Файл: Характеристики и типы мониторов для персональных компьютеров (Электронно-лучевые трубки).pdf

Введение

Монитор компьютера - это устройство для вывода информации с видеокарты в графической форме, то есть для ее представления в визуальной форме. Главным отличием от телевизора является отсутствие встроенного тюнера, предназначенного для приема высокочастотных сигналов вещания, и декодера сигнала изображения. Современный монитор состоит из экрана, плат управления, блока питания и корпуса. Информация для отображения на мониторе поступает от электронного устройства, которое генерирует видеосигнал. Телевизоры также можно использовать в качестве мониторов, большинство моделей которых уже оснащено низкочастотными входами с 1980-х годов: сначала сигналы RGB, затем VGA и HDMI. Все ранние домашние и некоторые профессиональные компьютеры были разработаны специально для использования телевизора в качестве монитора. Возможность представлять информацию в графической форме имеет много преимуществ по сравнению с другими методами, поэтому огромное количество современных электронных устройств имеют дисплей для ее вывода, и компьютер не является исключением. Хотя он не является существенным элементом для работы компьютера и необходим человеку только для удобного взаимодействия с машиной, тем не менее он считается важным компонентом компьютерной системы, и его выбору уделяется пристальное внимание. Современные компьютерные мониторы формируют изображение растровым способом. Все изображение состоит из множества отдельных пикселей, таких маленьких по размеру и расположенных настолько близко друг к другу, что полученное изображение человеческий глаз воспринимает, как одно целое. Выбор любого компьютера или любого компонента начинается с определения критериев, которые в данном случае являются техническими характеристиками. При его выборе нужно знать, какой размер дисплея нужен, с каким разрешением, как он будет подключаться и для каких целей он будет используется? Чтобы ответить на эти и ряд других вопросов, необходимо знать, какие характеристики мониторов важны, какие не очень, я постараюсь подробно в этом разобраться.

Глава 1. Виды мониторов

Электронно-лучевые трубки

Самым первым появлением на рынке устройства для электронного вывода информации, являлись (ЭЛТ) которые представляют собой электровакуумные устройства, предназначенные для преобразования электрического сигнала в световое изображение с помощью тонкого электронного пучка, направленного на специальный экран, покрытый люминофором - состав, который может светиться при бомбардировке электронами. Трубка имеет нагреваемый оксидом катод с излучающей поверхностью, обращенной к отверстию в модуляторе. Небольшой отрицательный потенциал устанавливается на модулятор относительно катода. Далее вдоль оси трубки расположен фокусирующий электрод, также называемый первым анодом, его положительный потенциал способствует вытягиванию электронов из катодного пространства через отверстие модулятора и образованию из них узкого пучка. Дальнейшая фокусировка и ускорение электронов осуществляется полем второго анода. Его потенциал в трубке самый положительный и составляет единицы - десятки киловольт. Комбинация катода, модулятора и ускоряющего электрода образует электронную пушку. Неоднородное электрическое поле в пространстве между электродами действует на пучок электронов как коллективная электростатическая линза. Электроны под действием этого объектива сходятся к точке внутри экрана. Экран внутри покрыт слоем люминофора - вещества, преобразующего энергию электронного потока в свет. Снаружи место, где поток электронов падает на экран, светится.

Кроме электростатической, также применяется магнитная фокусировка электронного пучка. Для этого используется катушка постоянного тока, в которую вставлен ЭЛТ. Качество магнитной фокусировки выше, однако магнитная фокусировка громоздка и постоянно потребляет энергию. Широко используется (в кинескопах) магнитное отклонение пучка, осуществляемое двумя парами катушек с токами. В магнитном поле электрон отклоняется по радиусу круга, и угол отклонения может быть значительно больше, чем в ЭЛТ с электростатическим отклонением. Однако скорость магнитной отклоняющей системы низкая из-за инерции токовых катушек. Поэтому в осциллографических трубках только электростатическое отклонение луча используется как менее инерционное.

Экран является неотъемлемой частью ЭЛТ (Рисунок 1.).

Рисунок 1. ЭЛТ

В качестве электролюминофоров используются различные неорганические соединения и их смеси, например, сульфиды цинка и цинка-кадмия, силикат цинка, вольфрамиты кальция и кадмия и др. С примесями активаторов (медь, марганец, висмут и др.). Основные параметры люминофора: цвет свечения, яркость, интенсивность светового пятна, светоотдача, послесвечение. Цвет свечения определяется составом люминофора.

Наиболее широко используются два типа электронно-лучевых трубок: осциллографические и кинескопы. Трубки осциллографа предназначены для отображения различных процессов, представленных электрическими сигналами. Они имеют электростатическое отклонение луча, поскольку оно позволяет осциллографу отображать высокочастотные сигналы. Фокусировка, луча также электростатическая. Обычно осциллограф используется в режиме периодического сканирования: пилообразное напряжение с постоянной частотой (напряжение сканирования) подается на пластины горизонтального отклонения от внутреннего генератора сканирования, а усиленное напряжение исследуемого сигнала подается на пластины вертикального отклонения. Если сигнал периодический и его частота в целое число раз превышает частоту развертки, на экране появляется график фиксированного времени сигнала (форма сигнала). Современные осциллографические трубки имеют более сложную конструкцию, они имеют большее количество электродов, также используются двухлучевые осциллографические ЭЛТ, имеющие двойной набор всех электродов с одним общим экраном и позволяющие двум разным сигналам отображаться одновременно. Чтобы лучи, испускаемые электронными пушками, падали на свое место от трех типов люминофора и не освещали соседние области, использовалась теневая решетка, состоящая из множества отверстий, через которые проходили лучи. Благодаря теневой решетке контраст изображения увеличился, так как лучи, проходя от одной части экрана к другой, не касались люминофоров другого типа. Но, в свою очередь, количество пропущенных электронов уменьшилось, что уменьшило яркость картинки. В первых кинескопах в качестве маски использовался тонкий стальной лист с круглыми отверстиями. Такая маска называлась теневой маской, она позволяла позиционировать пучки электронов как можно точнее, но круглые отверстия задерживали довольно большую часть электронов. Впоследствии отверстия были сделаны конусообразными, что позволило увеличить их пропускную способность. Теневая маска обеспечивала высокую точность изображения, но меньшую яркость (по сравнению с щелевой и перевязочной решетками). Такие маски чаще всего используются в мониторах. Впоследствии в телевизионных кинескопах электронные пушки стали располагаться плоско, параллельно земле, что упростило настройку кинескопа и позиционирование луча. Для таких кинескопов в маске были сделаны овальные отверстия, и она называлась щелевой решеткой. Щелевая решетка обеспечивает более насыщенные цвета, чем теневая маска, но менее насыщенная, чем апертурная решетка. Но в то же время результирующее изображение острее, чем у решетки. Однако щелевая решетка склонна к муару. В результате основной областью применения таких кинескопов является телевидение. Естественно, мониторы, используемые в EDSAC, SSEM, CSIRAC и других компьютерах того времени, сильно отличались от современных ЭЛТ-мониторов и больше походили на осциллографы. Но, тем не менее, это были первые попытки вывести информацию не на принтер, а на электронный монитор, что в конечном итоге привело к созданию современного ЭЛТ-монитора.

С 50-х годов практически все компьютеры в той или иной форме использовали трубки с ЭЛТ. Наиболее значимым в этом отношении является компьютер Whirlwind (Вихрь), созданный в 1951 году в США. Он использовался на американской станции противовоздушной обороны SAGE 1 и предназначался для обработки в реальном времени непрерывно поступающего потока данных о состоянии воздушной обстановки и регистрации информации о вторжении самолетов в воздушное пространство США. Естественно, простой обработки данных было недостаточно. Необходимо было отображать полученные данные в режиме реального времени, а именно положение обнаруженных воздушных объектов. Это было невозможно сделать с помощью распространенного в то время телетайпа. Во-первых, для этого потребовалось бы огромное количество бумаги, а во-вторых, информация, напечатанная таким образом, была любимой и требовала значительных усилий и времени для принятия решений, которых у военных не было в случае вторжения самолетов противника.

Поэтому в качестве основного устройства отображения было решено использовать ЭЛТ-монитор, который позволяет визуально и, что наиболее важно, в реальном времени отображать всю информацию, необходимую для работы системы ПВО.

В шестидесятые годы почти все компьютеры были оснащены мониторами, и они начали выпускаться серийно. Для разгрузки центрального процессора ЭЛТ-мониторы были оснащены своими вычислительными ресурсами, и они стали известны как дисплейные станции. Первая такая дисплейная станция была оснащена компьютером DEC PDP-1. Дисплей станции был монохромным, имел ЭЛТ-дисплей диаметром 16 дюймов с разрешением 1024 х 1024 пикселей. Разрешение в векторных мониторах относится к числу точек, которые могут быть установлены как граничные координаты отображаемых сегментов. Вскоре появилась первая коммерческая дисплейная станция IBM 2250. IBM 2250 был разработан в 1964 году и использовался в компьютерах серии System / 360.

Также был разработан IBM 2250, который имел 12 × 12-дюймовый дисплей с разрешением 1024 × 1024 пикселей и поддерживал частоту обновления 40 Гц. Отображаемые символы, цифры и буквы состояли из отдельных сегментов и были максимально упрощены для повышения производительности. В памяти станции отображения были заложены специальные процедуры, которые отвечали за форматирование символов на экране. Таким образом, процессору центрального компьютера нужно было только указать, какой символ и где отображать на экране. Расчет отображаемого символа и управление катодным пучком проводились уже на самой дисплейной станции, что сильно разряжало компьютер. Описанные станции отображения, как и их прототипы, были векторными. Тем временем популярность компьютеров росла. Многие предприятия использовали компьютеры. Но в шестидесятые годы компьютеры были дорогими устройствами, и было невозможно обеспечить всех специалистов своими компьютерами. В результате начали развиваться терминальные системы, в которых компьютеры передавались сразу нескольким пользователям. Доступ к вычислительным ресурсам осуществлялся через специальные терминалы, оснащенные монитором, устройством ввода-вывода и подключенные к удаленному компьютеру.

Одной из первых терминальных систем, оснащенных терминалами с ЭЛТ-мониторами, была система IBM 2848. Эта система была разработана в 1964 году и состояла из одного устройства управления IBM 2848, являющегося прототипом современных видеоадаптеров, которые могли подключать до 8 терминалов IBM 2260. Системные терминалы были оснащены ЭЛТ-мониторами, способными отображать только текст с разрешением 12 строк, по 80 символов в каждой строке. Всего было отображено 64 различных символа (26 букв, 10 цифр, 25 специальных символов и 3 контрольных символа). Более того, текст отображался не на всей области ЭЛТ, а только на небольшой области размером 4 на 9 дюймов.

По сути, эта терминальная система использовалась для работы с компьютерами серии IBM system / 360. Одна из этих систем функционировала с 1969 по 1972 годы в компьютерном центре в Колумбии.

В 1972 году был создан один из первых цветных терминалов - IBM 3279. Такие устройства были чрезвычайно дорогими, поэтому их могли себе позволить только крупные институты. Дон Ланкастер вместе с группой энтузиастов решил эту проблему и создал видеотерминал для компьютеров того времени, который мог бы передавать сигнал на экран телевизора. Среди первых брендов, которые обратили внимание на эту идею, была всемирно известная компания Apple.

Шаг в нужном направлении

В конце 80-х годов произошла настоящая научно-техническая революция. Такие компании, как Apple, TI, Radio Shark, Commodore не только начали массовое производство мониторов: они уже усердно работали над своим дизайном. Конкуренция в этой сфере снизила стоимость на продукцию. В то же время предприимчивые бизнесмены начали выпуск RF-модуляторов, которые могли бы преобразовывать сигнал с композитного видеовыхода и адаптировать его. Но из-за ограниченной пропускной способности те, кто серьезно работал с компьютером, тем не менее приобретали соответствующие мониторы. В 1981 году IBM начала производство мониторов для компьютеров с монохромным дисплеем и видеоадаптером MDA, которые отличались резкими цветами. Для цветных экранов был разработан адаптер CGA, который подключался с помощью специального кабеля.

В 1984 году появился адаптер EGA, который отличался более высоким разрешением и большим количеством цветов. В течение долгого времени не было достойных конкурентов. Со временем инженеры придумали, как избавиться от необходимости подключения отдельного типа монитора для каждого типа адаптера. Монитор MultiSync, динамически поддерживающий ряд разрешений, дал толчок внедрению стандарта VGA. Это произошло в 1987 году, но слоты этого стандарта все еще можно увидеть на бюджетных видеокартах.

В середине 90-х большинство мониторов были бежевого цвета - как для ПК, так и для Mac. Эти недорогие VGA-дисплеи могут работать с целым рядом разрешений. Эксперименты с размерами мониторов позволили создать устройства с диагональю до 21 дюйма, в том числе вертикально ориентированные.

Жидкокристаллические мониторы

В настоящее время технологии плоско панельных и жидкокристаллических мониторов являются наиболее перспективными. Изображение формируется с помощью отдельных элементов, как правило, через систему сканирования. Существует два типа ЖК-мониторов: DSTN (витые нематические с двойным сканированием и двойным сканированием) и TFT (тонкопленочные транзисторы на тонкопленочных транзисторах), также называемые пассивными и активными матрицами соответственно. Такие мониторы состоят из следующих слоев: поляризационный фильтр, стеклянный слой, электрод, контрольный слой, жидкие кристаллы, другой контрольный слой, электрод, стеклянный слой и поляризационный фильтр. Первые компьютеры использовали восьмидюймовые (диагональные) пассивные черно-белые матрицы. С переходом на технологию активной матрицы размер экрана увеличился. Почти все современные ЖК-мониторы используют панели на тонкопленочных транзисторах, обеспечивая яркое, четкое изображение гораздо большего размера.

Простые устройства (электронные часы, телефоны, плееры, термометры и т. д.) могут иметь монохромный или 2-5 цветной дисплей. Многоцветное изображение генерируется с использованием 2008) в большинстве настольных мониторов на основе TN- (и некоторых * VA) матриц, а также во всех дисплеях ноутбуков используются матрицы с 18-битным цветом (6 бит на канал), 24-бит эмулируется мерцанием с дизерингом. Каждый пиксель ЖКД состоит из слоя молекул между двумя прозрачными электродами и двумя поляризационными фильтрами, плоскости поляризации, которые перпендикулярны. В отсутствие жидких кристаллов свет, прошедший через первый фильтр, почти полностью блокируется вторым.

Поверхность электродов, контактирующая с жидкими кристаллами, специально обработана для начальной ориентации молекул в одном направлении. В матрице TN эти направления взаимно перпендикулярны, следовательно, в отсутствие напряжения молекулы выстраиваются в спиральную структуру. Эта структура преломляет свет таким образом, что перед вторым фильтром его плоскость поляризации вращается, и свет проходит через него без потерь. За исключением поглощения первым фильтром половины неполяризованного света, ячейка может считаться прозрачной. Если на электроды подается напряжение, молекулы стремятся выстроиться в направлении поля, которое искажает спиральную структуру. В этом случае силы упругости противодействуют этому, и когда напряжение отключается, молекулы возвращаются в исходное положение. При достаточном значении поля почти все молекулы становятся параллельными, что приводит к непрозрачности структуры. Изменяя напряжение, вы можете контролировать степень прозрачности. Если постоянное напряжение прикладывается в течение длительного времени, жидкокристаллическая структура может разрушаться из-за миграции ионов. Для решения этой проблемы используется переменный ток или изменение полярности поля при каждой адресации ячейки (непрозрачность структуры не зависит от полярности поля). Во всей матрице можно управлять каждой из ячеек по отдельности, но с увеличением их количества это становится трудно осуществить, так как количество требуемых электродов увеличивается. Поэтому адресация строк и столбцов используется практически везде. Свет, проходящий через ячейки, может быть естественным - отражаться от подложки (на ЖК-дисплеях без подсветки). Но чаще всего они используют искусственный источник света, помимо независимости от внешнего освещения, это также стабилизирует свойства получаемого изображения. Таким образом, полноценный ЖК-монитор состоит из электроники, которая обрабатывает входной видеосигнал, ЖК-матрицы, модуля подсветки, блока питания и корпуса. Именно комбинация этих компонентов определяет свойства монитора в целом.