книги / Проектирование электронно-лучевых приборов

функциональный элемент — выделяется как часть узла, спо­ собная выполнять некоторую функцию, характерную для изделия; конструктивный элемент — выделяется как отдельно изготав­ ливаемая деталь (или сборочная единица) конструкции, которая, взятая в отдельности, не способна к самостоятельному выпол­

нению функций изделия.

Приведенные уровни деления предметной области, как пока­ зано в [3], могут использоваться и для других изделий элек­ тронной техники, при этом для групп и функциональных элемен­ тов в случае необходимости можно вводить дополнительные уров­ ни деления. В то же время в частных случаях группу можно не делить на подгруппы, узел может состоять из одного функ­

ционального элемента и т. д.		и понимания	далее	везде,
В целях	упрощения изложения
где имеется	в виду принадлежность	нескольких	изделий	к од­

ной группе, подгруппе или упоминавшимся промежуточным уров­ ням классификации без указания конкретного уровня иерархии, будет употребляться термин «тип».

В качестве инструмента при системном анализе предметной области удобно использовать паспорт, который определяет ти-

Т а б л и ц а 1.1
У ровень			Характеристика
Группа	Приемные ЭЛП
Подгруппа	Кинескопы (черно-белые и цветные)
Узлы	1.	Баллон
	2.	Катодный узел
	3.	Электронно-оптическая система
	4.	Экранный узел
Функциональные	1.1. Баллон
элементы	1.2. Взрывозащита
	2.1. Катодный узел
	3.1. Электронная пушка				осесимметричная
	3.2. Электронная пушка астнгматичная
	3.3. Электронная линза				осесимметричная
	3.4. Электронная линза				астнгматичная
	3.5. Система		сведения	электростатическая
	3.6. Система		сведения	магнитная
	3.7. Отклоняющая система магнитная
	3.8. Экранно-масочный блок

4.1. Экранный узел

Оценка авто­ матизация, баллы

ААП	САП
3	3
0	0
3	2
2	2
3	3
2	1
0	0

3 3

22

33

1	2
2	2
0	0
2	2
2	1
2	2

Уровень		Характеристика
Группа	Приемные ЭЛП
Подгруппа	Осциллографическне ЭЛП
Узлы	1.	Баллон
	2.	Катодный узел
	3.	Электронно-оптическая система
	4.	Усилитель тока электронного пучка
	5. Экранный узел
•Функциональные	1.1. Баллон
элементы

2.1.Катодный узел

3.1.Электронная пушка осесимметричная

3.2.Электронная пушка астигматичная

3.3.Электронная линза осесимметричная

3.4.Электронная линза астигматичная

3.5.Бланкирующая система

3.6. Отклоняющая	система электростатиче­
ская

3.7.Система послеускорения сеточная

3.8.Система послеускорения астигматичная

3.9.Система сведения для многолучевых ЭЛП

3.10.Замедляющая отклоняющая система

4.1.Усилитель тока электронного пучка

5.1. Экранный узел 5.2.Нуль-индикатор

Оценка авто­ матизации, баллы

	ААП	САП
	3	3
	0	0
	3	о
		1
	2	1
	2	2
	3	3
	0	0
	3	3
	1	о
		2
	3
	3	3
	2	1
	3	3

23

32

1	1
2	1
2	1
2	2
0	0

повую структуру объекта проектирования. В табл. 1.1 приведен пример заполнения паспорта для подгруппы кинескопов. Основ­ ным правилом здесь является заполнение паспорта на каждую подгруппу изделий, структура которых допускает единое описа-

.ние, т. е. один и тот же набор структурных единиц (вплоть до уровня ФЭ). В паспортах описание объектов проектирования

.до уровня ФЭ включительно является обязательным. На уровне

.КЭ приводятся нестандартизованные элементы, конструирование которых нетривиально и может представлять интерес с точки зрения его алгоритмизации и автоматизации. Приведенный в табл. 1.2 заполненный паспорт для подгруппы осциллографических ЭЛП показывает существенные отличия в наборе ФЭ при ‘совпадении набора узлов. Подгруппы ЭЛП с совпадающим на­ бором узлов объединяются в группу.

К преимуществам описанной методики классификации пред­ метной области проектирования можно отнести, с одной сторо­ ны, приспособленность к существующей практике проектирования, а с другой — открытость: при появлении новых технических ре­ шений и изменении набора ФЭ (или узлов) классификация мо­ жет быть пополнена путем заполнения нового паспорта, и но­ вому объекту проектирования будет автоматически отведено соответствующее место в классификации.

Когда конечной целью анализа является создание САПР, в паспортах каждый из узлов и элементов объекта проектиро­ вания получает комплексную экспертную оценку по двум четы­ рехбалльным шкалам (от 0 до 3 баллов) [3]:

актуальности автоматизации проектирования (ААП); имеющейся степени автоматизации проектирования (САП). Оценка актуальности автоматизации проектирования опреде­

ляется на основе	анализа практики проектирования и тенден­
ций развития изделий данной подгруппы:
0 — неактуальна	(элемент не проектируется на предприятии,
элемент устарел, автоматизация невозможна и т. п.);
1 — возможна	(элемент не проектируется на предприятии,

однако учет его параметров существен при проектировании из­ делия; элемент устарел, но содержится в ряде выпускаемых из­ делий; автоматизация затруднительна и т. п.);

2 — желательна (элемент проектируется на предприятии, но его использование в разработках ЭЛП ограничено; имеются тен­ денции к замене элемента другим и т. п.);

3 — необходима		(элемент			проектируется			на предприятии и
широко используется			в	разработках ЭЛП;				элемент является
перспективным и т. п.).			степени			автоматизации			проектирования
Оценка имеющейся
определяется по	имеющимся				в	эксплуатации		в	средствам	САПР:
0 — отсутствует		методика			проектирования,				практике	исполь­
зуется чисто эвристический подход;							иногда используются
1 — имеется	методика			проектирования,
расчеты по приближенным формулам;							и		алгоритмы	моде­
2 — имеются	методика			проектирования

лирования элемента, реализованные в виде программ, эксплуа­ тируемых специалистами службы САПР;

3 — имеется алгоритм проектирования; моделирование и опти­ мальное проектирование элемента осуществляются разработчи­ ками ЭЛП путем эксплуатации пакетов прикладных программ.

Наличие оценок актуальности и степени автоматизации дает объективные исходные данные для планирования работ по со­ зданию и вводу в действие подсистем САПР, а структура объ­ ектов проектирования, заданная паспортами, является основой для построения структуры объектных подсистем САПР.

Важнейшим аспектом классификации объектов проектирова-

Подгруппа

Осциллографические ЭЛП

Рис. 1.1. Структура осциллографического ЭЛП

ния является построение множества типовых функциональных элементов, обеспечивающего все необходимые составляющие для проектирования прибора, принадлежащего к заданной группе (подгруппе). Основой для построения такого множества служит информация, содержащаяся в паспортах объектов проектиро­ вания. На рис. 1.1 приведена структура осциллографического ЭЛП, описываемого паспортом по табл. 1.2.

Анализ паспортов, описывающих важнейшие подгруппы ЭЛП (см. табл. 1.1, 1.2), позволяет строить набор типовых функ­ циональных элементов для всей группы приемных ЭЛП и вы­ делять наиболее характерные элементы, являющиеся общими для большинства подгрупп. К их числу прежде всего следует отнести электронную пушку (ЭП), затем электронные линзы (осесиммет­ ричные и астигматичные), отклоняющие системы, системы послеускорения (СПУ), экранный узел и баллон. Именно эти эле­ менты являются первоочередными объектами автоматизации про­ ектирования. Прежде, чем рассматривать их характеристики, по­ лезно обсудить некоторые особенности применения этих функ­ циональных элементов в приборах, относящихся к разным под­ группам.

Кинескопы — обширная группа ЭЛП с электростатической фокусировкой и магнитным отклонением луча. Размер диагонали прямоугольного экрана может быть от 4 до 67 см при углах отклонения (по диагонали экрана) от 55 до 114°. В сверхминиа-

Норных кинескопах с малыми (до 25°) углами отклонения луча возможно применение электростатических отклоняющих систем. Эти приборы по структуре полностью соответствуют группе осциллографических приборов и их паспорту.

Электронно-оптическая	система	(ЭОС) кинескопов		образует­
ся электронной пушкой (триодного,		тетродного,	реже	пентодного
типа) и одиночной или	иммерсионной линзой		в сочетании- с

магнитными отклоняющими катушками. Фокусировка в черно­ белых кинескопах (кроме миниатюрных приборов с диагональю экрана до 16 см) осуществляется симметричной одиночной лин­ зой, обладающей большой «глубиной резкости». В миниатюрных черно-белых и цветных кинескопах фокусировка осуществляется иммерсионными линзами. Это объясняется тем, что в миниа­ тюрных кинескопах применяются горловины малого диаметра, а конструкция одиночной линзы ограничивает эффективный диа­ метр электродов, тогда как иммерсионная линза позволяет вы­ полнить последний электрод в виде токопроводящего покрытия на внутренней поверхности горловины, т. е. достичь максимально возможного диаметра электрода. В цветных кинескопах исполь­ зование одиночной линзы требует большей длины арматуры и применения специальных мер для обеспечения электрической прочности конструкции.

В цветных кинескопах ЭОС содержит три электронные пуш­ ки и имеет устройства электростатического или магнитного све­ дения лучей, располагаемые за иммерсионными фокусирующими линзами или совмещенные с ними. Требования по эффективности и мощности к магнитному отклонению луча в кинескопах при больших углах отклонения накладывают жесткие ограничения на конфигурацию и размеры баллона в зоне расположения от­ клоняющих катушек.

Особенности проектирования, расчета и технологии производства цветных кинескопов являются специфической областью, которой посвящено большое чис­ ло специальных работ (см., например [4]), и поэтому здесь они рассматриваться не будут, кроме случаев, когда на них распространяются рекомендации, получен­ ные с использованием описываемых методов проектирования.

Основная тенденция в проектировании кинескопов — достижение минималь­ ной длины по оси прибора при данной диагонали экрана, минимальной мощности накала катода и минимальной мощности развертки при обеспечении требуемых разрешающей способности и возможно большей яркости свечения экрана. Про­ тиворечивость этих требований приводит к задаче оптимального проектирования, т. е. нахождения компромисса.

Сокращение длины прибора может быть достигнуто за счет увеличения угла отклонения и сокращения длины электронной пушки, однако с увеличением угла отклонения увеличивается мощность, потребляемая отклоняющими системами. Сокращение длины ЭП ограничено конструкцией катода- и параметрами фокуси­ рующей линзы, изменение которых может быть причиной ухудшения разрешаю-

щей способности. Некоторое снижение мощности развертки может быть достиг­ нуто за счет уменьшения диаметра горловины баллона, однако эта возможность ограничена, с одной стороны, особенностями конструкции баллона и технологии его обработки (на сегодня минимальный диаметр горловины миниатюрных кине­ скопов 13 мм), с другой — уменьшение диаметра ограничено конструкцией ЭП и параметрами ЭОС.

Увеличение яркости свечения экрана находится в прямой связи с энергией возбуждения люминофора, а .повышение напряжения последнего анода соответ­ ственно увеличивает мощность развертки.

К кинескопам примыкают проекционные ЭЛП, которые имеют аналогичные по структуре ЭОС и отличаются высокими ярко­ стями свечения экрана при больших значениях анодного на­ пряжения. В соответствии с этим имеют место специфические требования к баллонам по обеспечению электрической прочно­ сти, устойчивости к высокой рабочей температуре и надежности высоковольтного ввода. К ЭОС предъявляются требования ка­ чественной фокусировки при больших значениях рабочего тока луча и электрической прочности межэлектродных промежутков.

Индикаторные приборы		составляют	обширную	подгруппу
ЭЛП, предназначенных	для	воспроизведения информации от
электрических сигналов,	управляющих		интенсивностью	электрон­

ного пучка, который отклоняется по определенному закону. Приборы этой подгруппы весьма разнообразны по структуре конструкции. В зависимости от назначения индикаторные при­ боры проектируются с круглыми и прямоугольными экранами. Размер диагонали экрана и углов отклонения тот же, что и для кинескопов, как и тенденции в проектировании, хотя в ряде случаев ограничения по габаритным размерам и потребляемой мощности не такие жесткие.

В этих приборах ЭОС имеют магнитное отклонение луча, а их состав изме­ няется от элементарной электронной пушки триодного типа в сочетании с устройствами магнитной фокусировки и отклонения до сложных систем с ком­ бинацией электростатической и магнитной фокусировки. Однако наиболее часто ЭОС индикаторных приборов полностью аналогичны ЭОС черно-белых кинеско­ пов. Конструкция баллонов, особенно с прямоугольными экранами, в большин­ стве случаев также идентична конструкции баллонов кинескопов. Указанные сов­ падения конструкций объясняются тем, что кинескопы как приборы массового производства имеют наиболее отработанную технологию с высокомеханизирован­ ным оборудованием, что позволяет использовать элементы их конструкции и це­ лые узлы в качестве базовых для близких по конструкции приборов другого назначения.

Просвечивающие и фоторегистрирующие ЭЛП составляют отдельную подгруппу приборов, обладающих специфическими функциональными и конструктивными элементами, общими для приборов обоих наименований. Эти приборы можно выделить также по признаку «приборы с невизуальной регистрацией ин-

формации». Просвечивающие приборы предназначаются для со­ здания подвижного точечного источника света, сканирующего* по определенному закону носитель информации с переменной, оптической плотностью. Информация считывается приемником излучения и преобразуется в последовательность электрических, сигналов, принимаемых некоторым устройством. Фоторегистри­ рующий ЭЛП в этом устройстве воспроизводит информацию на фоточувствительных материалах. При этом закон, по которому

осуществляется сканирование,	совпадает	с законом сканировав
ния в просвечивающем приборе, так что эти			приборы работают
в паре. Различие приборов	заключается	в	типе люминофора,

а требования к размеру электронного пятна и однородности люминофориого покрытия одинаковы. Эти приборы иногда объ­ единяют под названием «ЭЛП высокой четкости», так как раз­ решающая способность их должна быть значительно выше, чем; у кинескопов, и достигает 80 100 лин/мм.

В таких ЭЛП используются, как правило, сложные миогоэлектродные пуш­ ки с электростатической, магнитной или комбинированной фокусировкой при маг­ нитном отклонении. Для устранения искажений формы и уменьшения размеровэлектронного пятна в системах фокусировки применяются различные типы элек­ тростатических и магнитных стигматоров и корректоров. Баллоны приборов этой подгруппы отличаются большим разнообразием формы в зависимости от назна­ чения. В качестве фронтального стекла баллона применяются плоскопараллель­ ные пластины оптического стекла и волоконно-оптические элементы. В последнее время находят применение принципиально новые экраны на основе монокристал­ лов, обладающих люминесценцией при электронном возбуждении [5]. Такие экраны имеют большую разрешающую способность при высокой межэлементной: равномерности свечения.

Осциллографические электронно-лучевые приборы (ОЭЛП) — большая подгруппа приборов, предназначенных для графиче­ ского воспроизведения электрических сигналов. Отличительным признаком этих приборов является электростатическое отклоне­ ние луча при малых углах отклонения. Современные приборы имеют прямоугольные экраны с диагоналями от 4 до 17 см, в большинстве случаев с нанесенными на фронтальное стекло внутренними шкалами беспараллаксного отсчета. Электронно­ оптическая система ОЭЛП является наиболее сложной по струк­ туре и включает (в различных сочетаниях) все виды важнейших функциональных элементов. Электронная пушка, чаще всего триодного типа, сочетается с одиночными фокусирующими лин­ зами. Между пушкой и линзой в пространстве ускоряющего по­ тенциала помещаются вырезывающие диафрагмы, ограничиваю­ щие апертуру пучка.

В некоторых случаях (в приборах с большим запирающим напряжением) в этой зоне размещаются системы бланкирующих пластин, по которым осуществляется гашение луча при обрат-

ном ходе развертки. За фокусирующими линзами располагаются «сигнальные и временные отклоняющие системы, разделенные диафрагмой, экранирующей их взаимное влияние. За отклоняю­ щими системами в ‘большинстве современных осциллографических приборов размещаются системы послеускореиия того или иного типа, обеспечивающие повышение энергии возбуждения люмино­ фора отклоненным пучком. В последнее время для фокусировки, усиления отклонения и послеускореиия широко применяются астигматичные функциональные элементы, образующие многозлементные системы.

Баллоны приборов имеют плоское фронтальное стекло и ко­ нус с относительно коротким переходом от прямоугольной части к осесимметричной. Поскольку внутренняя поверхность баллона используется в построении систем послеускореиия для нанесения на нее токопроводящего покрытия, образующего один из электро­ дов ЭОС, требования к форме и размерам конуса весьма жесткие.

В проектировании осциллографических приборов, как и кинескопов, главным направлением является стремление максимально сократить длину прибора при данном размере экрана (или увеличить размер экрана при заданной малой дли­ не прибора). При этом в любом случае требуется высокая чувствительность к отклонению при большой яркости свечения экрана и малой ширине линии. Одновременно желательно минимизировать число управляющих потенциалов на электродах, обеспечивая одинаковую полярносгь источников и возможно более низкое напряжение экрана. Противоречивость этих требований приводит к не­ обходимости постановки оптимизационной задачи, возможность решения которой зависит от обоснованности и согласованности требований ТЗ.

Знакопечатающие приборы формируют отображаемую инфор­ мацию с помощью знаковой матрицы, располагаемой в ЭОС пер­ пендикулярно ее оси. Кроме применения матрицы, эти приборы

•отличаются	от осциллографических наличием дополнительных
Ф Э — выбирающих		отклоняющих систем,	с помощью		которых
электронный	пучок	выводится на необходимый		знак	матрицы,
а затем вновь выводится на ось прибора.			запись	и	хранение
Запоминающие		приборы осуществляют

информации с последующим воспроизведением ее на экране или считыванием в виде преобразованного электрического сигнала.

Приборы с воспроизведением изображения записанного сиг­ нала на экране отличаются от ОЭЛП наличием узла памяти и считывающей ЭОС, содержащих специальные функциональные элементы, такие как распределенный катод, секция переноса изо­ бражения и др. Запись сигнала осуществляется ЭОС, в основном аналогичной ЭОС ОЭЛП.

Особенности проектирования запоминающих ЭЛП связаны с наличием узла памяти, что требует анализа физических процессов, протекающих при записи и

воспроизведении информации. Эти процессы и их моделирование описаны в специальной литературе [2, 6], поэтому здесь они не рассматриваются. Следует отметить, что к ЭОС запоминающих ЭЛП предъявляются особенно высокие тре­ бования по максимальной плотности тока записывающего луча, поскольку имен­ но этот параметр определяет скорость записи информации.

Приведенный выше краткий обзор особенностей конструкции: различных типов приборов позволяет сделать вывод, что наи­ более актуальными с точки зрения исследования и автоматиза­ ции проектирования (кроме баллона) являются следующие функ­ циональные элементы:

электронная пушка; осесимметричные одиночные и иммерсионные электронные

линзы; астигматичные электронные линзы;

электростатические и магнитные отклоняющие системы; системы послеускорения различных конструкций (спиральные,,

сеточные, астигматичные).

Исследование и описание каждого из перечисленных ФЭ должнапроводиться с учетом возможностей их использования в ЭЛП различных типов, поэтому методика численного иссле­ дования и соответствующие средства (алгоритмы и программы моделирования, подсистемы САПР и т. п.) должны обладать универсальностью по отношению ко всем изделиям рассматри­ ваемой группы.

Выполнение требования универсальности приводит к необ­ ходимости анализа способов описания ЭЛП и их компонентов. Наиболее полным и подробным описанием ЭЛП является кон­ структорская документация на прибор, включающая сборочные чертежи и чертежи деталей, а также паспорт прибора, в ко* тором указаны рабочие значения параметров режима. Однако, такое описание ориентировано в основном на потребности про­ изводства и эксплуатации и неудобно для описания процессов, функционирования ЭЛП и его компонентов.

Здесь полезно остановиться на двух относительно новых по­ нятиях— структурной и принципиальной схемах, которые не яв­ ляются общепринятыми, хотя в неявном виде применяются в- практике проектирования ЭЛП.

Как отмечалось выше, функциональные элементы объединя­ ются в узел на основе общих физических принципов, лежащих в основе его работы, единого языка физического и математи­ ческого описания. Поэтому понятие структурная схема относится именно к узлу — главным образом к электронно-оптической си­ стеме. Структурная схема узла определяет состав ФЭ, их вза­ имное расположение и основные размеры, а также характери­ стики их взаимодействия, не раскрывая при этом внутреннего строения каждого из ФЭ. Для ЭОС структурная схема дает осе­ вые и радиальные размеры ФЭ, значения (или диапазоны изме-

Рис. 1.2. Структурная схема электронно-оптической системы:

1 — электронная	пушка; 2 — электронная линза;	3,	4 — отклоняющие	системы;	5 — система
шослеускорення;	6 — экран; гк — плоскость катода;		гоб — плоскость	объекта;	гн — главная
плоскость линзы; гх, гу —координаты центров		отклонения; КСПУ *“ главная плоскость

-линзы послеускорення; г х. . . *б — границы функциональных элементов; ф и у — углы раст­ вора пучка на входе и выходе линзы; а1§ р, —углы отклонения; а2, Р2 —углы отклонения

на выходе линзы послеускорення

нения) управляющих потенциалов и требования к таким параметрам, как размер и положение объекта (для пушки), увеличение и положение изображения (для линзы), чувстви­ тельность и величина рабочей части экрана (для отклоняющих систем). На рис. 1.2 показана структурная схема ЭОС осцилло-

.графического ЭЛП, а все перечисленные характеристики, не показанные на схеме, приводятся на входящей в состав структур­ ной схемы спецификации.

При рассмотрении функциональных элементов главную роль играет принципиальная схема, определяющая конфигурацию элек­ тродов, их взаимное расположение и параметры режима. При этом, как правило, задаются и определяются лишь те размеры электродов, которые влияют на выполнение их функций. Для функциональных элементов, имеющих электроды малых разме­ ров, например для электронных пушек, целесообразно построе­ ние крупномасштабной схемы (рис. 1.3). Использование этого варианта оформления схемы полезно на этапе формирования задания на проектирование, и в спецификации к схеме приводится вся необходимая для расчетов информация.