А. Гольдшер, В. Кучерский, Б. Юргаев
БИС синхронизации и управления фотоприемными устройствами
Описаны быстродействующие БИС синхронизации и управления твердотельными линейными и матричными фотоприёмными устройствами оптико-электронных, в частности, тепловизионных систем.
Введение
Тепловидение, позволяющее воспринимать информацию за пределами спектральной чувствительности зрения, является одним из приоритетных направления развития современной науки и техники. Однако его развитие в нашей стране долгое время сдерживалось по ряду причин, одна из которых, в частности, была связана с отсутствием электроники вывода информационных сигналов с фотоприёмника (ФП) и их последующей обработки.
Плата управления фотоприёмным устройством (ФПУ) обычно включает:
- генератор тактовых импульсов с управляемым делителем частоты;
- формирователь системы управляющих и синхронизирующих последовательностей импульсов;
- преобразователь уровня импульсных сигналов.
Недостатки реализации названных функциональных модулей на основе микросхем общего назначения очевидны — увеличение массогабаритных показателей аппаратуры, снижение её надёжности, рост стоимости. В качестве преобразователей уровней используются микросхемы (ИС) серии 1119 [1-2]. БИС синхронизации и управления (БИС СУ) являются специализированными, поскольку каждая из них "привязана" к конкретной временной диаграмме (ВД), определяемой типом используемого ФП. Анализ ФП большинства типов показывает, что для управления ими необходимы БИС СУ, формирующие выходные сигналы, соответствующие как ТТЛ-, так и КМОП-уровням.
Цифровой базовый матричный кристалл (ЦБМК) серии 1589 [3] обеспечи вает, в отличие от известных ранее МТТЛШ БМК, возможность создания на его основе БИС, сопрягаемых как с ТТЛ-, так и КМОП-микросхемами. На его основе к настоящему времени разработаны и освоены в производстве БИС СУ серии 1589ХМ1, описанные ниже.
БИС 1589ХМ1-02 для синхронизации и управления ФПУ на основе ФП линейчатого типа
Рисунок 1. Структурная схема БИС 1589ХМ1-02
Структурная схема БИС приведена на рис. 1. Она содержит следующие функциональные блоки:
- формирователь управляющих и синхронизирующих последовательностей импульсов (набор из 7 серий), обеспечивающих вывод информационных сигналов с фотоприёмной линейки;
- формирователь признака канала памяти, предназначенный для формирования сигналов "Признак канала памяти", а также для управления счётчиком адреса в режиме внешнего управления;
- 8-разрядный счётчик адреса, предназначенный для формирования адреса как при внутреннем, так и при внешнем управлении.
Основу приведённых функциональных блоков составляют многоразрядные счётчики импульсов с различными коэффициентами деления, многовходовые дешифраторы, анализирующие состояние счётчиков и выделяющие сигналы в нужные моменты времени, регистры и простые комбинационные схемы. Они реализованы на микро- и макроэлементах БМК серии 1589ХМ1 [3].
Разработка принципиальных электрических схем БИС велась путём компьютерного моделирования с использованием пакета программ P-CAD. Моделирование осуществлялось в условиях максимального приближения режимов работы БИС к реальным, то есть учитывались временные параметры входных, базовых, микро-, макро- и выходных элементов в наихудших условиях эксплуатации.
Состав входных сигналов управления, их условные обозначения и назначение приведены в табл. 1.
Уровни входных сигналов — КМОП, ТТЛ.
Таблица 1. Состав входных сигналов управления, их условные обозначения и назначение
| Обозначение сигнала управления | Назначение |
| FОП | Периодический сигнал кварцевого генератора |
| MО0 | Режим формирования набора сигналов F1...F4, R, A0...A7 |
| ST | Сигнал запуска (старта) формирователя сигналов F1...F4, R, A0...A7 в ждущем режиме |
| D0...D7 | Код длительности сигнала F4 |
| R0 | Обнуление формирователя сигналов F1...F4, R, A0...A7 |
| FСЧ | Тактовая частота счетчика адреса при внешнем управлении |
| MО1 | Сигнал перевода счетчика адреса на внешнее управление |
Краткое описание работы БИС
Режимы работы и условия формирования выходных сигналов микросхемы приведены в табл. 2.
Таблица 2. Режимы работы и условия формирования выходных сигналов БИС
| M01 | 0 | 1 | ||
| M00 | 0 | 1 | 0 | 1 |
| F1...F4 | Формируются в автономном режиме | Формируются в ждущем режиме (пo ST) | Формируются в автономном режиме | Формируются в ждущем режиме (пo ST) |
| R | Не формируется | |||
| A0...A7 | Формируются под внешним управлением | |||
| CH1, CH2 | Формируются | Не формируется | ||
| Ft, Fk | Формируются | |||
Тип выходных сигналов F1...F4, R, A0...A7, CH1, CH2 — TTL; Ft, Ft’, Fk, Fk’ — KMOП.
Частота следования выходных серий синхроимпульсов изменяется прямо пропорционально изменению частоты следования входных (опорных) импульсов. Стабильность коэффициента пропорциональности зависит от стабильности частоты тактовых пусковых импульсов. Максимальная опорная частота импульсов FОП = 20 МГц. В БИС предусмотрена возможность реализации генератора опорных импульсов (ГОИ) непосредственно в её составе. Электрическая схема ГОИ, выполненного на выходных периферийных элементах БМК 1589ХМ1, приведена на рис. 2.
Рисунок 2. Принципиальная электрическая схема генератора опорных импульсов
Временные диаграммы работы БИС 1589ХМ1-02 приведены на рис. 3 и 4.
Рисунок 3. Временная диаграмма работы БИС 1589ХМ1-02. Формирование сигналов F1...F4, R, A0...A7, Ft и Fk
Значения управляющих входных сигналов при различных режимах работы БИС приведены в табл. 3-6.
Формирование R0 производится на фронте нарастания напряжения питания UCC1 = 5 В.
Задаванием различных значений управляющих входных сигналов и режимов работы обеспечивается формирование всех выходных сигналов соответствующих ВД, показанных на рис. 3 и 4.
Статические параметры БИС серии 1589ХМ1 приведены в табл. 7.
Рисунок 4. Временная диаграмма работы БИС 1589ХМ1-02. Формирование сигналов CH1 и CH2; A0...A7 при M01=0
Таблица 3. Автономный режим работы при внутреннем управлении
| R0* | MO0 | MO1 | C0 | C1 | ST | D1... D8 |
|
"0" | "1" |
|
"0" | "0" |
00000010 (мин. F4) 11111111 (макс F4) |
*) R0 — единичный импульс (импульс сброса).
Таблица 4. Ждущий режим работы при внутреннем управлении микросхемы
| R0 | MO0 | MO1 | C0 | C1 | ST | D1... D8 |
|
|
"1" | "1" |
|
"0" |
|
00000010 00000010 |
Таблица 5. Автономный режим работы при внешнем управлении микросхемы
| R0 | MO0 | MO1 | C0 | C1 | ST | D1... D8 |
|
|
"0" | "0" |
|
|
"0" |
00000010 11111111 |
Таблица 6. Ждущий режим работы при внешнем управлении микросхемы
| R0 | MO0 | MO1 | C0 | C1 | ST | D1... D8 |
|
|
"1" | "0" |
|
|
|
00000010 11111111 |
Таблица 7. Статические параметры БИС серии 1589ХМ1
| Наименование параметра, единица измерения, режим измерения | Буквенное обозначение |
Значения параметров
|
Т,ºС | |||||
| Выходное напряжение низкого уровня, В, при UCC1 = 4,5 B; UCC2 = 1,8 B; IOL = 8 мА | UOL |
|
-60...+85 | |||||
| Выходное напряжение высокого уровня по стандартным ТТЛ-выходам, В, при UCC1 = 4,5 B; UCC2 = 1,8 B; IOH = 1 мА | UOH |
|
-60...+85 | |||||
| Выходное напряжение высокого уровня по КМОП-выходам, В, при UCC1 = 4,5 B; UCC2 = 1,8 B; IOH = 1 мА | UOH |
|
-60...+85 | |||||
| Входной ток низкого уровня, мкА, при UL = 0,4 B; UCC1 = 5,5 B; UCC2 = 2,2 В | IIL |
|
-60...+85 | |||||
| Входной ток высокого уровня, мкА, при UH = 2,5 B; UCC1 = 5,5 B; UCC2 = 2,2 В | IIH |
|
-60...+85 | |||||
| Ток потребления, мА, при UCC1 = 5,5 B; UCC2 = 2,2 B |
ICC1, ICC2 |
|
-60...+85 | |||||
БИС 1589ХМ1-03, 1589ХМ1-04 для синхронизации и управления ФПУ матричного типа
Структурные схемы БИС обоих типов идентичны (рис. 5). Они содержат: 7-разрядный делитель управляющей частоты CM (FГЕН); селектор-мультиплексор 8–1 для выбора одного из 8 выходов делителя; формирователь 9 управляющих и 3 синхроимпульсов. Однако "Формирователь управляющих и синхронизирующих импульсов" в каждой из БИC выполнен с использованием различных функциональных узлов, что обусловлено разным количеством фоточувствительных элементов в матрице ФП.
Рисунок 5. Структурная схема БИС 1589ХМ1-03 и 1589ХМ1-04
Состав и назначение входных сигналов:
- Cм (FГЕН) - тактовая управляющая частота, не более 16 МГц;
- А0...А2 - код выборки одного из 8 выходов делителя управляющей частоты;
- DRD0, DRD1 - код рассогласования фаз сигналов FRD1 и FRD2;
- DM0, DM1 - код рассогласования фаз сигналов FM1 и FM2;
- R - сигнал сброса микросхемы в начальное состояние (сигнал обнуления).
Состав и назначение выходных сигналов:
- FRD1,2,3 - фазные импульсы управления регистром считывания;
- FM1,2,3 - фазные импульсы управления регистром управления;
- C01 - импульс управления питания затворов нечётных матричных ключей;
- C02 - импульс управления питания затворов чётных матричных ключей;
- СCM - импульс управления ключами подключения столбца;
- C1 - импульс синхронизации элементный, 1;
- C2 - импульс синхронизации элементный, 2;
- CK - импульс синхронизации кадровый.
Уровни и тип входных и выходных сигналов:
- входных - CM, А, DRD, DM, R — ТТЛ;
- выходных - FRD, FM, C01, C02, Ccm — КМОП;
- выходных - C1, C2, CK — ТТЛ.
Формирователь выходных управляющих и синхронизирующих импульсов, входящий в состав микросхемы, работает на тактовой частоте Fd, которая равна входной тактовой частоте FCM (FCM = 1/Tсм, где Tсм — период следования тактовых импульсов) или она уменьшена в 2n раз, в зависимости от входного кода на входах А0…А2 (где n = 0…7). Значения тактовой частоты Fd, в зависимости от кода А0…А2, приведены в табл. 8.
Таблица 8. Значения тактовой частоты Fd
Входной код
|
Тактовая частота управления формирователем управляющих и синхронизирующих импульсов Fd | |||
|
FCM | |||
|
FCM/2 | |||
|
FCM/4 | |||
|
FCM/8 | |||
|
FCM/16 | |||
|
FCM/32 | |||
|
FCM/64 | |||
|
FCM/128 |
Временные диаграммы работы БИС 1589ХМ1-03 показаны на рис. 6-8. На рис. 6 - ВД формирования выходных сигналов FRD1, FRD2, C1 и C2, а на рис. 7 и 8 - формирования строчных и кадровых синхронизирующих импульсов. Фазовые соотношения выходных управляющих сигналов приведены на рис. 9.
Рисунок 6. Временная диаграмма формирования двух полутактов (периода) выходных сигналов FRD1, FRD2 и синхросигналов С1 и С2
Рисунок 7. Временная диаграмма формирования строчных синхроимпульсов
Рисунок 8. Временная диаграмма формирования кадровых синхроимпульсов
Рисунок 9. Фазовые соотношения выходных управляющих сигналов
В зависимости от значения кода на входах микросхемы DRD0, DRD1 (DM0, DM1), можно изменить задержку рассогласования фаз сигналов FRD1 и FRD2 FM1 и FM2). Задержка рассогласования кратна средней задержке распространения стандартного вентиля БМК 1589ХМ1.
Качественно ВД БИС 1589ХМ1-04 аналогичны показанным на рис. 6-8. Количественные фазовые соотношения в них различны.
Статические параметры БИС 1589ХМ1-03, 1589ХМ1-04 идентичны приведённым в табл. 7.
Конструктивно-технологические особенности ЦБМК серии 1589ХМ1 описаны в [3]. Топологии всех типов БИС защищены охранными документами (свидетельствами) об официальной регистрации, что подтверждает их новизну и оригинальность. Ряд используемых технологических и схемотехнических решений представляет собой "ноу-хау".
Применение разработанных БИС в электронных модулях тепловизионной аппаратуры различного целевого назначения позволит улучшить её массогабаритные, передаточные, частотные характеристики, повысить надёжность, радиационную стойкость и снизить стоимость. В частности, использование БИС 1589ХМ1-02 в одной из перспективных тепловизионных систем позволило заменить 28 микросхем средней степени интеграции.
Дальнейшее развитие БИС для устройств синхронизации, управления и обработки изображения связаны с разработкой специализированного ЦБМК с использованием диэлектрической изоляции и транзисторных структур с малыми геометрическими размерами и малыми глубинами залегания p-n-переходов. Это позволит повысить быстродействие, существенно, более чем на порядок, снизить потребляемую мощность и улучшить технико-экономические показатели их производства.
Литература
- Быстродействующие интегральные преобразователи уровней К 1119ПУ1, ПУ2 для управления микросхемами с зарядовой связью /А.И. Гольдшер, П.А. Дик, А.И. Лашков, В.Я. Стенин. Электронная промышленность, 1989. Вып. 2. С. 48–49.
- Быстродействующие двухуровневые преобразователи для управления приборами с переносом заряда /А.И. Гольдшер, П.А. Дик, В.Р. Кучерский, В.С. Машкова. Электронная промышленность, 1993. Вып. 6-7. С. 35–37.
- Гольдшер А., Юргаев Б. Цифровой базовый матричный кристалл К 1589ХМ1 // Инженерная микроэлектроника. 1999. № 3. С. 20–25.
|
Автор документа: Сергей Гаврилюк
, http://www.gaw.ru" |
Дата публикации: 08.08.2007 Дата редактирования: 08.08.2007 |
| Кол-во просмотров 1261 | |
 Все новости одной лентой |
