книги / Электроника электрофизические основы, микросхемотехника, приборы и устройства

гающей является начальная операция восприятия, которая заключается в преобразовании рецептором энергии внешнего светового раздражителя в ощущения, зависящие от строения глаза. Глазное яблоко с помощью хру­ сталика фокусирует видимое изображение на сетчатке, светочувствитель­ ные элементы которой посредством фотохимической реакции способны воспринимать три основных цвета: красный, зеленый и синий. Линии объ­ екта отражаются на сетчатке в виде линий толщиной примерно 5...20мкм. Возникающие ощущения (реакция) определяются интенсивностью и дли­ тельностью воздействия, которые должны превысить пороговые уровни, зависящие от яркости объекта, контраста между изображением и фоном, времени наблюдения, соотношения цветовой гаммы.

Указанные пороги восприятия и различения определяют требования к выходным параметрам дисплея. Например, эффективное время сохране­ ния зрительного ощущения, составляющее примерно 50 мс, определяет минимальную частоту смены кадров на экранеf K> 20Гц для слитного вос­ приятия изображения.

Восприятие зависит от специфических параметров излучения: ярко­ сти, длины волны (цвета), и меры интенсивности (насыщенности) цвета Теоретически полную цветовую гамму можно воспроизвести комбинацией трех монохроматических компонентов - X, Y, Z (например, красного, си­ него и зеленого в ЭЛТ). На практике достаточно часто используют прин­ цип смешения двух цветов, базирующийся на соотношении Х+ Y + Z = 1.

Число факторов, определяющих зрительное восприятие, достаточно велико, что позволяет получить близкий к оптимальному результат мно­ жеством различных способов. Обычно наиболее важным параметром, оп­ ределяющим качество прибора, считают коэффициент преобразования мощности, характеризующий способность к преобразованию электриче­ ской энергии в световую.

Многообразие областей использования дисплеев в сочетании с раз­ личными условиями эксплуатации и большим диапазоном размеров экрана привели к весьма широкой номенклатуре выпускаемых приборов и интен­ сивному их совершенствованию, созданию новых технологий изготовле­ ния элементов индикации. Наибольшее распространение в электронной ап­ паратуре имеют разновидности дисплеев на ЭЛТ и жидкокристаллических индикаторах, плазменные экраны, а также некоторые другие приборы.

15.2. Устройства отображения на ЭЛТ

Дисплеи на основе ЭЛТ, или Cathode Ray Tube (CRT), остаются са­ мыми распространенными. Электронно-лучевая трубка была изобретена немецким ученым К.Ф.Брауном в 1897 г. и применяется до настоящего времени в осциллографах, радиолокаторах, телевизионных приемниках, дисплеях вычислительных машин.

вой и строчной разверток, а также усилитель (модулятор) видеосигнала (рисЛ 5.4,6). Линейно изменяющийся ток генератора строчной развертки перемещает луч по горизонтали, одновременно сигнал генератора кадро­ вой развертка смещает его по вертикали. Входной информационный сиг­ нал ис усиливается и формируется видеоусилителем, после чего поступает на модулятор ЭЛТ, управляя плотностью потока излучаемых электронов, которая определяет яркость точки на экране. В результате модуляции ин­ тенсивности свечения на экране отображается информация, закодирован­ ная во входном сигнале.

Важной характеристикой дисплея является разрешающая способ­ ность, связанная с физиологическими параметрами зрения, т. е. способно­ стью различать мелкие предметы и градации яркости. Любое графическое или текстовое изображение на экране представляют как множество дис­ кретных точек люминофора, называемых пикселями, т.е. минимальными размерами изображения, яркость которых можно задать независимо от ос­ тальных. Разрешающую способность дисплея задают как число пикселей тхп, воспроизводимых по горизонтали и вертикали (например, 1024x768).

Скорость смены кадров определяется инерционностью зрения. Че­ ловеческий глаз воспринимает смену изображения с частотой выше 20 кадров в секунду как непрерывный процесс, т. е. не замечает мерцания. В телевидении применяют передачу изображений с частотой 25 кадров в се­ кунду. В цифровых дисплеях при передаче текста и неподвижных картин для отсутствия видимых мерцаний, в зависимости от разрешающей спо­ собности необходимо передавать 50...80 кадров в секунду.

Увеличение частоты кадровой развертки наталкивается на ограниче­ ние частотного диапазона строчной развертки. Частоту строчной разверт­ ки можно оценить из соотношения f c =afK, где а - число строк в кадре (так при /( = 50Гц и а = 768 необходимо обеспечить f Q= 38,4кГц ).

Параметры усилителя-формирователя также можно оценить, исходя из разрешающей способности. Для черно-белого изображения достаточна градация яркости на 256 = 28, что соответствует восьмиразрядному коду при цифровом представлении сигналов или динамическому диапазону примерно 50 дБ. В частотной области полоса видеосигнала также зависит от частоты кадров и разрешающей способности f mûx« (тхп) /к.

Большинство современных ЭЛТ рассчитано на воспроизведение цветного изображения. Цвет свечения экрана зависит от химического со­ става люминофора, которым покрыт экран. Известно несколько способов получения цветовой гаммы на участке экрана: регулировка проникновения электронного луча в люминофор, использование теневой маски и др.

Широкое распространение имеют ЭЛТ с теневой маской. На экран нанесен люминофор в форме отдельных областей, содержащих три подоб­ ласти (пикселя), которые дают красное, синие и зеленое свечения. В колбе

расположены три прожектора, формирующих три независимых электрон­ ных пучка. Перед экраном расположена маска с отверстиями, в которых фокусируются все три луча. Прошедший через отверстие в маске луч попа­ дает на свою область люминофора определенной светоотдачи (рис. 15.5).

Рис. 15.5. Структура ЭЛТ с теневой маской

Восприятие цвета изображения зависит от комбинации яркостей трех простых компонентов: синего, красного и зеленого. Отклонение всех трех лучей осуществляет единая отклоняющая система.

Управление процессом отображения информации на экране дисплея в микропроцессорной системе осуществляет видеоконтроллер, обеспечи­ вающий прием, хранение и формирование данных для их графического представления. Выполнение указанных операций производится с помощью ряда устройств (контроллера изображений, ПЗУ кодов графических элемен­ тов, ЗУ кадров, формирователя видеосигнала), подключенных к системной магистрали центрального процессорного элемента (ЦПЭ) (рис. 15.6).

Рис. 15.6. Структурная схема контроллера дисплея

Хранение информации, воспроизводимой на экране, осуществляется в ЗУ кадров. Каждая точка изображения имеет свои координаты, и всем знаком (буквам, цифрам) присваиваются индивидуальные коды. Контрол­ лер изображения позволяет также формировать рисунки из простых гра­ фических элементов (прямые, дуги окружностей и т.п.), коды которых хранятся в ПЗУ ГЭ. Полученное растровое изображение кадров формиру­ ется в видеосигнал, подаваемый на входной разъем ЭЛТ.

Существуют органические соединения, называемые ж и д к и м и к р и с т а л л а м и , которые занимают промежуточное положение между твердым (кристаллическим) и жидким (изотропным) состояниями вещест­ ва. Жидкие кристаллы одновременно имеют свойства жидкости (теку­ честь) и твердых кристаллических веществ (анизотропия).

Молекулы жидкокристаллических веществ имеет удлиненную фор­ му и обладают определенной однонаправленной ориентацией во всем объеме (рис. 15.7,6) или в отдельных слоях (рис. 15.7,в). Существуют раз­ личные вещества, обладающие жидкокристаллическим состоянием. К ним относятся некоторые производные бензола, дифенила и других веществ. По электрическим свойствам ЖК относятся к диэлектрикам с удельной электрической проводимостью в пределах о = 10"6...1 0 "10См/м.

Функционирование жидкокристаллического индикатора основано на явлении поляризации светового потока. Жидкокристаллические мате­ риалы способны изменять поляризацию света при воздействии электриче­ ского поля. Если жидкокристаллическую среду дополнить кристаллом - поляроидом, пропускающим свет только с определенной поляризацией, то образуется элемент, прозрачностью которого можно управлять с помощью внешнего напряжения.

Жидкокристаллические материалы были открыты австрийским бо­ таником Ф. Рейнитцером еще в 1888 г., т. е. за десятилетия до изобретения ЭЛТ. Однако долгое время они не имели практического применения вследствие недостаточности технологической базы для создания приборов на их основе. Только в 70-е годы прошлого века были созданы цифровые жидкокристаллические индикаторы для часов. Во второй половине 70-х начался переход от сегментных жидкокристаллических индикаторов к производству матриц с адресацией каждой точки, т. е. дисплеев с двумер­ ной картинкой. Первое применение жидкокристаллические дисплеи, или Liquid Crystal Display (LCD), нашли в портативных приборах с автоном­ ным электропитанием (часах, калькуляторах), а затем их стали широко ис­ пользовать в портативных и настольных компьютерах.

Из большого спектра электрооптических явлений, присущих жид­ кокристаллическим веществам, в индикаторах используют эффекты дина­ мического рассеивания, вращения плоскости поляризации (твист-эффект), изменение цвета за счет добавления красителя (гость) в основное вещество (хозяин).

Явление динамического рассеивания света выражается в помутне­ нии прозрачного слоя жидкокристаллического вещества, помещенного между электродами при прохождении тока, нарушающего ранее упорядо­ ченную структуру (рис. 15.7,6). Эффект проявляется при приложении по­ стоянного или переменного низкочастотного напряжения U = 5 В и сохра­ няется при снятии напряжения. Это состояние устраняется приложением

высокочастотного электрического поля, причем время включения состав­ ляет 50...500мс, соответственно для выключения требуется 150 мс.

«Твист-эффект» используют в системе, основанной на изменении условий распространения для поляризованного света. Электромагнитное колебание (свет) источника в поляризаторе приобретает фиксированное по оси z направление вектора напряженности электрического поля и попадает в слой, заполняющий пространство между прозрачными электродами жидкокристаллического материала с упорядоченной послойной ориента­ цией, причем направленность молекул в крайних слоях перпендикулярна (рис. 15.7,в). Если напряжение между электродами отсутствует, поляри­ зованный свет при распространении приобретает смещение на л/2 (рисЛ5.8,д).

Рис. 15.8. Жидкокристаллический индикатор при Uy- 0 (а) и иуФ0 (б)

Анализатор расположен таким образом, что обеспечивает прохож­ дение составляющей световых колебаний с поляризацией, ориентирован­ ной по оси х. Ячейка является прозрачной для поляризованного света, и на приемник (экран) поступает световой поток Ф5. Если к электродам прило­ жить напряжение (рисЛ 5.8,6), создающее в ЖК электрическое поле, мо­ лекулы частично переориентируются, угол поворота плоскости поляри­ зации станет отличным от я/2 и световой поток на выходе анализатора будет ослаблен. При разности потенциалов, приводящей к отсутствию поворота плоскости поляризации в жидкокристаллической ячейке, свето­ вой луч полностью поглощается анализатором (Ф5 = 0), и экран будет темным. Для проявления эффекта требуется напряжение порядка 1 В,

длительность процесса включения-выключения при этом занимает (20...200) мс.

Если расположить несколько ячеек (сегментов), имеющих различ­ ную форму и индивидуальную систему управления, то можно отображать на экране цифры, буквы и другие элементы рисунка. Добавление в жид­ кокристаллическое вещество красителя, имеющего идентичную конфигу­ рацию молекул, позволяет управлять цветом ячейки. Конструктивно все типы ячеек состоят из тонкого (5...20 мкм) слоя жидкокристаллического вещества между двумя стеклянными пластинками, на которые помещены прозрачные электроды (из окиси олова).

Жидкокристаллическая ячейка работает в одном из двух типичных режимов формирования управляемого потока от внешнего источника све­ та на экран: с использованием проходящего или отраженного света. Ячей­ ки, работающие на просвет, создают изображение, управляя светом искус­ ственного источника освещения, расположенного под прозрачным ниж­ ним электродом (рис. 15.9,а). В зависимости от напряжения на верхних электродах ul9 и2, щ изменяется локальная освещенность экрана.

Рис. 15.9. Жидкокристаллические индикаторы, работающие на просвет {а) и отражение (б)

Жидкокристаллические индикаторы, использующие отраженный от непрозрачного нижнего электрода свет (рис. 15.9,6), требуют хорошего внешнего освещения. Благодаря малым токам потребления рефлективные индикаторы часто используются в устройствах с питанием от батареек.

Дисплеи на ЖК содержат экран, представляющий собой матрицу ячеек малого размера (пикселей), и схему управления. Экран —это две па­ нели (подложки), изготовленные, как правило, из чистого кварцевого стекла, между которыми помешен тонкий слой жидкокристаллического материала. На панелях имеются бороздки, которые направляют кристаллы, сообщая им специальную ориентацию. Соприкасаясь с бороздками, моле­ кулы в ЖК ориентируются одинаково во всех ячейках.

Эквивалентная электрическая схема ячейки может быть представле­ на ее межэлектродной емкостью с небольшой проводимостью утечки, ко­ торая обычно на общих схемах не показывается. Жидкокристаллический

экран имеет двумерную матрицу ху проводящих шин, к которым подклю­ чены электроды ячеек (рис. 15.10,я).

Рис. 15.10. Пассивная (а) и активная (б) структуры управления жидкокристаллическим

дисплеем

В приведенной структуре, называемой п а с с и в н о й м а т р и ц е й , каждая ячейка может быть подсвечена индивидуально путем подачи на­ пряжении по шинам на соответствующие электроды. На горизонтальные и вертикальные шины подаются напряжения, составляющие примерно по­ ловину напряжения переключения ячейки. Выбранная ячейка С*/, на кото­ рую приходят напряжения по шинам хк и ук будет прозрачной. Изображе­ ние формируется строка за строкой путем последовательной подачи управляющего напряжения на отдельные ячейки.

Достоинством пассивного метода управления является его простота. Такой дисплей имеет много недостатков с точки зрения качества. Наличие электрического поля вблизи полувыбранных ячеек, подключенных к од­ ной из шин, на которую подано напряжение, снижает контрастность изо­ бражения. Довольно большие емкости ячеек не позволяют достаточно быстро изменять напряжение, что приводит к медленному обновлению картинки. Низкая скорость изменения прозрачности кристаллов не дает качественного отображения движущихся изображений.

Лучших результатов с точки зрения качества изображения можно добиться, используя экраны с активной управляющей матрицей. При ак­ тивном способе управления каждую ячейку включает свой электронный ключ на МОП-транзисторе (рис 15.10,6), что существенно ускоряет пере­ заряд емкостей и устраняет паразитное взаимовлияние полувыбранных ячеек. Управляющие транзисторы запоминают данные на интервале вре­ мени между обновлениями картинки, что устраняет мелькание при частоте смены кадров 60 Гц. Активная матрица отображает без видимых искаже­ ний движущиеся изображения, поскольку время реакции дисплея состав­ ляет примерно 50 мс (для пассивной матрицы этот параметр имеет значе­ ние 300 мс). Управляющие транзисторы формируют на стеклянной под­ ложке вместе с ячейками по тонкопленочной технологии на основе про­ зрачных пластиковых пленок толщиной 0,01... 0,1 мкм.