Меню
Главная
Авторизация/Регистрация
 
Главная arrow Информатика arrow Информатика

Устройства ввода/вывода данных

Задачи главы

  • 1. Изучить назначение и характеристики устройств ввода данных в компьютер.
  • 2. Изучить назначение и характеристики устройств вывода данных из компьютера.

Видеотерминальные устройства

Устройства ввода/вывода данных являются терминальными (оконечными), с их помощью осуществляется общение пользователя с ЭВМ, подготовка входной информации для решения задачи, вывод результатной информации.

Видеотерминальные устройства (ВТУ) обеспечивают визуализацию текстовой и графической информации на экране видеомонитора (дисплея). Конструктивно ВТУ состоит из видеомонитора (дисплея), который обеспечивает вывод сформированного изображения, и видеоконтроллера (видеоадаптера) видеокарты – устройства формирования видеоизображений и управления работой монитора.

Видеомониторы

Существует два класса видеомониторов: на ЭЛТ и плоских панелях. Основными характеристиками монитора являются:

■ наличие цветности (монохромные и цветные мониторы);

■ количество цветов (CD – цветной дисплей, 16 цветов; ECD – улучшенный цветной дисплей, 64 цвета; PGS – профессиональная графическая система, 256 цветов);

■ принцип управления сигналом (аналоговый, цифровой);

■ габаритные размеры экрана (размер монитора по диагонали);

■ частота кадровой развертки;

■ разрешающая способность;

■ размер зерна (точки, dot pitch) люминофора экрана монитора (от 0,41 до 0,18) – чем меньше зерно, тем выше четкость изображения;

■ ширина полосы пропускания;

■ эргономичность.

ЭЛТ-мониторы. Конструктивно монитор этого типа включает в себя ЭЛТ, блок разверток, видеоусилитель и блок питания.

Электронно-лучевая трубка, или катодно-лучевая трубка (Cathode Ray Tube – CRT)[1], – это вакуумная стеклянная колба, дно которой покрыто слоем люминофора[2]. Люминофор может светиться под воздействием потока электронов. В тыльной (узкой) части ЭЛТ расположены электронные пушки, на которые подается высокое напряжение (20–30 тыс. В), и они генерируют направленный пучок электронов. В горловине трубки находится система электромагнитной фокусировки, сжимающая пучок, превращая его в узкий направленный поток. Электронный луч проходит через область электромагнитного поля системы отклонения, с помощью которой формируется изображение. Разрешение экрана указывается в количестве пикселей – по вертикали и горизонтали, т.е. числе строк и столбцов матрицы изображения. Например, если разрешение 1280 х 1024, то лучи последовательно проходят по каждой их 1024 строк и вспыхивают 1280 раз на каждой строке. Для формирования непрерывного изображения выполняется обновление кадров с частотой 75–85 раз в секунду и более.

Принципиальное устройство ЭЛТ показано на рис. 8.1.

Принципиальное устройство ЭЛТ

Рис. 8.1. Принципиальное устройство ЭЛТ:

1 – хомут с монтажными креплениями; 2 – отклоняющая система; 3 – электронная пушка; 4 – теневая маска; 5 – внутренний магнитный экран; 6 – люминофорное покрытие; 7 – стекло

Различают монохромные и цветные мониторы.

Монохромные мониторы имеют четкое изображение и высокую разрешающую способность, позволяют отображать оттенки "серого цвета". Наиболее известны следующие типы монохромных мониторов:

■ мониторы прямого управления – обеспечивают высокую разрешающую способность при отображении текстовых и псевдографических символов (не предназначены для формирования графических изображений, построенных на отдельных пикселях);

■ композитные мониторы – обеспечивают качественное отображение символьной и графической информации, допускают работу с цветным графическим адаптером (изображение – черно-белое, зеленое или янтарное).

Цветной RGB-монитор содержит три электронных пушки, формирующие основные цвета: красный (Red), зеленый (Green) и синий (Blue), с помощью которых создаются другие цвета и оттенки. Люминофор цветной трубки состоит из "триад", светящихся основными цветами, на которые ориентирован электронный луч пушки основных цветов. Электронные пушки в ЭЛТ располагаются дельтаобразно или планарно.

В ЭЛТ с планарным расположением электронных пушек применяются два вида масок, с помощью которых выполняется дискретизация луча.

Теневая маска (Shadow Mask) – металлическая сетка перед экраном, через ее отверстия обеспечивается точное попадание луча на определенный элемент цветной триады люминофора (рис. 8.2,а). Характеризует теневую маску минимальное расстояние между люминофорными элементами одинакового цвета, или шаг точки

Виды масок

Рис. 8.2. Виды масок:

а – теневая; б – щелевая; в – в виде апертурной решетки

(dot pitch), который измеряется в миллиметрах. Это наиболее распространенный тип маски.

Щелевая маска (Slot Mask) состоит из параллельных металлических проводников, расположенных перед экраном стеклянной трубки с люминофорным слоем (рис. 8.2,6). Между проводниками создаются щели, которые обеспечивают точное попадание луча на требуемые полосы экрана. Люминофорные элементы расположены в вертикальных эллиптических ячейках, которые содержат группы люминофорных элементов трех основных цветов. Минимальное расстояние между двумя ячейками называется щелевым шагом (slot pitch)[3].

Вариант маски в виде апертурной решетки (Aperture Grill) представляет собой серию нитей, состоящих из люминофорных элементов трех основных цветов (рис. 8.2, в). Трубки с апертурными решетками отличаются повышенной контрастностью картинки и насыщенностью красок, но имеют и недостатки: видимость на светлом фоне экрана тени, отбрасываемой двумя поперечными металлическими нитями, которые стабилизируют апертурную решетку и худшее качество сведения лучей. Минимальное расстояние между двумя одноцветными нитями на экране называется шагом полосы (strip pitch).

RGB-мониторы работают совместно с цветными графическими контроллерами соответствующего стандарта: CD (Color Display), ECD (Enhanced CD), PGS (Professional Graphics System).

Блок разверток может подавать в отклоняющую систему монитора напряжения разной формы, от которой зависит вид развертки изображения. Различают три типа разверток: растровую, матричную и векторную.

Растровая развертка представляет собой набор непрерывных горизонтальных линий, последовательно заполняющих весь экран. На горизонтальные (для строк) и вертикальные (для кадров) пластины отклоняющей системы подается напряжение пилообразной формы.

Матричная развертка заполняет горизонтальные линии в виде отдельных точек, электронный луч перемещается от пикселя к пикселю. Для этого необходимо выполнить квантование пилообразных напряжений, подаваемых в отклоняющую систему через ЦАП. Отклоняющий луч может сразу перемещаться в заданную точку экрана путем установки кода пикселя в счетчиках строчной и кадровой развертки.

Векторная развертка обеспечивает изображение на экране сложных фигур с помощью сплошных линий. Управление вертикальным и горизонтальным отклонением луча осуществляется с помощью набора функциональных генераторов, каждый из которых настроен на формирование определенного простого графического контура (примитива).

В зависимости от способа управления электронным лучом различают аналоговые и цифровые мониторы. В аналоговых мониторах применяются поворотные потенциометры, в цифровых – многоуровневое экранное меню для выбора графических режимов[4].

Мониторы выпускаются с экранами разных размеров, указывается величина диагонали монитора в дюймах.

Смену изображений (кадров) на экране определяет частота кадровой развертки. У современных качественных мониторов поддерживается частота смены кадров не ниже 70–75 Гц; частота строчной развертки достигает величины 40–50 кГц. Этим обеспечивается хорошая полоса частот видеосигнала и совместимость видеомонитора с видеоконтроллером по четкости изображения.

В этой связи мониторы можно разделить на три группы: с фиксированной частотой (один режим изображения), с несколькими фиксированными частотами (несколько фиксированных режимов), мультичастотные.

Оптимальной частотой кадровой развертки для 17-дюймовых электронно-лучевых мониторов с разрешением 1024 х 768 пикселей считается 85 Гц, все современные мониторы выдерживают ее с максимальной четкостью; это значение обусловлено временем послесвечения люминофора.

Строчная развертка может быть построчной и чересстрочной. Построчная развертка имеет меньшую разрешающую способность, но при этом она не снижает кадровой частоты и не увеличивает мерцания экрана, поэтому является более предпочтительной. Видеомониторы обычно могут работать в двух режимах: текстовом и графическом. В текстовом режиме изображение на экране монитора состоит из отображаемых символов расширенного набора ASCII, формируемых программным или аппаратным знакогенератором, что позволяет создавать простейшие рисунки и диаграммы с использованием символов псевдографики. Для вывода символа на экран определяются координаты (номер строки и номер столбца), для кода символа генерируется форма. Существует несколько режимов вывода символов на экран, обычный режим 25 строк × 80 символов в строке. В графическом режиме на экран выводятся видеоизображения, сложные схемы и чертежи, надписи с различными шрифтами и размерами букв, формируемых из отдельных мозаичных элементов – пикселей.

Разрешающая способность мониторов измеряется максимальным числом пикселей, размещающихся по горизонтали и вертикали на экране монитора. Этот параметр важен для графического режима работы, связан с размером пикселя и объемом видеопамяти (для отображения большого количества цветовых оттенков требуется длинный битовый код пикселя), размером зерна (точки, dot pitch) люминофора экрана монитора. Стандартными являются следующие значения разрешающей способности современных мониторов: 640 × 480, 800 × 600, 1024 × 768, 1280 × 1024, 1600 × 1200, 1800 × 1440, 1920 × 1440, 2048 × 1536 и др., но чем больше разрешающая способность, тем меньше рабочая частота кадровой развертки у мультичастотных мониторов. Величина зерна – это расстояние между центрами зерен от 0,20 мм до 0,29 мм, у мониторов с большим зерном не может быть достигнута высокая разрешающая способность.

Ширина полосы пропускания (bandwidth) задается как для ЭЛТ, так и для видеоконтроллера, измеряется в мегагерцах. Она является характеристикой минимальной длительности импульса, соответствующего отображению одиночной точки на экране, и размера точки при предельных скоростях строчной развертки. Для расчета ширины полосы пропускания монитора используют формулу

где α – коэффициент поправки (1,05);

β – коэффициент увеличения времени горизонтальной синхронизации общего времени сканирования (1,3)[5];

X – число пикселей по горизонтали экрана;

Υ – число пикселей по вертикали;

R – частота регенерации экрана.

К прочим характеристикам мониторов на ЭЛТ относятся: плоскость экрана (дает близкое к прямоугольному изображение, уменьшает блики); соответствие спецификации VESA, аппаратная поддержка стандарта Plug & Play для автоматического выбора оптимальных режимов работы монитора.

Эргономичность монитора определяется сочетанием всех характеристик: качество изображения, габаритные размеры, масса, дизайн, безвредность для здоровья человека. Рекомендуемое расстояние между видеомониторами на ЭЛТ должно составлять не менее 2 м для задних стенок и не менее 1,2 м – для боковых. Помещение, где находятся компьютеры, должно быть достаточно просторным, с постоянным обновлением воздуха. Для освещения следует применять галогеновые источники света.

Видеомониторы на плоских панелях. Наиболее популярны следующие разновидности мониторов на плоских панелях: жидкокристаллические (ЖК) индикаторы, плазменные, электролюминесцентные, полимерные светоизлучающие, органические светоизлучающие мониторы.

Цифровые плоские мониторы на ЖК-индикаторах (Liquid Crystal Display – LCD) – пакет, состоящий из поляризационных фильтров, цветных фильтров и стеклянной подложки, защитной панели. На рис. 8.3 представлена принципиальная схема видеомонитора на плоских панелях.

Монитор имеет меньшую глубину, чем ЭЛТ, развертки электронных лучей не требуется, в результате отсутствуют геометрические

Устройство ЖК-монитора

Рис. 8.3. Устройство ЖК-монитора:

1 – пропущенное излучение; 2,6 – поляризационные фильтры; 3 – цветовые фильтры; 4 – стекло; 5 – стекло с TFT; 7 – лампа подсветки; 8 – заднее освещение; 9 – жидкий кристалл

искажения и мерцания изображения, отпадают проблемы с фокусировкой и сведением лучей. Нет необходимости цифроаналогового преобразования сигналов на пути от видеокарты к монитору. Однако у ЖК-мониторов имеются недостатки: более четкие границы между элементами структуры экрана приводят к зернистости изображения, поэтому нельзя отобразить картинку с хорошим качеством в разрешении, не совпадающем с физическим числом элементов экрана.

Монитор выполнен в виде двух электропроводящих стеклянных пластин, между которыми находится тончайший слой кристаллизующейся жидкости. Осуществляется задняя и боковая подсветка экрана с помощью флуоресцентных ламп с холодным катодом или электролюминесцентных ламп.

Различают LCD-мониторы с пассивной и активной матрицами. В пассивной матрице каждый элемент экрана (пиксель) выбирается на пересечении координатных управляющих прозрачных проводов; в активной матрице для каждого элемента экрана есть управляющий транзистор, их называют тонкопленочными транзисторами – TFT-экранами (Thin Film Transistor). У цветных дисплеев каждый элемент изображения состоит из трех отдельных пикселей (R, G и В), покрытых тонкими светофильтрами соответствующих цветов. Современные дисплеи с активной матрицей поддерживают стандарт TrueColor, что позволяет отображать до 16,7 млн цветовых оттенков. Мониторы с активной матрицей имеют лучшую яркость и предоставляют возможность смотреть на экран даже с отклонением до 85° и более (угол обзора около 170°), позволяют отображать движущиеся изображения без видимого искажения, так как время отклика[6] составляет 8–30 мс. Мониторы с пассивной матрицей позволяют видеть качественное изображение только с фронтальной позиции по отношению к экрану, а время отклика у них 300 мс. Яркость отдельного элемента экрана остается неизменной на всем интервале времени между обновлениями картинки, поэтому для LCD-мониторов частота регенерации 60 Гц является достаточной.

LCD-мониторы могут иметь разрешение до 2500 пикселей по горизонтали. При более низком разрешении используются методы центрирования (centering) – минимально необходимое число пикселей для формирования картинки и растяжения (expansion) – изображение занимает весь экран, но при этом возникают искажения и ухудшается резкость. Размер LCD-экранов вырос до 64".

В 2008 г. появились мониторы (UniPixel) на основе матрицы с оптическими затворами и временным мультиплексированием по технологии TMOS (Time Multiplexed Optical Shutter). Они имеют широкий диапазон размеров (от 1 до 100 "), низкую стоимость, большой срок службы (более 100 000 ч), высокую контрастность (5000:1) и яркость[7] (до 500 кд/м2), хорошие цветопередачу и углы обзора.

В плазменных мониторах (Plasma Display Panels – PDP) изображение формируется газовыми разрядами, сопровождающими излучение света. Конструктивно панель состоит из трех стеклянных пластин: две внешние панели содержат тонкие прозрачные проводники, на одной пластине использовано горизонтальное, на другой – вертикальное нанесение; третья пластина имеет отверстия в местах пересечения проводников двух первых пластин (это пиксели), которые заполнены газом.

При подаче напряжения на один из вертикально и один из горизонтально расположенных проводников в отверстии возникает газовый разряд. Плазма газового разряда излучает свет в ультрафиолетовой части спектра, который вызывает свечение частиц люминофора в диапазоне, видимом человеком. При разрешающей способности 1024 × 1024 пикселя панель имеет следующие габаритные размеры: 400 × 400 × 6–8 мм. Плазменные мониторы обладают высокой яркостью и контрастностью, большим углом обзора (больше, чем у LCD-мониторов), отсутствует дрожание. К недостаткам такого типа мониторов относятся высокая потребляемая мощность, возрастающая при увеличении диагонали монитора, и низкая разрешающая способность, старение люминофорных элементов.

В настоящее время ведутся работы по созданию технологии PALC (Plasma Addressed Liquid Crystal), которая соединит преимущества плазменных и LCD-экранов с активной матрицей.

Электролюминесцентные мониторы (Field Emission Display – FED) в качестве панели используют две тонкие стеклянные пластины с нанесенными на них прозрачными проводами. Одна из этих пластин покрыта слоем люминофора. Пластины складываются так, что провода пластин пересекаются, образуя сетку. Между пересекающимися проводами образуются пиксели. На пару пересекающихся проводов подается напряжение, создающее электрическое поле, достаточное для возбуждения свечения люминофора в пикселе, находящемся в месте пересечения. Новым вариантом FED-мониторов является монитор SED (Surfaceconduction Electronemitter Display) с толщиной экрана 7 мм, диагональю 36" и контрастностью 8600:1, обладающий малым энергопотреблением. Массовое производство (1,8 млн шт.) SED с экранами 50" и более планировалось на 2008 г. Перспективной технологией создания FED является технология, использующая углеродные нанотрубки, – CNT FED (Carbon NanoTubes FED).

Светоизлучающие мониторы (Light Emitting Polymer – LEP) используют в качестве панели полупроводниковую полимерную пластину, элементы которой под действием электрического тока начинают светиться. Существуют монохромные (желтого свечения) LEP-дисплеи с диагональю 40", разрешением 1280 х 800 пикселей, яркостью экрана 600 кд/м2, контрастностью 5000:1, углом обзора 180°, толщиной панели 22 мм.

Мониторы на органических светоизлучателях OLED (Organic Light Emitting Display), имеющие широкий спектр излучения в диапазоне от синего до инфракрасного, являются новой разработкой. Полимерные материалы наносят на подложку экрана по технологии струйной печати. Качество отображения цвета нового экрана аналогично качеству ЖК-дисплеев (LCD). Таким образом, пластик сам излучает свет, ему не нужна подсветка, монитор обеспечивает 180-градусный угол обзора и работу при низком напряжении питания (менее 3 В), имеет малую массу и малое время отклика. Данный тип монитора годится для воспроизведения видеоинформации.

Мониторы на электронной бумаге. Электронная бумага (e-paper, electronic paper) и электронные чернила (e-ink) – технологии отображения информации, обеспечивающие имитацию обычных чернил на бумаге. Электронная бумага формирует изображение в отраженном свете, может показывать текст и графику неопределенно долго, не потребляя при этом электричество. Точки изображения стабильны, сохраняют цвет даже при отсутствии постоянного напряжения. Угол обзора у электронной бумаги больше, чем у жидкокристаллических плоских дисплеев. Дисплеи на электронной бумаге могут быть гибкими.

Электронная бумага впервые была разработана в Исследовательском Центре компании "Xerox" Ником Шеридоном в 1970-х гг. и называлась "гирикон". Она состояла из полиэтиленовых сфер (20–100 мкм в диаметре), включающих в себя отрицательно заряженную черную и положительно заряженную белую половины, помещенные в масляный раствор внутри силиконового листа. Сферы вращались под воздействием полярности подаваемого электричества, изменяя цвет точки на дисплее. Другой тип электронной бумаги был изобретен спустя 20 лет. Бумага содержала микрокапсулы, заполненные окрашенным маслом, в которые помещались электрически заряженные белые частички. Эта технология позволила сделать дисплей с использованием гибких пластиковых листов вместо стекла. Современная цветная электронная бумага состоит из тонких окрашенных оптических фильтров, которые добавляются к монохромному дисплею. Множество точек разбито на триады, как правило, состоящие из трех стандартных цветов: голубого, пурпурного и желтого (CMY), с помощью которых формируются цвета пикселей. На подложке – специальной электропроводящей водоотталкивающей "бумаге" – цветные пиксели создаются масляными капельками органического светоизлучателя. Нужная конфигурация размещения капелек формируется электростатическим полем, при его снятии изображение исчезает. Сверху масляная пленка закрывается стеклом с запыленным прозрачным электропроводящим слоем. Если вместо стекла использовать полимерную пленку, то электронную бумагу и весь экран монитора можно сворачивать в рулон. На электронной бумаге промышленно выпускаются следующие устройства:

■ электронные книги компаний "Sony LIBRIe", "Sony Reader", eREAD и др.;

■ еФлайбук (eFlybook), содержащий предустановленные карты, графики и процедурные инструкции (для авиации);

■ электронные газеты для избранных подписчиков ("New York Times");

■ дисплей в составе банковских карт (компания "Smartdisplayer");

■ дисплеи для телефонов (компания "Motorola") и др.

Стереомониторы. Для создания объемного трехмерного (3D) изображения используется эффект "стереоскопического зрения": левому и правому глазу показывают разные картинки, как бы снятые с разных точек в пространстве. В первом поколении 3D-мониторов для разделения картинок использовали специальные очки, в шлемах "виртуальной реальности" перед глазами помещают два разных монитора.

Второе поколение 3D-мониторов (2004 г.) использовало экран, покрытый пленкой с рядами вертикальных треугольных призм. Получался эффект: левый глаз видел только нечетные столбцы пикселей, правый – четные. Третье поколение 3D-мониторов (2005 г.) воспроизводит объемное изображение в воздухе непосредственно перед экраном монитора благодаря голографии. Стереомонитор имеет следующие основные характеристики: размер экрана –15", тип экрана – TFT LCD, максимальное разрешение – 1024 × 768 пикселей, величина зерна – 0,297 мм, число отображаемых цветовых оттенков – 16,7 млн, контрастность 200:1, яркость (2D, 3D) – 200 кд/м2, 69 кд/м2.

В основу работы стереомонитора положен принцип стереоскопии и технология Parallax Illumination. Монитор (рис. 8.4) создает два почти одинаковых представления одного изображения. Когда они одновременно видны, создается иллюзия трехмерности изображения. В мониторах за LCD-экраном находится специальная подсветка и оптика, которые создают чередующиеся столбцы пикселей, видимые левым и правым глазом. Например, при разрешении 1024 × 768 каждое стереоскопическое изображение будет состоять из 512 столбцов и 768 рядов.

Стереомонитор

Рис. 8.4. Стереомонитор

  • [1] Катодные лучи были открыть в 1859 г. Ю. Плюккур. Спустя 20 лет У. Крукс сделал прибор на основе катодных лучей. Он установил, что они могут отклоняться магнитным полем, а при их попадании на некоторые вещества последние начинают светиться.
  • [2] Люминофоры (от лат. "lumen" – свет и греч. "phoros" – несущий) – вещества, способные преобразовывать поглощаемую ими энергию в световое излучение. В ЭЛТ применяются неорганические люминофоры.
  • [3] Щелевая маска используется в мониторах фирмы NEC (разработчика данной технологии), Panasonic с плоским экраном PureFlat и LG с плоским экраном Flatron.
  • [4] Аналоговые мониторы формируют более качественное изображение (стандарт True Color – до 16,7 млн цветовых оттенков).
  • [5] Для разрешения 1280×1024 и частоты кадровой развертки 90 Гц ширина полосы пропускания монитора ориентировочно составляет 1,05 ∙ 1024 ∙ 1280 ∙ 1,3 ∙ 90 = 161 МГц.
  • [6] Время отклика – время, за которое можно перевести пиксель из белого состояния в черное.
  • [7] Яркость – световая характеристика тел, отношение силы света, излучаемого поверхностью, к площади ее проекции в плоскости, перпендикулярной точке наблюдения; измеряется в [кд/м2]•
 
Если Вы заметили ошибку в тексте выделите слово и нажмите Shift + Enter
< Предыдущая   СОДЕРЖАНИЕ   Следующая >
 

Популярные страницы