Принцип роботи електронно-променевого монітора

Інструкція до лабораторної роботи

№ 7 “ Відеоадаптери та монітори ”

з дисципліни

“Архітектура комп’ютерів”

Для студентів напрямів підготовки 6.0915 „Комп’ютерна інженерія”

6.0804 „Комп’ютерні науки”

Затверджено

на засіданні кафедри КСМ

Протокол № ___ від __.___.2010 р.

Львів – 2010

Інструкція до лабораторної роботи № 7“Відеоадаптери та монітори” з дисципліни “Архітектура комп’ютерів” для студентів напрямів підготовки 6.0915 „Комп’ютерна інженерія”та 6.0804 „Комп’ютерні науки”./Т.Б.Хім’як Львів: Видавництво Державного інституту новітніх технологій та управління ім. В. Чорновола, 2010.– 16 с.

Укладач:

Хім’як Тарас Богданович, асистент кафедри комп’ютерних систем і мереж

Відповідальний за випуск:

__________________________ / /

Рецензенти:

__________________________ / /

Мета роботи.

1.1. Дослідження принципів роботи та будови моніторів;

1.2. Перевірка впливу параметрів роботи монітора (розширення екрана, частота розгортки, кількість кольорів) на якість зображення та зручність користування монітором;

1.3. Дослідження впливу параметрів відеокарти на роботу монітора

Обладнання робочого місця.

2.1. ЕПТ монітор

2.2. Відеоадаптери (2 шт. – GeForce2 MX/MX 400 та GeForce4 MX 440/460 )

2.3. Олівець

2.4. Лінійка

Короткі теоретичні відомості.

Технології відображення інформації

Інформаційний зв'язок між користувачем і комп'ютером забезпечує монітор. Перші мікрокомп'ютери були невеликими блоками, в яких практично не було засобів індикації. Все, що мав в своєму розпорядженні користувач, — це набір світлодіодів або можливість друку результатів на принтері. В порівнянні з сучасними стандартами перші комп'ютерні монітори були вкрай примітивні; текст відображався тільки в одному кольорі (як правило, в зеленому), проте в ті роки це було найважливішим технологічним проривом, оскільки користувачі дістали можливість вводити і виводити дані в режимі реального часу. З часом з'явилися кольорові монітори, збільшився розмір екрану і рідкокристалічні панелі перекочували з портативних комп'ютерів на робочий стіл користувачів.

У наші дні комп'ютерні монітори досягли вищого ступеня свого розвитку, що не позбавляє користувача необхідності розбиратися в апаратному забезпеченні. Повільний відеоадаптер може загальмувати роботу навіть найшвидшого комп'ютера. А неправильне поєднання монітора і відеоадаптера не тільки не дозволять повноцінно виконувати поставлені задачі, але може привести до погіршення зору.

Система відображення комп'ютера складається з двох головних компонентів:

■ монітора (дисплея);

■ відеоадаптера (званого також відеоплатою або графічною платою).

Принцип роботи електронно-променевого монітора

Інформація на моніторі може відображатися кількома способами. Найпоширеніший — відображення на екрані електронно-променевої трубки (ЕПТ), такій же, як в телевізорі. ЕПТ є електронним вакуумним приладом в скляній колбі, в горловині якого знаходиться електронна гармата, а на дні — екран, покритий люмінофором. Нагріваючись, електронна гармата випускає потік електронів, які з великою швидкістю рухаються до екрану. Потік електронів (електронний промінь) проходить через фокусуючу і відхиляючу котушки, які скеровують його в певну точку покритого люмінофором екрану. Під впливом ударів електронів люмінофор випромінює світло, яке бачить користувач, що сидить перед екраном комп'ютера. У електронно-променевих моніторах використовуються три шари люмінофора: червоний, зелений і синій. Для вирівнювання потоків електронів використовується так звана тіньова маска — металева пластина, що має щілини або отвори, які розділяють червоний, зелений і синій люмінофори на групи по три точки кожного кольору. Якість зображення визначається типом використовуваної тіньової маски; на різкість зображення впливає відстань між групами люмінофорів (крок розташування крапок).

Рис.1. Електронно-променевий монітор (ЕПТ).

На рис.1 показаний розріз типової електронно-променевої трубки. Хімічна речовина, використовувана як люмінофор, характеризується часом післясвічення, який відображає тривалість свічення люмінофора після дії електронного пучка. Час післясвічення і частота оновлення зображення повинні відповідати один одному, щоб не було помітним мерехтіння зображення (якщо час післясвічення дуже малий) і відсутня розмитість і подвоєння контурів в результаті накладення послідовних кадрів (якщо час післясвічення дуже великий).

Електронний промінь рухається дуже швидко, прокреслюючи екран рядками зліва направо і зверху вниз по траєкторії, яка називають растром. Період сканування по горизонталі визначається швидкістю переміщення променя впоперек екрану.

В процесі розгортки (переміщення по екрану) промінь впливає на ті елементарні ділянки люмінофорного покриття екрану, де повинне з'явитися зображення. Інтенсивність променя постійно міняється, внаслідок чого змінюється яскравість свічення відповідних ділянок екрану. Оскільки свічення зникає дуже швидко, електронний промінь повинен знов і знов пробігати по екрану, відновлюючи його. Цей процес називається відновленням (або регенерацією) зображення. У більшості моніторів частота регенерації, яку також називають частотою вертикальної розгортки, в багатьох режимах приблизно рівна 85 Гц, тобто зображення на екрані обновляється 85 разів в секунду. Зниження частоти регенерації приводить до мерехтіння зображення, яке дуже стомлює очі. Отже, чим вища частота регенерації, тим зручніше себе відчуває користувач. У деяких дешевих моніторах частота регенерації без мерехтіння можлива тільки при роздільній здатності 600x480 і 800x600; слід придбавати монітор, що підтримує достатню частоту регенерації при роздільній здатності 1024x768 і вище.

Дуже важливо, щоб частота регенерації, яку може забезпечити монітор, відповідала частоті, на яку налаштований відеоадаптер. Якщо такої відповідності немає, зображення на екрані взагалі не з'явиться, а монітор може вийти з ладу. В цілому відеоадаптери забезпечують набагато більшу частоту регенерації, чим підтримується більшістю моніторів. Саме тому початкова частота регенерації, визначена для більшості відеоадаптерів з метою уникнути пошкодження монітора, складає 60 Гц. Частоту можна змінити за допомогою діалогового вікна Властивості: Екран.

3.2.1. Тип екрану монітора

Екрани моніторів можуть бути двох типів: опуклі і плоскі. До недавнього часу більшість екранів була опуклими, тобто екран згинався до країв корпусу. Цей принцип застосовувався у виробництві левової частки ЕПТ-моніторів і телевізорів. Опукла поверхня приводила до спотворення зображення і появи відблисків, особливо якщо монітор розташовувався в яскраво освітленій кімнаті. Щоб зменшити рівень відблиску світла типового опуклого екрану, в деяких моніторах використовується спеціальне антиблікове покриття.

Звичайно екран викривлений як по вертикалі, так і по горизонталі. У деяких моделях (Sony FD Trinitron і Mitsubishi DiamondTron NF) використовується конструкція Trinitron, в якій поверхня екрану має невелику кривизну тільки в горизонтальному перерізі. Кривизна вертикального перерізу екрану рівна нулю; подібна трубка називається плоскою (flat square tube — FST).

В даний час більшість моніторів оснащена екранами, плоскими в горизонтальному і вертикальному перерізах.

Рис.2 Опуклий ЕПТ-монітор (зліва) і плоский монітор Sony Trinitron FD (справа)

3.2.2. Розмір екрану

Розміри екранів моніторів можуть коливатися від 15 до 42 дюймів (або від 38 до 106 см) по діагоналі. Чим більше розмір екрану, тим дорожче монітор. Найпоширенішими є монітори з екранами, у яких довжина діагоналі рівна 15, 17, 19 або 21 дюйм. На жаль, це не дійсний розмір активної області екрану, а діагональ електронно-променевої трубки.

При порівнянні, наприклад, 17-дюймових моніторів, виготовлених різними фірмами, необхідно зміряти активні області їх екранів. Розмір видимої області є розміром по діагоналі тієї частині екрану електронно-променевої трубки, яка підсвічується електронним променем. Іншими словами, при роботі з Windows видима область — це область, займана головним вікном (область робочого столу).

Ці розміри варіюються від моделі до моделі, так що 17-дюймовий монітор одного виробника може давати зображення розміром 16 дюймів по діагоналі, а монітор іншого — 15,5 дюйми. Як правило, відмінність розміру екрану від розміру його активної області складає 1-1,5 дюйми (2,5-1,25 см). Наприклад, розмір екрану ЕПТ-монітора G73f компанії ViewSonic представлений таким чином: 17 дюймів (видима область 16 дюймів).

Для того, щоб високоякісне зображення рівномірно виводилося по всьому екрану, в багатьох моніторах передбачені спеціальні засоби управління. Дешевші монітори також дозволяють розширювати зображення до меж екрану, проте це може привести до небажаних наслідків. Зокрема, спотвориться зображення, якість якого буде гіршим, ніж у зображення меншого розміру, але настроєного належним чином.

У більшості випадків оптимальними для роботи є 17-дюймові монітори. Для нових систем рекомендуються 17-дюймові монітори, для систем широкого застосування — 15-дюймові, а для висококласних систем — 19-21-дюймові. Монітори більшого розміру рекомендується використовувати для роботи з такими додатками, як, наприклад, настільні видавничі системи, де особливо важливо бачити найдрібніші деталі зображення. На крупнішому екрані монітора (17-дюймовому або більше) можна відобразити сторінку формату А4 у натуральну величину, тобто побачити сторінку точно у такому вигляді, в якому вона буде надрукована.

Багато Web-сторінок розроблені з врахуванням розширення 1024x768, оптимального для 17-дюймових моніторів. Якщо проглядати такі Web-сторінки на моніторі меншого розширення, доведеться скористатися смугами прокрутки.

3.2.3. Роздільна здатність

Роздільна здатність, або розширення, монітора — це розмір мінімальної деталі зображення, яку можна розрізнити на екрані. Даний параметр характеризується кількістю елементів розкладання — пікселів (pixel) — по горизонталі і вертикалі екрану. Чим більша кількість пікселів, тим більш детальне зображення формується на екрані. Необхідне розширення в значній мірі залежить від конкретного додатку. Символьні додатки (наприклад, програми командного рядка) вимагають невисокого розширення, тоді як додатки з великим об'ємом графіки (наприклад, настільна видавнича система) потребують детальніших зображень.

На відміну від звичних ЕПТ-моніторів, здатних підтримувати різні розширення, рідкокристалічні монітори (як настільні, так і дисплеї ноутбуків) призначені для роботи тільки з одним, "рідним", розширенням, а для решти розширень використовується масштабування.

Відеоадаптери комп'ютерів підтримують декілька стандартних розширення, приведених в таблиці 1 нижче разом із загальноприйнятими найменуваннями режимів.

Таблиця 1 Таблиця розширень відеоадаптерів

Розширення, к-ть пікселів	Найменування режиму
640 х 480	VGA (Video Graphics Array)
800 x 600	SVGA (Super VGA)
1024 x 768	XGA (eXtended Graphics Array)
1280 x 1024	UVGA (Ultra VGA)
1600 x 1200	UXGA (Ultra XGA)

Термін VGA часто використовується для позначення стандартного екранного режиму 640x480 з 16 кольорами, який за умовчанням встановлюється в більшості систем Windows, за винятком Windows XP, де базове розширення складає 800х600. Роз'їм з 15 контактами, до якого підключається ЕПТ-монітор в багатьох відеоадаптерах, також називається VGA-роз’ємом. Роз'єм з 20 контактами використовується з рідкокристалічними панелями, сумісними із стандартом DFP. І нарешті, роз'єм з 24 контактами необхідний для моніторів, що підтримують інтерфейс DVI-D, а в найпопулярнішому роз'ємі DVI-I є 29 контактів.

В даний час для опису роздільної здатності екрану практично не використовуються абревіатури SVGA, XGA, SXGA і UXGA. Як правило, розширення характеризується кількістю пікселів. Всі відеоадаптери, що продаються нині, підтримують розширення 640x480, 800x600, 1024x768 і 1280х1024 з різною глибиною кольору, а деякі найдорожчі відеоадаптери справляються з розширенням 1600x1200 і вище.

Оскільки як ЕПТ-монітори, так і рідкокристалічні дисплеї підтримують різноманітні розширення, у користувача є широкий вибір. Як розглядається далі, розширення і глибина кольору (тобто кількість кольорів, що відображається на екрані) залежать від оперативної пам'яті відеоадаптера або ж системної оперативної пам'яті, якщо набір мікросхем графічного ядра вбудований в системну плату. Коли на моніторі з більшою діагоналлю екрану неможливо встановити бажану глибину (насиченість) кольору, значить, слід придбати відеоадаптер із збільшеним об'ємом оперативної пам'яті.

В таблиці 2 приведені мінімальні розміри екрану, рекомендовані для найпоширеніших форматів зображення.

Таблиця 2 Рекомендовані розширення в залежності від розміру монітора

Розширення, к-ть пікселів	Розмір монітора, дюйми
640x480
800x600
1024x768
1280x1024

3.2.4. Крок крапки (розмір пікселя)

Ще одним параметром, що характеризує якість моніторів, є відстань між крапками, яка задається конструкцією тіньової маски або апертурної решітки, розташованих усередині електронно-променевого монітора. Тіньова маска є металевою пластиною, вбудованою в передню частину монітора відразу після шару люмінофора. Пластина містить тисячі отворів, використовуваних для фокусування проміння з електронних гармат, що дозволяє одноразово опромінювати тільки одну правильно забарвлену точку люмінофора. Висока швидкість оновлення екрану (60-85 разів в секунду) призводить до того, що всі крапки опромінюються майже одночасно. При цьому тіньова маска дозволяє сфокусувати промені на необхідних крапках.

У монохромному моніторі розширення відповідає розміру зерна люмінофора, а в кольоровому — як мінімум одній тріаді різноколірних плям. Відстань між крапками або зернистість означає відстань між сусідніми тріадами в міліметрах. Екрани, що характеризуються меншим значенням зернистості, мають щільніше розташовані тріади плям люмінофора і тому можуть формувати чіткіше зображення. І навпаки, екрани з великим значенням зернистості формують менш чітке зображення.

Оригінальний кольоровий монітор IBM PC мав зернистість 0,43 мм — значення, яке тепер не відповідає практично жодному стандарту. Представлені на ринку сучасні монітори мають зернистість 0,25 мм і менше.

У моніторах Sony Trinitron і Mitsubishi Diamond Tron використовується особливий тип апертурної решітки: вертикальні смуги червоного, зеленого і синього люмінофора. Цей тип електронно-променевої трубки забезпечує яскравіше і якісніше зображення. У таких моніторах зернистість представляє відстань не між крапками, а між смугами.

Компанія NEC представила новий тип електронно-променевої трубки з апертурною решіткою, в яких використовуються мозаїчні осередки з трьох смуг кольорів люмінофора. Природно, що такий тип трубки забезпечує ще якісніше зображення в порівнянні з попередніми типами електронно-променевих трубок.

Розмір пікселя є важливим показником для будь-якого монітора, проте не слід на ньому зациклюватися. Деякі монітори з дещо великим кроком точки мають якісніше зображення, ніж монітори з меншим кроком. Основним критерієм при виборі того або іншого монітора повинне бути особисте враження від якості зображення, що виводиться.

Рідкокристалічні дисплеї

Запозичивши технологію у виробників дисплеїв для портативних комп'ютерів, деякі компанії розробили рідкокристалічні дисплеї (рис.3), так звані LCD-дисплеї (Liquid-Crystal Display). Для них характерний безбліковий плоский екран і низька споживана потужність (деякі моделі таких дисплеїв споживають 5 Вт, тоді як монітори з електронно-променевою трубкою — близько 80-100 Вт). За якістю перенесення кольорів рідкокристалічні панелі з активною матрицею в даний час перевершують більшість моделей моніторів з електронно-променевою трубкою.

Слід зазначити, що роздільна здатність рідкокристалічних екранів, як правило, нижча, ніж у типових електронно-променевих трубок. Наприклад, звичайний рідкокристалічний дисплей з діагоналлю екрану 15 дюймів (видима область якого більше ЕПТ-екрану розміром 17") має максимальну роздільну здатність 1024x768, тоді як 17-дюймова ЕПТ-монітор підтримує 1280x1024 і навіть 1600х1200. Все більшого поширення набувають рідкокристалічні дисплеї з розміром екрану 17" і 18" (що аналогічно 19-дюймовому ЕПТ-монітору), які, проте, підтримують максимальну роздільну здатність 1280 х 1024, звичайний ж 19-дюймовий ЕПТ-монітор може мати максимальну роздільну здатність 2048 х 1536.

У портативних комп'ютерах в даний час використовуються кольорові аналогові або цифрові активні матриці. Дисплеї з пасивною матрицею і подвійним скануванням були популярні в дешевих портативних комп'ютерах (ноутбуках), проте більшість недорогих ноутбуків, що продаються сьогодні, оснащені кольоровими аналоговими або цифровими матрицями, які раніше використовувалися лише в дорогих моделях. Дисплеї з пасивною матрицею до цих пір застосовуються в цифрових кишенькових комп'ютерах або промислових пристроях, оскільки мають нижчу собівартість та більшу надійністю в порівнянні з комп'ютерами, оснащеними екранами з активною матрицею.

У рідкокристалічних моніторах використовуються аналогові або цифрові активні матриці. Як правило, дешеві 15-дюймові рідкокристалічні панелі оснащені традиційним роз'ємом VGA, тому аналогові сигнали перетворюються в цифрові. Дорожчі рідкокристалічні дисплеї з розміром екрану 15" і більш мають як аналоговий (VGA), так і цифровий (DVI) роз'єми, якими оснащено багато відеоадаптерів середньої і високої вартості.

Рис.3 Типовий 15-дюймовий рідкокристалічний дисплей.

3.3.1. Як працює рідкокристалічний монітор

У рідкокристалічному екрані поляризаційний світлофільтр створює дві роздільні світлові хвилі і пропускає лише ту, в якої площина поляризації паралельна його осі. Розташовуючи в рідкокристалічному моніторі другий світлофільтр так, щоб його вісь була перпендикулярна осі першого, можна повністю запобігти проходженню світла (екран буде темним). Обертаючи вісь поляризації другого фільтру, тобто змінюючи кут між осями світлофільтрів, можна змінити кількість світлової енергії, що пропускається, а значить, і яскравість екрану.

У кольоровому рідкокристалічному екрані є ще один додатковий світлофільтр, який має три комірки на кожен піксель зображення, — по одній для відображення червоної, зеленої і синьої точки. Червона, зелена і синя комірки, що формують піксель, інколи називаються субпікселями (subpixel). Можливість індивідуального управління кожною коміркою дозволила Microsoft розробити нову технологію покращення якості відображення тексту на рідкокристалічному дисплеї.

3.3.2. "Мертві" пікселі

Так званий мертвий піксель (dead pixel) — це піксель, червона, зелена або синя комірка якого постійно включена (що зустрічається набагато частіше) або вимкнена. Постійно включені комірки дуже добре видно на темному задньому фоні як яскраво-червона, зелена або синя точка. Хоча навіть пара точок| може перешкодити роботі, гарантійні зобов'язання виробників щодо кількості мертвих пікселів, необхідної для заміни монітора, серйозно відрізняються. Деякі виробники звертають увагу як на кількість таких пікселів, так і на їх розташування. На щастя, постійні удосконалення технології виробництва зменшують можливість появи мертвих пікселів на настільному рідкокристалічному екрані або дисплеї ноутбука.