DECODIFICATOARE SI DEDIFICATOARE

Convertoare de cod

Convertoarele de cod au, in cazul general, n intrari si m iesiri, si se utilizeaza pentru transfor- marea informatiei din codul cu n biti in codul cu m biti.

Pentru proiectarea unui convertor de cod se poate utiliza tabelul de corespondente intre cu- vintele binare ale celor doua coduri. Fiecare pozitie din codul sursa se noteaza cu o variabila, totalita- tea acestora reprezentand intrarile circuitului combinational. Fiecare pozitie din codul destinatie se noteaza cu o variabila, totalitatea acestora reprezentand iesirile circuitului. Tabelul de corespondente se transforma astfel in tabel de adevar pentru functiile realizate de circuit, care arata dependenta varia- bilelor de iesire de cele de intrare.

Se considera conversia din codul binar-zecimal 8421 (BCD) in codul binar-zecimal exces 3. Pozitiile cuvantului binar din codul BCD se noteaza cu D, C, B, A, iar cele din cuvantul binar al codului exces 3 cu E₃, E₂, E₁, E₀. Rezulta un tabel de adevar (Tabelul 3.1).

Tabelul de adevar pentru conversia din codul BCD in codul exces 3.

Se studiaza functonarea logica a unor circuite logice comninationale: decodificatoare si codificatoare realizate cu circuite integrate.

Consideratii teoretice:

Circuitele logice integrate avand nivel mediu de integrare sunt frecvent folosite la realizarea unor functii logice combinationale, dintre care in lucrarea de fata intereseaza decodificarea si codificarea.

Transformatoarele de cod:

DCD stabilesc corespondentae logice Y = F(I) intre cele n marimi de intrare:

I = si cele m < 2*2*2*...2 marimi de iesire;

Y = ;

In fig.4.1. este prezentata schema unui decodificator pentru doua 717d37h variabile.

Un caz particular de decodificator pentru numerele din codul binar-zecimal BCD-8421 in zecimal este cel care permite comanda dispozitivelor de afisare cu 7 segmente.Posibilitatea comandarii acestor dispozitive de afisare direct de la circuite integrate a condus la o larga folosire a decodificatorului BCD-7 segmente.

Decodificatorul CDB 442E este destinat decodificarii informatiei din codul BCD-8421, in zecimal. Circuitul este compus din 8 inversoare si 10 porti SI-NU cu patru inrtari. In fig.4.3. a este prezentata configuratia terminalelor circuitului integrat, iar in fig.4.3. b este prezentat tabelul de functionare al circuitului.

In figura este prezentata schema unui convertor binar-Gray.

Decodificator de adresa

Acest decodificator activeaza linia de iesire a carei adresa este prezentata la intrare.

Decodificatorul cu 3 intrari de adresa si 2³ = 8 iesiri este prezentat in Figura 3.3, iar tabelul de adevar este prezentat in Tabelul 3.2.

Reprezentarea unui decodificator 3:8.

Tabelul de adevar al unui decodificator 3:8.

Codificatoare

Realizeaza functia inversa decodificatoarelor. Un codificator are cel mult 2ⁿ intrari, fiecare intrare corespunzand unui anumit numar de ordine, si n iesiri. La aplicarea unui semnal logic pe o in- trare se obtine la iesire un cuvant de n biti, care reprezinta codul intrarii activate. In mod normal, la un moment dat trebuie sa fie activa o singura intrare.

De exemplu, codificarea cifrelor zecimale in cod BCD se poate realiza cu un codificator avand 10 intrari si 4 iesiri.

Iesirea D, de exemplu, este 1 atunci cand 8 = 0 sau 9 = 0. Ecuatiile iesirilor se pot scrie astfel:

D

C

B

Schema logica a codificatorului din zecimal in cod BCD

Similar se poate realiza un codificator cu starea activa 1 la intrare.

Dezavantajul schemei precedente este ca atunci cand se activeaza simultan mai multe intrari,

codul de la iesire este eronat. De exemplu, daca se activeaza simultan intrarile 3 si se obtine la iesire codul 0111, care corespunde intrarii , neactivate. De aceea, au fost realizate codificatoare prio- ritare, care genereaza la iesire codul corespunzator intrarii cu prioritatea cea mai mare. Astfel de codificatoare prioritare, disponibile sub forma integrata, sunt circuitele 74147, cu 9 intrari, si 74148, cu 8 intrari.

Cristale Lichide

Cristalele lichide au fost descoperite de de un botanist austriac in anul1888. Starea de cristal lichid reprezinta o stare intermediara intre solidul cristalin si faza lichida obisnuita.

In 1958 chimistul american Glenn Brown a publicat un articol in Chemical Reviews despre faza de cristal lichid. Primul display experimentat a fost in 1968. De acum, incepe era cristalelor lichide

Un cristal lichid se compune din particule ce prezinta corelari de orientare pe axele moleculare, pe distante lungi ca un cristal obisnuit, dar care manifesta proprietati de fluid. Cristalele lichide sunt substante care se comporta atat ca solid, cat si ca lichid. Moleculele de cristal lichid (LD) se afla undeva intre starea lichida si cea solida. Moleculele sunt dipoli puternici, usori polarizabili. Materia de cristal lichid poate sa curga, dar moleculele pot primi o orientare specifica. Moleculele in cristale lichide se pot misca fiecare relativ usor,ca si moleculele intr-un lichid. Totusi toate moleculele dintr-un cristal lichid tind sa se orienteze in aceiasi maniera, asemanatoare cu aranjamentul molecular din cristalele solide.

Cristalele lichide se solidifica natural numai dupa anumite temperaturi si presiuni.

La o suficient de mare temperatura sau presiune mica, ordinea moleculelor se modifica ducand la transformarea unui cristal in cristal lichid. La o suficient de joasa temperatura si o presiune mare, moleculele cristalelor lichide inceteaza sa mai miste si cristalele lichide se transforma in cristale solide.

Proprietatile optice ale unui cristal lichid pot fi deseori manipulate prin supunerea sa la un camp electric sau macnetic care sa schimbe orientarea moleculelor sale.

Aceste tipuri de cristale lichide sunt utilizate pentru construirea dispozitivelor utilizate la ceasuri digitale, calculatoare, televizoare compiutere portabile etc.

Anumite cristale lichide reflecta diferite valori de lumina depinzand de orientarea moleculelor lor, acestea depinzand de temperatura.

Aceste tipuri de cristale sunt folosite la termometre care afisaza culori corespunzatoare temperaturii substantei cu care cristalul lichid este in contact.

Dispozitivele cu cristale lichide (LCD), cum sunt ecranele de televizor, folosesc o anumita substanta care isi schimba proprietatile cand i se aplica curent electric. Tehnologia (LCD), cum este utilizata la calculatoare si ceasuri digitale. Ecranul unui LCD utilizeaza foarte putina energie, de accea este ideal pentru fabricarea televizoarelor portabile.

TFT-urile fac parte din familia mai larga a ecranelor cu cristale lichide , care au un principiu de functionare destul de simplu. Practic, in spatele unui panou format din cristale lichide se amplaseaza o sursa uniforma de lumina ; in mod normal, daca nu esta aplicat nici un fel de semnal electric cristalelor, acestea lasa lumina sa treaca nestingherita si astfel se obtine albul. In cazul in care sa doreste obtinerea unei anumite culori, fiecareia din componentele de baza (RGB) i se aplica un semnal de o anumita intensitate, astfel incat sa se obtina o transparenta mai redusa a cristalelor fata de rosu, verde respectiv albastru.In situatia in care este aplicata intensitatea maxima pentru toate cele trei componente se obtine opacitatea pentru zona respectiva sau,cu alte cuvinte, negrul.

Afisajele cu cristale lichide au urmatoarele carateristici :

stralucirea, contrastului culorilor, vizibilitate foarte buna ;

consum redus de energie ;

viteza mare de raspundere opto-electronic ;

memorie, timp de viata mare ;

pot fi alimentate cu energie de la bacteri solare, permitind un cost redus

Afisaje ecologice cu cristale lichide, cu iluminare pe baza de led-uri (LED backlighting)

Kyocera a lansat o noua linie de afisaje cu cristale lichide, avand un sistem de iluminare bazat pe led-uri (LED backlighting) in locul conventionalelor lampi fluorescente CCFL (cold-cathode fluorescent lamp). Aceste produse sunt proiectate pentru a fi folosite intr-o gama larga de aplicatii care folosesc LCD-uri, cum ar fi productia de echipamente, testarea si masurarea echipamentelor, sisteme medicale.

Nume produs Liquid Crystal Displays with LED Backlighting
Tip afisaj STN, CSTN si TFT
Model TCG057VGL, TCG057QVL etc.
Dimensiuni 4.7', 5.7', 3.5', 6.2', 7.5', 8.9' si 10.4'
Producator Kyocera Kagoshima Hayato Plant (Japan)

Spre deosebire de CCFL-urile folosite pentru iluminare in LCD-urile conventionale, aceste LCD-uri cu LED backlighting nu contin mercur (produse ecologice), fapt ce constituie un avantaj considerabil pentru mediul inconjurator.
LCD-urile cu LED backlighting nu necesita invertoare (care sunt esentiale la CCFL-uri), ceea ce duce la un consum de putere redus. Nu este necesara o sursa de inalta tensiune, fiind astfel usurata obtinerea certificatului de siguranta. Mai mult, deoarece nu exista invertor, nevoia de filtrare EMI este mult redusa sau eliminata.
LED-urile on-chip folosite de Kyocera ofera o vibratie imbunatatita si o rezistenta mai mare la soc fata de CCFL-uri, care au incorporate tuburi de sticla.
CCFL-urile necesita un timp mai mare de pornire in conditii de temperatura scazuta, decat display-urile cu LED backlight.
LED-urile permit ca luminanta sa fie controlata in curent. Astfel este posibil modul de functionare low luminance, in medii cu o lumina ambientala scazuta, ceea ce duce la o reducere a consumului de putere si o prelungire a duratei de viata a bateriei.

Digitalizarea imaginii optice. Aparatul fotografic digital

Aparatul fotografic digitalizat este o constructie similara cu aparatele fotografice conventionale, deosebirea fundamentala intre ele consta in tehnica de inregistrare a imaginii. In aparatele digitale imaginea optica este transformata in informatie digitalizata prin intermediul unui traductor electronic, spre deosebire de aparatele foto conventionale unde imaginea este inregistrata pe un film cu emulsie fotosensibila.

Indiferent de tipul aparatului fotografic acestea proiecteaza imaginea obiectului intr-o camera obscura prin intermediul obiectivului aparatului pentru inregistrare.. Figura 1 arata schema aparatelor fotografice cu indicarea principalelor elemente constructive: obiectiv, diafragma "iris" (diafragma de reglare a fluxului incident), obturatorul de inchidere-deschidere (mecanismul de expunere), elementul de inregistrare a imaginii si vizorul de incadrare a obiectelor selectate pentru fotografiere

Fig. 1. Schema constructiva a aparatului fotografic

Fig. 2. Definirea notiunii "adancimea de camp" a aparatului: a). distanta minima p_min de formare a cercului de difuzie a imaginii clare; b). formarea imaginii clare; c). cercul de difuzie pentru distanta p_max maxima de formare a imaginii clare

Obiectivele aparatelor fotografice sunt caracterizate prin puterea luminoasa maxima, corespunzatoare raportului minim R = f/d dintre valoarea distantei focale f si diametrului d maxim al deschiderii diafragmei lentilei obiectivului. Acest raport standardizat este marcat pe montura obiectivului pentru diferite deschideri circulare realizate cu diafragma reglabila.

Intensitatea radiatiei incidente se poate modifica prin reglarea deschiderii diafragmei. Valorile numarului de deschidere R sunt determinate prin selectarea diferitelor deschideri ale diafragmei pentru: 1; 1,4; 2; 2,8; 4; 5,6; 8; 11; 16; 22; 32; 45; 64 (fig. 3).

Fig. 3. Imaginea de detaliu al obiectivului cu distanta focala reglabila a sistemului lentilelor centrate pentru obtinerea imaginii stigmatice

Mecanismul de expunere are rolul de a controla fluxul luminii incidente catre elementul de inregistrare a imaginii primare, fie acesta un film fotosensibil sau senzor electronic. Valoarea fluxului luminii incidente trebuie corelata cu sensibilitatea elementului de inregistrare, alegerea valorii optime a fluxului de lumina este determinata de intensitatea radiatiei si de timpul de expunere.

Din cauza simplificarii marcajelor pe montura obiectivelor sunt notate timpii de expunere prin valoarea numitorului fractiei. Astfel, numerele mai mari semnifica durate mai reduse de expunere. Pentru realizarea unor expuneri cu durate mai lungi de o secunda, mecanismul de deschidere a obturatorului poate fi mentinut deschis arbitrar, daca se alege pozitia marcajului B (Bleibt). In aceasta pozitie de expunere obturatorul ramane deschis pe durata apasarii butonului de declansare a mecanismului de deschidere. In aparatele moderne mecanismul de deschidere este actionat electromagnetic si se poate controla in mod automat. Timpul de expunere este preselectat si reglat in functie de valoarea iluminarii medie a obiectului selectat pentru fotografiere. Aceasta valoare este masurata cu ajutorul unui luxmetru integrat in constructia aparatului fotografic.

In cazul aparatelor fotografice conventionale senzorul de imagine este filmul fotografic realizat pe baza de cristale fotosensibile microscopice (in general halogenura de argint, de regula AgBr, AgCl, AgJ) dispersate omogen in stratul de gelatina intins pe pelicula suport. Imaginea latenta care se formeaza in emulsia fotografica este consecinta expunerii la lumina a stratului fotosensibil, prin care moleculele de halogenura de argint sunt activate pentru reactie fotochimica. In procesul de developare, care este un proces chimic, atomii de argint foto-activati vor cataliza reactii de reducere prin descompunerea halogenurii de argint in argint metalic. Cantitatea de halogenura de argint nedescompusa se fixeaza, respectiv se indeparteaza ulterior din emulsie prin spalare cu apa curenta. Densitatea superficiala a particulelor de argint care au fost activate, respectiv fixate in emulsie, determina gradul de innegrire a peliculei, este o marime direct proportionala cu iluminarea suprafetei filmului. Relatia de legatura existenta intre fluxul luminii incidente (expunerea) si gradul de innegrire reprezinta o caracteristica numita curba de innegrire a stratului fotosensibil (fig. 4a).

Regiunea liniara a curbei de innegrire a emulsiei fotografice este o exprimare a proprietatii filmului, care determina gradatia materialului fotosensibil. In cazul filmelor colorate sunt stratificate minimum trei straturi fotosensibile cu sensibilitate spectrala selectiva. In procesul de prelucrare se elibereaza pigmenti coloranti pentru culorile rosu, verde si albasru. Amestecul ponderat al acestor cantitati de coloranti determina tonul culorilor pe pelicula fotosensibila. Sensibilitatiile emulsiilor fotografice au fost standardizate in diferite sisteme nationale, exemplu in standardul german DIN (Deutsche Industrie Norm), in standardul american ASA (American Standards Association), precum si in standardul international ISO (International Standards Organisation). Diferitele standarde stabilesc treptele echivalente pentru expunerea optima corespunzatoare sensibilitatii filmului. Standardul DIN indica pentru dublarea gradului de sensibilitate a emulsiei o crestere de 3 grade DIN, ceea ce inseamna ca o expunere corecta al unui film cu o gradatie superioara necesita a cantitate de lumina de valoare injumatatita. Filmele sunt clasificate din punctul de vedere al sensibilitatii in filme cu sensibilitate mica, medie si inalta. Granulatia filmelor de sensibilitate mica este foarte fina, ceea ce determina cresterea claritatii imaginii filmelor si prin urmare a rezolutiei punctuale. Aceste filme sunt special destinate aparatelor de inregistrare a imaginilor de microscopie electronica, respectiv pentru uz in imagistica medicala.

In categoria senzorilor electronici de imagine apartin acele celule fotosensibile care in dispunerea lor matriciala pe o placuta de siliciu monocristalin semiconductor formeaza traductorul semnalului optic in semnal electric. Traductoarele electronice sunt realizate pe principiul dispozitivului cu sarcina cuplata CCD (Charge Coupled Device) sau traductorul CMOS (Complemetary Metal Oxide Semiconductor). Constructia unei celule CCD este prezentata pe figura 5, in sectiunea transversala a canalului de conductie. Fluxul de lumina incident asupra cristalului semiconductor de Si genereaza sarcini electrice libere prin asa numitul efect fotoelectric interior. Cantitatea de sarcina libera este proportionala cu energia fluxului luminos incident, prin urmare putem concluziona asupra intensitatii luminoase a radiatiei incidente care a fost receptionat de senzorul radiatiei luminoase pe durata expunerii. Conform caracteristicii traductorului electronic de imagine (fig. 4b) semnalul electric generat de fluxul incident este proportional cu expunerea pe intreaga portiune lineara a caracteristicii intre domeniul curentului de intuneric, respectiv domeniul de saturatie al caracteristicii. Aceasta proprietate a traductorilor electronici de imagine asigura o redare fidela pentru un domeniu mai larg al intensitatilor luminoase decat in cazul filmelor fotosensibile.

Sectiunea celulei CCD realizata ortogonal la canalul sirului de celule

Procesul de conductie electrica in cristalul semiconductor de Si fara atomi straini de dopare este foarte limitat datorita legaturilor covalente puternice a electronilor de valenta. Structura cristalina a atomilor tetravalenti de Si prin dispunerea lor in varfurile unui tetraedru asigura punerea in comun a electronilor de valenta si formarea legaturilor stabile. Astfel, la temperaturi joase (T → 0 K) cristalul de Si se comporta ca un izolator perfect. La temperaturi mai ridicate unii electroni de valenta pot parasi localizarea determinata de legaturile covalente si iau nastere "goluri", adica lipsa de sarcini negative.

Aceasta generare a sarcinilor pozitive (goluri) si a electronilot nelocalizati poate fi cauzata de energia fotonilor incidenti, proces numit "efect fotoelectric interior". In asemenea situatie procesul de conductie este realizat de un numar egal de sarcini negative (electroni) si sarcini pozitive (goluri), proces numit conductie intrinseca.

Prin procesul de dopare a cristalului de baza cu atomi straini, numiti atomi de impuritate, conductivitatea electrica poate fi controlata. Impurificarea cristalului de baza cu atomi pentavalenti (exemplu atomi de fosfor P, arseniu As, sau stibiu Sb), atomul donor contribuie cu un electron suplimentar la realizarea procesului de conductie, iar ionul pozitiv al atomului de dopare care a pierdut un electron de valenta este localizat in cristalul de baza in pozitie de substitutie sau interstitial (figura 6a). Astfel, semiconductorul dopat cu atomi donori de electroni liberi devine de conductie tip n, adica de conductie electronica din cauza numarului majoritar de sarcini electrice negative, fata de purtatorii minoritari de sarcini electrice pozitive (goluri) .

Modelul bidimensional al conductiei: a) in semiconductorul impurificat pentru conductie electronica, b) in semiconductorul impurificat pentru conductie de goluri

Prin doparea cristalului de baza tetravalent cu atomi trivalenti (exemplu, atomi de bor B, aluminiu Al, galiu Ga, sau indiu In), atomul de impuritate realizeaza trei legaturi covalente cu atomii vecini de Si. Prin aceasta atomul trivalent accepta un electron pentru a-si completa legatura, devenind astfel ion negativ al retelei cristaline, iar golul pozitiv participa in procesul de conductie in calitate de purtator majoritar de sarcina electrica libera. Semiconductorul se numeste de conductie tip p, fiind dopat cu atomi aceptori de electroni.

In celulele traductorului CCD la interfata jonctiunii p-n se formeaza o structura de tip dioda, care prin efectul fotoelectric intern conduce la acumularea pachetului de sarcini electrice negative libere in regiunea de conductie n. Aceasta se explica prin faptul ca in regiunea golita de sarcini electrice majoritare libere din apropierea interfetei dintre zona p si zona n datorita difuziei si recombinatiei, ia nastere un camp electric local de franare pentru purtatorii majoritari de sarcini electrice.

Fig. 7. Prezentarea schematica a mecanismului de formare a campului retardant prin purtatorii de sarcini electrice legate in urma golirii regiunii interfetei de sarcini electrice libere

Electronii liberi generati sub actiunea fotonilor incidenti vor fi dirijati catre regiunea de sarcina spatiala pozitiva a regiunii n, unde formeaza un pachet de sarcina negativa (figura 8).

Sectiunea sagitala a celulelor CCD (sectiunea in lungul canalului de conductie n) indica formarea pachetului de sarcini electrice negative localizate in regiunea electrodului pozitivat la potentialul +5V fata de electrozii marginali ai celulei, acestia fiind negativati la potentialul -5V. Astfel, fiecare pixel individual separat prin campurile electrice ale grupurilor de electrozi poseda sarcina localizata la interfata jonctiunii p-n in interiorul canalului de conductie n.

Fig. 8. Sectiunea sagitala a celulei CCD, prin indicarea sarcinii induse localizate in regiunea electrodului pozitivat din jonctiunea p-n

Cum se realizeaza deplasarea pachetului de sarcini electrice in lungul canalului de conductie? Diagramele prezentate pentru trei momente consecutive prezentand semnale dreptunghiulare ale tensiunii de comanda furnizate de catre generatorul de impulsuri CLK1, CLK2, respectiv CLK3. Pachetele de sarcini negative individuale ale celulelor CCD vor fi dirijate in ritmul impulsurilor aplicate catre registrul de citire, respectiv catre unitatea de citire .

Tabel cu caracteristicile de performanta ale aparatului digital Canon EOSD D60 cu cartela de memorie Compact Flash 32 MB. Urmatoarele capacitati de stocare ale imaginilor se pot obtine in functie de calitatea imaginii si a gradului de compactare a iamginilor.

Aparatele fotografice digitale sunt prevazute cu sistem electronic automat de cautare si incadrare pentru capacitate de reglare la claritatea maxima a imaginii. Monitorul electronic LCD este un ecran cu afisaj de cristale lichide. Aceste aparate sunt dotate cu o pentaprisma (aceste tipuri de aparate sunt simbolizate cu acronimul SLR -Single-Lens Reflex Camera, sau TTL- Through The Lens) si oglinda de reflexie pentru vizualizarea directa prin obiectivul aparatului fotografic a obiectului selectat pentru fotografiere. Imaginea obiectului fotografiat este proiectata pe un camp-Fresnel cu raster de microprisme, care ajuta la reglarea claritatii imaginilor (fig. 11).

Fig. 11. Schema aparatului fotografic cu sistem de cautare si incadrare dotat cu oglinda de reflexie, placa-Fresnel si pentaprisma de viziune dreapta

Imaginea posterioara a aparatului digital Canon EOS -1DS dotat cu pentaprisma si sistem de cautare optica, respectiv monitorizare electronica prin LCD: 1- incadrarea optica, 2- incadrare prin monitorul LCD, 3- afisarea electronica a parametrilor de reglaj preselectati