Дипломная работа: Усовершенствование характеристик видеотерминальных устройств дисплеев
Дисплей, или монитор, является неотъемлемой частью практически любого персонального компьютера. Тип монитора, его качество и функциональные возможности не только влияют на эффективность использования компьютера, но и определяют уровень используемого программного обеспечения. Нельзя не сказать о том, что через монитор пользователь получает не только полезную информацию от компьютера, но и “побочные эффекты” в виде электромагнитных излучений в различных частотных диапазонах. Далеко не благотворно сказывается на зрении нечеткость, нерезкость или мерцание изображения, только после продолжительной работы, проявляясь в виде утомления, рези в глазах, головной боли и т.д. Следует отметить, что работа с некачественным монитором может привести к необратимым последствиям в организме.
Таким образом, тема, выбранная для дипломной работы, действительно заслуживает внимания. Изучение и систематизация технических и эксплуатационных характеристик видеотерминальных устройств является актуальным не только в теоретическом отношении, но и в плане применения передовых технологий в быту, учебных заведениях, государственных организациях и на промышленных предприятиях.
1 ОСНОВЫ ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ ВИДЕОТЕРМИНАЛЬНЫХ УСТРОЙСТВ
1.1 Интерфейсы мониторов
Приступая к анализу технологических особенностей мониторов, представляется необходимым обратиться к рассмотрению различных интерфейсов, используемых в настоящее время.
Аналоговый интерфейс D-Sub является наследием CRT-мониторов. Главный его недостаток - необходимость двойного аналого-цифрового преобразования сигнала (первый раз цифровые данные преобразуются в аналоговый сигнал в видеокарте, а второй - происходит обратное преобразование в мониторе), что, естественно, не способствует улучшению его качества, особенно в больших разрешениях.
В настоящее время он вытесняется цифровым интерфейсом DVI (Digital Video Interface), посредством которого цифровые данные из видеокарты, минуя цепочку АЦП-ЦАП, подается непосредственно на схему управления матрицы LCD-монитора. Изображение передается на монитор без потерь качества из-за преобразования, кроме того, цифровым способом осуществляется и управление монитором, так что пользователь освобождается от довольно сложной и трудоемкой процедуры "тонкой" подстройки параметров изображения. При этом не стоит упускать из виду, что реальное преимущество от использования интерфейса DVI может проявиться только на мониторах с диагональю 20" и выше, только при наличии достаточно качественной видеокарты. В мониторах с диагональю 15"-19" заметного выигрыша в качестве изображения по сравнению с аналоговым интерфейсом не будет.
В настоящее время интерфейс D-Sub устанавливается в LCD-мониторы в основном для обеспечения их совместимости со старыми видеокартами, не имеющими DVI выхода, в первую очередь - системных плат с интегрированным видео. И лишь только самые дешевые бюджетные модели LCD-мониторов используют интерфейс D-Sub в качестве основного и вообще не имеют DVI-входа.
Интерфейс DVI имеет три варианта реализации:
- DVI-D - базовый интерфейс, обеспечивающий только "цифровое" подключение;
- DVI-I - расширенный вариант интерфейса DVI-D, наиболее часто встречающийся в настоящее время. Обеспечивает передачу как цифрового, так и аналогового сигнала, для которого в кабеле выделены специальные линии;
- DVI-A - используется только для передачи аналоговых данных. Физически реализуется в качестве переходника (или, что гораздо реже, кабеля) для подключения к разъему DVI-I.
Кабеля типов DVI-D и DVI-I могут быть двух типов: Single- или DualLink. Кабель первого типа, в соответствии со своим названием, содержит только один канал DVI и обеспечивает разрешение до 1920х1080. Но для новых 30" мониторов, разрешение которых достигло 2560 x 1600 пикселей, пропускной способности кабеля SingleLink явно не хватит, и выход был найден в объединении двух таких интерфейсов в едином варианте - получился интерфейс DualLink. Естественно, и видеокарта должна поддерживать DualLink, т.е. иметь два автономных DVI выхода.
В последнее время применяется новый стандарт передачи видеосигнала HDMI (High-Definition Multimedia Interface). Его достоинством является одновременная передача как видео, так и аудио, что более актуально в бытовой технике.
Что же касается собственно передачи видеосигнала, то в этом отношении HDMI не имеет каких-либо реальных преимуществ перед DVI.
1.2 Анализ ЭЛТ-мониторов
Сегодня наиболее распространенный тип мониторов - это CRT (Cathode Ray Tube) мониторы. Как видно из названия, в основе всех таких мониторов лежит катодно-лучевая трубка - электронно-лучевая трубка (ЭЛТ). CRT расшифровывается как Cathode Ray Terminal, что соответствует уже не трубке, а устройству, на ней основанному.
Используемая в этом типе мониторов технология была разработана немецким ученым Фердинандом Брауном в 1897г. и первоначально создавалась в качестве специального инструмента для измерения переменного тока, то есть для осциллографа.
Конструкция ЭЛТ – монитора.
Самым важным элементом монитора является кинескоп, называемый также электронно- лучевой трубкой (см. приложение А, рис 1.). Кинескоп состоит из герметичной стеклянной трубки, внутри которой находится вакуум, то есть весь воздух удален. Один из концов трубки узкий и длинный - это горловина, а другой - широкий и достаточно плоский - это экран. С фронтальной стороны внутренняя часть стекла трубки покрыта люминофором. В качестве люминофоров для цветных ЭЛТ используются довольно сложные составы на основе редкоземельных металлов - иттрия, эрбия и т.п. Люминофор - это вещество, которое испускает свет при бомбардировке его заряженными частицами. Заметим, что иногда люминофор называют фосфором, но это не верно, т.к. люминофор, используемый в покрытии ЭЛТ, ничего не имеет общего с фосфором. Более того, фосфор "светится" в результате взаимодействия с кислородом воздуха при окислении до P2 O5 и "свечение" происходит небольшое количество времени.
Для создания изображения в ЭЛТ-мониторе используется электронная пушка, откуда под действием сильного электростатического поля исходит поток электронов. Сквозь металлическую маску или решетку они попадают на внутреннюю поверхность стеклянного экрана монитора, которая покрыта разноцветными люминофорными точками. Поток электронов (луч) может отклоняться в вертикальной и горизонтальной плоскости, что обеспечивает последовательное попадание его на все поле экрана. Отклонение луча происходит посредством отклоняющей системы (см. приложение А, рис 2.). Отклоняющие системы подразделяются на седловидно-тороидальные и седловидные. Последние предпочтительнее, поскольку создают пониженный уровень излучения.
Отклоняющая система состоит из нескольких катушек индуктивности, размещенных у горловины кинескопа. С помощью переменного магнитного поля две катушки создают отклонение пучка электронов в горизонтальной плоскости, а другие две - в вертикальной.
Изменение магнитного поля возникает под действием переменного тока, протекающего через катушки и изменяющегося по определенному закону (это, как правило, пилообразное изменение напряжения во времени), при этом катушки придают лучу нужное направление. Путь электронного луча на экране схематично показан в приложении Б, рис. 3. Сплошные линии - это активный ход луча, пунктир - обратный.
Частота перехода на новую линию называется частотой горизонтальной (или строчной) развертки. Частота перехода из нижнего правого угла в левый верхний называется частотой вертикальной (или кадровой) развертки. Амплитуда импульсов перенапряжения на катушках строчной развертки возрастает с частотой строк, поэтому этот узел оказывается одним из самых напряженных мест конструкции и одним из главных источников помех в широком диапазоне частот. Мощность, потребляемая узлами строчной развертки, также является одним из серьезных факторов учитываемых при проектировании мониторов.
После отклоняющей системы поток электронов на пути к фронтальной части трубки проходит через модулятор интенсивности и ускоряющую систему, работающие по принципу разности потенциалов. В результате электроны приобретают большую энергию, часть из которой расходуется на свечение люминофора.
Электроны попадают на люминофорный слой, после чего энергия электронов преобразуется в свет, т.е. поток электронов заставляет точки люминофора светиться. Эти светящиеся точки люминофора формируют изображение, которое вы видите на вашем мониторе. Как правило, в цветном CRT мониторе используется три электронные пушки, в отличие от одной пушки, применяемой в монохромных мониторах, которые сейчас практически не производятся.
Известно, что глаза человека реагируют на основные цвета: красный (Red), зеленый (Green) и синий (Blue) и на их комбинации, которые создают бесконечное число цветов. Люминофорный слой, покрывающий фронтальную часть электронно-лучевой трубки, состоит из очень маленьких элементов (настолько маленьких, что человеческий глаз не всегда может различить их). Эти люминофорные элементы воспроизводят основные цвета, фактически имеются три типа разноцветных частиц, чьи цвета соответствуют основным цветам RGB (отсюда и название группы из люминофорных элементов - триады). Люминофор начинает светиться, как было сказано выше, под воздействием ускоренных электронов, которые создаются тремя электронными пушками. Каждая из трех пушек соответствует одному из основных цветов и посылает пучок электронов на различные люминофорные частицы, чье свечение основными цветами с различной интенсивностью комбинируется и в результате формируется изображение с требуемым цветом. Например, если активировать красную, зеленую и синюю люминофорные частицы, то их комбинация сформирует белый цвет (см. приложение Б, рис. 4).
Для управления электронно-лучевой трубкой необходима и управляющая электроника, качество которой во многом определяет и качество монитора. Кстати, именно различие в качестве управляющей электроники, создаваемой разными производителями, является одним из критериев определяющих разницу между мониторами с одинаковой электронно-лучевой трубкой.
Каждая пушка излучает электронный луч (или поток, или пучок), который влияет на люминофорные элементы разного цвета (зеленого, красного или синего). Электронный луч, предназначенный для красных люминофорных элементов, не должен влиять на люминофор зеленого или синего цвета. Чтобы добиться такого действия используется специальная маска структура которых зависит от типа кинескопов разных производителей, обеспечивающая дискретность (растровость) изображения. ЭЛТ можно разбить на два класса - трехлучевые с дельтаобразным расположением электронных пушек и с планарным расположением электронных пушек. В этих трубках применяются щелевые и теневые маски, хотя правильнее сказать, что они все теневые. При этом трубки с планарным расположением электронных пушек еще называют кинескопами с самосведением лучей, так как воздействие магнитного поля Земли на три планарно расположенных луча практически одинаково и при изменении положения трубки относительно поля Земли не требуется производить дополнительные регулировки.