阴级射线管显示技术.ppt
第2章 阴极射线管(CRT)显示技术 2.1 CRT显示器的基本结构与工作原理 2.1.1 黑白CRT显示器的基本结构与工作原理 2.1.2 彩色CRT显示器的基本结构与工作原理 2.1.3 CRT显示器的主要单元 2.2 CRT显示器的驱动与控制 2.2.1 CRT显示器相关技术 2.2.2 CRT显示器驱控电路 2.3 CRT显示器的特点、性能指标及发展历史 2.3.1 CRT显示器的特点 2.3.2 CRT显示器的性能指标 2.3.3 CRT显示技术的发展历史,2.1 CRT显示器的基本结构与工作原理 CRT显示器是一种使用阴极射线管技术(Cathode Ray Tube)的显示器，主要分为黑白CRT显示器和彩色CRT显示器两大类。CRT显示器的核心部件是CRT显像管（即阴极射线管），其主要由五部分组成：电子枪(Electron Gun)（显像管的核心）偏转线圈(Defiection coils)荫罩(Shadow mask)荧光粉层(Phosphor)玻璃外壳,经典的CRT显像管使用电子枪发射高速电子，经过垂直和水平偏转线圈来控制高速电子的偏转角度，最后高速电子轰击屏幕上的磷光物质使其发光。通过电压调制方式调制电子枪发射电子束的功率，就会在屏幕上形成明暗不同的光点，形成各种图案和文字。,2.1.1 黑白CRT显示器的基本结构与工作原理,黑白CRT，即单色(Monochrome Monitor)CRT，只有单一的电子枪，仅能产生黑白两种颜色。它的主要用途是电视机、显示器、以及在工业控制设备中用作监视器。黑白CRT主要由圆锥形玻壳、玻壳正面的荧光显示屏、封入玻壳中发射电子束用的电子枪系统和位于玻壳之外控制电子束偏转扫描的磁轭器件四部分组成。,黑白CRT的结构示意图,结构中灯丝、阴极（K）、第一控制栅极（G1或称调制器）、加速极（G2或称屏蔽极）构成发射系统；第二阳极G3、聚焦极G4、高压阳极G5构成聚焦系统。工作时，电子枪中阴极（K）被灯丝加热至200K时，阴极（K）大量发射电子。电子束首先被加在第一控制栅极的视频电信号所调制，然后经加速和聚焦后，高速轰击荧光屏上的荧光体，荧光体发出可见光。电子束的电流是受显示信号控制的，信号电压高，电子枪发射的电子束流也越大，荧光体发光亮度也越高。最后通过偏转磁轭控制电子束，在荧光屏上从上到下，从左到右依次扫描，从而将图像或文字完整地显示在荧光屏上。,2.1.2 彩色CRT显示器的基本结构与工作原理 彩色CRT相比于黑白CRT,结构上主要是有三只电子枪、三组偏转线圈、增加荫罩结构等不同之处。彩色CRT是利用三基色图像叠加原理实现彩色图像的显示。荧光屏上的每一个像素由产生红(R)、绿(G)、蓝(B)的三种荧光体组成，同时电子枪中设有3个阴极，分别发射电子束，轰击对应的荧光体。红(R)、绿(G)、蓝(B)三原色组合产生彩色视觉。荫罩式彩色CRT是目前占主导地位的彩色显像管（德国人Fleshsig在1938年提出的）。其基本结构如下图所示：,彩色CRT的结构示意图,荫罩是设置在荧光面内侧的选色电极。一般荫罩式CRT的荫罩是一层类似筛子的网罩，电子束通过网眼打在呈三角形排列的荧光点上，以防止每个电子束轰击另外两个颜色的荧光体。,荫罩型彩色CRT中，在玻壳荧光屏的内面形成点状红、绿、蓝三色荧光体，并且均有铝膜金属覆层。在离荧光面一定距离处设置荫罩。荫罩焊接在支持框架上，并通过显示屏侧壁内面设置的紧固钉将荫罩固定在显示屏内侧。,彩色CRT工作原理,荫罩与荧光屏的距离可根据几何关系由下式确定：(2-1)(2-2)式中：为荫罩与荧光屏的距离；为孔距放大率；为从电子枪到荧光面的距离；为电子枪的束间距；为电子束排列方向的荫罩孔距；为电子束排列方向的荧光屏上同一色荧光体的点间距。,整体工作过程：由灯丝、阴极、控制栅组成电子枪，通电后灯丝发热，阴极被激发，发射出电子流，电子流受到带有高电压的内部金属层的加速，经过电子透镜聚焦形成极细的电子束，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屏上的三原色荧光粉层。,电子枪发射的电子束不是一束，而是三束，电子束在偏转磁轭产生的磁场作用下，可以控制其射向荧光屏的指定位置，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。根据空间混色法(将三个基色光同时照射同一表面相邻很近的三个点上进行混色的方法)产生丰富的色彩，这种方法利用人们眼睛在超过一定距离后分辨力不高的特性，产生与直接混色法相同的效果。用这种方法可以产生不同色彩的像素，而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。,2.1.3 CRT显示器的主要单元 1.电子枪 电子枪是显像管中极为重要的组成部分。电子束的发射、调制、聚焦均由电子枪来完成。电子枪产生电子束，以轰击荧光屏上的荧光粉发光。为了在屏幕上得到亮而清晰的图像，要求电子枪产生较大的电子束电流，并且能够在屏幕上聚成细小的扫描点（约0.2mm）。此外，由于电子束电流受外加电信号的调制（电子束强度在变化），因而电子枪应有良好的调制特性。在调制信号控制过程中，扫描点不应有明显的散焦现象。,电子枪外型示意图,电子枪内部结构示意图,电子枪是由灯丝（用H、HT或F表示）、阴极（用K表示，彩色显像管有三个阴极，分别用RK、GK、BK表示）、栅极（用G1表示）、加速极（用G2表示）、高压阳极（用G或V表示）组成。,电子枪中各部分的作用：(1)灯丝通电后将电能转变成热能并对阴极加热，使阴极表面产生600-800度的高温，创造一个使阴极发射电子的外部条件（光电效应）。(2)阴极呈圆筒状，装在圆筒内部，顶端涂有钡锶钙的氧化物，灯丝通电时，阴极受热后发射大量电子。(3)栅极栅极套在阴极外面（加负压），是一个金属圆筒，顶端开有小孔以让电子束通过（距离阴极小于1mm）。改变与阴极的相对电位可以控制电子束的强弱。视频信号就是加在栅极上，通过信号电压来调制其通过的电子数目，改变显像管束电流的大小，从而控制荧光屏的亮度。,(4)加速极它也是顶部开有小孔的金属筒，其位置紧靠栅极。通常在加速极上加有几百伏的正电压，它能控制阴极发射的电子束到达荧光屏的速度。(5)聚集极彩色显像管聚集极通常加58KV电位。聚集极、加速极及高压极一起构成一个电子透镜，使电子束会聚成一个细束轰击荧光粉层。(6)高压阳极建立一个强电场，使电子束以极快的速度轰击荧光屏上的荧光粉。高压阳极通常为2234KV。,2.荧光屏 荧光屏，是由涂覆在玻璃壳内的荧光粉和叠于荧光粉层上面的铝膜共同组成的。工作的时候荧光屏后面的电子枪发射电子束打在荧光粉上，于是一部分荧光粉亮起来，显示出字符或者图像。荧光屏是实现CRT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，图像传递效果好，余辉时间适当，机械、化学、热稳定性好，寿命高。,CRT的发光性能首先取决于所用的荧光粉材料，因为靠它完成显像管的电光转换功能。荧光粉的发光效率是指每瓦电功率能获得多大的发光强度。荧光粉的重要特性参数：余辉时间。当电子束轰击荧光粉时，荧光粉的分子受激而发光，而当电子束的轰击停止后，荧光粉的发光并非立即消失，而是按指数规律衰减，即余辉特性。,一般把余辉分成三类：余辉时间长于0.1s的称为长余辉发光；余辉时间介于0.1s至0.001s的称为中余辉发光；余辉时间短于0.001s的称为短余辉发光。余辉太长，则同一像素第一帧余辉未尽而第二帧扫描又到了，前一帧的余辉会重叠在后一帧图像上，整个图像便会模糊。若余辉时间太短，屏幕的平均亮度将会减低。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等。荧光粉的发光效率高时屏幕较亮，余辉时间长平均亮度也较大。,屏幕亮度除了与余辉时间有关外，还取决于电子束的电流密度和屏幕电压的高低。因此屏幕亮度可表示为：欲增大亮度可以加大电流密度和电压。两者中以提高电压更为有效。,如果不加偏转电压，经过加速聚焦的具有很高动能的电子束轰击荧光面时，仅能在荧光屏中心位置产生亮度很高的光点，难以成像；偏转系统能依据输入的携带着电子束位置信息的信号使电子束在向荧光屏行进途中轨迹发生偏转，以控制电子束到达荧光屏上的位置。,3.偏转系统 显像管中电子束的扫描是通过偏转系统来实现的。偏转线圈是CRT显像管的重要部件之一。,偏转线圈因此分为行（水平）偏转线圈和场（垂直）偏转线圈。它们分别通有由行和场扫描电路提供的锯齿波电流，产生水平和垂直方向上线性变化的磁场，使电子束作相应方向的扫描。在行扫描和场扫描共同作用下，有规律的从上到下从左到右控制电子束的运动。偏转线圈通常采用磁偏转，因为它像差小，在阳极高电压下适合于大角度偏转。,为了显示一幅图像，必须让电子束在水平方向和垂直方向上同时偏转并扫描，使荧光屏上任一点都能发光。,4.荫罩 荫罩、玻壳和电子枪是组成彩色显像管的三大主要部件，只在彩色显象管内使用，荫罩装于玻壳和电子枪之间，起分色作用。荫罩材质都为金属，形状有点状、沟槽状、栅状等。它们对电子束透过率不同（依次约为50%，70%，90%）。,5.玻璃管壳 玻璃管壳通常由屏幕玻璃、锥体、管颈三部分组成。锥度有国家标准，比如70、90、110和114等。用普通玻璃做CRT的外围器件，是因为透明性高，能耐受真空并能吸收从内部发生的X射线。,1、图像生成 CRT中的偏转线圈用于电子枪发射束的定位。它能依据输入的携带着电子束位置信息的信号使电子束在向荧光屏行进途中轨迹发生偏转，控制电子束到达屏上的位置。偏转线圈能够产生一个强磁场，通过改变强度来移动电子束方位。线圈偏转的角度有限，当电子束射到一个平面时，能量会轻微地偏移目标，仅有部分荧光粉被击中，四边的图像都会产生弯曲现象。为此，显示器生产厂把显像管做成球形，但现在常采用动态聚焦技术做补偿。电子束发射由左至右、由上至下扫描和刷新，在屏幕上形成光栅图样，不断刷新就形成了连续的图像。,2.2 CRT显示器的驱动与控制 2.2.1 CRT显示相关技术,2、辉（灰）度及颜色 单色CRT 只需要对辉度进行控制，而彩色CRT还需要增加对颜色的控制，辉度和颜色都是通过电流量来控制的。,辉度和信号幅度的关系,电流控制方式有栅极(G1)驱动方式和阴极驱动方式。栅极(G1)驱动方式中，在电子枪的栅极/阴极间施加不同的电压，就可以得到相应的辉度。,彩色CRT的颜色显示是通过R、G、B三个电子束各自的电流(由电压调制)来调制的。R、G、B各色输入阶数的乘积，决定了显示器显示的色彩数。例如：输入16阶，可显示4096种颜色。若输入256阶，混合光线可以产生1600万种颜色。,3、回转变压器 回转变压器类似发动机点火线圈，在特定时间先发出一个低能量信号给回转磁线圈，并生成磁场。当低能量源关闭后，磁线圈的能量转移到高能量输出中，最后传到电子枪发出电子束。当电子枪完成一条线的扫描后，回转变压器会放出能量，关闭电子枪并消去磁场，强制光束回到屏幕的其它位置，就能画出下一条线。,4、金属隔板技术 金属隔板即荫罩，其作用是防止一个荧光点加热时传导到附近的点，起分离色彩的作用。在荫罩技术方面，有两点最重要：一是如何使用更薄的金属来制造隔板，并缩小点与点之间的位置，与屏幕上的点一一对应；二是如何修正电子束的颜色。荫罩的主要缺点是金属板会随着能量的变化而产生弯曲。金属板变形使电子束偏离原定目标，显示的画面会模糊不清。目前效果最好的是不胀铜材料(膨胀率几乎为零)，并用AGC防眩光涂层解决眩光问题。其实各大CRT公司制造的荫罩有很多不同，都是为克服一定缺陷并兼顾质量成本而研究出来的。,5、垂直和水平同步 垂直和水平是CRT中两个基本的同步信号。水平同步信号决定了CRT画出一条横越屏幕线的时间，垂直同步信号决定了CRT从屏幕顶部画到底部，再返回原始位置的时间。标准电视机的水平同步信号=525线30帧/秒=15.75kHz，显示器的水平同步信号可任意调节，幅度在15.75KHz95KHz之间。把水平同步信号反转能够得出扫描一条线的时间，即1/15.75KHz=63.5s。电视机扫描一帧图像要返回525次。因为CRT的频繁开关和扫描切换，在屏幕上实际表现出来的线数比525要少一些，一般约为428399条线。,6、交错和非交错技术,交错和非交错为显示器扫描的两种方式。交错扫描是将扫描线分为奇数条与偶数条，在扫描时先扫奇数条，再扫偶数条，每一帧图像会刷新两次。利用人眼睛的视觉暂留特性，荧屏上的画面即可呈现连续性的感觉。而非交错的扫描是指一条接一条的扫描方式，连续性地扫描下来。交错式扫描所显示的画面比较容易闪烁，长久看起来眼睛不舒服。电视机采用的就有画面为60Hz的交错扫描方式。不同的显示需求采用的扫描方式不相同，目的或为了追求显示画面的速度，或为了改善画面的质量，或为了避免显像管负荷过重而烧毁等。,文字及图象画面都是由一个个称为像素的点构成的，使这些点顺次显示的方法称为扫描。一般CRT的电子束扫描是由偏转磁轭进行控制的。电子束扫描方式在垂直方向是从左上向右下的顺序扫描，由扫描产生的水平线称为扫描线，扫描线决定了显示器垂直方向的分辨率。如图2.5所示：逐行扫描和隔行扫描。在逐行扫描方式中，当场频为50Hz，扫描行数为625，图像宽高比为4:3时，则需要10.5MHz的信号带宽（带宽指每秒钟电子束扫描过的总像素）。这将使电视设备复杂化，信道的频带利用率下降。实际系统采用隔行扫描方式来降低图像信号的频带。,扫描方式,(a)逐行扫描方式(b)隔行扫描方式,(c)光栅的行扫描与场扫描波形,隔行扫描方式是把一帧画分成两场来扫描，第一场扫描奇数行，第二场扫描偶数行，如上图中（b）所示。两场扫描行组成的光栅相互交叉，构成一整帧画面。在第7行扫过一半时，奇数场扫描结束，偶数场扫描开始，故第7行的后一半挪到偶数场开始时扫描，这样就会在光栅上端的中点开始，结果使偶数行正好插在奇数行之间，两场组成了一幅完整光栅。要实现隔行扫描，就应该保证偶数场的扫描行能准确的插在奇数场的扫描行之间，否则就会出现并行现象，使图像质量下降。,隔行扫描示意图,电视广播制式简介：中国（英国、新加坡、澳大利亚等国）采用的是PAL制式，这种制式规定：每秒25帧图像，每帧625行，隔行扫描(每帧两场)，每秒50场；每行扫描正程为52s，逆程为12s，每场正程时间18.4ms，逆程时间1.6ms，垂直方向显示575行。日本、美国、加拿大等国采用的是NTSC制式，这种制式每帧有525行，隔行扫描，每秒60场。两种制式是不能互相兼容的。,CRT显示器驱控器的电路，如下图2.7所示，主要包括视频电路、偏转电路、高压电路、电源电路等基本电路，以及所选择的动态聚焦电路、水平偏转周波数切换电路等。视频信号是由一系列宽窄不同的脉冲信号构成。经放大和同步处理后，分解为水平和垂直扫描电路并输出，再经偏转线圈实现图像的还原。偏转电路最终为偏转线圈提供锯齿波电流，锯齿波电流的直线性非常重要，若波形产生畸变，则对图像质量产生影响。,2.2.2 CRT显示器驱控电路,CRT显示器驱控器的电路框图1,CRT显示器驱控器的电路框图2,CRT显示器内部整个电路构成,2.3.1 CRT显示器的特点 CRT 最大的优势在于高的性能价格比。1.价格低：普遍比平板低。2.亮度高：荧光材料及涂覆工艺提高了，CRT屏幕的发光效率是很高的，但有70%以上的能量会消耗在荫罩上，致使整个器件发光效率又降低，约5 lm/w。尽管如此，CRT屏幕亮度平均能达300cd/m2，与平板相比这已属高亮度。,2.3 CRT显示器的特点、性能指标及发展历史,3.对比度高：CRT采用黑底、着色荧光粉，对比度可达到1000：1 4.色域广：灰度级别可做到256阶，显示真彩色。5.分辨率提高：电子枪技术提高，使现在的CRT也能做到1024x768以上的分辨率。6.响应速度快：取决于荧光粉的余辉，一般是中短余辉，时间约0.011ms，LCD的就很长。7.视野角宽大：约170度，超越现在的LCD。8.显示版式可以灵活变化：4:3或16:9。9.寿命长：大于10000小时。,2.3.2 CRT显示器的技术性能指标,分辨率 对于CRT显示器，分辨率常用单位面积上的扫描线数或两光点之间的距离来表示。,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。,2.点距和栅距 点距是显像管最重要的技术参数之一，单位为毫米。一般公认的点距定义是荧光屏上两个最临近的同色荧光点的直线距离，即两个红色（或绿、蓝）像素单元之间的距离。,点距越小越好。点距越小，显示器显示图型越清晰细腻，档次越高。不过对于显像管的聚焦性能要求就越高。几年以前的显示器多为0.31mm和0.39mm，如今大多数显示器采用的都是0.28mm的点距。,用显示区域的宽和高分别除以点距，即得到显示器的垂直和水平方向上最高可显示的点数。,3.场频、行频及视频带宽 如果说画质等显示效果只能通过主观来判断的话，那么水平扫描频率、垂直扫描频率及视频带宽这三个参数就绝对是显示器的硬指标，并且很大程度上决定了显示器的档次。视频带宽是指每秒钟电子枪扫描过图像点的个数（以兆赫兹为单位）。是决定显示器性能的好坏的一个参数。带宽越高则表明了显示器电路可以处理的频率范围越大，显示器性能越好。高的带宽能处理更高的频率，信号失真也越小，显示的图像质量更好。,视频带宽的计算方法为：带宽=刷新率（垂直分辨率0.93）（水平分辨率0.8）刷新率垂直分辨率水平分辨率1.34,垂直像素和水平像素都要除以一个参数是因为要考虑电子枪从最后一行/列返回到第一行/列的回程时间。,场频就是垂直扫描频率，也叫刷新率，通常以Hz为单位,也就是指每秒钟屏幕刷新的次数。刷新率越高，屏幕的闪烁现象越不明显，眼睛就越不容易疲劳一般来说，垂直刷新率最好不要低于80Hz。,行频就是水平扫描频率，指电子枪每秒钟在屏幕上扫过的水平线数。单位一般是千赫兹。场频和行频的关系式一般如下：行频=场频垂直分辨率1.04 可见行频是一个综合了分辨率和场频的参数，能够比较全面的反映显示器的性能。当在较高分辨率下要提高显示器的刷新率时，可以通过估算行频是否超出频率响应范围来得知显示器是否可以达到想要的刷新率。,4.屏幕尺寸和最大可视面积 屏幕尺寸实际是指显像管尺寸。最大可视面积指显像管的屏幕显示的可见图形的最大范围。屏幕大小通常以对角线的长度衡量，以英寸为单位(1英寸=2.54厘米)。一般显示器的最大可视面积都会小于屏幕尺寸，我们平常说的17英寸、15英寸实际上指显像管尺寸，而实际可视区域(就是屏幕)远远到不了这个尺寸。14英寸的显示器可视范围往往只有12英寸；15英寸显示器的可视范围在13.8英寸左右；17英寸显示器的可视区域大多在1516英寸之间；19英寸显示器可视区域达到18寸英寸左右。,6.色温（Tc）色温是表示光源光谱质量最通用的指标。色温是按绝对黑体来定义的，光源的辐射在可见区和绝对黑体的辐射完全相同时，此时黑体的开尔文温度就称此光源的色温。色温在电视(发光体)或摄影(反光体)上是可以用人为的方式来改变的，现在的显示器上一般都会提供色温调节功能，这是由于不同区域的人眼睛对颜色的识别略有差别，黑眼睛的人看9300K是白色的，但是蓝眼睛的人看了就是偏蓝，蓝眼睛的人看6500K是白色，所以调节色温就是为了这些适合性，完善功能。,7.亮度 亮度是指显示器荧光屏上发光强度的指标。亮度正比于电子束电流、高压及停留时间三者的积。8.对比度 CRT显示器的对比度一般指荧光屏画面上最大亮度与最小亮度之比。9.灰度 从纯白到纯黑的过渡层。10.余辉时间，需要标记。,11.调节控制方式 分为模拟控制和数码控制两种，可对亮度、对比度、色彩、失真等物理量进行调节。12.CRT涂层 电子束撞击荧光屏和外界光照射均会使显示器产生静电、反光、闪烁等现象，干扰图像清晰度，还危害视力，因此CRT均附着表面涂层，以降低不良影响。13.环保认证 由于CRT工作时会产生辐射，消耗能源，国际上一般有限制标准，如待机功耗等。,2.3.3 CRT显示技术的历史、现状及发展,1、CRT 的历史回顾 半个世纪的主角位置，目前仍然以好的性价比而有可观的产量。,2、CRT显示器的新发展,1，真彩色基因2，数字芯3，无铅无污染4，厚度减小5，FED可能是CRT的最终形态,习题二1.彩色CRT阴极射线管的主要构成有哪些？工作过程如何？2.CRT技术扫描方式有哪些种，简述一下原理。3.CRT显示驱动器的电路构成是怎样的？4.简述CRT显示的特点。5.什么是场频、行频和视频带宽，它们之间的关系如何？,
