第4讲图形显示功能部件阴极射线管2.ppt

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1、1,计算机图形显示技术,2,第四讲 图形显示功能部件,彩色显像管工作原理 电子束穿透式显像管 阴极射线管的驱动电路 辉亮控制系统 偏转控制系统 聚焦控制系统 高压控制系统,3,彩色显象管工作原理 电子束穿透式显象管,电子束穿透式显像管是一种用来进行彩色显示的显像管。它常采用电聚焦。 其荧光屏上有两层荧光质，每层荧光质之间有透明的分离层。,4,电子束穿透式显象管,双 层 荧 光 质 示 意 图,5,彩色显象管工作原理 电子束穿透式显象管,这种显像管呈现的颜色与电子束穿透荧光屏的深度有关，而其穿透深度取决于加速电压的大小。 根据电子通过物质，发生非弹性碰撞，造成能量损失，由能量损失计算出电子束穿透

2、程度的公式如下：,6,电子束穿透式显象管,结论 由上式电子束穿透荧光质的距离x与电子束的加速电压成正比，而与荧光质的密度成反比。 改变加速电压就可以有效改变电子束穿透荧光质的深度。,为电子束到达第二层（内层）荧光质所需的加速电压 为电子束穿透荧光质深度为x时所需的加速电压。,为与荧光质密度成反比的一个常数 为介质密度。,7,彩色显象管工作原理 电子束穿透式显象管,右图是当Ua从6kV变到12kV时，可得到红（7kV）、橙（9kV） 、黄（11kV） 、绿（12kV）四种颜色。根据荧光的转换效率和能量损耗，绘出的光输出特性。,光输出特性,8,彩色显象管工作原理 电子束穿透式显象管,与三枪三基色显

3、象管相比，其最大的特点是用单电子枪来发射电子束，因而其聚集性和一般黑白显象管差不多，即它的分辨力高，可以获得清晰的图像 它所显示的颜色种类较少，而颜色转换要通过高压转换来实现；所需的转换时间较长，因此不能用来进行彩色电视的图像显示。,9,驱动电路,D/A,D/A,电源系统,辉亮控制,偏转控制,聚焦控制,高压控制,显象管,x，y数据,亮度数据,聚焦信号,色码数据,CRT驱动电路主要有：辉亮控制，偏转控制，聚焦控制，高压控制。 如图为典型CRT及其驱动电路组成框图。,10,驱动电路,偏转系统接受电子扫描数据，控制电子束按某种预定规律扫描。 辉亮系统接受与灰度等级有关的信息，控制电子束的大小和有无，

4、以便在屏面某位置上形成相应灰度的图像。 聚焦系统接受正常和补偿的聚焦信号，控制电子束直径的粗细，使电子束聚焦在屏面上。 电源系统提供显像管各电极所需直流电压。,11,驱动电路 辉亮控制系统,辉度控制系统由信号混合电路、辉亮放大器、辉亮信号耦合电路和CRT的调辉电极组成。 作用是在亮度数据或色码控制下，给CRT提供一定的辉亮信号，通过对调辉电极的作用，产生相应强度的电子束，在荧光屏上形成相应的亮暗或不同颜色图像。,12,驱动电路 辉亮控制系统,对辉亮系统要求： 能形成足够的亮度，等级层次分明 亮暗转换要迅速准确 亮度改变不应影响CRT其它性能 亮度可以人工调节 有过载保护措施,13,驱动电路 辉

5、亮控制系统,辉亮控制信号 显象管的辉亮控制系统由显示设备的功能部件产生，其特性由显象管的栅极和阴极间的调辉特性来确定 如右图，其栅极截至电压为-100v。,栅极控制特性,14,驱动电路 辉亮控制系统,辉亮控制信号 黑白：当显像管只要求一种亮度时，辉亮信号只在截止和某一固定值间变化。这时控制栅极和阴极间的电压低于截止电压，然后加上正信号来实现增辉。 调整辉亮信号的振幅，就可以改变显像管上光点的亮度。在图像显示器中，要求有一定的灰度，这时要根据灰度等级数据变换成相应的辉亮信号，然后加到栅极和阴极之间。,15,驱动电路 辉亮控制系统,辉亮控制信号 彩色：彩色亮度由三基色按不同比例确定，这时的辉亮控制

6、信号实际上是具有相应振幅的R、G、B信号。用它分别去对三只电子枪进行调辉，在荧光屏上就可以出现相应强度的R、G、B颜色。 人工控制方式：一般改变控制栅极和阴极之间的初始电平。也有通过改变辉亮放大器的数量，来改变输入信号的振幅。,16,驱动电路 辉亮控制系统,信号混合电路 显示器通常有许多信号要显示在同一画面上，这就要求辉亮混合后再控制调辉电极。 模拟辉亮信号：用运算放大器混合。 数字辉亮信号（两类）： 1）等幅的脉冲或开关方波，宽度不一、不同时出现，用逻辑或门混合； 2）各种辉亮数据（如灰度等级），要先进行D/A变换，变成振幅与数据相应的信号，然后用运算放大器混合。,17,辉亮控制系统,如右图

7、，回波、光标、字符及航迹辉亮信号为等幅脉冲，用或门混合。 编码器输入这些辉亮信号的控制方波经过编码、D/A变换后控制相应辉亮信号放大器，形成不同灰度级,辉亮混合电路,18,驱动电路 辉亮控制系统,辉亮放大器 又称为视频放大器，是一种线形模拟放大器。它接收小振幅的输入信号，输出为大振幅的辉亮控制信号： 输入：0.5v10v 输出：几十v100v 主要特性参量：振幅、带宽、暂态响应、信号延迟及漂移。,19,驱动电路 辉亮控制系统,辉亮放大器 输出电压振幅 辉亮放大器输出电压的振幅取决于显象管的控制特性。 输出振幅变化范围是显象管从电流截止到荧光屏输出最高亮度时的数值，典型的输出振幅动态范围值为26

8、150v。,20,驱动电路 辉亮控制系统,辉亮放大器 带宽 辉亮放大器的带宽取决于输入信号的宽度。现代的显示器中，宽度可为几十毫微秒几毫秒。 其带宽取决于放大器本身带宽、所用原件数值和电路工作点的选择。 直流耦合，低频响应可以展宽到零频（直流）。 交流耦合，由放大器内部耦合网络时常数决定。,21,驱动电路 辉亮控制系统,辉亮放大器 暂态响应 用来描述辉亮放大器的输入输出关系。 通常，一个像素的辉亮建立时间应选为电子束 扫过一个像素时间的10%35%。 设像素直径为d，扫描速率为v，扫描线长度为l 则扫过一个像素的时间 为：,22,驱动电路 辉亮控制系统,辉亮放大器 暂态响应 辉亮放大器的带宽

9、应为： 由上式，偏转扫描速率越高， 就越小，要求辉亮放大器的带宽也越宽。,23,驱动电路 辉亮控制系统,辉亮放大器 信号延迟和漂移 偏转信号和辉亮信号之间的相对延迟，是由它们 之间的惰性差异引起的。在产生各种高速字符时，这种 相对延迟将成为影响显示质量的中重要因素。 在磁偏转的显像管中，磁偏转线圈的电感量有一 定的数值，其惰性较大，常造成偏转迟后辉亮的现象。 因此要在辉亮放大器中接入一个固定迟延进行补 偿，迟延时间由试验确定。,24,驱动电路 辉亮控制系统,亮度补偿 对于穿透式显象管进行彩色显示时，加速电压不同，电子能量不同，打在荧光屏上发出的亮度也不同。因此需要在改变高压时，进行亮度补偿。

10、可以通过改变辉亮放大器的增益来控制电子束电流的方法进行亮度补偿，但加大电流时电子间排斥力会增大，引起散焦。 在四种颜色中，红色时电压最低，电流最大，散焦最严重。低压下不易取得较好的聚焦。,25,驱动电路 辉亮控制系统,亮度补偿 为了解决辉亮与聚焦之间的矛盾，有时用色码去控制电子束扫描速率的方法。不同色码在控制高压的同时控制电子束扫描速率，以维持与其大体相同的亮度。 例如，具有同样长矢量的4种颜色，不加补偿时，红色矢量最暗，绿色矢量最亮。为使其亮度大体相同，可以降低红色矢量的书写速率和提高绿色矢量的书写速率。这样对聚焦就毫无影响了。,26,驱动电路 偏转控制系统,偏转控制系统 主要用来控制电子束

11、在荧光屏上的扫描，在辉亮信号的配合下，形成图像和数据。 用电来控制电子束偏转时，偏转信号加在偏转板上。用磁场来控制电子束偏转时，偏转信号加在偏转线圈上。 由于电偏转显象管的亮度低、聚焦差、管身长、管面小等原因，而普遍采用磁偏转。,27,驱动电路 偏转控制系统,偏转扫描方法：光栅扫描、径向扫描和随机扫描 光栅扫描：是指电子束在显像管荧光屏上，从上到下一行一行扫描。 当电子束扫到右端后迅速返回下一行左端，重新进行下一行的扫描。当电子束扫到右下角时，又迅速返回左上角，重新进行另一帧的扫描。,28,驱动电路 偏转控制系统,光栅扫描术语 一行：从左端向右端扫描一次 行正程：从左到右的扫描时间 行逆程：从

12、右端迅速返回左端的时间 帧正程：从左上角扫到右下角的时间 帧逆程：从右下角返回左上角的时间,29,驱动电路 偏转控制系统,光栅扫描 为不使图像混乱，行逆程和帧逆程时间里要加入消影信号，使图像在这段时间不辉亮。 逐行扫描法：一行紧接着一行的光栅扫描方法 下图给出了光栅逐行扫描时的x（水平）、y（垂直）偏转信号及电子束在荧光屏上运动轨迹示意图。,30,光栅扫描,逐行扫描偏转波形及画面示意图,帧正程,帧逆程,31,驱动电路 偏转控制系统,光栅扫描 为进一步降低闪烁，可分成两场进行隔行扫描。 第一场扫出光栅的奇数行，第二场扫出光栅的偶数行。显像管屏面上全部像素要两场扫描完。 若每秒显示25帧图像，则场

13、频为50HZ，这时不会出现亮度闪烁现象。 隔行扫描要求下一帧扫描起点与上一帧相同，以保证各帧扫描光栅重叠。,32,驱动电路 偏转控制系统,径向扫描 径向扫描是极坐标扫描，它是平面位置显示器（PPI）中要用到的一种扫描方法。 电子束起点通常在荧光屏的中心，在扫描电压或电流的作用下，从中心向外径方向扫描。当电子束扫到荧光屏的边沿时迅速返回起点，重新形成下一次扫描。,33,驱动电路 偏转控制系统,径向扫描 在PPI中如果扫描线方向以 表示，扫描线长度则表示距离R 当 慢慢变化时，一条径向扫描线将紧挨着上一条径向扫描线之后出现，并沿着 方向在荧光屏上慢慢旋转。,34,驱动电路 偏转控制系统,径向扫描

14、下图为径向扫描线及其波形示意图， 为天线方位角,35,驱动电路 偏转控制系统,随机扫描 以随机定位方式来控制电子束的运动 只要给出与（x，y）相应的扫描电压（或电流）就可以使电子束形成的光点出现在荧光屏的（x，y）位置上。这样就可以把显示信息随意的显示在荧光屏的任意位置上。,36,随机扫描,随机扫描波形及 画面示意图,37,驱动电路 偏转控制系统,随机扫描 由上图，电子束从中心开始，先画一个口字，再画一个圆，最后画四个点。画完后电子束返回屏面中心。 形成图形的数据由计算机或其它控制设备产生，经D/A变换后形成上图所示的偏转波形，控制电子束作上述规律运动，再加上图上所示的辉亮信号，将不需要显示的

15、过程消影，就可显示出清晰的图形。,38,驱动电路 偏转控制系统,偏转系统电路：偏转混合器、偏转放大器和偏转补偿电路 偏转信号的混合 偏转信号有模拟和数字两类，因此有两种混合方法：模拟混合法、数字混合法。,39,驱动电路 偏转控制系统,偏转信号的混合 模拟混合法对各种模拟式的偏转信号进行混合，通常由运算放大器进行“和”运算来完成。 当输入信号较多时，可以同时采用运算放大器的同相输入端和反相输入端。,如图：输入3种模拟偏转信号，运算放大器输出为为这三个输入之和,40,驱动电路 偏转控制系统,偏转信号的混合 数字混合法对各种偏转数据进行混合，然后形成相应的模拟偏转控制信号。 用得最多的是采用可以置数

16、的可逆计数器进行数据综合，然后经D/A变换器形成模拟的偏转控制信号。,41,驱动电路 偏转控制系统,偏转放大器 由于混合电路的偏转信号振幅较小，不足以推动显像管的偏转板和偏转圈，因而这中间要加入偏转放大器。 偏转放大器包括前置放大器、末级功率放大器和反馈系统。,42,驱动电路 聚焦控制系统,CRT屏面的光点粗细是靠聚焦系统控制的。 为了获得良好的聚焦效果，除了选用高分辨率显像管外，还应该由完善的聚焦控制系统，良好的聚焦系统能够使屏面光点尺寸均匀，而且能够人工调节。,43,驱动电路 聚焦控制系统,电聚焦控制系统 能够给显像管聚焦电极提供适当的而且在一定范围内可以调节的聚焦电压。 由于聚焦电压是通

17、过从高压中分压的方法得到的，因而聚焦的人工控制可通过对串在分压器中的电位器调节来实现。,44,驱动电路 聚焦控制系统,磁聚焦 靠聚焦线圈的轴向磁场完成，只有当聚焦线圈的轴线与电子束的轴线互相吻合时，才能获得高质量的聚焦。 通常荧光屏面的中心处曲率半径小，边缘处曲率半径大。,45,驱动电路 聚焦控制系统,磁聚焦 如图R0、R1、R2为不同屏面处的曲率半径。 电子束在屏中心聚焦良好时，偏到边缘就会散焦。 散焦的程度随电子束偏离中心的距离r而定，r越大，散焦越严重。,荧光屏曲率示意图,46,驱动电路 聚焦控制系统,磁聚焦 为使光点在荧光屏上任一点聚焦良好，要采用动态聚焦。 动态聚焦：随着电子束在荧光

18、屏的位置变化，自动地进行聚焦调整，使在荧光屏面任意处的光点尺寸基本一致。,47,驱动电路 聚焦控制系统,磁聚焦 一般在荧光屏边缘光点尺寸比中心光点尺寸大3倍时，采用动态聚焦的效果较明显。 动态聚焦电路的带宽一定要和偏转放大器的带宽一样，聚焦调整才能跟上偏转放大器的工作。 对于小尺寸的屏幕，光点均匀性不很严重，常常不用动态聚焦电路。,48,驱动电路 高压控制系统,显像管的高压通常包括：加速阳极、聚焦电极电压、第二栅极电压等 对一般显像管，一旦工作点选定，这些高压就是固定的数值，不需要进行调整（聚焦电极电压除外） 产生高压的方法是采用直流逆变器，将直流电压变成高频震荡电压，再经变压器升压，最后进行

19、倍压整流和稳压，得到所需电压。,49,驱动电路 高压控制系统,在电子束穿透式显像管中，通过加速阳极电压的改变来更换显示的颜色，这时，高压就不能固定。 由于高压变化对偏转灵敏度、聚焦和亮度有关，因而在高压变化的同时，应对偏转、聚焦和辉亮进行补偿。 高压转化系统的性能通常由转换时间、转换频率和转换精度来衡量。,50,驱动电路 高压控制系统,转换时间 指从一种颜色转换到另一种颜色所需时间，即高压从某一数值变化并稳定在另一值所需要的时间。 为使显示信息增加，总希望尽可能缩短高压转换的时间。当前高压转化时间可以做到在3050微秒之间。 影响高压转换时间的主要因素是显像管加速电极的分布和开关电路的等效内阻

20、。,51,驱动电路 高压控制系统,转换频率 指的每秒内变换颜色的次数。 转换频率除了受转换时间限制外，还要受到消耗功率的限制，而后者常常是主要的限制。 转换频率越高，消耗的能量越多，高压电源提供的功率就要求越大。 为增加显示能量，又不要加大高压电源的功率，可在程序设计中想办法。,52,驱动电路 高压控制系统,转换精度 高压转化的精度对显示颜色、偏转、聚焦和辉亮均有影响。因为偏转聚焦和辉亮一般都用分级补偿（按规定的颜色进行补偿）。 如果转换精度不高，就不可能使补偿合适，从而产生彩色线条的配准误差。,53,驱动电路 高压控制系统,转换精度 造成转换误差的主要原因是电路工作点不稳、元件数值的误差以及电源系统的漂移等。 通常要求电压的转换精度在0.1%以内。 转换电路有模拟式和开关式。在相同的转化条件下模拟式所消耗的功率比开关式大数百倍，而且模拟式转换电路较复杂，设备庞大，转换精度低，常选用开关式转化电路。,