Automatized system of optical measurements of liquid crystal elements with improved output signal characteristics

Full Text

Введение Для разработки и эксплуатации современных жидкокристаллических (ЖК) устройств и материалов для видимого, инфракрасного (ИК) и терагерцового диапазона требуется измерение их характеристик с высокой точностью. Особенностью современных устройств является сложная форма и малая длительность электрического сигнала, управляющего оптическими характеристиками ЖК-элемента. Для лабораторных исследований ЖК-материалов и прототипов устройств на их основе требуется постоянная адаптация параметров электрического сигнала к широкому набору физических свойств ЖК (упругая деформация по Франку, диэлектрическая проницаемость, показатели преломления и др.) и эксплуатационных параметров ЖК-ячеек (диапазон рабочих напряжений, времена переключения, углы обзора и др.). Поэтому, несмотря на наличие различных измерительных комплексов у производственных компаний и университетов, актуальной остается задача обеспечения процесса измерений надежными, точными, адаптируемыми инструментами и методиками. Примерами таких систем являются разработки компаний Radiant Vision Systems[23], Instrument Systems[24], Advanced Measurement System[25] и многих других. Развитие новых измерительных систем стимулируется и появлением нового поколения датчиков[26]. И наконец, с учетом недоступности в России многих измерительных систем для дисплеев, обусловленной среди прочих причин практическим отсутствием предприятий, производящих матричные ЖК-дисплеи, разработка таких систем является одним из компонентов реализации концепции импортозамещения. При этом следует отметить разработку и стандартизацию в России ряда методик измерения характеристик многих параметров ЖК-материалов и ячеек, особенно параметров, описывающих взаимодействие жидкого кристалла с ориентирующей поверхностью [1]. За рубежом такие стандартные методики отсутствуют. 1. Цель Современный уровень развития индустрии и технологий поставил задачу разработки общих принципов проектирования автоматизированных систем управления, цель которых - обеспечить создание высокоэффективных систем управления, обладающих такими характеристиками, как высокая точность, быстродействие, устойчивость, низкая чувствительность к внешним воздействиям, адаптивность и управляемость. Цель данной работы - разработка автоматизированной системы измерений электрооптических жидкокристаллических элементов с улучшенными характеристиками выходного сигнала, такими как точность формирования сигнала, помехозащищенность и низкая чувствительность к искажению входного синусоидального сигнала. 2. Методы и материалы Основным элементом жидкокристаллических дисплеев (ЖКД) является ЖК-ячейка. Она представляет собой тонкий слой ЖК, помещенный между двумя стеклянными или пластиковыми подложками[27]. Жидкокристаллическая ячейка используется для подачи на нее сформированного синусоидального сигнала напряжения определенной амплитуды и частоты. Амплитуда сигнала может изменяться в пределах от 5 до 40 вольт постоянного напряжения в положительной полуоси и от -40 до -5 вольт в отрицательной полуоси напряжения. Частота сигнала может изменяться в пределах от 100 кГц до 50 МГц, в зависимости от величины импульса, подаваемого на вход микросхемы, формирующей синусоидальный сигнал. Структурная блок-схема автоматизированного комплекса для исследования ячейки жидкого кристалла представлена на рис. 1. Она состоит из оптической и информационной систем. Оптическая система включает в себя источник оптического излучения, в качестве которого выступает генератор прямого цифрового синтеза на основе микросхемы AD9843[28], формирующей заданный оптический синусоидальный сигнал, амплитуду и частоту которого можно изменять в широком диапазоне. Объект контроля представляет собой ячейку жидкого кристалла, которая реагирует на синусоидальный сигнал под действием приложенного напряжения и переориентирует молекулы жидкого кристалла. В качестве средства измерения используется фотодиод с предварительной схемой усиления на основе операционного усилителя. Информационная система представляет собой программный исполнительный алгоритм, который осуществляет построение синусоидального сигнала на выходе цифро-аналогового преобразователя (ЦАП) микроконтроллера[29]. Также информационная система реализует запись результатов измерений в отдельном файле, который можно конвертировать в табличный формат Excel и построить график по существующим контрольным точкам. Фотоприемник, усилитель Рис. 1. Структурная схема автоматизированной системы оптических измерений Figure 1. Structural schematic of an automated optical measurement system 3. Результаты и обсуждение Рассмотрим создание генератора сигналов на основе микросхемы AD9834, с помощью которой можно будет формировать синусоидальный, прямоугольный и треугольный сигналы с частотой до 50 МГц. Как следует из названия, генератор сигналов может формировать различные виды сигналов заданной частоты. При этом способе любой сигнал можно сформировать в цифровом виде, а затем преобразовать его в аналоговый вид с помощью цифро-аналогового преобразователя. Чаще всего в современной электронике этот метод используется для формирования синусоидальных сигналов, но с его помощью можно формировать и прямоугольные, и треугольные сигналы, и вообще сигналы любой формы. Для формирования синусоидального сигнала напряжения используется схема, изображенная на рис. 2. Слева на этой схеме расположен микроконтроллер, который управляет микросхемой прямого цифрового синтеза AD9834 по интерфейсу SPI (serial peripheral interface) с помощью сигнала синхронизации FSYNC, тактового сигнала SCLK и сигнала данных SDATA. Подробно со спецификацией интерфейса SPI можно ознакомиться в [2]. Питание аналоговой части и цифровой части микросхемы AD9834 осуществляется от напряжения 3,3 В, сигналы DGND (digital ground) и AGND (analog ground) используются для подключения аналоговой и цифровой земли соответственно. Сигнал MCLK (master clock) используется для подключения внешнего тактового генератора с частотой до 50 МГц и для определения максимальной частоты выходного синусоидального сигнала. В дополнение к этому на рис. 2 изображена микросхема AD5620, которая также управляется от микроконтроллера с помощью интерфейса SPI посредством инвертированного сигнала синхронизации SYNC, сигнала тактирования SCLK и цифрового сигнала ввода данных DIN (digital input). Микросхема AD5620 представляет собой 12-разрядный цифро-аналоговый преобразователь с выходом по току. Чем выше разрядность преобразователя, тем он точнее. Микросхема ЦАП формирует синусоидальный токовый сигнал на выходе VOUT, который можно ограничить с помощью резистора Rset. В нашем случае сопротивление резистора составляет 6,8 кОм и с учетом внутреннего опорного напряжения Vref величиной 1,2 В ограничение тока соответствует величине 3 мА8.[30] ПИКОВОЕ ВЫРАВНИВАНИЕ С ПОМОЩЬЮ AD5620 / ADJUST PEAK-TO-PEAK USING AD5620 Рис. 2. Электрическая схема формирования синусоидального напряжения, построенная на микросхеме AD9834 Figure 2. Electrical circuit for the formation of a sinusoidal voltage based on the AD9834 chip Частота, Гц / Frequency, HzЧастота, Гц / Frequency, Hz а б Рис. 3. Диапазон частот фазового шума выходного сигнала: а - микросхемы AD9834; б - микросхемы AD9102 Figure 3. The frequency range of the phase noise of the output signal: a - AD9834 chips; б - AD9102 chips SFDR, дБ / SFDR, dBSFDR, дБ / SFDR, dBЧастота, Гц / Frequency, HzЧастота, Гц / Frequency, Hz а б Рис. 4. Спектр выходного сигнала: а - микросхемы AD9834; б - микросхемы AD9830 Figure 4. The spectrum of the output signal: a - AD9834 chips; б - AD9830 chips Основными параметрами микросхем прямого цифрового синтеза являются фазовый шум, джиттер - фазовое дрожание цифрового сигнала данных и SFDR - динамический диапазон, свободный от гармоник. Фазовый шум является мерой нестабильности частоты генератора на коротких промежутках времени. Он измеряется в децибелах относительно опорного сигнала при различной величине отклонения от основной частоты генерации. На рис. 3 показан спектр фазового шума, характерный для микросхемы AD9834. В сравнении с другими микросхемами прямого цифрового синтеза, например AD91029, величина фазового шума в полном спектре частот у микросхемы AD9834 на порядок ниже.[31] Джиттер возникает за счет температурного шума, нестабильности параметров элементов генератора, внешних помех по питанию, по земле и даже через соединение выхода. Кроме того, оказывают влияние внешние магнитные и электрические поля, такие как поля от близко расположенных передатчиков. Таким образом, некоторое дрожание фазы будет присутствовать в выходном сигнале микросхемы прямого цифрового синтеза [3]. SFDR - безразмерная величина, равная отношению мощности полезного узкополосного сигнала к мощности наиболее мощной паразитной частотной составляющей. Характерный спектр выходного сигнала интегральной микросхемы AD9834 при частоте тактирования 50 МГц показан на рис. 4, a. Частота выходного сигнала составляет 1/3 от частоты тактирования -16,67 МГц. Поэтому в данном случае в полосе 25 МГц практически отсутствуют гармоники, эффекты наложения спектров минимальны и спектр выглядит незашумленным; все максимумы в спектре как минимум на 80 дБ слабее сигнала (SFDR = 80 дБ). На рис. 4, б представлен спектр выходного сигнала микросхема AD9830 при частоте тактирования 50 МГц и выходной частоте 16,5 МГц. Как видно из графика, в спектре сигнала имеются гораздо больше иголок и, соответственно, паразитных частотных составляющих10.[32] Заключение Для исследования ячейки жидкого кристалла, применяемой в видимом, ИК и терагерцовом диапазонах, разработана автоматизированная система оптических измерений жидкокристаллических элементов. На примере микросхемы AD9834 с помощью метода прямого цифрового синтеза рассмотрено получение синусоидального аналогового сигнала за счет генерации временной последовательности цифровых отсчетов и их дальнейшего преобразования в аналоговую форму с помощью цифро-аналогового преобразователя AD5620. Указанная автоматизированная система обладает сравнительно высокими показателями помехозащищенности и помехоустойчивости выходного сигнала, которые подтверждаются сравнением графиков спектра фазового шума и выходного сигнала микросхем прямого цифрового синтеза, а следовательно, всей системы в целом.

About the authors

Vladimir V. Usachev

Peoples’ Friendship University of Russia (RUDN University)

Email: usahev.burevestnik@yandex.ru
ORCID iD: 0000-0002-1616-7062

PhD student, Department of Nanotechnology and Microsystem Technology, Academy of Engineering

6 Miklukho-Maklaya St, Moscow, 117198, Russian Federation

Victor V. Belyaev

Peoples’ Friendship University of Russia (RUDN University); Moscow Region State University

Email: belyaev-vv@rudn.ru
ORCID iD: 0000-0003-0553-9358

Doctor of Technical Sciences, Professor of the Department of Nanotechnology and Microsystem Technology, Academy of Engineering, Peoples’ Friendship University of Russia (RUDN University); Professor of the Theoretical Physics Department, Moscow Region State University

6 Miklukho-Maklaya St, Moscow, 117198, Russian Federation; 24 Very Voloshinoy St, Mytishi, 141014, Russian Federation

Denis N. Chausov

Moscow Region State University; Prokhorov General Physics Institute of the Russian Academy of Sciences

Email: d.chausov@yandex.ru
ORCID iD: 0000-0002-1287-6427

D.Sc., Head of Theoretical and Applied Nanotechnology Laboratory, Professor of the Theoretical Physics Department, Moscow Region State University; senior researcher, Prokhorov General Physics Institute, Russian Academy of Sciences

24 Very Voloshinoy St, Mytishi, 141014, Russian Federation; 38 Vavilova St, Moscow, 119991, Russian Federation

Sergey V. Moyseenko

Peoples’ Friendship University of Russia (RUDN University); JSC “ALPHA-BANK”

Author for correspondence.
Email: cormorant.xiii@gmail.com
ORCID iD: 0000-0002-8555-4234

PhD student, Department of Nanotechnology and Microsystem Technology, Academy of Engineering, Peoples’ Friendship University of Russia (RUDN University); leading specialist, Joint Stock Company “ALPHA-BANK”

6 Miklukho-Maklaya St, Moscow, 117198, Russian Federation; 27 Kalanchevskaya St, Moscow, 107078, Russian Federation

References

Supplementary files