CRT顯示器的工作原理

CRT顯示器的工作原理

彩色顯示器的基本構(gòu)造框圖

光柵掃描示意圖

5X7字符點(diǎn)陣

盡管顯示器的新品層出不窮，但CRT（Cathode Ray Tube，陰極射線管）的基本工作原理一直沿用了幾十年，直到今天也沒有太大的變化。顯示器是一種復(fù)雜的設(shè)備，其擴(kuò)展性和可靠性也十分驚人，在這一方面，電子控制起了很大的作用，任何機(jī)械都會(huì)有磨損，唯有用電子元件才能延長(zhǎng)壽命，甚至能適應(yīng)數(shù)千小時(shí)的工作。電子槍是顯像管的核心，它發(fā)出的電子束擊中光敏材料（熒光屏），刺激熒光粉就能產(chǎn)生圖像。實(shí)際上，電子槍和大體積、功率強(qiáng)勁的二極管沒有什么區(qū)別，其原理也適用于電視機(jī)和示波器。

　　 1、生成圖像

　　 CRT分為幾個(gè)部分：Deflection Coil（偏轉(zhuǎn)線圈）用于電子槍發(fā)射器的定位，它能夠產(chǎn)生一個(gè)強(qiáng)磁場(chǎng)，通過改變強(qiáng)度來移動(dòng)電子槍。線圈偏轉(zhuǎn)的角度有限，當(dāng)電子束傳播到一個(gè)平坦的表面時(shí)，能量會(huì)輕微地偏移目標(biāo)，僅有部分熒光粉被擊中，四邊的圖像都會(huì)產(chǎn)生彎曲現(xiàn)象。為了解決這個(gè)問題，顯示器生產(chǎn)廠把顯像管制造成球形，讓熒光粉充分地接受到能量，缺點(diǎn)是屏幕將變得彎曲。電子束射擊由左至右，由上至下的過程稱為刷新，不斷重復(fù)地刷新能保持圖像的持續(xù)性。

　　 2、混合顏色

　　 舊式的顯示器只有單一的電子槍，僅能產(chǎn)生黑白兩種顏色，即是傳說中的Monochrome Monitor（單色顯示器）。新一代顯示器有三只電子槍，每個(gè)電子槍都有獨(dú)立的偏轉(zhuǎn)線圈，分別發(fā)出RGB（Red、Blue、Green，紅、藍(lán)、綠）三束光線，混合光線可以產(chǎn)生1600萬種顏色，或者說真彩色。某些顯示器能用一個(gè)電子槍發(fā)出三束光線，經(jīng)過混合亦能生成其它顏色。生成彩色圖像電子槍要掃描屏幕三次，其過程比黑白圖像復(fù)雜得多。

　　 3、回轉(zhuǎn)變壓器（Flyback Transformer）

　　 回轉(zhuǎn)變壓器類似發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火線圈，在特定時(shí)間發(fā)出一個(gè)低能量信號(hào)給回轉(zhuǎn)磁線圈，并生成磁場(chǎng)。當(dāng)?shù)湍芰吭搓P(guān)閉后，磁線圈的能量轉(zhuǎn)移到高能量輸出中，最后傳到電子槍發(fā)出電子束。依照CRT尺寸的不同，產(chǎn)生的能量也各有差異，通常在10000伏至50000伏之間。當(dāng)電子槍完成一條線的掃描后，回轉(zhuǎn)變壓器會(huì)放出能量，關(guān)閉電子槍并消去磁場(chǎng)，強(qiáng)制光束發(fā)到屏幕的其它位置，就能畫出下一條線。在顯示器開啟時(shí)，不要直接觸摸CRT，它帶有上萬伏的電壓，你會(huì)被擊傷并導(dǎo)致死亡。

　　 4、垂直和水平同步

　　 垂直和水平是CRT中兩個(gè)基本的同步信號(hào)，水平同步信號(hào)決定了CRT畫出一條橫越屏幕線的時(shí)間，垂直同步信號(hào)決定了CRT從屏幕頂部畫到底部，再返回原始位置的時(shí)間，垂直同步也可以稱為刷新率。顯卡把這兩個(gè)參數(shù)提供給顯示器，顯示器用它們來驅(qū)動(dòng)內(nèi)部振蕩電路，確定顯示器與當(dāng)前顯卡的設(shè)置相同。標(biāo)準(zhǔn)電視機(jī)的水平同步信號(hào)=512線×30幀/秒=15.75kHz，顯示器的水平同步信號(hào)可任意調(diào)節(jié)，幅度在15.75kHz－95Khz之間。把水平同步信號(hào)反轉(zhuǎn)能夠得出掃描一條線的時(shí)間，即1/17.75Khz=63.5微秒。在垂直折回脈沖使電子槍關(guān)閉后，電子槍會(huì)返回原來位置，電視機(jī)掃描一幀圖像要返回525次。因?yàn)镃RT的頻繁開關(guān)和掃描切換，在屏幕上實(shí)際表現(xiàn)出來的線數(shù)比525要少一些，約為428－399條線。

　　 5、交錯(cuò)和非交錯(cuò)

　　 顯示器表現(xiàn)的是靜態(tài)畫面，并以連續(xù)的畫面來組成動(dòng)畫，由于電腦畫面是隨機(jī)的，無法預(yù)先錄制，在玩3D游戲時(shí)就會(huì)感到畫面的過渡出現(xiàn)停頓感。為了追求顯示畫面的速度，需要采用的二種不同掃描方式。電視機(jī)采用的是交錯(cuò)（Interlace）掃描，機(jī)器本身刷新速度不足，每一幀都要刷新兩次，由于人眼的視覺暫停原理，會(huì)感到畫面是連續(xù)播入的，缺點(diǎn)是人眼能發(fā)現(xiàn)兩次刷新的不同，感到屏幕有閃爍，長(zhǎng)時(shí)間觀看容易使眼睛疲勞。顯示器的隔行掃描與之相近，但有少許不同。電視機(jī)能穩(wěn)定運(yùn)行在30Hz，或30幀/秒，但早期CRT并不能保持刷新率不變，磁偏轉(zhuǎn)線圈常常影響著電子束的發(fā)射，有時(shí)還會(huì)減弱電子束，以及熒光粉的發(fā)熱時(shí)間的限制，導(dǎo)致上半部分屏幕比下半部分屏幕更亮，所以我們不能再沿用電視機(jī)的技術(shù)，必須有所突破。后來，人們采用了分線刷新的方法，第一次掃奇數(shù)行、第二次掃偶數(shù)行，缺點(diǎn)是每做一樣工作要刷新兩個(gè)周期，顯示器的反應(yīng)較慢，當(dāng)然，畫面閃爍是少不了的。不過，也因此而增加了顯示器的刷新速度，以30fps的頻率實(shí)現(xiàn)60fps圖像亦變?yōu)榭赡?，避免了顯像管負(fù)荷過重而燒毀。幸運(yùn)的是，在熒光粉發(fā)熱時(shí)間和穩(wěn)定性增加，以及電子槍得到重大改進(jìn)的今天，上述發(fā)生早期CRT應(yīng)用的問題亦不復(fù)再現(xiàn)。

　　 6、金屬隔板技術(shù)

　　 點(diǎn)狀陰罩（Shadow Masks）指電子槍和熒光屏之間放置一個(gè)金屬隔板，上面有許多小洞讓電子通過。其作用是防止一個(gè)熒光點(diǎn)加熱時(shí)傳導(dǎo)到附近的點(diǎn)，分離顯示器的色彩。在陰罩技術(shù)方面，有兩點(diǎn)最重要：一是如何使用更薄的金屬來制造隔板，并縮小點(diǎn)與點(diǎn)之間的位置（Dot Pitch，點(diǎn)距），讓它與屏幕上的點(diǎn)一一對(duì)應(yīng)；二是如何修正電子束的顏色，讓它更符合要求。

　　 陰罩的主要缺點(diǎn)是金屬板會(huì)隨著能量的變化而產(chǎn)生彎曲，特別是在高亮度的情況下，需要更多的能量來戰(zhàn)勝陰罩的阻抗，彎曲會(huì)更加嚴(yán)重。金屬板變形使電子束偏離原定目標(biāo)，顯示的畫面會(huì)模糊不清。為此，人們只好不斷尋找合適制造陰罩的金屬，目前效果最好的是INVAR（不脹銅），它是鎳/鐵合金，膨脹率幾乎為零。陰罩的第二個(gè)缺點(diǎn)是屏幕彎曲會(huì)產(chǎn)生刺眼的眩光，用AGC（Anti Glare Coatings，防眩光涂層）能解決這個(gè)問題。

　　 Aperture Grills（柵條式金屬板）的原理和陰罩差不多，只是圓孔換成了垂直的柵條，增加了電子束的穿透率。由于柵條是垂直的，可以使用柱面顯像管，在垂直方向?qū)崿F(xiàn)完全平面。缺點(diǎn)是金屬板過熱會(huì)導(dǎo)致柵條間隔變小，顯示圖像模糊。除此之外，柵條的微小振動(dòng)也會(huì)導(dǎo)致畫面顫抖。Sony的Trinitron（特麗瓏）采用了兩條水平金屬線來固定柵條的位置，雖然在高亮度時(shí)可以見到約隱約現(xiàn)的金屬線，但并不影響畫面的完整。

　　 slot mask（槽狀陰罩）是NEC和Panasonic開發(fā)的新技術(shù)，它結(jié)合了傳統(tǒng)陰罩和柵條金屬板的優(yōu)點(diǎn)，以重直長(zhǎng)方形柵條代替了舊式的圓點(diǎn)，增加了電子束的穿透率。不過，它仍然無法避免金屬板的變形，唯有沿用原有的球狀顯像管。另外，槽的形狀還要盡量接近電子束的外形，防止熒光粉受到過多的能量照射。