Устройство и принцип работы монитора

Видеосистема компьютера

Самым главным устройством вывода визуальной информации в ПК является дисплей. Наиболее распространены мониторы двух основных типов на основе электронно-лучевой трубки (ЭЛТ) и плоские жидкокристаллические (ЖК). ЭЛТ-мониторы обеспечивают лучшее качество изображения, но в пользу жидкокристаллических мониторов говорит их компактность, небольшой вес, идеально плоская поверхность экрана.

Размер монитора измеряется между противоположными углами видимой части экрана по диагонали. Единица измерения – дюймы. Стандартные размеры: «14»; «15»; «17»; «19»; «20»; «21». В настоящее время наиболее универсальными являются мониторы размером 17 (ЖК) и 19 дюймов (ЭЛТ), а для операций с графикой желательны мониторы размером 19-21 дюйм (ЭЛТ).

Монитор содержит ЭЛТ с видеоусилителями сигналов яркости лучей, генераторы развёрток, блок питания и схемы управления этими узлами. Монитор компьютера должен обеспечивать существенно широкую полосу пропускания видеосигнала. Кроме того, этому монитору приходится работать с разными параметрами синхронизации, которые зависят от выбранного режима разрешения и требований к развёртке. Параметры синхронизации могут меняться в процессе работы, и компьютерный монитор должен отрабатывать эти переключения режимов.

В настоящее время повсеместно используются цветные мониторы. Главным параметром монитора является размер диагонали экрана, который принято измерять в дюймах. Соотношение ширины экрана и его высоты составляет 4:3. Стандартные графические режимы имеют то же соотношение числа точек в строке и числа строк, что позволяет не искажать изображения фигур. Для цветных мониторов важным параметром является размер зерна экрана.

Изображение на экране ЭЛТ-монитора получается в результате облучения люминофорного покрытия остронаправленным пучком электронов, разогнанных в вакуумной колбе. Для получения цветного изображения люминофорное покрытие имеет точки или полоски трех типов, светящиеся красным, зеленым и синим цветом. Чтобы на экране все три луча сходились строго в одну точку и изображение было четким, перед люминофором ставят маску –панель с регулярно расположенными отверстиями или щелями. Крупицы каждого цвета «обстреливаются» из отдельной электронной пушки через теневую маску с отверстиями, соответствующими зёрнам матрицы. Точность попадания лучей именно в свои крупицы обеспечивается тщательностью изготовления кинескопа и настройкой системы сведения лучей. Шаг матрицы зёрен экрана – Dot Pitch – принято измерять в миллиметрах. В первом приближении можно считать, что он совпадает с размером зерна. Однако корректнее перевести параметр Dot Pitch как зернистость экрана. Часть мониторов оснащена маской из вертикальных проволочек, что усиливает яркость и насыщенность изображения. Чем меньше шаг между отверстиями или щелями (шаг маски), тем четче и точнее полученное изображение. Шаг маски измеряют в долях миллиметра. В настоящее время наиболее распространены мониторы с шагом маски 0,24-0,26 мм. Устаревшие мониторы могут иметь шаг до 0,43 мм, что негативно сказывается на органах зрения при работе с компьютером. Модели повышенной стоимости могут иметь значение менее 0,21 мм.

Существует три типа теневых масок, через которые проходит луч: трехточечная маска, щелевая маска и апертурная решетка. Трехточечная маска была самой первой, ее использовали в самых первых цветных телевизорах. Она не претерпела никаких существенных изменений с момента изобретения, разве что стали делать ее из сплава железа с никелем (инвар), что позволило получить более качественную картинку за счет меньшего расширения при высоких температурах. Эта маска так и называется – инваровая. До сих пор от нее никак не могут отказаться, и продолжают совершенствовать.

Апертурную решетку начали использовать совсем недавно. Вместо инваровой маски здесь применяется решетка из тонких вертикальных металлических струн. Такая конструкция меньше затеняет луч, тем самым, позволяя добиться яркого, контрастного и насыщенного цветами изображения. Однако у апертурной решетки есть и минусы. Она очень чувствительна к вибрациям и температурным перепадам. Для устранения недуга в кинескопах стали применять демпферные горизонтальные проволочки – обычно их одна или две. При выводе яркого изображения они становятся заметны, что несколько мешает при работе с графикой, но, в общем, незаметно.

Ученые пошли дальше, и была разработана новая маска. Назвали ее щелевой. Она совместила в себе достоинства двух предыдущих, не повторяя их недостатки. В принципе, это обычная трехточечная теневая маска, но с вертикальными прорезями. На практике кинескопы с апертурной решеткой используются, когда необходимо высокое разрешение, а также высокий уровень резкости и контрастности. Те же, кто постоянно имеет дело с технической графикой, для более точного рисования продолжают использовать кинескопы с трехточечной теневой маской.

На реальную разрешающую способность влияет и полоса пропускания видеотракта. При недостаточно широкой полосе пропускания мелкие детали –точки или вертикальные линии толщиной в один пиксель – могут становиться нечеткими и даже незаметными. В технических данных на монитор обычно указывают предельное разрешение и максимальные частоты развёрток. Оценить предел возможностей позволяет полоса пропускания. Грубо требуемую полосу пропускания можно оценить как произведение частоты горизонтальной развёртки на число точек в строке и на поправочный коэффициент 1,3.

Частота регенерации (обновления) изображения показывает, сколько раз в течение секунды монитор может полностью сменить изображение (поэтому ее также называют частотой кадров). Этот параметр зависит не только от монитора, но и от свойств и настроек видеоадаптера (см, ниже), хотя предельные возможности определяет все-таки монитор. Частоту регенерации изображения измеряют в герцах (Гц). Чем она выше, тем четче и устойчивее изображение, тем меньше утомление глаз, тем больше времени можно работать с компьютером непрерывно. При частоте регенерации порядка 60 Гц мелкое мерцание изображения может быть заметно невооруженным глазом. Сегодня такое значение считается недопустимым. Для ЭЛТ-мониторов минимальным считают значение 75 Гц, нормативным – 85 Гц и комфортным – 100 Гц и более. У жидкокристаллических мониторов изображение более инерционно, так что мерцание подавляется автоматически. Для них частота обновления в 75 Гц уже считается комфортной.

Класс защиты монитора определяется стандартом, которому соответствует монитор с точки зрения требований техники безопасности. В настоящее время общепризнанными считаются следующие международные стандарты: MPR-II, ТСО'92, ТСО-95, ТСО'99 (приведены в хронологическом порядке). Стандарт MPR-II ограничил уровни электромагнитного излучения пределами, безопасными для человека. В стандарте ТСО'92 эти нормы были сохранены, а в стандартах ТСО'95 и ТСО'99' – ужесточены. Эргономические и экологические нормы впервые появились в стандарте ТСО-95, а стандарт ТСО-99 установил самые жесткие нормы по параметрам, определяющим качество изображения (яркость, контрастность, мерцание, антибликовые свойства покрытия).

Большинством параметров изображения, полученного на экране монитора, можно управлять программно. Программные средства, предназначенные для этой цели, обычно входят в системный комплект программного обеспечения.

 

Устройство и принцип работы монитора

 

Видеосистема компьютера состоит из обязательной графической и дополнительной подсистем обработки видео изображений, а так же из двух частей: контроллера дисплея и монитора. Контроллер дисплея – это электроника, создающая изображение, а монитор действительно выводит изображение.

Монитор содержит большую вакуумную трубку, похожую на телевизионную. Передняя часть трубки называется экраном, тыльная часть содержит электронные пушки и окружена управляющими схемами. Некоторые цветные мониторы имеют одну пушку, другие цветные мониторы – три. Изнутри экран покрыт люминофором. Монохромный монитор имеет один (одноцветный) набор люминофорных точек, а цветной – наборы красных, зелёных и синих люминофорных точек или полосок, в зависимости от фирмы изготовителя. На цветном мониторе, непосредственно за экраном находится маска, представляет собой пластину с рядом отверстий. Получив определённый электронный сигнал, пушка излучает поток электронов. Эти электроны выстреливаются на экран. На цветном мониторе электроны проходят отверстия в маске (или ударяются о саму защитную маску, не оказывая на неё никакого воздействия) и попадают в определённую точку экрана. Эта точка или область экрана начинает светиться. Благодаря тому, что люминофор светится при попадании на него электронов, видно точку на экране. Отверстия в маске определяют расстояние между пикселями на экране. Это расстояние называется точечным шагом или разбросом точек монитора и имеет определяющее влияние на чёткость изображения. Разброс точек – это реальное расстояние между точками одного и того же цвета на трубке. Одна электронная пушка выстреливает электронами таким образом, что они поражают зелёные точки, другая –красные, а третьи – синие. Три точки образуют маленький треугольник. Для электронов, которые могут проходить через определённое отверстие в защитной маске, активными являются все три точки (красная, синяя и зелённая). Эти точки рассматриваются, как один пиксел. Любой цвет можно представить сочетанием красного, зелёного и синего. Чтобы получить различные цвета на экране, электроника монитора выборочно включает и выключает электронные пушки и подбирает число выстреливаемых электронов, чтобы изменить интенсивность цветов.

Однако монитор не отображает только один единичный пиксель на экране, когда в вакууме выстреливается поток электронов, они перемещаются по прямой. Вакуумная трубка в мониторе окружена двумя парами электрических пластин. Одна пара отклоняет электронный луч по горизонтали, а другие по вертикали. Электронная схема заряжает и разряжает эти пары пластин, что обеспечивает проникновение электронов во все области экрана. Видео кадр рассматривается как путь, который проходит луч, чтобы зарисовать весь экран. Стартуя от начала кадра (верхний левый угол экрана), луч последовательно проходит через весь экран по горизонтальным строкам, называемыми строками развёртки. Когда луч достигает низа экрана, он преломляется так, что становится невидимым на экране и направляется в верхний левый угол экрана.

Видеоконтроллер посылает различные сигналы для различных видеорежимов. Монитор разделяет эти сигналы для электронных лучей и отклоняющих пластин. Каждый кадр прорисовывается на экране множество раз в секунду, с частотой от 60 до 70 Гц. Эта частота обратного хода луча называется частотой регенерации. Из-за порождающегося мерцания, частота регенерации – основной показатель видеосистемы.

Таким образом, наиболее важными для монитора являются следующие параметры: частота вертикальной (кадровой) развертки, частота горизонтальной (строчной) развертки и полоса пропускания видеосигнала.

Для сужения полосы частот спектра применяется черезстрочная развертка, т.е. полный растр получается за два приема. Сначала за время, равное 1/50 с, передаются (воспроизводятся) только нечетные строки: 1, 3, 5 и т.д. Эта часть растра называется полем нечетных строк или нечетным полукадром. Затем развертывающий электронный луч быстро переводится от нижнего края экрана вверх и попадает в начало 2-й (четной) строки. Далее луч прорисовывает все четные строки: 2, 4, 6 и т.д. Так формируется поле четных строк или четный полукадр. Если наложить оба полукадра друг на друга, то получится полный растр изображения.

На экране жидкокристаллического монитора изображение образуется в результате прохождения белого света лампы подсветки через ячейки, прозрачность которых зависит от приложенного напряжения. Элементарная триада состоит из трех ячеек зеленого, красного и синего цвета и соответствует одному пикселу экрана. Размер монитора по диагонали и разрешение экрана однозначно определяет размер такой триады и, тем самым, зернистость изображения.

LCD (Liquid Crystal Display, жидкокристаллические мониторы) сделаны из 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 в ориентации молекул. Жидкие кристаллы были открыты давным-давно, но изначально они использовались для других целей. Молекулы жидких кристаллов под воздействием электричества могут изменять свою ориентацию и вследствие этого изменять свойства светового луча проходящего сквозь них. На этом свойстве и основаны жидкокристалические дисплеи.

Технология LCD-дисплеев быстро прогрессирует и достигла сегодня весьма высокого совершенства. Черно-белые LCD-дисплеи сегодня не уступают VGA-мониторам на кинескопах. Самыми неприятными недостатками жидкокристаллического считаются высокая инерционность изображения и медлительность, особенно заметные при работе с мышкой или трекболом в любых графических приложениях, например, в среде Windows.

Важнейшим и наиболее перспективным достижением в этой области сегодня является цветной TFT-дисплей или, как его часто называют, активная матрица. Активно-матричные тонкопленочные транзисторные дисплеи принципиально отличаются от обычных LCD-дисплеев, использующих пассивно-матричную технологию.

Каждый пиксель TFT-дисплея содержит отдельный транзистор, управляющий группой из трех цветных точек. Это так называемый «логический пиксель», состоящий из трех жидкокристаллических элементов, видимых сквозь три основных цветовых фильтра – красный, синий и зеленый. Все пиксели изнутри подсвечиваются флюоросцентным цветом. В выключенном состоянии жидкокристаллический элемент поворачивает поляризацию света на 90 проникающего через задний фильтр. В результате свет не может проникнуть через передний поляризующий фильтр. Но при подаче напряжения на поляризующий элемент, поляризация света поворачивается на 90 и свет становится видимым. Таким образом, комбинируя пропускание света через красный, синий и зеленый фильтры, можно в каждом логическом пикселе создать практически любой оттенок с высокой яркостью и насыщенностью цветов и с чрезвычайно высокой контрастностью.

Конструктивно TFT-дисплей представляет собой многослойный «бутерброд» из транзисторов и химических жидкокристаллических материалов, зажатых между двумя стеклянными панелями. Число управляющих транзисторов в таком активно-матричном VGA-дисплее с диагональю 10,4 дюйма приближается к 1 миллиону. Именно поэтому цена TFT-дисплея составляет сегодня более тысячи долларов.

Активно-матричный дисплей обладает поразительными возможностями. Картинка на экране TFT-дисплея обновляется 80 раз в секунду. В пассивно-матричных LCD-дисплеях картинка обновляется примерно 10 раз в секунду.

Первые модели активно-матричных TFT-дисплеев появились в 1991 году, когда на рынок поступили портативные компьютеры фирм Dolch, Sharp и Hitachi с такими цветными жидкокристаллическими дисплеями, воспроизводящими до восьми цветов. Современный TFT-дисплей воспроизводит быстро обновляющуюся картинку с разрешением 800х600 точек, состоящую одновременно из 256 цветов (из палитры в 16 миллионов оттенков). Столь широкий спектр цветовых оттенков позволяет выводить на экране изображения, которые выглядят весьма четко, естественно и живо.

Активная матрица в портативных компьютерах открывает широкие области применения во всех сферах деятельности, где качество графических образов имеет особое важное значение – в системах автоматизированного проектирования, в настольных издательских системах, в деловой и компьютерной графике, в архитектуре и других подобных областях. А со временем активная матрица, вероятно, сможет вытеснить обычные мониторы в настольных компьютерах и даже кинескопы в телевизорах.