Тема 4.1 Мониторы ЭЛТ
Студент должен:
иметь представление:
· об устройствах отображения информации
знать:
· принцип работы мониторов на основе ЭЛТ;
· основные характеристики ЭЛТ мониторов.
уметь:
· подключать мониторы на основе ЭЛТ;
· устанавливать режимы работы мониторов на основе ЭЛТ;
Мониторы на основе электронно- лучевой трубки (ЭЛТ): основные принципы работы, типы ЭЛТ, конструкция, технические характеристики. Стандарты ТСО. Обзор основных моделей.
Методические указания
Мониторы на основе ЭЛТ — наиболее распространенные устройства отображения информации. Используемая в этом типе мониторов технология была разработана много лет назад и первона чально создавалась в качестве специального инструментария для измерения переменного тока, т. е. для осциллографа.
Конструкция ЭЛТ-монитора представляет собой стеклянную трубку, внутри которой находится вакуум. С фронтальной стороны внутренняя часть стекла трубки покрыта люминофором. В ка честве люминофоров для цветных ЭЛТ используются довольно сложные составы на основе редкоземельных металлов — иттрия, эрбия и др. Люминофор — это вещество, которое испускает свет при бомбардировке его заряженными частицами. Для создания изображения в ЭЛТ-мониторе используется электронная пушка, которая испускает поток электронов сквозь металлическую маску или решетку на внутреннюю поверхность стеклянного экранамонитора, которая покрыта разноцветными люминофорными точ ками. Электроны попадают на люминофорный слой, после чего энергия электронов преобразуется в свет, т.е. поток электроновзаставляет точки люминофора светиться. Эти светящиеся точки люминофора формируют изображение на мониторе. Как правило, в цветном ЭЛТ-мониторе используются три электронные пушки, в отличие от одной пушки, применяемой в монохромных мони торах.
На пути пучка электронов обычно находятся дополнительные электроды: модулятор, регулирующий интенсивность пучка элек тронов и связанную с ней яркость изображения; фокусирующий электрод, определяющий размер светового пятна; размещенные на основании ЭЛТ катушки отклоняющей системы, которые из меняют направление пучка. Любое текстовое или графическое изображение на экране монитора состоит из множества дискретных точек люминофора, называемых пикселами и представляющих собой минимальный элемент изображения-растра.
Формирование растра в мониторе производится с помощью специальных сигналов, поступающих на отклоняющую систему. Под действием этих сигналов производится сканирование луча по поверхности экрана по зигзагообразной траектории от левого верх него угла до правого нижнего. Ход луча по горизонтали осуществляется сигналом строчной (горизонтальной) развертки, а по вертикали — кадровой (вертикальной) развертки. Перевод луча из крайней правой точки строки в крайнюю левую точку следующей строки (обратный ход луча по горизонта ли) и из крайней правой позиции последней строки экрана в крайнюю левую позицию первой строки (обратный ход луча по вертикали) производится посредством специальных сигналов об ратного хода. Мониторы такого типа называются растровыми. Элек тронный луч в этом случае периодически сканирует экран, обра зуя на нем близко расположенные строки развертки. По мере дви жения луча по строкам видеосигнал, подаваемый на модулятор, изменяет яркость светового пятна и образует видимое на экране изображение. Разрешающая способность монитора определяется числом элементов изображения, которые он способен воспро изводить по горизонтали и вер тикали, например, 640x480 или 1024 х 768 пикселов.
В электронно-лучевой трубке цветного монитора расположены три элект ронные пушки с независимыми схемами управления, а на внут реннюю поверхность экрана нанесен люминофор трех основных цветов: красного, синего и зеленого.
Электронный луч каждой пушки возбуждает точки лю минофора, и они начинают светиться. Точки светятся по-разному и представляют собой мозаичное изображение с чрезвычайно малыми размерами каждого элемента. Интенсивность свечения каж дой точки зависит от управляющего сигнала электронной пушки. В человеческом глазу точки с тремя основными цветами пересека ются и накладываются друг на друга. Изменением соотношения интенсивностей точек трех основных цветов получают требуемый оттенок на экране монитора. Для того чтобы каждая пушка на правляла поток электронов только на пятна люминофора соот ветствующего цвета, в каждом цветном кинескопе имеется спе циальная цветоделительная маска.
В зависимости от расположения электронных пушек и конст рукции цветоделительной маски (рисунок 8) различают ЭЛТ четы рех типов, используемые в современных мониторах:
ЭЛТ с теневой маской ( Shadow Mask ) (см. рисунок 8, а) наибо лее распространены в большинстве мониторов, производимых LG , Samsung , Viewsonic , Hitachi , Belinea , Panasonic , Daewoo , Nokia ;
ЭЛТ с улучшенной теневой маской ( EDP — Enhenced Dot Pitch ) (см. рисунок 8, 6);
ЭЛТ со щелевой маской ( Slot Mask ) (см. рисунок 8, в), в которой люминофорные элементы расположены в вертикальных ячейках, а маска сделана из вертикальных линий. Вертикальные полосы раз делены на ячейки, содержащие группы из трех люминофорных элементов трех основных цветов. Этот тип маски применяетсяфирмами NEC и Panasonic ;
ЭЛТ с апертурной решеткой из вертикальных линий ( Aperture Grill ) (см. рисунок 8, г). Вместо точек с люминофорными элемента ми трех основных цветов апертурная решетка содержит серию нитей, состоящих из люминофорных элементов, выстроенных в виде вертикальных полос трех основных цветов. По этой техноло гии производятся трубки Sony и Mitsubishi .
Рисунок 8 - Типы цветоделительных масок ЭЛТ: а – ЭЛТ с теневой маской; б – ЭЛТ с улучшенной теневой маской; в- ЭЛТ с щелевой маской; г – ЭЛТ с апертурой решеткой
ЭЛТ-мониторы имеют следующие основные характеристики.
Диагональ экрана монитора — расстояние между левым нижним и правым верхним углом экрана, измеряемое в дюймах.
Размер зерна экрана определяет расстояние между ближайши ми отверстиями в цветоделительной маске используемого типа. Расстояние между отверстиями маски измеряется в миллиметрах. Чем меньше расстояние между отверстиями в теневой маске и чем больше этих отверстий, тем выше качество изображения.
Разрешающая способность монитора определяется количеством элементов изображения, которые он способен воспроизводить по горизонтали и вертикали.
Тип электронно-лучевой трубки следует принимать во внимание при выборе монитора. Наиболее предпочтительны такие типы кинескопов, как Black Trinitron , Black Matrix или Black Planar . Мониторы этих типов имеют особое люминофорное покрытие.
Потребляемая мощность монитора указывается в его технических характеристиках. У мониторов 14" потребляемая мощность не должна превышать 60 Вт.
Покрытия экрана необходимы для придания ему антибликовых и антистатических свойств. Антибликовое покрытие позволяет наблюдать на экране монитора только изображение, формируемое компьютером, и не утомлять глаза наблюдением отраженных объектов. Существует несколько способов получения антибликовой (не отражающей) поверхности. Самый дешевый из них — протравливание. Оно придает поверхности шероховатость. Однако графика на таком экране выглядит нерезко, качество изображения низкое. Наиболее популярен способ нанесения кварцевого покрытия, рассеивающего падающий свет; этот способ реализован фирмами Hitachi и Samsung . Антистатическое покры тие необходимо для предотвращения прилипания к экрану пыли вследствие накопления статического электричества.
Защитный экран (фильтр) должен быть непременным атрибутом ЭЛТ-монитора, поскольку медицинские исследования показали, что излучение, содержащее лучи в широком диапазоне (рентгеновское, инфракрасное и радиоизлучение), а также электростатические поля, сопровождающие работу монитора, могут весьма отрицательно сказываться на здоровье человека.
По технологии изготовления защитные фильтры бывают: сеточные, пленочные и стеклянные.
Безопасность монитора для человека регламентируется стандартами ТСО: ТСО 92, ТСО 95, ТСО 99, предложенными Шведской конфедерацией профсоюзов. ТСО 92, выпущенный в 1992 г., определяет параметры электромагнитного излучения, дает определенную гарантию противопожарной безопасности, обеспечивает электрическую безопасность и определяет параметры энергосбережения. В 1995 г. стандарт существенно расширили (ТСО 95), включив в него требования к эргономике мониторов. В ТСО 99 требования к мониторам еще более ужесточили. В частности, стали жестче требования к излучениям, эргономике, энергосбережению, пожаробезопасности. Присутствуют здесь и экологические требования, которые ограничивают наличие в деталях монитора различных опасных веществ и элементов, например тяжелых металлов.
Вопросы для самоконтроля:
1. Принцип работы мониторов на основе ЭЛТ;
2. Основные характеристики ЭЛТ мониторов.
3. Подключение монитора на основе ЭЛТ;
4. Установка режимов работы мониторов на основе ЭЛТ
Тема 4.2 Жидкокристаллические мониторы
Студент должен:
иметь представление:
· об устройствах отображения информации
знать:
· принцип работы жидкокристаллических мониторов;
· основные характеристики жидкокристаллических мониторов.
уметь:
· подключать мониторы на основе ЖК;
· устанавливать режимы работы жидкокристаллических мониторов.
Жидкокристаллические мониторы. Принцип действия и технологии ЖК- мониторов. Контроллер ЖК экрана. Технические характеристики ЖК мониторов. Сравнительный анализ ЖК мониторов и мониторов на основе ЭЛТ. Обзор основных моделей. Плоскопанельные мониторы: плазменные дисплеи, электролюминесцентные мониторы, мониторы электростатической эмиссии, органические светодиодные мониторы. Принцип действия, основные преимущества и недостатки.
Методические указания
ЖК-мониторы ( LCD — Liquid Crystal Display ) составляют ос новную долю рынка плоскопанельных мониторов с экраном размером 13—17". Первое свое применение жидкие кристаллы на шли в дисплеях для калькуляторов и в кварцевых часах, затем их стали использовать в мониторах для портативных компьютеров. Сегодня в результате прогресса в этой области начинают получать все большее распространение LCD -мониторы для настоль ных компьютеров.
Основным элементом ЖК-монитора является ЖК-экран, со стоящий из двух панелей, выполненных из стекла, между кото рыми размещен слой жидкокристаллического вещества, которое находится в жидком состоянии, но при этом обладает некоторыми свойствами, присущими кристаллическим телам. Фактически это жидкости, обладающие анизотропией свойств (в частности, оптических), связанных с упорядоченностью ориентации моле кул. Молекулы жидких кристаллов под воздействием электриче ства могут изменять свою ориентацию и вследствие этого изменять свойства светового луча, проходящего сквозь них. Следовательно, формирование изображения в ЖК-мониторах основано на взаимосвязи между изменением электрического напряжения, приложенного к жидкокристаллическому веществу, и изменени ем ориентации его молекул.
Экран ЖК-монитора представляет собой массив отдельных ячеек (называемых пикселами), оптические свойства которых могут меняться при отображении информации. Панели ЖК-монитора имеют несколько слоев, среди которых ключевую роль играют две панели, выполненные из свободного от натрия и очень чистого стеклянного материала, между которыми и расположен тонкий слой жидких кристаллов. На панелях нанесены параллельные бороздки, вдоль которых ориентируются кристаллы. Панели расположены так, что бороздки на подложках перпендикулярны между собой. Технология получения бороздок состоит в нанесении на стеклянную поверхность тонких пленок из прозрачного пластика. Соприкасаясь с бороздками, молекулы в жидких кристаллах ориентируются одинаково во всех ячейках.
Жидкокристаллическая панель освещается источником света (в зависимости от того, где он расположен, жидкокристалличе ские панели работают на отражение или на прохождение света). В качестве источников света используются специальные электролюминесцентные лампы с холодным катодом, характеризую щиеся низким энергопотреблением. Молекулы одной из разно видностей жидких кристаллов (нематиков) в отсутствие напряжения на подложках поворачивают вектор электрической напряженности электромагнитного поля в световой волне, проходящей через ячейку, на некоторый угол в плоскости, перпендикулярной оси распространения пучка. Нанесение бороздок позволяет обес печить одинаковые углы поворота для всех ячеек. Фактически каж дая ЖК-ячейка представляет собой электронно управляемый светофильтр, принцип действия которого основан на эффекте поля ризации световой волны.
Чтобы поворот плоскости поляризации светового луча был за метен для глаза, на стеклянные панели дополнительно наносят два слоя, представляющих собой поляризационные фильтры. Эти фильтры выполняют функции поляризатора и анализатора.
Принцип действия ячейки ЖК-монитора в следую щем. При отсутствии напряжения между подложками ячейка ЖК- монитора прозрачна, поскольку вследствие перпендикулярного расположения бороздок на подложках и соответствующего закру чивания оптических осей жидких кристаллов вектор поляризации света поворачивается и проходит без изменения через систему поляризатор —анализатор. Ячейки, у которыхориентирующие канавки, обеспечивающие соответствующее закру чивание молекул жидкокристаллического вещества, расположе ны под углом 90°, называются твистированными нематическими. При создании между подложками напряжения 3— 10 В молекулы жидкокристаллического вещества располагаются параллельно силовым линиям поля. Твистированная структура жидкокристаллического вещества нарушается, и поворота плоскости поляризации проходящего через него света не происходит. В результате плоскость поляризации света не совпадает с плоско стью поляризации анализатора, и ЖК-ячейка оказывается непро зрачной. Напряжение, приложенное к каждой ЖК-ячейке, фор мируется ПК.
Для вывода цветного изображения на экран выполняется под светка монитора сзади, так чтобы свет порождался в задней части ЖК-дисплея. Цвет формируется в результате объединения ЖК- ячеек в триады, каждая из которых снабжена светофильтром, про пускающим один из трех основных цветов.
Технология, при которой закручивание молекул составляет 90°, называется твистированной нематической ( TN — Twisted Nematic ). Недостатки ЖК-мониторов, реализующих эту технологию, свя заны с низким быстродействием; зависимостью качества изображения (яркости, контрастности) от внешних засветок; значительным взаимным влиянием ячеек; ограниченным утлом зрения, под которым изображение хорошо видно, а также низкими яркостью и насыщенностью изображения.
Следующим этапом на пути совершенствования ЖК-монито ров было увеличение угла закручивания молекул ЖК-вещества с 90 до 270° с помощью STN -технологии ( Super - Twisted Nematic ). Использование двух ячеек, одновременно поворачивающих плос кости поляризации в противоположных направлениях, согласноDSTN -технологии ( Dual Super - Twisted Nematic ), позволило значительно улучшить характеристики ЖК-мониторов.
Для повышения быстродействия ЖК-ячеек используется тех нология двойного сканирования ( DSS — DualScan Screens ), когда весь ЖК-экран разбивается на четные и нечетные строки, обнов ление которых выполняется одновременно. Двойное сканирова ние совместно с использованием более подвижных молекул позволило снизить время реакции ЖК-ячейки с 500 мс (у ЖК-мо ниторов, реализующих технологию TN ) до 150 мс и значительно повысить частоту обновления экрана.
Для получения лучших результатов с точки зрения стабильно сти, качества, разрешения и яркости изображения используются мониторы с активной матрицей в отличие от применявшихся ра нее с пассивной матрицей. Термин пассивная матрица ( Passive Matrix ) относится к такому конструктивному решениюмонитора, согласно которому монитор разделен на отдельные ячейки, каждая из которых функционирует независимо от остальных, так что в результате каждый такой элемент может быть подсвечен индивидуально для создания изображения. Матрица называется пассивной, потому что рассмотренные выше технологии создания ЖК-мониторов не могут обеспечить быстродействие при отображении информации на экране. Изображение формируется строка за строкой путем последовательного подвода управляюще го напряжения на отдельные ячейки. Вследствие большой электрической емкости отдельных ячеек напряжение на них не может изменяться достаточно быстро, поэтому изображение не отображается плавно и дрожит на экране. При этом между соседними электродами возникает некоторое взаимное влияние, которое может проявляться в виде колец на экране.
В активной матрице используются отдельные усилитель ные элементы для каждой ячейки экрана, компенсирующие вли яние емкости ячеек и позволяющие значительно увеличить быст родействие. Активная матрица ( active matrix ) имеет следующие преимуще ства по сравнению с пассивной матрицей:
· высокая яркость;
· угол обзора, достигающий 120—160°, в то время как у мони торов с пассивной матрицей качественное изображение можно наблюдать только с фронтальной позиции по отношению к экрану;
· высокое быстродействие, обусловленное временем реакции монитора около 50 мс.
Функциональные возможности ЖК-мониторов с активной матрицей почти такие же, как у дисплеев с пассивной матрицей. Разница заключается в матрице электродов, которая управляет ячейками жидких кристаллов дисплея. В случае с пассивной мат рицей разные электроды получают электрический заряд циклическим методом при построчной регенерации дисплея, а в результате разряда емкостей элементов изображение исчезает, так как кристаллы возвращаются к своей изначальной конфигурации. В случае с активной матрицей к каждому электроду добавлен за поминающий транзистор, который может хранить цифровую ин формацию (двоичные значения 0 или 1), и в результате изобра жение сохраняется до тех пор, пока не поступит другой сигнал. Такой транзистор, выполняя роль своеобразного коммутирующе го ключа, позволяет коммутировать более высокое (до десятков вольт) напряжение, используя сигнал низкого уровня (около 0,7 В). Благодаря применению активных ЖК-ячеек стало возможным значительно снизить уровень сигнала управления и тем самым решить проблему частичной засветки соседних ячеек.
Запоминающие транзисторы производятся из прозрачных ма териалов, что позволяет световому лучу проходить сквозь них, и располагаются на тыльной части дисплея, на стеклянной панели, которая содержит жидкие кристаллы. Поскольку запоминающие транзисторы выполняются по тонкопленочной технологии, подобные ЖК-мониторы получили название TFT -мониторы ( Thin Film Transistor — тонкопленочный транзистор). Тонкопленочный транзистор имеет толщину в диапазоне от 0,1 до 0,01 мкм. Техно логия TFT была разработана специалистами фирмы Toshiba . Она позволила не только значительно улучшить показатели ЖК-мониторов (яркость, контрастность, угол зрения), но и создать на основе активной ЖК-матрицы цветной монитор.
К основным характеристикам жидкокристаллических мониторов относятся следующие.
Размер экрана ЖК-мониторов находится в пределах от 13 до 16". В отличие от ЭЛТ-мониторов, номинальный размер экрана и размер его видимой области (растра) практически совпадают.
Ориентация экрана у ЖК-монитора в отличие от ЭЛТ-монито ра может быть как портретная, так и ландшафтная. В то время как традиционные экраны ЭЛТ-мониторов и ЖК-экраны компьюте- ров типаNotebook имеют только ландшафтную ориентацию, обусловленную тем, что поле зрения человека в горизонтальном направлении шире, чем в вертикальном, в ряде случаев (работа с текстами большого объема,Web -страницами) намного удобнее работать с экраном портретной ориентации. ЖК-монитор можно легко развернуть на 90°, при этом ориентация изображения оста нется прежней.
Поле обзора ЖК-мониторов обычно характеризуется углами обзор а, отсчитываемыми от перпендикуляра к плоскости экра на по горизонтали и вертикали.
Разрешение ЖК-монитора определяется размером отдельной ЖК-ячейки, т.е. фиксированным размером пикселов.
Метод « Centering » (центрирование) состоит в том, что для отображения изображения используется только то количество пикселов, которое необходимо для формирования изображения с более низким разрешением. В результате изображение получает ся не во весь экран, а только в середине: все неиспользуемые пикселы остаются черными, образуя вокруг изображения широ кую черную рамку.
Метод « Expansion » (растяжение) основан на растяжении изоб ражения на весь экран, что приводит к возникновению некото рых искажений и ухудшению резкости.
Яркость — важнейший параметр при выборе ЖК-монитора. Типовая яркость ЖК-монитора 150 — 200 кд/м2. При этом в центре яркость ЖК-монитора может быть на 25 % выше, чем у краев экрана.
Контрастность изображения ЖК-монитора показывает, во сколько раз его яркость изменяется при изменении уровня видео сигнала от минимального до максимального. Приемлемая цветопередача обеспечивается при контрастности не менее 130:1, а высококачественная — при 350:1.
Инерционность ЖК-монитора характеризуется минимальным временем, необходимым для активизации его ячейки, и состав ляет 30 — 70 мс, соответствуя аналогичным параметрам ЭЛТ-мо- ниторов.
Палитра ЖК-мониторов, по сравнению с обычными, ограни чена определенным количеством воспроизводимых на экране от тенков цветов. Типовой размер палитры современных ЖК-мони торов составляет 262 144 или 16 777 216 оттенков цветов.
Массогабаритные характеристики и энергопотребление выгодно отличают ЖК-мониторы от ЭЛТ-мониторов. Масса большинства моделей не превышает нескольких килограмм, а толщина экрана — 20 мм. Потребляемая мощность в рабочем режиме не превышает 35-40 Вт.
Плазменные дисплеи ( Plasma Display Panel — PDF) создаются путем заполнения пространства между двумя стеклянными поверхностями инертным газом, например аргоном или неоном. За тем на стеклянную поверхность наносят миниатюрные прозрач ные электроды, на которые подается высокочастотное напряже ние. Под действием этого напряжения в прилегающей к электроду газовой области возникает электрический разряд. Плазма газового разряда излучает свет в ультрафиолетовом диапазоне, которыйвызывает свечение частиц люминофора в диапазоне, видимом человеком.
Электролюминесцентные мониторы ( Electric Luminiescent Displays — ELD ) no своей конструкции аналогичны ЖК-мониторам. Прин цип действия электролюминесцентных мониторов основан на яв лении испускании света при возникновении туннельного эффек та в полупроводниковом p - n - переходе. Такие мониторы имеют высокие частоты развертки и яркость свечения, кроме того, они надежны в работе. Однако они уступают ЖК-мониторам по энер гопотреблению, поскольку на ячейки подается относительно высокое напряжение — около 100 В. При ярком освещении цвета электролюминесцентных мониторов тускнеют.
Мониторы электростатической эмиссии ( Field Emission Displays — FED ) являются сочетанием традиционной технологии, основанной на использовании ЭЛТ, и жидкокристаллической техноло гии. МониторыFED основаны на процессе, который несколько похож на тот, что применяется в ЭЛТ-мониторах, так как в обо их методах применяется люминофор, светящийся под воздействием электронного луча. В качестве пикселов применяются такие же зерна люминофора, как и в ЭЛТ-мониторе, что позволяет получить чистые и сочные цвета, свойственные обычным мониторам. Однако активизация этих зерен производится не электронным лучом, а электронными ключами, подобными тем, что используются в ЖК-мониторах, построенных по TFT -технологии. Управление этими клю чами осуществляется специальной схемой, принцип действия которой аналогичен принципу действия контроллера ЖК-монитора.
Органические светодиодные мониторы ( Organic Light- Emitting Diode Displays — OLEDs), или LEP-мониторы { Light Emission Plastics — светоизлучающий пластик), по своей технологии похожи на ЖК-и ELD -мониторы, но отличаются материалом, из которого изготавливается экран: в LEP -мониторах используется специальный органический полимер (пластик), обладающий свойством полу проводимости. При пропускании электрического тока такой мате риал начинает светиться.
Основные преимущества технологии LEP по сравнению с рас смотренными:
· низкое энергопотребление (подводимое к пикселу напряжение менее 3 В);
· простота конструкции и технологии изготовления;
· тонкий (около 2 мм) экран;
· малая инерционность (менее 1 мкс).
К существенным недостаткам этой технологии следует отнести малую яркость свечения экрана; малый размер экрана. LEP -мони торы используются пока только в портативных устройствах, на пример, в сотовых телефонах.
Выбор той или иной модели монитора зависит от характера информации, с которой будет работать пользователь, и задач, которые он ставит перед собой, а также от суммы выделенных средств на приобретение монитора. Российский рынок мониторов Постоянно пополняется новыми моделями. Если модель уже вы брана, при выборе конкретного экземпляра полезно следовать Приведенным ниже рекомендациям.
Вопросы для самоконтроля:
1. Принцип работы жидкокристаллических мониторов;
2. Основные характеристики жидкокристаллических мониторов;
3. Подключение мониторов на основе ЖК;
4. Установка режимов работы жидкокристаллических мониторов;
5. Принцип работы плазменных дисплеев;
6. Принцип работы электролюминесцентных мониторов;
7. Принцип работы мониторов электростатической эмиссии;
8. Принцип работы органических светодиодных мониторов.
Комментариев нет:
Отправить комментарий