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CRT显示器的工作原理及特性分析

显示器又称监视器,是将一定的电子文件通过特定的传输设备显示到屏幕上再反射到人眼的一种工具。是完成电光转换并将各像素综合成为图像的作用最终把接受到的电视信号在荧光屏上重现出来。它的应用也非常广泛,大到卫星监测、小至看视频,可以说在现代社会里,它的身影无处不在,其结构一般为圆型底座加机身,随着彩显技术的不断发展,现在出现了一些其他形状的显示器,而且越来越明细,而且它们经历了从黑白到彩色,从球面到柱面再到平面直角,直至纯平的发展。在这段加速度前进的历程中,显示器的视觉效果在不断得到提高,色彩、分辨率、画质、带宽和刷新率等各项指标均有大幅度的提升。母前广泛应用的显示器主要分以下几种:CRT(阴极射线管)显示器、LCD(液晶)显示器、PDP(等离子)显示器、LED(发光二极管)显示器等新型的平板显示器。本文重点分析了CRT显示原理和特点,也对它们的基本构造做了相应的介绍。

1、绪论

CRT显示器是一种使用阴极射线管(Cathode Ray Tube)的显示器,在大约2005年以前,电脑基本上都是使用这种显示器。阴极射线管主要有五部分组成:电子枪(Electron Gun),偏转线圈(Deflection coils),荫罩(Shadow mask),荧光粉层(Phosphor)及玻璃外壳。它是目前应用最广泛的显示器之一,CRT纯平显示器具有可视角度大、无坏点、色彩还原度高、色度均匀、可调节的多分辨率模式、响应时间极短等LCD显示器难以超过的优点,最重要的是在CRT和LCD共存的年代,CRT显示器价格要比LCD显示器便宜不少.

2、CRT显像管的基本结构

显像管是将电信号转化的器件,它能实时地将计算机工作情况和结果以光

的形式显示在荧光屏上,具有监视和显示的作用,国外通常叫监视器(即PC、信号、信号处理、电路、控制、场扫描形成电路、行扫描形成电路、视放处、理回路、R、PC 、G、B、供电、回路、市电、90-260V、阴极射线CRT)。国内通常叫显示器。显像管由玻璃制成,它由电子枪、玻壳、荧光屏和管脚四部分组成。下面分别加以叙述。

  CRT显像管的基本结构图

图1 CRT显像管的基本结构图

2.1、电子枪

电子枪由灯丝、阴极、栅极、加速极、聚焦极和阳极组成。显示器的中心处就是电子枪,位于CRT的最底端,是显像管中极为重要的组成部分。从本质上讲,电子枪不过是体积更大、功率更大的二极管。电子枪电子束的发射、调制、加速、聚焦均由电子枪来承担。所以,电子枪是显像管的心脏。显示管用电子枪属于弱流电子枪,由圆筒、圆帽和原片等旋转对称的金属电极同轴排列、装配和固定而成,一般分双电位电子枪(BPF)和单电位电子枪(UPF)。

电子枪的工作原理图

图2电子枪的工作原理图

2.2、玻壳

显像管的屏玻璃、锥体和管颈组成,里面抽成真空。锥体部分内、外壁均涂了一层石墨导电层,内壁涂层接阳极,外壁用弹簧接上金属屏蔽导线接显示器地线(底板),两导电层之间构成数百微法拉的大电容,作为阳极高压过滤之用。玻璃外壳包括管颈、管锥体和屏面玻璃三部分。在里面抽成真空的显像管玻璃外壳管锥体部分的内外壁上分别涂有石墨导电层,内壁涂层接阳极外壁,用弹簧接上金属屏蔽,导线接显示器地线底板,两导电层之间从而形成一个以玻璃为介质、以内外壁石墨层为两个极片的电容器(电容量约为600—1200 pF)。这个电容器可作为第二、四高压阳极的滤波电容,因而在高压供电电路中不必另接高压滤波电容。

在管锥体部分装有高压嘴,它与显像管的内部高压阳极相连,作为高压供电端。内壁石墨层与高压阳极相连,形成一个等电位空间,以保证电子束流进入管锥体空间后能高速径直地飞向荧光屏,不会产生杂乱的偏离或散焦。

1.3 、荧光屏

荧光屏是实现显像管电光转换的关键部位之一,要求发光亮度和发光效率足够高,发光光谱适合人眼观察,图像分辨率高、传递效果好,余辉时间适当,机械、化学、热稳定性好,寿命长。

荧光屏由屏面玻璃、涂覆在玻壳内表面的荧光粉层和叠于荧光粉层上面的铝膜共同组成。为了减少光晕和光反射影响对比度的下降,显像管的管面采用烟灰色玻璃。显像管荧光屏玻璃内壁涂一层荧光膜,受电子轰击而发光。显像管的发光颜色与荧光粉颜色有关,黑白显像管的荧光粉一般用发黄光和发蓝光的两种荧光粉按一定比例混合制成;彩色荧光屏根据三基色原理则需要涂敷红绿蓝三种颜色的荧光粉。在荧光粉层表面蒸度一层0.1—0.5μm的铝膜,并使之与电子枪的阳极相连,电子束很容易通过,可以提高图像显示性能:加大了荧光粉的发射效率和荧光屏的亮度,还可遮挡后面的杂散光,增强了对比度。

荧光粉受电子轰击后受激而发光,在电子束停止轰击后,其光亮的建立和衰减有一过程,通常把电子束停止轰击后光亮并非立即消失的现象称为荧光粉的余辉特性。考虑到重现图像的连续性,显像管的荧光粉应采用中短余辉荧光粉,即余辉时间=5—20ms。

屏幕的亮度取决于荧光粉的发光效率、余辉时间及电子束轰击的功率。另外,荧光屏发光亮度还和阳极高压有关,当阳极高压大于熄点电压后,荧光屏发光亮度随阳极高压增加而呈指数增大,所以提高阳极电压是提高亮度的有效方法之一。

1.4偏转线圈

偏转线圈是CRT显像管的重要组成部件,用以实现图像的行场扫描功能。偏转线圈是套在显像管的锥体部位并与基板上的扫描电路连接。行偏转线圈通有由行扫描电路提供的锯齿波电流,产生垂直方向上线性变化的磁场,使电子束作水平方向扫描。场偏转线圈通有由场扫描电路提供的锯齿波电流,产生一个水平方向线性变化的磁场,使电子束作垂直方向扫描。在行扫描和场扫描共同作用下,屏幕上呈现一幅矩形的光栅。行偏转线圈分为上下两个绕组,绕组外形呈马鞍形。场行偏转线圈一般直接绕在磁环上。

1.4.1、偏转线圈的组成

偏转线圈是由一对水平线圈和一对垂直线圈组成的。每一对线圈由两个圈数相同,形状完全一样的互相串联或并联的绕组所组成。线圈的形状按要求设计、制造而成。当分别给水平和垂直线圈通以一定的电流时,两对线圈分别产生一定的磁场。水平线圈产生的是枕形场,而垂直线圈产生的是桶形场。

偏转线圈的结构图 

图4偏转线圈的结构图

1.4荫罩

荫罩(ShadowMask)是安装在显像管内的一块超薄钢片,它上面刻蚀有40多万个微孔。荫罩可分为孔状荫罩和条栅状(ApertureGrille)荫罩两种类型。理论上讲,孔状荫罩显示器显示图像显示准确,成本相对低些,适合一般场合应用;条栅状荫罩显示器的色彩要明亮一些,加上透光率高,因而图像色彩更艳丽。它更适合于多媒体图形、图象等专业场合应用。即便是仅凭肉眼判断,ApertureGrille设计的显示器确实更出色一些。

荫罩、玻壳和电子枪是组成彩色显像管的三大主要部件,在彩色显像管内,荫罩装于玻壳和电子枪之间,起分色作用。也就是说,没有荫罩,就没有现在普遍使用的CRT彩色电视机。荫罩制造是高精度的化学加工。其生产过程集精细化工、感光材料、化学、照相制版等多门科学于一体。制造荫罩的主要材料是0.08-0.25mm厚的超低碳冷轧钢带,辅助材料有酪素、清洗剂等。荫罩钢带要求严格,如厚度偏差、平整度、表面粗糙度、晶粒度、机械特性等都有很严格的要求,辅助材料亦多采用照相级或分析纯级。

荫罩

图5 荫罩

2、 CRT的工作原理及特性

2.1 CRT的工作原理

CRT(阴极射线管)显示器的核心部件是CRT显像管,其工作原理和我们家中电视机的显像管基本一样,我们可以把它看作是一个图像更加精细的电视机。CRT显示终端主要由电子枪(Electron gun)、偏转线圈(Deflection coils)、荫罩(Shadow mask)、荧光粉层(phosphor)和玻璃外壳五部分组成。经典的CRT显像管使用电子枪发射高速电子,经过垂直和水平的偏转线圈控制高速电子的偏转角度,最后高速电子击打屏幕上的磷光物质使其发光,通过电压来调节电子束的功率,就会在屏幕上形成明暗不同的光点形成各种图案和文字。

简单的理解,CRT显示终端的工作原理就是当显像管内部的电子枪阴极发出的电子束,经强度控制、聚焦和加速后变成细小的电子流,再经过偏转线圈的作用向正确目标偏离,穿越荫罩的小孔或栅栏,轰击到荧光屏上的荧光粉。这时荧光粉被启动,就发出光线来。R、G、B三色荧光点被按不同比例强度的电子流点亮,就会产生各种色彩。

电子枪(Electron gun)的工作原理是由灯丝加热阴极,阴极发射电子,然后在加速极电场的作用下,经聚焦极聚成很细的电子束,在阳极高压作用下,获得巨大的能量,以极高的速度去轰击荧光粉层。这些电子束轰击的目标就是荧光屏上的三原色。为此,电子枪发射的电子束不是一束,而是三束,它们分别受计算机显卡R、 G、 B三个基色视频信号电压的控制,去轰击各自的荧光粉单元。

受到高速电子束的激发,这些荧光粉单元分别发出强弱不同的红、绿、蓝三种光。从而混合产生不同色彩的像素,大量的不同色彩的像素可以组成一张漂亮的画面,而不断变换的画面就成为可动的图像。很显然,像素越多,图像越清晰、细腻,也就更逼真。

偏转线圈(Deflection coils)的作用就是帮助电子枪发射的三支电子束,以非常非常快的速度对所有的像素进行扫描激发。就可以使显像管内的电子束以一定的顺序,周期性地轰击每个像素,使每个像素都发光;而且只要这个周期足够短,也就是说对某个像素而言电子束的轰击频率足够高,我们就会看到一幅完整的图像。有了扫描,就可以形成画面。

荫罩(Shadow mask)的作用是保证三支电子束在扫描的过程中,准确击中每

一个像素。荫罩是厚度约为0.15mm的薄金属障板,它上面有很多小孔或细槽,它们和同一组的荧光粉单元即像素相对应。三支电子束经过小孔或细槽后只能击中同一像素中的对应荧光粉单元,因此能够保证彩色的纯正和正确的会聚,所以我们才可以看到清晰的图像。

最后,场扫描的速度来决定画面的连续感,场扫描越快,形成的单一图像越多,画面就越流畅。而每秒钟可以进行多少次场扫描通常是衡量画面质量的标准,我们通常用帧频或场频(单位为Hz,赫兹)来表示,帧频越大,图像越有连续感。

2.2 CRT的特性

2.2.1调制特性

   调制特性是显像管的基本特性。调制作用是在电子枪内部形成的,表现在屏幕上,电子枪可以看成一个多极管电子束,电流受调制栅极电压对阴极的调制,使荧光粉受电子束轰击功率的调制,发出的光就受到信号电压的调制,称为调制特性。显像管电子枪的调制特性即代表了其电光逛转换控制特性,其实质上是指电子束电流ik与控制栅极、阴极间电压Ugk的关系。根据实测,显像管的调制特性曲线为指数曲线,一般如图2所示。对图2中的指数型曲线。

显像管的调制特性

图2显像管的调制特性

图像信号激励显像管

图3 图像信号激励显像管

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上式中指K为比例常数,指数值γ表示调制特性曲线的增长规律,是显像管电光转换特性的一个重要参数,称为显像管的值。γ越大,曲线越陡峭,信号电压对电子束控制的灵敏度越高。

图3示出正常工作下,图像信号电压及电子枪产生出电子束电流ik的情况。

由于显像管的γ>1,当加入等电平差的阶梯波信号时,ik的级差是逐渐增大的,即失真为亮扩展、暗压缩。通常,黑白显像管的γ值约为2.2,彩色显像管的γ值约为2.8。

显像管的聚焦性直接关系到图像清晰度。电子束的直径大于扫描行距,则相邻两行扫描发生重叠,两行的亮度也就发生混淆。电子束的直径等于0.5行距时,则光栅比较清楚。电子束直径能接近行距,则光栅最清晰。

电子束截面直径是随电子束电流变化的,当调制电压大,时束电流就大。电子束电流直径大,有时超过行距,便会使清晰度降低。屏幕亮度调的过亮时,图像变得模糊,就是电子束电流太大造成的聚焦恶化而引起的。

2.2.2、点距

点距(Dot-Pitch):主要是对使用孔状荫罩来说的,是荧光屏上两个同样颜色荧光点之间的距离。举例来说,就是一个红色荧光点与相邻红色荧光点之间的对角距离,它通常以毫米(mm)表示,见图荫罩上的点距越小,影像看起来也就越精细,其边和线也就越平顺。现在的15/17英寸显示器的点距必须低于0.28,否则显示图像会模糊。条栅状荫罩显示器(使用在SONY的特丽珑或其它特殊显像管上)则是使用线间距或是光栅间距,来计算其中荧光条之间的水平距离。由于点距和间距的计算方式完全不同,因此不能拿来比较,如果真的要比较点距和光栅间距,那么光栅间距或水平点距会比点距稍微大一些。举例来说一个0.25mm的光栅间距大约等于0.27mm的点距

2.2.3、 场频

场频(Vertical Scan Frequency):又称为“垂直扫描频率”,也就是屏幕的刷新频率。指每秒钟屏幕刷新的次数,通常以赫兹(Hz)表示,它可以理解为每秒钟重画屏幕的次数,以85Hz刷新率为例,它表示显示器的内容每秒钟刷新85次。行频和场频结合在一起就可以决定分辨率的高低。另外它与图像内容的变化没有任何关系,即便屏幕上显示的是静止图像,电子枪也照常更新。垂直扫描频率越高,您所感受到的闪烁情况也就越不明显,因此眼睛也就越不容易疲劳。现在的新标准规定,显示器必须场频达到85Hz时的最大分辨率,才是真正的最大分辨率

2.2.4、行频

行频(Horizontal Scan Frequency):指电子枪每秒在荧光屏上扫描过的水平线数量,等于“行数×场频”。显而易见,行频是一个综合分辨率和场频的参数,它越大就意味者显示器可以提供的分辨率越高,稳定性越好。还是以800×600的分辨率、85Hz的场频为例,显示器的行频至少应为“600×85=51kHz”。(注意行频的单位是kHz)

 

2.2.5、分辨率

分辨率(Resolution):分辨率就是屏幕图像的密度,您可以把它想像成是一个大型的棋盘,而分辨率的表示方式就是每一条水平线上面的点的数目乘上水平线的数目。以分辨率为640×480的屏幕来说,即每一条线上包含有640个像素或者点,且共有480条线,也就是说扫描列数为640列,行数为480行。分辨率越高,屏幕上所能呈现的图像也就精细。分辨率不仅与显示尺寸有关,还要受显像管点距、视频带宽等因素的影响。其标准的刷新频率应该是75Hz或是更高,知道分辨率、点距和最大显示宽度就能得出像素值。原理是彩色显像管利用红、绿、蓝荧光点按不同比例合成出各种色彩。比如17″CRT一行中最多只能容纳1421组三原色,只能满足1280个像素点的需要,因此这17″彩显的理想分辨率是1024×768,勉强显示1280×1024,不可能显示1600×1200。标准显像管的计算方法如下:最大显示宽度÷水平点距=像素数,比如标准17″CRT的最大显示宽度是320mm,标称点距是0.28mm,那么首先按0.28×0.866=0.243的公式计算出水平点距,然后再按320÷0.243=1316的公式得出像素数

2.2.6、安全认证

安全认证:TCO92称之为“环境标志”,是由瑞典TCO组织于1991年制定的一个标准,增加了对交流电场(ATF)的限制,致力于降低电磁辐射、节省电力、防火和防电。TCO95涉及的是完整的个人电脑,如显示器、系统单元和键盘,以及人体工学、辐射(除电磁场外,还包括一系列标准和功能:噪音和发热)用电及环境保护(制造材料和生产工艺)等方面。最新的综合性环保及人体工学设计规范,基于TCO 92\ISO\MPR-II;人体工学(ISO 9241)和安全性(IEC 950)标准;电源控制标准(NUTEK);低电磁辐射\低磁场辐射标准。TCO99是目前最新的标准,对显示器提出了最严格的要求,让用户感到最大程度的舒适,同时尽可能保护环境。它所涵盖的测试项目包括电磁波外泄、人体工学、生态学、能源效能,能够阻绝有害电磁波,保障人体安全并且减少对环境的污染。具体在环保方面要求涉及到限制重金属、溴化和氯化阻燃剂、氟里昂及氯化溶剂的存在和使用。能源要求包括电脑或显示器在不工作一段时间后能分一步或几步将能源消耗降低到一个较低的水平,但重新激活电脑的时间在合理范围内。

2.2.7、视频带宽

视频带宽(Band Width):视频带宽指每秒钟电子枪扫描过的总象素数,等于“水平分辨率×垂直分辨率×场频”。与行频相比,带宽更具有综合性也更直接的反映显示器性能,但通过上述公式计算出的视频带宽只是理论值,在实际应用中,为了避免图像边缘的信号衰减,保持图像四周清晰,电子枪的扫描能力需要大于分辨率尺寸,水平方向通常要大25%,垂直方向要大8%,就是所谓的“过扫描系数”,所以实际视频带宽的计算公式为“水平分辨率×125%×垂直分辨率×108%”,即“行帧×135%”。如要显示800×600的画面,并达到85Hz的刷新频率,则实际带宽为“800×600×85×135%=55.1MHz”(带宽单位为MHz)

3. CRT显示器的分类

1)、根据调控方式不同可分为:模拟调节、数字调节和OSD调节

模拟调节是在显示器外部设置一排调节按钮,手动调节亮度、对比度等一些技术参数。由于模拟器件较多,故障的几率较大,而且可调节的内容极少,所以目前已销声匿迹。

数字调节是在显示器内部加入专用微处理器,操作更精确,能够记忆显示模式,而且其使用的多是微触式按钮,寿命长,故障率低。

OSD调节严格说算是数控方式的一种,能以量化的方式将调节直观地反映到屏幕上。

2)、按显像管种类的不同可分为:球面显像管、柱面显像管和纯平显像管

球面管的缺陷非常明显,在水平和垂直方向上都是弯曲的,边角失真现象严重,随着观察角度的改变,图像会发生倾斜,而且容易引起光线的反射,会降低对比度,对人眼的刺激较大。

柱面显像管采用栅式荫罩板,在垂直方向上不存在任何弯曲,在水平方向上略有弧度。目前常见的柱面管可分为单枪三束和三枪三束管。

纯平显像管是CRT彩显的发展方向,纯平显像管在水平和垂直方向上均实现了真正的平面,失真、反光都被减到了最低限,使观看时的聚焦范围增大。

 

4、CRT显示器优缺点

优点:

高对比度、高响应速度 、大尺寸 、使用寿命长 、色域宽、颜色响应准、非常适合出版、绘图等应用。

缺点:

体积大、重量大 、某些CRT存在几何畸变现象 、功耗较大 、运作时会释出少量X射线,有辐射、长时间使用令人眼部不适,容易造成近视 、含有铅,丢弃后会严重污染环境 、易受外来磁场干扰而出现色斑 、假如长时间显示同一画面,该画面会永久以残影形式留在画面。

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