CRT显示器的工作原理

CRT显示器的工作原理

彩色显示器的基本构造框图

光栅扫描示意图

5X7字符点阵

尽管显示器的新品层出不穷，但CRT（Cathode Ray Tube，阴极射线管）的基本工作原理一直沿用了几十年，直到今天也没有太大的变化。显示器是一种复杂的设备，其扩展性和可靠性也十分惊人，在这一方面，电子控制起了很大的作用，任何机械都会有磨损，唯有用电子元件才能延长寿命，甚至能适应数千小时的工作。电子枪是显像管的核心，它发出的电子束击中光敏材料（荧光屏），刺激荧光粉就能产生图像。实际上，电子枪和大体积、功率强劲的二极管没有什么区别，其原理也适用于电视机和示波器。

　　 1、生成图像

　　 CRT分为几个部分：Deflection Coil（偏转线圈）用于电子枪发射器的定位，它能够产生一个强磁场，通过改变强度来移动电子枪。线圈偏转的角度有限，当电子束传播到一个平坦的表面时，能量会轻微地偏移目标，仅有部分荧光粉被击中，四边的图像都会产生弯曲现象。为了解决这个问题，显示器生产厂把显像管制造成球形，让荧光粉充分地接受到能量，缺点是屏幕将变得弯曲。电子束射击由左至右，由上至下的过程称为刷新，不断重复地刷新能保持图像的持续性。

　　 2、混合颜色

　　 旧式的显示器只有单一的电子枪，仅能产生黑白两种颜色，即是传说中的Monochrome Monitor（单色显示器）。新一代显示器有三只电子枪，每个电子枪都有独立的偏转线圈，分别发出RGB（Red、Blue、Green，红、蓝、绿）三束光线，混合光线可以产生1600万种颜色，或者说真彩色。某些显示器能用一个电子枪发出三束光线，经过混合亦能生成其它颜色。生成彩色图像电子枪要扫描屏幕三次，其过程比黑白图像复杂得多。

　　 3、回转变压器（Flyback Transformer）

　　 回转变压器类似发动机点火线圈，在特定时间发出一个低能量信号给回转磁线圈，并生成磁场。当低能量源关闭后，磁线圈的能量转移到高能量输出中，最后传到电子枪发出电子束。依照CRT尺寸的不同，产生的能量也各有差异，通常在10000伏至50000伏之间。当电子枪完成一条线的扫描后，回转变压器会放出能量，关闭电子枪并消去磁场，强制光束发到屏幕的其它位置，就能画出下一条线。在显示器开启时，不要直接触摸CRT，它带有上万伏的电压，你会被击伤并导致死亡。

　　 4、垂直和水平同步

　　 垂直和水平是CRT中两个基本的同步信号，水平同步信号决定了CRT画出一条横越屏幕线的时间，垂直同步信号决定了CRT从屏幕顶部画到底部，再返回原始位置的时间，垂直同步也可以称为刷新率。显卡把这两个参数提供给显示器，显示器用它们来驱动内部振荡电路，确定显示器与当前显卡的设置相同。标准电视机的水平同步信号=512线×30帧/秒=15.75kHz，显示器的水平同步信号可任意调节，幅度在15.75kHz－95Khz之间。把水平同步信号反转能够得出扫描一条线的时间，即1/17.75Khz=63.5微秒。在垂直折回脉冲使电子枪关闭后，电子枪会返回原来位置，电视机扫描一帧图像要返回525次。因为CRT的频繁开关和扫描切换，在屏幕上实际表现出来的线数比525要少一些，约为428－399条线。

　　 5、交错和非交错

　　 显示器表现的是静态画面，并以连续的画面来组成动画，由于电脑画面是随机的，无法预先录制，在玩3D游戏时就会感到画面的过渡出现停顿感。为了追求显示画面的速度，需要采用的二种不同扫描方式。电视机采用的是交错（Interlace）扫描，机器本身刷新速度不足，每一帧都要刷新两次，由于人眼的视觉暂停原理，会感到画面是连续播入的，缺点是人眼能发现两次刷新的不同，感到屏幕有闪烁，长时间观看容易使眼睛疲劳。显示器的隔行扫描与之相近，但有少许不同。电视机能稳定运行在30Hz，或30帧/秒，但早期CRT并不能保持刷新率不变，磁偏转线圈常常影响着电子束的发射，有时还会减弱电子束，以及荧光粉的发热时间的限制，导致上半部分屏幕比下半部分屏幕更亮，所以我们不能再沿用电视机的技术，必须有所突破。后来，人们采用了分线刷新的方法，第一次扫奇数行、第二次扫偶数行，缺点是每做一样工作要刷新两个周期，显示器的反应较慢，当然，画面闪烁是少不了的。不过，也因此而增加了显示器的刷新速度，以30fps的频率实现60fps图像亦变为可能，避免了显像管负荷过重而烧毁。幸运的是，在荧光粉发热时间和稳定性增加，以及电子枪得到重大改进的今天，上述发生早期CRT应用的问题亦不复再现。

　　 6、金属隔板技术

　　 点状阴罩（Shadow Masks）指电子枪和荧光屏之间放置一个金属隔板，上面有许多小洞让电子通过。其作用是防止一个荧光点加热时传导到附近的点，分离显示器的色彩。在阴罩技术方面，有两点最重要：一是如何使用更薄的金属来制造隔板，并缩小点与点之间的位置（Dot Pitch，点距），让它与屏幕上的点一一对应；二是如何修正电子束的颜色，让它更符合要求。

　　 阴罩的主要缺点是金属板会随着能量的变化而产生弯曲，特别是在高亮度的情况下，需要更多的能量来战胜阴罩的阻抗，弯曲会更加严重。金属板变形使电子束偏离原定目标，显示的画面会模糊不清。为此，人们只好不断寻找合适制造阴罩的金属，目前效果最好的是INVAR（不胀铜），它是镍/铁合金，膨胀率几乎为零。阴罩的第二个缺点是屏幕弯曲会产生刺眼的眩光，用AGC（Anti Glare Coatings，防眩光涂层）能解决这个问题。

　　 Aperture Grills（栅条式金属板）的原理和阴罩差不多，只是圆孔换成了垂直的栅条，增加了电子束的穿透率。由于栅条是垂直的，可以使用柱面显像管，在垂直方向实现完全平面。缺点是金属板过热会导致栅条间隔变小，显示图像模糊。除此之外，栅条的微小振动也会导致画面颤抖。Sony的Trinitron（特丽珑）采用了两条水平金属线来固定栅条的位置，虽然在高亮度时可以见到约隐约现的金属线，但并不影响画面的完整。

　　 slot mask（槽状阴罩）是NEC和Panasonic开发的新技术，它结合了传统阴罩和栅条金属板的优点，以重直长方形栅条代替了旧式的圆点，增加了电子束的穿透率。不过，它仍然无法避免金属板的变形，唯有沿用原有的球状显像管。另外，槽的形状还要尽量接近电子束的外形，防止荧光粉受到过多的能量照射。