63.Устройства и элементы индикации. Электронно-лучевая трубка.

Применяется в осциллографах, радиолокаторах, телевизионных приемниках, дисплеях вычислительных машин. Принцип действия электровакуумных приборов, к которым относится ЭЛТ, состоит в эмиссии (испускании) катодом потока электронов, формирование его в виде луча, воздействующего на люминофор и вызывающий свечение экрана. В стеклянной колбе ЭЛТ расположены: электронный прожектор (катод с нагревателем и модулятор), фокусирующая система, отклоняющая система и покрытый люминофором экран (рис 14.13).

Рис.14.13. Элементы электронно-лучевой трубки

При нагревании катода посредством нити накала он испускает электроны, количеством которых можно управлять изменением потенциала модулятора. Электроны приобретают ускорение в электрическом поле, которое создается высоким напряжением (порядка 20 кВ), приложенным между анодом и катодом. Вышедшие из электронного прожектора электроны приобретают большую энергию, фокусируются в узкий пучок, который и создает светящееся пятно на люминофоре экрана.

Управление положением луча (пятна) на экране выполняет отклоняющая система, используя явление силового воздействия на движущиеся электроны в магнитном или электрическом поле. Соответственно существует электростатическая и электромагнитная отклоняющие системы.

Электромагнитное отклонение луча получают с помощью магнитных катушек, помещаемых на колбу трубки. Использование достаточно сильных магнитных полей, создаваемыми ортогонально расположенными катушками, дает возможность получить большие углы отклонения луча, но существенно ограничивает частотный диапазон устройства вследствие применения больших значений индуктивностей, питаемых значительными токами. Электромагнитное отклонение применяют в телевизионных кинескопах и дисплеях, где требуется большой размер экрана при ограничениях на длину ЭЛТ.

При электростатическом отклонении электронный луч проходит между двумя парами параллельных пластин, помещенных внутри колбы. Первая пара пластин, на которые подано напряжения U_Y , отклоняет луч в вертикальном направлении Y = K_YU_Y , а вторая с напряжением U_х – в горизонтальном направлении Х = K_хU_х (рис. 14.14).

Рис.14.14. ЭЛТ с электростатическим отклонением луча

Сравнительно небольшая конденсаторная емкость пластин позволяет получить высокое быстродействие системы электростатического управления лучом (частотная характеристика системы имеет неизменное значение в широком диапазоне частот от 0 до сотен МГц). Для отклонения луча требуется небольшая мощность, однако угол отклонения также невелик. ЭЛТ с электростатическим отклонением нашли применение в осциллографах, где луч периодически с интервалом Т_р перемещается с постоянной скоростью по оси X = k_X t при подаче на пластины горизонтального отклонения линейно изменяющегося напряжения. На пластины вертикального отклонения поступает исследуемый сигнал U_Y = U_c и на экране наблюдается зависимость исследуемого сигнала от времени k_YU_c = k_X t.

Для получения в телевизионных дисплеях сплошного изображения (картинки) используют растровую развертку, осуществляющую последовательное горизонтальное перемещение луча по строкам с одновременным смещением вниз по вертикали (рис.14.15,а). При этом интенсивность луча изменяется в соответствии с информационным сигналом.

Рис.14.15. Токи разверток (а) и структура телевизионного дисплея

Для выполнения указанных операций в структуру телевизионного дисплея на основе ЭЛТ включены генераторы токов линейно изменяющихся токов кадровой и строчной разверток, а также усилитель (модулятор) видеосигнала (рис.14.15,б). Линейно изменяющийся ток генератора строчной развертки перемещает луч по горизонтали и одновременно сигнал генератора кадровой развертка смещает его по вертикали. Входной информационный сигнал u_c, усиливается и формируется видеоусилителем и поступает на модулятор ЭЛТ, управляя плотностью потока излучаемых электронов, которая определяет яркость точки на экране. В результате модуляции интенсивности свечения на экране отображается информация, закодированная во входном сигнале.

Важной характеристикой дисплея является разрешающая способность. Любое графическое или текстовое изображение на экране представляют как множество дискретных точек люминофора, называемых пикселями, то есть минимальными размерами изображения, яркость которых можно задать независимо от остальных. Разрешающую способность дисплея задают как число пикселей mn, воспроизводимых по горизонтали и вертикали (например, 1024768).

Скорость смены кадров определяется инерционностью зрения, т.е. способность воспринимать достаточно быструю смену изображений как непрерывный процесс без мерцаний. В телевидении применяют передачу изображений с частотой 25 кадров в секунду. В цифровых дисплеях при передаче текста и неподвижных картин для отсутствия видимых мерцаний, в зависимости от разрешающей способности необходимо передавать (50…80) кадров в секунду.

Увеличение частоты кадровой развертки наталкивается на ограничение частотного диапазона строчной развертки. Частоту строчной развертки можно оценить из соотношения f_c =a f_к, где a – число строк в кадре (так при f_к = 50 Гц и a = 768 необходимо обеспечить f_c = 38,4 кГц ).

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_max  (mn) f_к.

Большинство ЭЛТ рассчитано на воспроизведение цветного изображения. Цвет свечения экрана зависит от химического состава 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, в которых люминофор нанесен на экран в форме отдельных областей, содержащих три подобласти (пикселя) с красным, синим и зеленым свечением. В колбе расположено три прожектора, формирующих три независимых электронных пучка. Отклонение всех трех лучей осуществляет единая отклоняющая система. Перед экраном расположена маска с отверстиями, в которых фокусируются все три луча. Прошедший через отверстие в маске луч попадает на область люминофора определенной светоотдачи (рис. 14.16).

Рис.14.16. Структура ЭЛТ с теневой маской

Управление процессом отображения информации на экране дисплея осуществляет видеоконтроллер, обеспечивающий прием, хранение и формирование данных для их графического представления. Выполнение указанных операций производится с помощью ряда устройств (контроллера изображений, ПЗУ кодов графических элементов, ЗУ кадров, формирователя видеосигнала), подключенных к системной магистрали центрального процессорного элемента (рис.14.17).

Хранение информации, воспроизводимой на экране, осуществляется в ЗУ кадров. Каждая точка изображения имеет свои координаты и всем знаком (буквам, цифрам) присваиваются индивидуальные коды.

Рис.14.17. Структурная схема контроллера дисплея

Контроллер изображения позволяет также формировать рисунки из простых графических элементов (прямые, дуги окружностей и т.п.) коды которых хранятся в ПЗУ ГЭ. Полученное растровое изображение кадров формируется в видеосигнал, подаваемый на входной разъем ЭЛТ. Контроллер позволяет использовать дисплей не только как средство отображения (вывода) результатов обработки данных, но и как систему ввода информации в ЦПЭ.

Преимущественному распространению дисплеев на ЭЛТ способствует хорошо отработанная технология массового производства, обеспечивающая высокие качественные показатели при приемлемой стоимости. Вместе с тем, им присущи недостатки, основными из которых являются тяжелая и громоздкая конструкция, большое потребление электроэнергии (на уровне 60…150 Вт) и наличие электромагнитного излучения.