Вопрос № 4. Устройства отображения информации на электронно-лучевых трубках.
Наиболее универсальными и сложными УОИ являются устройства на ЭЛТ. В таких устройствах отображение информации осуществляется на экране ЭЛТ с помощью узко сфокусированного электронного луча. Широкое использование ЭЛТ в УОИ обусловливается малым временем формирования изображения или его части. При этом необходимо отметить, что в УОИ на ЭЛТ, в основном, используются трубки с магнитными отклоняющими системами, т.к. они обеспечивают более лучшую фокусировку электронного луча, большую яркость изображения и больший угол его отклонения по сравнению с трубками с электростатическими отклоняющими системами.
По типу применяемых ЭЛТ УОИ подразделяются на устройства с индикаторными ЭЛТ со знакогенерированием и на устройства со знакопечатающими ЭЛТ. В УОИ на ЭЛТ со знакогенерированием электронный луч является пишущим элементом, который, перемещаясь по определенному закону с одновременным изменением его яркости, обеспечивает воспроизведение символов. Закон отклонения и закон изменения яркостной модуляции луча задается с помощью управляющих сигналов, вырабатываемых знакогенератором. В УОИ на знакопечатающих ЭЛТ сам электронный луч является печатающим инструментом. Для этого поперечному сечению луча придается форма знака, который требуется отобразить на экране трубки.
4.1. Индикаторные устройства на электронно-лучевых трубках со знакогенерированием
Состав и назначение основных узлов УОИ на ЭЛТ со знакогенерированием рассмотрим на примере отображения информации, заданной в виде формуляра. Схема такого устройства приведена на рис.4.
Основными узлами его являются: индикаторная ЭЛТ с электронной пушкой (состоящей из катода К, управляющего электрода УЭ и анода А), адресными, формулярными и знаковыми отклоняющими катушками; адресное устройство, знакогенератор, устройство сдвига знаков формуляра, смеситель-усилитель (>>) и формирователь F.
Рис 4. Основные узлы и устройства УОИ на ЭЛТ
Работу УОИ на ЭЛТ со знакогенерированием, для случая отображения информации в виде формуляра размером 2x2 рассмотрим с помощью временных диаграмм, приведенных на рис. 5.
Рис 5 Временные диаграммы работы УОИ на ЭЛТ со знакогенерированием
Код адреса, поступающий на адресное устройство, запоминается в нем на время воспроизведения формуляра и управляет отклонением луча в место воспроизведения формуляра. После отклонения луч ждет начала отображения первого знака формуляра. Код знака дешифрируется в знакогенераторе, который под действием управляющего импульса начала воспроизведения знака вырабатывает последовательность импульсов подсвета Uп и отклоняющее напряжения Ux3 и Uy3. Управляющий импульс сброса знака переводит знакогенератор в исходное состояние, обеспечивающее прием и дешифрацию очередного кода знака, а также управляет работой устройства сдвига знака в формуляре, путем отклонения луча в место воспроизведения очередного знака формуляра (ixф и iyф). Импульс сброса адреса переводит адресное устройство и устройство сдвига знаков в исходное состояние, подготавливая этим самым УОИ к приему и отображению очередного формуляра. На рис.5 на первых трех временных диаграммах показаны интервалы времени, в пределах которых поступают соответствующие коды адреса и знака на вход УОИ.
Основным узлом индикаторного устройства на ЭЛТ со знакогенерированием, определяющим параметры и принцип построения всего устройства является знакогенератор. Обобщённая структурная схема знакогенератора приведена на рис.6.
 |
Рис. 6 Обобщённая структурная схема знакогенератора
Код знака, после промежуточного хранения на входном регистре RG на время его отображения, поступает на вход дешифратора DC, который преобразовывает его в соответствующие управляющие сигналы. Последние поступают на вход устройства формирования отклоняющих напряжений знака Uxз и Uуз, с помощью которых задаётся закон перемещения электронного луча при формировании соответствующего знака, а также на вход устройства формирования импульсов подсвета Uп. С помощью импульсов подсвета задаётся закон яркостной модуляции электронного луча при отображении знака. Управление знакогенератором осуществляется импульсами сброса знака и импульсами начала воспроизведения знака, соответственно, устанавливающие знакогенератор в исходное состояние и задающие момент времени выработки требуемых напряжений Uхз, Uуз и Uп.
Известные методы знакогенерирования по способам отклонения электронного луча в ЭЛТ и формирования изображения на экране делятся на две основные подгруппы. К первой относятся устройства, в которых используется растровый метод, а ко второй – устройства, использующие функциональный метод (рис.7).
         |
Рис. 7 Классификация методов знакогенерирования
Растровый метод формирования знаков характеризуется тем, что электронный луч движется независимо от формы изображаемого знака по одной и той же траектории. Требуемая форма знака воспроизводится за счёт подачи импульсов подсвета в определённые моменты времени. Таким образом, устройство формирования отклоняющих напряжений знакогенератора (рис.6), реализующее растровый метод, должно вырабатывать отклоняющие напряжения Uхз и Uуз одной и той же формы для всего алфавита отображаемых знаков и поэтому оно не содержит элементы памяти.
Устройство формирования импульсов подсвета вырабатывает различные последовательности импульсов Uп для каждого знака в отдельности и поэтому оно должно содержать память.
Некоторой разновидностью точечного малоформатного растра является штриховой. В этом случае электронный луч перемещается непрерывно в соответствии с линейно изменяющимся напряжением Uхз и ступенчато изменяющимся напряжением Uуз. Отпирание и запирание луча производится импульсами подсвета такой же последовательности, как и при точечном растре. На рис.9 приведена форма цифры три, воспроизводимая с помощью штрихового растра.
  |
а) б)
Рис. 8 Растровый метод формирования знака
а) матрица формирования растра по строкам столбцам
б) временные диаграммы формирования штрихового растра
 |
Рис. 9 Цифра «3», воспроизводимая штриховым растром
4.2. Дисплейные индикаторные устройства.
Устройство вывода данных из ЦВМ, обеспечивающее представление информации на экране ЭЛТ в форме, удобной для зрительного восприятия человеком и принятия им решений, называется дисплеем. В настоящее время всё шире развивается метод построения телевизионных (ТВ) дисплеев, основной составляющей частью которых является стандартный ТВ приёмник, на экране которого производится отображение информации. Это связано с широкой универсальностью телевидения, позволяющего не только наглядно отображать различную информацию на ТВ экране, но и образовывать разнообразные, чётко взаимодействующие между собой системы отображения.
В основу создания большинства ТВ дисплеев положен способ формирования знаков и графических изображений на стандартном полноформатном 625-строчном телевизионном растре путём подсвечивания элементов отображаемых знаков в виде точек в определённые моменты времени вдоль всей ТВ строки (рис.10).
горизонтальный размер кадра
 | |||
 |
Рис. 10 Способ формирования знаков и графических изображений на ТВ-дисплее
Буквенно-цифровая информация, отображаемая на экране ТВ дисплея, обычно представляется в виде набора разделённых между собой информационных строк. Так, на рис.10 показано, что каждая информационная строка включает семь ТВ строк, а промежуток между ними – три ТВ строки. Наиболее важной особенностью формирования изображения на ТВ полноформатном растре является то, что каждый символ, в отличие от малоформатного растра, воспроизводится по частям, прерываясь во времени. Поэтому в процессе отображения одновременно находятся все знаки, составляющие одну информационную строку, что требует, вначале накопления информации в объёме одной информационной строки, а затем преобразования её в ТВ видеосигнал. Упрощённая схема устройства формирования видеосигнала представлена на рис.11.
 |
Рис.11 Упрощённая схема устройства формирования видеосигнала
В запоминающем устройстве (ЗУ) хранится информация в объёме одного кадра. Данная информация поступает из ЭВМ и после хранения в ЗУ дисплея преобразовывается в видеосигнал. На быстродействующее буферное запоминающее устройство (ББЗУ), представляющее собой быстродействующий регистр сдвига, переписываются коды всех знаков, составляющие одну информационную строку. Регистр сдвига замыкается в кольцо и коды знаков одной информационной строки циркулируют в нём синхронно со строчной развёрткой. Число полных сдвигов информации в ББЗУ зависит от числа ТВ строк одной информационной строки. Код очередного знака с ББЗУ поступает на знакогенератор, представляющий собой в общем случае ПЗУ, в котором для всего алфавита знаков хранятся позиционные коды видеосигналов, соответствующие каждой ТВ строке. Узел ТВ развёртки обеспечивает формирование полноформатного ТВ растра. Устройство управления (УУ) осуществляет временную синхронизацию всех узлов схемы. После окончания отображения одной телевизионной строки на экране ТВ приёмника на регистр сдвига ББЗУ из ЗУ записываются коды знаков следующей строки и процесс отображения информации повторяется.
4.3. Знакопечатающие устройства отображения информации на электронно-лучевых трубках
Знакопечатающие ЭЛТ (ЗЭЛТ) отличаются от индикаторных трубок тем, что у них след электронного луча на экране имеет специальным образом выбранную форму знака, в то время как в обычных ЭЛТ след луча имеет, как правило, форму небольшого круга (точки). Получение такой отметки на ЗЭЛТ достигается путём придания поперечному сечению электронного луча требуемой формы знака. ЗЭЛТ используются обычно в УОИ, сопряжённых с ЦВМ автоматизированных систем управления.
В настоящее время известно несколько типов ЗЭЛТ, таких как характрон, тайпотрон, композитрон, принтоскоп. Наибольшее распространение получила ЗЭЛТ, называемая характроном, устройство и принцип работы которого рассматриваются ниже.
Для придания электронному лучу специальной формы в характроне используется так называемая матрица. Она представляет собой металлическую пластину, расположенную внутри трубки на пути движения электронов и имеющую отверстия в форме знаков (рис.12).
 |
Рис. 12 Матрица характрона
 |
Рис. 13 Формирование знака электронным лучом в матрице характрона
Количество и конфигурация символов матрицы определяются назначением характрона. Обычно матрица содержит 64 знака (8 строк по 8 знаков в строке). Луч трубки, попадая на матрицу, перекрывает только один знак. После матрицы сечение электронного луча принимает форму этого знака (рис.13).
Выбор знака осуществляется путём отклонения луча в соответствующую точку матрицы. Линейные размеры знаков матрицы порядка 0,2…0,4мм, а расстояние между ними 0,7…0,8мм. Толщина пластины матрицы порядка 0,025мм. Для тонких матриц имеет место меньшее искажение формы луча при воспроизведении знаков, удалённых от центра матрицы. В остальном устройство характрона (рис.14) аналогично обычной ЭЛТ, за исключением некоторых элементов, обеспечивающих выбор воспроизводимого знака.
 | |||||||||
| |||||||||
| |||||||||
| |||||||||
| |||||||||
 |
Рис. 14 Устройство характрона
Электронная пушка, состоящая из катода, управляющего электрода и анода, формирует узкий луч, имеющий в сечении форму круга. Для отклонения луча в нужную точку матрицы применяется отклоняющая система выбора знака, которая состоит из двух пар пластин (выбирающие пластины). После матрицы располагается фокусирующая система, которая осуществляет фокусировку луча и отклонение электронов, прошедших любую точку матрицы к оси трубки. Дойдя до оси, электроны, двигаясь по инерции, пересекают ось под некоторым углом, который зависит от положения выбранного знака на матрице. Две пары компенсирующих пластин служат для отклонения электронного луча точно вдоль оси трубки. Отклоняющие напряжения компенсирующих пластин те же, что и на выбирающих с учётом разницы в чувствительности пластин. Отклонение луча в требуемую точку экрана производится магнитной отклоняющей системой, называемой также координатной или адресной системой, так как она определяет координаты положения знака (адрес знака) на экране ЭЛТ. Луч, попадая на экран и имея сечение в форме знака, как бы печатает этот знак на экране. Характроны имеют диаметр экрана до 50…75см, при этом линейные размеры знака на экране – порядка 3…5мм. Для увеличения яркости изображения при сохранении достаточно высокой чувствительности отклоняющих систем в характронах применяется дополнительное ускорение электронов луча после отклонения их в адресной системе. Для этого используются дополнительные аноды, выполненные в виде металлизированных колец, нанесённых на внутренней поверхности трубки, и имеющие высокие напряжения (до 12 кВ относительно катода). Для отображения информации, представленной в виде формуляра, смещение луча в пределах одного формуляра при последовательном воспроизведении нескольких знаков может производиться с помощью адресной системы. В некоторых характронах для этой цели используется специальная электростатическая отклоняющая система, называемая системой сдвига знака в формуляре (на рис.13 показан второй вариант устройства характрона).
Магнитное поле фокусирующей катушки не только отклоняет луч к оси, но и поворачивает его на некоторый угол. Поэтому выбирающие и компенсирующие пластины установлены в трубке таким образом, что их плоскости отклонения луча не совпадают. Они выбраны с учётом поворота луча фокусирующей системой. По этой же причине матрица также развёрнута на некоторый угол относительно оси ЗЭЛТ. Дополнительная корректировка угла поворота луча в процессе эксплуатации трубки осуществляется с помощью специальных корректирующих катушек.
Принцип построения адресного устройства и устройства сдвига знаков формуляра подробно рассмотрены ранее, поэтому более подробно рассмотрим устройство выбора знаков. Данное устройство состоит из двух одинаковых каналов (канал отклонения луча по х и канал отклонения луча по у) и предназначено для создания напряжений на знаковые компенсирующие пластины, соответственно отклоняющих электронный луч в заданную точку матрицы знаков и возвращающих луч вдоль оси трубки. В состав каждого канала входят: регистр (RGз), преобразователь кода в напряжение (В/U) и усилитель напряжения отклоняющих пластин (Ø). Код знака, поступающий на вход устройства выбора знака, содержит информацию о местоположении воспроизводимого знака на матрице. Важным здесь является то, что код знака, также как и код адреса, поступающий на вход адресного устройства, представляется в виде двух двоичных слов. С помощью одного двоичного слова кодируется адрес отклонения электронного луча по оси Х, а с помощью второго – адрес отклонения луча по оси У. Число разрядов регистров устройства выбора знаков зависит от размера матрицы знаков, применяемой в характроне. Если на матрицу нанесено 63 знака, то необходимо использовать два трёхразрядных регистра.
Схема выработки импульсов подсвета, состоит из RS-триггера и усилителя напряжения. С приходом импульса сброса знака триггер устанавливается в нулевое состояние, а импульсом начала воспроизведения знака – в единичное состояние.
Рассмотрим последовательность подачи управляющих сигналов на электроды характрона (рис. 14) для воспроизведения на экране формуляра, состоящего из нескольких знаков. В исходном состоянии луч трубки закрыт соответствующим напряжением, подаваемым на управляющий электрод. На знаковые, компенсирующие, формулярные и адресные отклоняющие пластины и катушки подаются соответствующие напряжения и токи, которые определяют вид первого знака, его место в формуляре и положение формуляра на экране трубки. После того, как закончатся переходные процессы в отклоняющих системах (здесь и далее под системой понимается совокупность соответствующего устройства и отклоняющих пластин или катушки), отпирается луч трубки с помощью импульса подсвета, подаваемого на управляющий электрод, и на экране высвечивается один знак. За счет послесвечения экрана время наблюдения знака превосходит длительность импульса подсвета. Для получения второго знака луч трубки запирается, изменяются напряжения пластин выбора знака, компенсирующих и сдвига знака в формуляре. Ток в адресной системе сохраняется прежним. При повторном отпирании луча воспроизводится второй знак и т. д. После того, как будут воспроизведены все знаки одного формуляра, изменяется ток адресной системы и в той же последовательности высвечивается второй формуляр в новом месте экрана. Такая работа УОИ на характроне обеспечивается за счет подачи управляющих импульсов сброса знака, начала воспроизведения знака и сброса адреса, последовательность поступления которых аналогична последовательности импульсов, приведенных на рис. 5. Импульс сброса знака поступает в цепь подсвета, устройство выбора знака и устройство сдвига знака формуляра. В результате этого трубка запирается по управляющему электроду и запись знака прекращается. Одновременно происходит установление регистров знака ( RGзх и RGзу ) в исходное состояние, а устройство сдвига знаков формуляра формирует отклоняющие напряжения, обеспечивающие перемещение луча вдоль строки или вдоль столбца формуляра для записи очередного знака. Под действием импульса начала воспроизведения знака формируется сигнал подсвета, который производит отпирание трубки. Начинается процесс записи знака на экране характрона, который продолжается до тех пор, пока не поступит импульс сброса знака. О окончании записи всего формуляра поступает импульс сброса адреса, устанавливающий регистры адресного устройства и счетчики устройства сдвига знаков формуляра в исходное состояние.
Время воспроизведения одного знака составляет обычно в среднем около 50 мкс. Для получения формуляра из 9 знаков, с учетом переходных процессов в адресной системе, требуется около 500 мкс. Чтобы не наблюдалось заметного мерцания изображения при средней длительности послесвечения экрана (10-2…10-1с), частоту обновления информации выбирают обычно не менее 10…15 Гц. Следовательно, за один период повторения информации может быть получено 150…200 формуляров.
Большинство характронов может использоваться и в режиме сфокусированного пучка, характерного для обычной индикаторной ЭЛТ. Для этого в матрице наряду с различными знаками, предусматривается круглое отверстие, позволяющее пропустить весь электронный пучок. В этом случае положением электронного луча можно управлять как с помощью электростатической, так и с помощью электромагнитной системой отклонения. Для обеспечения достаточной четкости знаков и устойчивости всего изображения предъявляются высокие требования к стабильности и точности установки всех питающих напряжений и юстировки фокусирующих и отклоняющих систем. Это усложняет эксплуатацию характрона и повышает его стоимость. Кроме этого, важным недостатком характрона является отсутствие запоминания и ограниченный набор отображаемых знаков. Для устранения перечисленных недостатков разработаны ЗЭЛТ типа тайпотрон, обладающие свойством запоминания информации; композитрон, в котором осуществляется внешний ввод знаков с матрицы, вынесенной за пределы ЭЛТ; принтоскоп, являющийся дальнейшим развитием характрона и отличающийся тем, что электромагнитные устройства управления в нем заменены на электростатические.