tasterbetätigung
werden die Indexregister zur relativen Adressierung und die Flagregister geändert.
Diese Register bestimmen den Ablauf des gesamten Programms.
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Die Funktionsprogramme 5 und 6 sind zum sogenannten wHauptprogramm"
zusammengefaßt. Mit etwa 800 Befehlen belegt es den größten Teil des Programmspeichers.
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Das Hauptprogramm enthält 68 Teilprogramme durch Verwendung zweier
Unterprogrammebenen. Das Aufspalten in Teilprogramme ist möglich, weil sich die
Ergebnisse der Funktionsprogramme 5 und 6 erst nach Ablauf bzw. innerhalb einer
Sekunde ändern und erst dann berücksichtigt werden müssen.
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Der Zeitaufwand für einen Durchlauf des Hauptprogramms beträgt 0,34
sec. Nach dieser Zeit steht das neue bit-Muster im RAM zum Abruf durch das Auffrischprogramm
bereit. Auch die Befehle der Tastatur sind abgefragt und gespeichert.
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Das Zusammenspiel zwischen "Haupt-" und "Auffrischprogramm läuft wie
folgt ab: Zu Beginn einer "Auffrischperiode" werden zunächst die Funktionen 1 bis
4 durch das "Auffrischprogramm" ausgeführt. Danach erfolgt ein Unterprogrammaufruf,
und der Prozessor bearbeitet einen Teilschritt des "Hauptprogramms". Die einzelnen
Teilschritte sind so ausgelegt, daß der Zeitbedarf für das wAuffrischprogramm" und
den jeweils abzuarbeitenden Teilschritt maximal 4 msec beträgt. Dadurch erhält der
Prozessor genügend Zeit, um in einer Warteschleife den Beginn des anschließenden
"Auffrischprogramms" abzuwarten. Der Beginn des neuen Auffrischprogramms wird durch
die positive Flanke eines Rechteckimpulses der Periode 5 msec ausgelöst. Sobaid
dieses beendet ist, wird ein weiterer Teilschritt abgearbeitet. Sind alle Teilschritte
abgearbeitet, werden so lange Leerbefehle eingesetzt, bis das Hauptprogramm neu
gestartet wird.
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RAM-Bel egung Oben wurde erwähnt, daß das Binär-Muster zum Laden der
Anzeigetreiber im RAM abgelegt wird. Von dort werden durch das Auffrischprogramm
periodisch 8 byte ausgelesen. Bei einer Multiplexrate von 4:1 enthalten 32 byte
die volle Information für das Display. Um das Display gleichspannungsfrei anzusteuern,
müssen zusätzlich 32 byte ausgelesen werden. Diese enthalten exakt die inverticrte
Information der ersten 32 byte (siehe : Display-Treiber). Somit sind im RAM insgesamt
64 byte für eine volle Information reserviert.
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Während das "Auffrischprogramm" dem RAM das vorhandene bit-Muster
entnimmt, erstellt das Hauptprogramm bereits ein neues Muster für die folgende Periode.
Für den Aufbau des neuen Musters wird ein weiterer Speicherbereich von 64 byte benötigt.
Das RAM muß somit zwei Musterbereiche I und II mit jeweils 64 byte enthalten. Zwei
Hilfsregister sorgen dafür, daß in einen Bereich eingelesen wird, während aus dem
anderen ausgelesen wird, außerdem dafür, daß nach 0,5 sec Ein- und Auslesebereich
vertauscht werden.
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Das RAM enthält 256 x 8 bit. Außer den 128 byte für die Musterbereiche
werden 64 byte für Hilfsregister verwendet.
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Display-Treiber Zur Ansteuerung des Displays wurde das W - Multiplex-Verfahren
gewählt, mit dem man bei reiner "Niederfrequenz"-Ansteuerung den relativ besten
Rontrast erreicht.
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Bei Bei dem T - Verfahren ist der Betrag der Spannung über den nicht
angesprochenen Segmenten immer U. Bei angesprochenen Segmenten liegt die Spannung
3=U an.
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U/3 Wählt man etwas kleiner als die Schwellspannung UO, so U wird
ein Segment durch § nicht, durch U auf jeden Fall angeregt.
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Die Spannungen U3 und U können sogar ohne merklichen Kontrastverlust
noch etwas verkleinert werden, um Nichtlinearitäten der Schwellspannungen in der
Matrix auszugleichen. Diese Nichtlinearitäten können durch Temperatureinflüsse schwankende
Schichtdicke oder Chromatografieeffekt im Display hervorgerufen werden.
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Die einfachste Schaltung zur Ansteuerung einer Matrix mit dem § -
Verfahren besteht aus einem (Zeilen)-Treiber mit den Aus-2 gangsspannungen 0 U und
+ N U und einem (Spalten)-Treiber mit U (Abb.8).
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Die Differenzspannungen UD über einem Kreuzungspunkt in der Matrix
sind in der Tabelle in Abb.8 zusammengefaßt. Der Mittelwert der Spannungen beträgt
- U wenn man alle vier Zustände als gleichverteilt annimmt.
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Bei Flüssigkristallanzeigen darf keine Gleichspannung anliegen.
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Mit der oben beschriebenen Ansteuerung kann das nicht garantiert werden.
Kehrt man die Polaritäten der Treiber jedoch um, 2 d.h. nimmt man Zeilentreiber
mit O U und - 3 U Ausgangsspannung und Spaltentreiber mit + U3, so kehren sich auch
die Vor--3, zeichen der Differenzspannungen um. Mi dem gewählten Multiplexverhältnis
ist somit ein gleichspannungsfreier Betrieb möglich, wenn man abwechselnd invertierte
und nichtinvertierte Multiplex-Spannungen anlegt. Dazu benötigt man Zeilentreiber
mit den 2 2 Ausgangsspannungen O U, + 3 U, - 23 U und Spaltentreiber mit den U U
Spannungen + 3, -1. Spalten (Segment)-Treiber Die integrierte Schaltung muß die
folgenden Bedingungen erfüllen: a) möglichst hochintegrierter Baustein mit eingebautem
Speicher, b) Ausgangsspannungshub: 10 Vss bei c) ca. 2 mA Ausgangsstrom Diese Eigenschaften
weisen die CMOS-Bausteine CD 4015 und CD 4099 auf. CD 4099 ist ein statisches, adressierbares
Latch,
CD 4015 ein Schieberegister. Beide IC's haben 8 Ausgänge. In der Schaltung wird
das Schieberegister verwendet, da es eine einfachere Ansteuerung erlaubt.
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Für die 32 Segmentanschlüsse werden 4 Schieberegister benötigt, ihre
Anschlüsse werden direkt mit den Segment-Anschlüssen verbunden.
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2. Zeilen (backplate)-Treiber Forderungen an den IC: a) Möglichst
hochintegrierter Baustein b) 3 möglichst genau einzustellende Ausgangsspannungen
i 10 V, O V bei c) 30 mA Ausgangsstrom.
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Diese Forderungen werden von einem 4-fach-Operationsverstärker erfüllt.
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Ein Schieberegister liefert die Information + U3 für die backplate-Treiber.
Jeder Treiber ist ein invertierender Verstärker mit V = 1 und zwei gleichbewerteten,
unabhängigen Eingängen, die abgeschaltet werden können.
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Bei allen Treibern ist der eine Eingang an den Schieberegister-Ausgang
"Polaritätw (Pol) angeschlossen. Der andere Eingang ist mit einem bestimmten anderen
Ausgang des Registers verbunden.
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Abb. 9 zeigt das Schaltbild.
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Der Zusammenhang zwischen den logischen Zuständen der Schieberegister
und ihren Ausgangsspannungen sowie den Differenzspannungen im Display ist in Abb.
10 dargestellt.
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Vergleicht man die Tabellen miteinander, so sieht man, daß das Vorzeichen
der Differenzspannungen wechselt, wenn alle logischen Zustände der Segment- und
backplate-Treiber invertiert werden. Durch diese Eigenschaft der Display-Treiber
ist eine einfache, gleichspannungsfreie Ansteuerung des Displays möglich. Ein Gleichspannungsanteil,
der durch die vier nichtinvertierten Informationen entsteht, wird durcl
die
anschließend ebenfalls dem RAM entnommenen vier invertierten Informationen exakt
ausgeglichen.
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4. Aufbau des Gerätes Das Blockschaltbild der Gesamtschaltung ist
in Abb. 11 dargestellt.
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Die gesamte Ansteuerschaltung ist mühelos auf einer Europakarte unterzubringen.
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Das Display ist direkt mit einer doppelseitig bestückten Steckerleiste
kontaktiert. Letztere ist über 39 Leitungen mit der Elektronik verbunden.
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Abb. 12 zeigt eine fotografische Abbildung des Uhrenzifferblatts
für den Betriebsfall: Weckzeit, 21 Uhr, 12 Minuten, 42 Sekunden, Funktion "Stellen".
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Abb. 13 zeigt eine Gesamtansicht des aufgebauten Modells.