Устройство для считывания оптической информации

 

Союз Советск ми

Социалнстнчесмми

Республик

ОП ИСАНИЕ

ИЗОБРЕТЕН ИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИ ТЕЛЬСТВУ

< 860135 (63 } Дополнительное к авт. свмд-ву— (22)Заивлема 17.12.79 (21} 2858867/18-24 с присоединением заявки % (53 ) M. Кл.

Ы 11 С 13/04

ЪаумрстивьЖ комитет

CCCP ио долам изобретвиий и отаритий (23) Приоритет

Опубликовано 30.08.81. Ьммлетемь М 32 (53) УДК 681 .327. 66 (088.8) Дата опубликования опмсаммя 01.09.81

В. К. Гусев, И, А. Шилов, B. Б. Федоров и М. Л. Рослова (72) Авторы изобретения (7!) Заявитель

ОУ является сложным электронным прибором, имеющим большое количество радиоэлектронных компонентов (более 30).

Указанное обстоятельство приводит, вопервых, к трудностям при конструировании многоканальных матричных устройств считывания оптической информации, что связано с необходимостью размещения большого числа ОУ в ограниченном объеме, определяемом размерами фотоприемного поля, во-вторых, к существенному повышению стоимости устройства.

Известно устройство для считывания оптической информации, которое содержит фотоприемный блок, выполненный в виде матрицы светочувствительных триггеров, каждый из которых имеет входы стирания

О и 1, вход опроса и парафззный выход, усилитель-формирователь, формирователь импульсов стирания, блок опроса триггеров, выполненный в виде матрицы формирователей импульсов опроса, имею. щий N входов выбора строк, М входов вы- бора столбцов, вход синхроимпульсов опИзобретение относится к устройствам считывания дискретной оптической информации и может использоваться для построения многоканальных матричных фот приемников оптоэлектронных запоминающих устройств.

Известен базовый элемент для счйтьтвания оптической информации, на основе которого может бьггь построено многоканальное устройство для считывания оптической информации. Эгог элемент содержит фотодиод (ФД), подключенный ко входу операционного усилителя, охваченного необходимыми цепями отрицательной обратной связи. В результате действия отрицательной обратной связи в таком устройсг3$ ве оказывается скомпенсированным негативное действие разброса характеристик как ФД, так и ОУ. Поэтому чувсгвитель ность такого устройства может быть очень высокой и достигать предельных значений, определяемых флукгуационными шумами Г).).

Однако указанное устройство имеет ряд недостатков, которые связаны с тем, что (54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ СЧИТЫВАНИЯ ОПТИЧЕСКОЙ

ИНФОРМАЦИИ

8601 роса и М < /Ч выходов, и блок управления устройством, имеющий g выходов выбора строк, N выходов выбора столбцов, выход синхроимпульсов стирания и выход синхроимпульсов опроса. В этом устройстве на один фоточувствительный элемент приходится существенно меньшее число радиоэлектронных компонентов. При этом благодаря процессу регенеративного усиления в светочувствительном триггере обеспечивается усиление фотоэлектрического сигнала, также как в случае схемы фотодиод - операционный усилитель Г21.

Недостаток известного устройства заключается в том, что для получения высокой чувствительности требуется высокая степень идентичности электрических параметров схемносиммегричных радиокомпонентов схемы светочувствительного триггера. Если это требование выполняется, то

20 чувствительность устройства может быть такой же высокой, как и у схемы ФЙ-ОУ.

На практике трудно достичь требуемой степени электрической симметрии, поэто(,му и чувствительность известного устрой25 ства оказывается существенно ниже предельно возможной.

Uenb изобретения — повышение чувствительности устройства.

Поставленная цель достигается тем, что в устройстве для считывания оптической информации, содержащем фотоприемный блок, выполненный в виде матрицы светочувствительных триггеров, каждый из которых имеет входы стирания 0 и

"1", вход опроса и парафазный выход, подключенный к входу усилителя-формиро вателя, формирователь импульсов стирания, блок опроса триггеров, выполненный в виде матрицы формирователей импульсов опроса, имеющий входы выбора строк, вы40 бора cT îëáöîâ, синхроимпульсов опроса, выходы опроса, и блок управления, имеющий выходы выбора строк, выбора столбцов, выход синхроимпульсов опроса и выход синхроимпульсов стирания, вводится 45 автоматическая настройка чувствительности каждого светочувствительного триггера, основанная на использовании импульсной отрицательной управляемой обратной связи.

И ходе такой настройки устройство обеспечивает определение величины и знака дополнительного заряда, который необходимо ввести в каждый светочувствитель« ный триггер для компенсации заряда помехи, обусловленного неоднородностью 55 электрических параметров радиокомпонентов светочувствительного триггера. для этого в устройство дополнительно введены

Зб 4 блок суммирования, выполненный в виде матрицы элементов аналогового суммирования, блок памяти, выполненный в виде матрицы аналоговых накопительных элементов и блок записи, выполненный в виде матрицы формирователей импульсов записи, при этом выходы одного элемента аналогового суммирования каждой строки матрицы элементов аналогового суммирования подключены к входам стирания "0" светочувствительных триггеров, а выход каждого из остальных элементов аналогового суммирования подключен к входу стирания

1" соответствующего светочувствительного триггера, выходы каждого аналогового накопителя подключены к первому входу соответствующего элемента аналогового суммирования, вторые входы элементов аналогового суммирования подключены к выходу формирователя импульсов стирания, входы аналоговых накопителей подключены к соответствующим выходам формирователей импульсов записи, входы выборки строк и столбцов, входы разрешения суммирования, вычитания и записи исходной информации блока записи подключены к выходам блока управления.

На фиг. 1 приведена функциональная схема предлагаемого устройства; на фиг. 2 — схема реализации предлагаемого устройства.

Устройство содер жит светочувствительные триггеры 1 матричного фотоприемного блока, каждый из которых имеет вход

2 стирания "0", вход 3 стирания "1", вход 4 опроса, парафазный выход 5, элементы 6 аналогового суммирования матричного блока суммирования, при этом каждый элемент аналогового суммирования имеет два суммирующих входа и один выход, аналоговые накопительные элементы 7, формирователь 8 импульсов стирания, блок 9 опроса, имеющий И входов

10 выбора строк, N входов 11 выбора столбцов, вход 12 синхроимпульсов опроса и выходы 13 импульсов опроса, блок

14 записи, имеющий входы 15 выбора строк, входы 16 выбора столбцов, вход

17 разрешения суммирования, вход 18 разрешения вычитания, вход 19 разрешения записи исходной информации и выходы импульсов записи, блок 21 управления, имеющий информационный вход 22, а также выход разрешения суммирования, выход разрешения вычитания, выход разрешения записи исходной информации, выход синхроимпульсов опроса, выход синхроимпульсов стирания, выходы выбора строк

5 8601 и выходы выбора столбцов, усилитель-формирователь 23.

Устройство работает следующим образом.

Имеется два чередующихся режима работы устройства. Первый режим - режим церкодкческой настройки, второй — режим счктывания оптической информации. Режим настройки отличается от режима считывания отоптической информации тем, что, во- 0 первых, на устройство не подается оптическая информация, к во-вторых, 1три помошк блоков 14 к 21 осуществляются операции по настройке всех светочувствительных триггеров 1 на максимальную чувствитель- 5 ность. В ходе этих операций определяются знак и величина баланскруюшего заряда, котсрый необходимо ввести внутрь каждого светочувствительного тркгг ю лля компенсации его собственных зарядов по мех. Для формирования компенсирующего заряда используется зависимость величины заряда, вносимого в одно кз плеч светочувствительного триггере во время выполнения операции сткранкя, от амплктуды кмпульса стирания, подаваемого на соответствуюшкй вход стирания. Зля определенкя необходимого направления изменения амплитуды импульса стирания и, следовательно, направления изменения компенсирующего заряда используется зависимость логического значения сигнала ("0" или

"1"), создаваемого на выходе усилителяформирователя при опросе настраиваемого светочувствительного триггера, от знака

35 эффективного заряда помехи, действующего внутри триггера. При этом амплитуда импульса стирания изменяется дискретно таким образом, чтобы дополнительный заряд, вносимый в светочувствительный

40 триггер, частично компенсировал бы заряд помехи и тем самым приводил к изменению предпочтительного состояния триггера в сторону противоположного предпочтительного состояния. Такой ре45 эультат может быть достигнут соответствующим изменением амплитуды импульсов стирания как на входе 3 стирания "1, так и на входе 2 стирания "0 . Необходимая прк этом отрицательная обратная связь между логическим значением сигна50 ла на выходе усилителя-формирователя

23 к направлением изменения амплитуды импульса стирания обеспечивается блоком

21 управления.

В начале режима настройки кз блока

21 управления на вход 19 разрешения записи исходной кнфсрмацки блока 14 за пкси поступает управляюшкй сигнал, по

3, ъ

6 которому через выходы 20 разрешения записи блока 14 в обшие для строки устройства аналоаовые накопительные элементы 7 осуществляется запись исходной информации. В результате устанавливается заданная велкчкна амплитуды импульса сткранкя 0 на входах 2 стирания О всех светочувствктельных триггеров 1. Затем выпоиняется последовательность рабочих циклов настройкк устройства. Каждый цикл состоит из последовательно выполняемых операций стирания, накопления за ряда к опроса. Временные характеристики эткх операций для режимов как настройки, так к счктывания опткч ской информацкк .кдентичны к типичны для устройства на светочувствительных триггерах. Во время операцкк стирания иэ блока 21 управления устройством на вход формирователя 8 сткранкя поступает скнлрокмпульс сткранкя. Прк этом на вход 2 стирания

"О" светочувствительных триггеров одной строкк поступает импульс стирания, амплкгула которого является одинаковой для триггеров этой строки (велкчкна амплитуды определена кнформацией, хранимой в общем для этой строки аналоговом накопительном элементе 7). На вход 3 стирания 1 каждого светочувст вктельного триггера поступает импульс стирания, амплитуда котерого индивидуальна для этого светочувствктельного триггера, Величина амплитуды определяется информацией, хранимой в соответствуюшем этому светочувствительному триггеру аналоговом накопительном элементе 7. В результате прк стирании в каждый светочувствительный тркггер вносится дополнительный компенсирующий заряд, величина к знак которого определяются величиной и знаком разности амплитуд импульсов стирания О и

"1" на его входах стирания. В ходе пооледуюшей операции, происходит накопление в тркггере электрического заряда. B режим настройки, когда информационный сигнал на оптических входах светочувствктеньных тритгеров отсутствует, величкна этого заряда онределяется неоднородностью элементов схемы светочувствительного триггера к флуктуацконнымк шумами. Затем следует операция опроса, в ходе которой кз блока 21 управлснкя устройством на входы 10 выбора строк и входы 11 выбора столбцов поступают сигналы, по которым осушествляется выбор опрашиваемого светочувствительного rpsr гера, к по подаче на вход 12 синхрокмпульсов опроса очередного скнхроимпульса через вход 4 опроса в выбранный све45 и величина компенсирующего заряда, вносимого в светочувствительный триггер при стирании. На этом заканчивается один цикл работы рассматриваемого светочувствительного триггера в режиме настройки. Затем в соответствии с командами блока 21 управления выбирается следующий светочувствительный триггер.

7 8601 точувствительный триггер подается ток onроса. В резульrare протекания тока опроса в светочувствительном триггере начинает развиваться процесс регенеративного усиления. Направление развития этого процесса определяется величиной и знаком заряда помехи, имеющегося в светочувствительном триггере к моменту опроса. В результате развития регенеративного процесса в триггере происходит пе- 10 реключение тока опроса в одну из выходных шин парафазного выхода 5. Этот факт фиксируется усилителем-формирователем

23, логический сигнал с выхода которого подается на информационный вход 22 блока 21 управления. В соответствии с логи ческим значением этого сигнала из блока 21 либо на вход 17 разрешения суммирования, либо на вход 18 разрешения вычитания блока 14 записи поступает коман- 0 да, по которой информация, хранимая в аналоговом накопительном элементе 7, соответствующем опрншиваемому светочувствительному триггеру 1, изменяется на один дискретный шаг, выбор этого аналогового элемента осуществляется соответственно тем номером входа 15 выбора сгроки и входа 16 выбора crолбца блока 14 записи, на который поданы сигналы выбора из блока 21. Так как входы 15 и

16 выбора блока 14 попарно обьединены с соответствующими входами 10 и 11 выбора матричного блока 9 опроса, то выбор светочувствительного триггера 1 при опросе однозначно определяет и вы35 бор соответствующего ему аналогового накопительного элемента 7 при настройке. Направление изменения информации в аналоговом накопительном элементе определяется тем, по какому из входов

17 или 18 блока 14 поступает разрешающий сигнал. В результате изменения информации в аналоговом накопительном элементе 7 изменяется и амплитуда импульса стирания на выходе элемента 6 аналогового суммирования, олин из входов которого соединен с выходом этого аналогового накопительного элемента 7, а выход подключен к входу З стирания

1" настраиваемого светочувсгвительно50 ро триггера. Следовательно, изменяется

Аналогичным образом выполняется опрос этого триггера и изменение информации в соответствующем ему аналоговом накопительном элементе.

Работа устройства в режиме настройки продолжается ao rex пор, пока в аналоговых накопительных элементах 7 не будет накоплена информация о таких величинах амплитуд импульсов стирания "1", при которых заряды помех во всех светочувствительных триггерах не будут скомпенсированы полностью (с точностью до шумовог o заряда). За критерий окончания настройки может быть принят факт изменения логического сигнала, считываемого светочувствительным триггером после очередного цикла настройки. Другим критерием окончания настройки может служить факт выполнения достаточно большого наперед заданного числа циклов настройки, г.е. светочувствительные триггеры, в которых коь пенсация достигается раньше, будут при последующих циклах настройки колебаться вблизи положения максимальной чувствительности. Как в том, гак и в другом случае ири достаточно малом. шаге настройки уровень чувствительности схемы определяется уровнем флуктуационных шумов. В связи с изменением эксплуатационных условий и возможным несовершенством длительного хранения информации в аналоговых накопительных элементах 7, в результате чего могут нарушиться условия компенсации зарядов, режим настройки периодически повторяется.

Практическая реализация предлагаемого устройства может быть осуществлена по схеме, приведенной на фиг. 2. В этой схеме каждый элемент 6 аналогового суммирования выполнен . на резисторе 24 и полевом транзисторе 25, причем первый вход элемента аналогового суммирования образован первым выводом соответствующего резистора 24, втоорой вход элемента 6 аналогового суммирования образован затвором соответствующего целевого транзистора 25, выход элемента

6 аналогового суммирования образован точкой соединения второго вывода резистора 24 и стока полевого транзистора 25, входящих в состав элемента 6, истоки олевых транзисторов 25 всех элементов

6 аналогового суммирования обьединены и подключены к общему для устройства дополнительному источнику напряжения.

Каждый аналоговый накопительный элемент 7 выполнен на конденсаторе 26, причем первая обкладка 27 конденсатора

26 является одновременно входом запи860135

10 си и вьк одом соответствующего аналогового накопительного элемента, а вторые обкладки конденсаторов всех аналоговых накопигельных элементов, входящих в состав одной строки устройства, объединены и подключены к дополнительной шине 28 управления записью этой строки устройства. Матричный блок 9 опроса построен на переключателях 29 тока, число которых равно числу строк в 36 устройстве, каждый переключатель 29 гока выполнен на биполярных транзисторах с проводимостью п-р-и -типа по схеме с обьединенными эмитгерами и разделенными коллекторами, причем число гранзисго- q5 ров (каналов переключения гока) в каждом переключателе 29 тока на два превышает число столбцов в устройстве. Блок

14 записи построен на переключателях 30 тока, число которых равно числу строк в устройстве, и насыщенных ключах по одному на каждый переключатель ЗО гока, при этом переключатель 30 гока блока 14 записи аналогичен переключателю 29 тока матричного блока 9, но содержит на один транзистор (один канал переключения) больше, каждый насыщенный ключ блока управления записью выполнен на соогвегсгвуюшем биполярном транзисторе З1 с проводимостью р-и- р -типа и на токозадаюшем резисторе 32, подключенном одним своим выводом к базе р-и-р транзистора 31.

Устройство, посгроенное по схеме, приведенной на фиг. 2, рабогаег следующим

35 образом.

Полевой транзистор 25 каждого элемента 6 аналогового суммирования задаег ток через включенный в цепь его стока резистор 24. Величина этого гока on- 4О ределяегся напряжением на конденсаторе

26. При стирании падение напряжения на резисторе 24, создаваемое током полевого транзистора 25, вычитается из напряжения формирователя 8 стирания, и в результате эффективное напряжение стирания, действующее на входное стирание

1" светочувствительного триггера, оказывается зависящим ог напряжения на кашенсагорах 26 соответствующего ана50 логов@го накопительного элемента 7, а напряжение на входах стирания 0 всех светочувствительных триггеров зависит

or напряжения на конденсаторе 26 общего для строки устройства аналогового

55 накопительного элемента 7. Таким образом, изменяя заряд, хранимый в анаииовых накопигельных элементах 7, оказывается возможным изменять напряжение на затворе к токи стока полевых транзисторов 25 и эффективно управлять величиной компенсирующего заряда, вводимого в светочувствительные триггеры.

По сравнению с известными предлага емое устройство имеет более высокий уровень чувствительности базового, эарядочувсгвктельного элемента — светочувствительного тратера к энергии принимаемого оптического сигнала, при этом возможно даже увеличение допуска на рабброс параметров входящих в состав светочувствительного триггера компонентов; более высокий уровень чувствительности базового зарядочувсгвигельного элемента - светочувствительного триггера к мощности оптического информационного сигнала; устойчивость к изменению парамет- ров элементов в результате их естествен» ного старения и изменения условий эксплуатации, так как заряды помех, возникающих прк этом, компенсируются в процессе настройки. Кроме того, предлагаемое устройство имеет меньшее число компонентов по сравнению с устройством, пс строенным по схеме фотодиод-операционный усилитель.

Предлагаемое устройство может быть применено для исследования динамики изменения оптических информационных иэоб» ражений во времени и пространстве. Иля э ого необходимо режим настройки устройства выполнять совместно с подачей на него оп"ического информационного изображения. При этом оптическая: информация, подаваемая на устройство, воспринимается как сигнал помехи. В процессе настройки устройство адаптируется к подаваемому на него изображению и перестает воспринимать его как полезный сигнал. В. результате при последующем режиме считывания оптической информации устройст во регистрирует лишь изменения в подаваемой на него информационной картине.

Указанное применение предлагаемого устройства может быть полезным не только в вычислительной технике, но также и в других областях, связанных с обработкой оптической информации.

Формула изобретен ия

Устройство для считывания оптической. информации, содержащее фотоприемный блок, выпопиенный в виде матрицы, саегочувствительных триггеров, парафаэные вь3«оды которых подключены к усилителюформироватеаю, блок опроса триггеров, S60135

12 выполненный в виде матрицы формирователей импульсов опроса, выход каждого из которых подключен к входу опроса соответствующего светочувствительного триггера, формирователь импульсов стирания и блок управления, вход которого соединен с выходом усилителя-формирователя, выход синхроимпульсов, выходы выборки столбцов и строк блока управления подключены к формирователю импульсов опро- to са, выход стирания блока управления подключен к блоку формирования импульсов стирания, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что, с целью повышения чувствительности, в него введены блок суммирования, выпол- 1 ненный в виде матрицы элементов аналогоsea о суммирования, блок памяти, выполненный в виде матрицы аналоговых накопителей и блок записи, выполненный в виде матрицы формирователей импульсов записи, причем выходы одного элемента аналогового суммирования каждой строки матрицы элементов аналогового суммирования подключены к входам стирания "О" светочувствительных триггеров, а выход каждоro из остальных элементов аналогового суммирования подключен к входу стирания 1" соответствующего светочувствительного триггера, выход каждого аналогового накопителя подключен к первому входу со.ответствующего элемента аналогового суммирования, вторые входы элементов аналогового суммирования подключены к выходу формирователя импульсов стирания, входы аналоговых накопителей подключены к соответствующим выходам формирователей импульсов записи, входы выборки строк и столбцов, входы разрешения суммирования, вычитания и записи исходной инфсрмации формирователей импульсов записи подключены к выходам блока управления.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1. Рутковский Й. Интегральные операционные усилители, М„Мир, 1978, с. 310, 2. Авторское свидетельство СССР

N. 653625,кл. С» 11 С 11/42, 1976 (прототип) .

860138

Составитель С. Самуцевич

Редактор Л. Филь Техред Е.Кастелевич Корректор С. Комак

Заказ 7556/32 Тираж 645 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и огкрьггий

113035„Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/8 филиал ППП Патент, г. Ужгород, ул. Проектная, 4