3.4. Устройства отображения информации.

План

1. Мониторы. Методы отображения информации.

2. Видеоплаты.

3. Адаптеры и мониторы стандарта VGA.

4. Неисправности адаптеров и мониторов.

Система отображения компьютера состоит из двух главных компонентов:

1. монитора (дисплея);

2. видеоадаптера (называемого также видеоплатой или графической платой.)

Монитор представляет собой устройство отображения. Как и любой другой блок РС он требует подключения к источнику входной информации. Сигналы, которые управляют работой монитора, поступают от электронных схем, размещенных внутри компьютера. В некоторых РС эти схемы располагаются на материнской плате. Однако в большинстве систем используются отдельные платы, которые вставляют в слоты системной шины или шины расширения. Такие платы расширения, вырабатывающие сигналы управления отображением, называются видеоплатами или видеоадаптерами.

Характеристики мониторов:

1. По способу отображения (ЭЛТ, жидкокристаллические, плазменные).

2. По частоте (в одних мониторах установлена фиксированная частота развертки, в других поддерживаются разные частоты в некотором диапазоне. Такие мониторы называются многочастотными. Большинство современных мониторов многочастотные, то есть могут работать с разными стандартами видеосигнала).

3. По типу экрана монитора (выпуклые и плоские).

Обычно экран искривлен как по вертикали, так и по горизонтали. В некоторых моделях используется конструкция Ttinitron, которых поверхность экрана имеет небольшую кривизну только в горизонтальном сечении. Кривизна вертикального сечения = 0. На таком экране возникает гораздо меньше бликов и улучшается качество изображение. Недостаток: высокая цена.

Как работает электронно-лучевой монитор.

Информация на мониторе может отображаться несколькими способами. Самый распространенный способ – отображение на экране электронно-лучевой трубки (ЭЛТ), такой же, как в телевизоре. ЭЛТ представляет собой электронный вакуумный прибор в стеклянной колбе, в горловине которого находится электронная пушка, а на дне – экран, покрытый люминофором.

Нагреваясь, электронная пушка пускает поток электронов, которые с большой скоростью движутся по экрану. Поток электронов (электронный луч) проходит через фокусирующую и отклоняющую катушки, которые направляют его в определенную точку покрытого люминофором экрана. Под воздействием ударов электронов люминофор излучает свет, который видит пользователь, сидящий перед экраном компьютера.

Чтобы изображение на экране было четким, перед экраном изнутри ставят теневую маску, отверстия которой отсекают лишние части лучей, то есть не допускают подсветку соседних участков, что вело бы к размытости изображения. Теневая маска представляет собой металлическую пластину из специального материала – инвара, который имеет очень низкий коэффициент линейного расширения, с системой отверстий в соответствии с точками люминофора. Её роль может выполнять аппретурная решётка, образованная системой щелей, выполняющих ту же функцию, что и отверстия в теневой маске.

Химическое вещество, используемое в качестве люминофора, характеризуется временем послесвечения, которое отображает длительность свечения люминофора после воздействия электронного пучка. Время послесвечения и частота обновления изображения должны соответствовать друг другу, чтобы не было заметно мерцание изображения (если время послесвечения очень мало) и отсутствовала размытость и удвоение контуров в результате наложения последовательных кадров (если время послесвечения слишком велико).

Электронный луч движется очень быстро, прочерчивая экран строками слева направо и сверху вниз по траектории, которая получила наименование растр. Период сканирования по горизонтали определяется скоростью перемещения луча поперек экрана.

В процессе развертки (перемещения по экрану) луч воздействует на те элементарные участки люминофорного покрытия экрана, в которых должно появиться изображение. Интенсивность луча постоянно меняется, в результате чего изменяется яркость свечения соответствующих участков экрана. Поскольку свечение исчезает очень быстро, электронный луч должен вновь и вновь пробегать по экрану, возобновляя его. Этот процесс называется возобновлением (или регенерацией) изображения.

В большинстве мониторов частота регенерации, которую также называют частотой вертикальной развертки, во многих режимах приблизительно равна 85Гц, то есть изображение на экране обновляется 85 раз в секунду. Снижение частоты регенерации приводит к мерцанию изображения, которое очень утомляет глаза. Следовательно, чем выше частота регенерации, тем комфортнее себя чувствует пользователь.

Очень важно, чтобы частота регенерации, которую может обеспечить монитор, соответствовала частоте, на которую настроен видеоадаптер. Если такого соответствия нет, изображение на экране вообще не появиться, а монитор может выйти из строя.

Для сокращения полосы частот спектра телевизионного сигнала применяется чересстрочная развертка, т.е. полный растр получается за два приема. Сначала передаются (воспроизводятся) только нечетные строки, нечетный полукадр, а затем только четные строки, четный полукадр. Если наложить оба полукадра друг на друга, то получится полный растр изображения. Это возможно благодаря инерционности человеческого глаза. Человеческий глаз воспринимает смену изображений как непрерывное движение с частотой не ниже 20-25Гц. У хороших мониторов кадровая частота равна 70-80Гц. Частота строк в килогерцах примерно определяется произведением частоты вертикальной развертки на количество строк, выводимых в одном кадре. Полоса частот видеосигнала, измеряемая в мегагерцах, определяет самые высокие частоты в видеосигнале. Приблизительно эта величина может быть получена как произведение количества точек в строке (разрешающая способность по горизонтали) и частоты строчной развертки. В большинстве мониторов необходимая полоса пропускания видеосигнала обеспечивается с запасом и поэтому практически во всех случаях этот параметр можно не учитывать.

Размер зёрен люминофора, а точнее расстояние между ними, также определяет четкость изображения на экране. Этот параметр лежит в диапазоне от 0,25 до 0,41 мм. У хороших мониторов он равен 0,28 мм.

Принцип работы жидкокристаллических дисплеев.

Принцип работы жидкокристаллических дисплеев базируется на использовании поляризации света.

Физические принципы работы ЖК-дисплеев.

Человеческий глаз не может различать состояния поляризации волны, но, например, поляроидные пленки пропускают свет только с определенной поляризацией. Если взять два поляроида – один задерживающий свет с вертикальной поляризацией, а другой с горизонтальной, поместить их друг напротив друга, то свет через такую систему пройти не сможет. Избирательно вращая поляризацию света в промежутке между пленками можно формировать светящиеся и темные участки – пиксели.

Придать молекулам ту или иную ориентацию достаточно просто. Необходимо изготовить пластину (для наших целей прозрачную - стеклянную) с множеством микроскопических параллельных углублений – бороздок (их ширина должна соответствовать минимальному размеру элемента формируемого изображения).

Узкие и длинные молекулы нижнего слоя жидкого кристалла, попадая в углубления, вынуждены придерживаться заданной ориентации. А все последующие слои молекул будут выстраиваться им «в затылок» вследствие межмолекулярного взаимодействия. Если теперь поместить сверху еще одну стеклянную пластину с аналогичным набором бороздок так, чтобы они были перпендикулярны бороздкам нижней пластины, то продольные оси молекул верхнего слоя будут расположены под прямым углом по отношению к осям молекул из нижнего слоя. Разместив миниатюрные прозрачные пленочные электроды над и под слоем жидкого кристалла, подавая напряжение на них можно ориентировать молекулы. Так как поляроиды расположены перпендикулярно, то свет проходить не будет. При изменении ориентации молекул меняется степень пропускания света через поляроиды и слой жидких кристаллов. Величина приложенного напряжения управляет уровнями яркости пикселов.

Конструкция ЖК-дисплеев.

В основании располагается система подсветки – мощные флуоресцентные лампы в виде трубок и специальные материалы (plastic light guide), или световоды, способствующие более равномерному распределению освещения по плоскости экрана. Свет направляется на поляризационный фильтр. Далее следует стеклянная пластина, на которую нанесены полупрозрачные электроды из пленки окислов индия и олова, формирующие пиксели изображения. Затем идет полимерная пленка с микробороздками, ориентирующими молекулы жидких кристаллов, составляющие следующий слой. Вторая половина – все наоборот (за исключением подсветки).

После сборки дисплея между двумя формовочными пленками инжектируют (вдувают) специальные буферные шарики диаметром 6-8 мкм. Таким образом, удается избежать неоднородности по толщине слоя жидких кристаллов. Для работы дисплея необходимо иметь возможность управлять индивидуально каждым пикселем и электродом. С этой целью применяют управляющие интегральные схемы, которые обычно расположены по краям дисплея. Поэтому ЖК-дисплеи имеют широкую окантовку.

ЖК-дисплеи с пассивной и активной матрицами.

В пассивных матрицах для адресации используются полоски полупрозрачных электродов, расположенные на обеих поверхностях стеклянных подложек п ориентированные взаимно перпендикулярно. Их пересечение формирует пиксель. Чтобы изменить его состояние, необходимо задействовать две адресные линии – вертикальную и горизонтальную. Одна линия заземляется, а на другую подается управляющий импульс. Процесс создания изображения называется сканированием. Основные проблемы заключаются в большом количестве микроскопических соединений на пластине. Нелегко подобрать материалы для проводников и электродов, обеспечивающих формирование и адресацию пикселов. Жидкий кристалл должен иметь как можно меньшую инерцию, без запаздывания реагируя на изменение электрического поля. Эти задержки обычно составляют от 200 до 250 мс. Лишь некоторые смеси жидких кристаллов имеют задержку 150 мс. Управляющие микросхемы посылают сигналы вдоль невероятно длинных с точки зрения микроэлектроники металлизированных адресных линий. Поэтому любые помехи и наводки приводят к искажениям.

В активных матрицах на базе тонкопленочных транзисторов (Thin Film Transistors - TFT) на стеклянную подложку наносится слой аморфного кремния, на котором формируются транзисторы – по одному на каждый пиксель. Транзисторы исполняют роль посредника между системой адресации и ЖК - ячейками. В активных матрицах каждый пиксель изолирован и благодаря этому задержки при «переключении» ЖК – ячеек удается сократить до 25 мс. Чтобы избежать неоднородности изображения, к каждой ячейке подключают дополнительный конденсатор, который «подпитывает» ее на протяжении цикла сканирования. В цветных дисплеях пиксель формируется из трех независимых ячеек, каждая из которых расположена над участком фильтра синего, красного или зеленого цвета. Фильтры наносятся непосредственно на субстрат стекла подложки. Таким образом, количество пикселов и транзисторов увеличивается в три раза по сравнению с монохромной панелью. Градации яркости каждого пикселя, составляющие триаду, используются для «смешения» цветов. В TFT – панелях наилучшее изображение получают в одном режиме (native). Для большинства моделей это 1024х768, что соответствует возможностям широко распространенных видеокарт.

Непременным становится наличие интерфейса DVI (Digital Video Interface), который обеспечивает отличную динамическую и статическую картинки. При использовании цифрового видеоинтерфейса цифроаналоговый преобразователь становится составной частью монитора. Наибольшее признание получили стандарты цифрового видеоинтерфейса на основе технологии TMDS (Transition Minimized Differential Signaling).

В современных ЖК-дисплеях используются следующие типы матриц:

• IPS (In-Plane Switching) – тип ЖК-матрицы, в которой молекулы жидких кристаллов поворачиваются в плоскости, параллельной поверхности экрана (откуда и название). Технология разработана компаниями Hitachi и NEC. Достоинства этого вида дисплеев – большие углы обзора, при изменении которых сохраняется качество изображения, более глубокий и равномерный черный цвет. Недостаток – меньшее, по сравнению с TN+Film, быстродействие матрицы. Лучшие модели обеспечивают минимальное время отклика 25-30 мс. Время отклика (реакции) определяется отрезком времени, проходящем с момента выдачи команды на смену цвета ячейки ЖК-монитора до того, как соответствующий пиксель приобретет указанный цвет.

• МVA (Multidomain Vertical Alignment) – тип ЖК-дисплея, в котором молекулы жидких кристаллов при выключенном напряжении выстроены вертикально относительно поляризационного фильтра. Сама матрица имеет доменную микроструктуру, что позволяет компенсировать первоначальный минус этого типа дисплеев – изменение оттенков в зависимости от угла обзора. Технология разработана компанией Fujitsu. Достоинствами таких матриц являются высокая точность цветопередачи, глубокий черный цвет, относительно быстрая реакция (время отклика – 25 мс), недостатками – сложность изготовления и высокая цена.

• PVA (Patterned Vertical Alignment) – тип ЖК-матрицы, работающей по принципу, аналогичному MVA, но с некоторыми отличиями. Технология разработана компанией Samsung. Дисплеи этого типа характеризуются высокой точностью цветопередачи, имеют широкие углы обзора, на которых картинка прктическ5и не искажается. Яркость и насыщенность хотя и достаточно высоки, но немного ниже, чем в MVA. Минимальное время отклика составляет 25-30 мс.

• TN+Film (Twisted Nematic + Film) - тип ЖК-матрицы, в которой для управления световым потоком используются жидкие кристаллы, в свободном состоянии имеющие спиралевидную структуру. Поверх такого ЖК-экрана накладывается слой (пленка) улучшающий угол обзора, который, однако, меньше, чем у других типов матриц. С его увеличением картинка искажается. Черный цвет на таких экранах не может быть идеальным Достоинством технологии TN+Film, кроме низкой цены, является малое время реакции, достигающее 16 мс в серийных моделях и 12 мс в прототипах следующего поколения.

Видеоадаптеры.

Видеоадаптер формирует сигналы управления монитором. С появлением в 1987 году компьютеров семейства PS/2 фирма IBM ввела новые стандарты на видеосистемы, такие как

• VGA (Video Graphics Array – видеографическое множество);

• SVGA (Super VGA);

• XGA (eXtended Graphics Array), которые практически сразу же вытеснили старые.

В отличие от устаревших видеоадаптеров, ориентированных на передачу мониторам цифровых сигналов, в VGA используются передача аналоговых сигналов. Почему же предпочтение отдано именно аналоговым сигналам, в то время как вся остальная электроника переходит на цифровую технологию? Например, проигрыватели компакт-дисков (цифровые) вытеснили проигрыватели виниловых пластинок (аналоговые); в новейших видеомагнитофонах и видеокамерах используется хранение изображений в цифровом виде для стоп-кадров и медленных повторов; цифровой телевизор позволяет смотреть на одном экране несколько программ одновременно.

Почему же все-таки IBM решила вернуться к аналоговому управлению монитором? Оказывается, все дело в передаче света.

Большинство мониторов компьютеров, выпущенных до PS/2, принимали цифровые сигналы. При выводе цветного изображения поступавшие сигналы RBG включали/выключали электронные лучи красной, зеленой и синей электронных пушек электронно-лучевой трубки. Таким образом, в изображении на экране могло присутствовать до восьми цветов (2³). В мониторах и адаптерах IBM количество цветовых комбинаций удваивалось за счет дополнительных сигналов яркости по каждому цвету. Технология их производства достаточно проста и хорошо освоена, а цветовая совместимость между различными моделями вполне приемлема. Наиболее существенный недостаток цифровых мониторов – ограниченное количество цветов.

В PS/2 IBM перешла к аналоговой схемотехнике в системе отображения. Аналоговый монитор работает по тому же принципу, что и цифровой, то есть передаются RBG-сигналы управления тремя основными цветами, но каждый сигнал имеет несколько уровней яркости (в стандарте VGA - 64). В результате число возможных комбинаций (цветов) возрастает до 262144 (64³). Для создания реалистичного изображения средствами компьютерной графики цвет часто оказывается важнее высокого разрешения, поскольку человеческий глаз воспринимает картинку с большим количеством цветовых оттенков как более правдоподобную.

Вся аппаратура VGA обеспечивает отображение 256 оттенков на экране из палитры 262144 цвета (256 Кбайт). Естественно, для этого должен использоваться аналоговый монитор.

Мониторы VGA бывают не только цветными, но и монохромными. Накладывая (суммируя) сигналы всех цветов, получают 64 градации серого вместо оттенков разных цветов, причем преобразование цвета в яркость выполняется программами BIOS. Программа суммирования инициализируется в том случае, если BIOS при загрузке системы обнаруживает монохромный монитор. В этой программе используется преобразование, в котором формула желаемого цвета переписывается таким образом, чтобы в нее были включены все три основных цвета, в результате чего образуется новая градация серого. Таким образом, выведенный на экран цвет определенного участка изображения состоит, например, из 30% красного, 59% зеленого и 11% синего, а смотрится как серый. Пользователи, предпочитающие монохромный монитор, в этом режиме могут работать с приложениями, спроектированными для цветного отображения.

В настоящее время основным адаптером VGA считается адаптер с 16-ю цветами и разрешением 640х480. Эти параметры должны поддерживаться всеми адаптерами, работающими под управлением операционной системы Windows. Если при загрузке системы возникают проблемы, то она загружается в так называемом безопасном режиме, где по умолчанию используется адаптер VGA в режиме 640х480, 16 цветов.

Устранение неисправностей мониторов.

Проблема.

Нет изображения.

Решение.

Проверьте разъем питания монитора, кабель и выключатель. Попробуйте заменить кабель питания и кабель данных. Если причина неисправности не найдена, то подключите заведомо исправный монитор для определения того, что неисправен именно монитор.

Проблема.

Изображение на экране монитора “дрожит”.

Решение.

Проверьте кабель данных. Попробуйте заменить его заведомо исправным. Выясните, не установлен ли вблизи монитора источник электромагнитного излучения, например микроволновая печь. Если проблема не исчезает, попробуйте изменить частоту развертки.

Устранение неисправностей видеоадаптеров и драйверов.

Проблема.

Монитор работает только в режиме MS DOS.

Решение.

Если при загрузке системы до появления изображения рабочего стола монитор работает нормально, то проблема в драйвере видеоадаптера Windows 9x или Windows 2000. Чтобы удостовериться в том, что “виноват” во всем драйвер, загрузите компьютер в режиме защиты от сбоев – в этом режиме используется стандартный драйвер VGA. Если компьютер работает нормально, необходимо заново переустановить драйвер установленного видеоадаптера.

Проблема.

Как заменить интегрированный на системной плате видеоадаптер?

Решение.

Производитель такой системной платы должен предусмотреть возможность отключения интегрированного видеоадаптера. Более подробное описание этой процедуры можно найти в документации или на Web-узле производителя.

Вопросы для самоконтроля.

1. Для чего предназначен монитор и видеоадаптер?

2. Характеристика мониторов. Как работает монитор на электронно-лучевой трубке?

3. Конструкция ЖК-дисплея.

4. Какой тип ЖК-дисплея имеет самые быстрые ЖК-матрицы?

5. Отличия в управлении ЖК-дисплеем с активной и пассивной матрицами.

6. Почему в адаптерах стандарта VGA применяются аналоговые сигналы?

7. Неисправности мониторов и видеоадаптеров.