第8章計算機顯示器

第8章計算機顯示器第8章顯示器

顯示器是計算機系統(tǒng)中最基本的輸出設(shè)備，顯示器的性能好壞直接影響著我們的工作效率。目前顯示器的種類主要有CRT（CathodeRayTube）顯示器、LCD（LiquidCrystalDisplay）顯示器、等離子PDP（PlasmaDisplayPanel）顯示器和電子發(fā)光顯示器等。我們現(xiàn)在常用的顯示器有CRT顯示器和LCD顯示器兩種。8.1CRT顯示器概述

早期的CRT顯示器，采用的是孔狀蔭罩，其顯像管斷面基本上都是球面的，因此被稱做球面顯像管。1994年出現(xiàn)了“平面直角”顯像管。但它并不是真正意義上的平面，只不過其顯像管的曲率相對球面顯像管比較小而已，其屏幕表面接近平面。1998年底，完全平面顯示器出現(xiàn)了，這種顯示器的屏幕在水平和垂直方向上都是筆直的，圖像的失真和屏幕的反光都被降低到最低的限度，完全平面顯示器又稱為純平顯示器。

CRT顯示器中顯像管的屏幕上涂有熒光粉，顯像管中的電子槍可以發(fā)射電子束，熒光粉在電子束的轟擊下發(fā)光。為了能使電子束打到屏幕的任意一個地方，可以利用行掃描電路使電子束沿屏幕的水平方向掃描，利用場掃描電路使得電子束沿屏幕的垂直方向掃描，這樣就可以使整個屏幕發(fā)光了。通過改變電子束的強弱，改變熒光粉的發(fā)光強弱，從而使整個屏幕顯示我們所需要的圖像。8.1CRT顯示器工作原理8.1.1彩色顯像管基礎(chǔ)知識

彩色顯像管又分為單槍三束和三槍三束兩種，三槍三束又分為等邊三角形排列和一字形排列兩種。后來又出現(xiàn)蔭罩型自會聚顯像管。彩色顯像管的結(jié)構(gòu)如教材圖8-5所示。它主要由三個部分組成：（a）熒光屏部分。內(nèi)部涂有能發(fā)出紅、綠、藍三種顏色的熒光粉，在高速電子束的轟擊下能發(fā)出三基色光。

（b）錐體部分。內(nèi)外都涂有導(dǎo)電的石墨層或噴鍍鋁膜，其目的一是防止外界光干擾，二是內(nèi)外石墨形成一個電容，容量約為500—1000pF，作為高壓濾波電容。（c）管頸部分。內(nèi)部裝有電子槍，電子槍是由燈絲（用H、HT或F表示）、陰極（用K表示，彩色顯像管有三個陰極，分別用RK、GK、BK表示）、柵極（用G1表示）、加速極（用G2表示）、聚焦極（用G3表示）、高壓陽極（用H.V表示）組成，它是發(fā)射電子束的部件。

8.1.2CRT顯示器成像原理

1．掃描成像原理

（1）電子掃描電子束在屏幕上水平方向的掃描稱為行掃描，從左到右的掃描叫做行掃描正程，回掃的過程叫做行掃描逆程，正程時間與逆程時間之和稱為一個行周期，行周期的倒數(shù)稱為行頻。電子束沿垂直方向的掃描稱為場掃描，從上到下為場掃描正程，返回的過程稱為場掃描逆程，場掃描正程時間與逆程時間之和，稱為一個場周期，其倒數(shù)稱為場頻。

由于電子束的掃描實質(zhì)上是行和場兩種掃描的合成，所以掃描軌跡略向右下角傾斜。在水平回掃和垂直回掃期間，需要對電子束進行抑制，不讓回掃線在屏幕上顯示出來。在行回掃期間對電子束進行抑制的信號稱為行消隱信號，在場回掃期間對電子束進行抑制的信號稱為場消隱信號。

（2）圖像的形成光柵的亮暗與電子束的強弱有關(guān)，控制電子束的強弱即可改變光柵的亮暗程度。對電子束強弱的控制，可以通過改變柵極和陰極之間的電壓來實現(xiàn)。給陰極加上正電壓，柵極接負電壓，使二者之間形成一定的電位差，當(dāng)它們之間的電位差增大時，通過柵極的電子束就弱，當(dāng)電位差減小時，通過柵極的電子束就強。因此，只要把欲顯示的信號加到柵極或陰極上，那么，當(dāng)信號電壓的幅度變化時，電子束的強弱也就隨之變化，從而在屏幕上出現(xiàn)隨信號電壓的幅度變化而轉(zhuǎn)化的畫面。

2．三基色原理

（1）光和色。光和色是密不可分的，色是光的一種屬性，是人眼對不同光譜分布的主觀反映。本身不發(fā)光的物體在外界光源的照射下，人眼所感覺到的色彩，不僅與物體本身的光譜反射特性有關(guān)，還和照明條件有關(guān)。（2）色的混合。自然界中的一切顏色都可以分解成紅、綠、藍三種獨立的顏色。相反，用紅、綠、藍三種顏色按不同比例組合，可以模擬出自然界中大部分的顏色。通常把這三種獨立的顏色稱為三基色，這一混色原理稱為三基色原理。（3）色的三要素。色調(diào)、飽和度、亮度稱為色的三要素。8.1.3CRT顯示器的組成

8.2.1液晶顯示器的基本結(jié)構(gòu)液晶顯示器一般由顯示器外殼、顯示器開關(guān)電源板、功能按鈕、支架、液晶顯示器件（液晶顯示屏）以及各種電路板等組成，圖8-6所示為液晶顯示器。8.2液晶顯示器

液晶顯示器就是利用液晶的光電效應(yīng)，在外部的電壓控制下，通過液晶分子的折射特性，以及對光線的旋轉(zhuǎn)能力達到顯示圖像的目的。液晶特點:（1）從形狀和外觀看都是一種液體，（2）它的分子結(jié)構(gòu)又表現(xiàn)出固體的形態(tài)。（3）是一種幾乎完全透明的物質(zhì)，（4）由長棒狀的分子構(gòu)成。（5）光線透過液晶取決與分子排列（6）液晶充電后會改變分子排列（7）液晶本身不發(fā)光。

8.2.2液晶顯示原理液晶顯示原理如圖8-8所示。

8.2.3液晶顯示器件類型液晶顯示器件是液晶顯示器的主要部件，常見的液晶顯示器件有TN-LCD（TwistedNematicLCD）扭曲向列LCD、STN-LCD（SuperTwistedNematicLCD）超扭曲向列LCD、DSTN-LCD（DualScanTortuosityNomographLCD）雙層超扭曲向列LCD和TFT-LCD(ThinFilmTransistorLCD)薄膜晶體管LCD等。其中TN-LCD、STN-LCD和DSTN-LCD三種器件顯示原理基本相同，只是液晶分子的扭曲角度不同。TN-LCD由于無法顯示細膩的字符，通常應(yīng)用在電子表、計算器等小型的電子產(chǎn)品上；STN-LCD液晶分子的扭轉(zhuǎn)角度較大，字符顯示比TN細膩，同時也支持基本的彩色顯示，多用于液晶電視、掌上游戲機等；DSTN液晶分子的扭曲角度更大，畫面有更多種的色彩和更高的精致度，多用于早期的筆記本電腦。TFT-LCD具有屏幕反應(yīng)速度快、對比度好、亮度高、無閃爍、可視角度大等特點，比其他三種類型更具優(yōu)勢，是當(dāng)前液晶顯示器的主流器件。

8.2.4TFT液晶顯示工作原理

1.TFT液晶顯示器件的結(jié)構(gòu)

2.TFT液晶顯示器件的驅(qū)動液晶顯示驅(qū)動器的功能就是建立外加電場，驅(qū)動液晶的顯示。由于直流電場會導(dǎo)致液晶材料的化學(xué)反應(yīng)和電極老化，縮短液晶材料的壽命，所以顯示驅(qū)動器采用交流電。液晶顯示的驅(qū)動方式采用動態(tài)驅(qū)動方式。動態(tài)驅(qū)動方式為矩陣型結(jié)構(gòu)，即把每一水平行顯示像素的電極連在一起引出，稱為行電極或公共電極，用COM表示；把每一縱向列顯示像素的電極連在一起引出，稱為段電極或列電極，用SEG或COL表示。循環(huán)地給每行電極施加選擇脈沖，同時所有列電極給出該行像素的選擇或非選擇的驅(qū)動脈沖，從而實現(xiàn)某行所顯示像素的驅(qū)動，每個像素都由其所在的行與列的位置唯一確定。這種掃描是逐行順序進行的，循環(huán)周期很短，使得液晶顯示屏上呈現(xiàn)穩(wěn)定的圖像效果。

8.2.5TFT液晶顯示器主要電路板液晶顯示器的電路板主要由液晶面板、驅(qū)動板、電源板、高壓板和按鍵控制板等構(gòu)成，圖8-14所示是液晶顯示器的電路板組成框圖。

1．電源部分液晶顯示器電源電路分為開關(guān)電源和DC/DC變換器兩部分。開關(guān)電源是一種AC/DC變換器，將交流電轉(zhuǎn)換為直流電以供給DC/DC變換器和高壓板電路使用；而DC/DC變換器是將開關(guān)電源產(chǎn)生的直流電壓轉(zhuǎn)換成5V等不同的電壓以供給驅(qū)動板和液晶面板等使用。2.驅(qū)動板驅(qū)動板也稱主板，是液晶顯示器的核心電路，用于處理和控制計算機送來的信號，然后傳送給液晶面板，顯示輸出圖像。驅(qū)動板主要由以下幾部分組成，如圖8-16所示。（1）VGA、DVI輸入接口電路，（2）A/D轉(zhuǎn)換電路，（3）主控芯片電路，（4）微控制電路，（5）輸出接口電路3.高壓板（1）高壓板的作用高壓板俗稱高壓條（電路板較長、呈條狀），又稱逆變電路或電子整流器，作用是將電源輸出的低壓直流電轉(zhuǎn)變?yōu)橐壕О逅璧?00V以上高壓交流電，點亮液晶面板上的背光燈，如圖8-17所示。液晶顯示器件用的背光燈管工作電壓很高，正常工作時的電壓為600V～800V，而啟動電壓高達1500V～1800V，工作電流為5～9mA，所以高壓板應(yīng)具有如下功能：①能產(chǎn)生1500V以上的高壓交流電，并在時間1～2秒內(nèi)迅速降至600V～800V。②高壓板電流的大小影響燈管的壽命，因此輸出的電流應(yīng)小于9mA，要有電流保護功能。（2）高壓板電路的基本原理如圖8-18是高壓板電路框圖。4．按鍵板5.液晶面板

8.2.6液晶顯示器的背光源液晶本身不能發(fā)光，液晶顯示器的光源主要來自背光光源。由背光源照亮液晶器件，其光亮度和均勻度直接影響屏幕的色彩、對比度、亮度和可視角度等，不同品牌的顯示器使用的燈管數(shù)不一定相同。常用的背光源有CCFL、LED和EL等，液晶器件要顯示色彩豐富的優(yōu)質(zhì)圖像，要求背光源的光譜范圍要寬、接近日光，能最大限度地展現(xiàn)各種色彩。

1.CCFL背光源（1）CCFL簡介冷陰極熒光燈管CCFL（ColdCathodeFluorescentLamps）是一種氣體放電發(fā)光器件，構(gòu)造類似日光燈，直徑僅為2.0mm，通過插頭與高壓板相連，如圖8-19所示。CCFL使用壽命長、顯色性好、發(fā)光均勻，普遍應(yīng)用于液晶屏、廣告燈箱、掃描儀等儀器設(shè)備上。（2）CCFL的結(jié)構(gòu)（3）CCFL燈管的個數(shù)早期生產(chǎn)的液晶顯示器多使用雙燈管設(shè)計，屏幕上、下各1支燈管，這時屏幕左右兩側(cè)及中心會明顯出現(xiàn)亮度不均勻的現(xiàn)象。為了彌補2支燈管的缺點，有的顯示器使用了4支燈管。4支燈管的液晶顯示器是在屏幕背光部分四周各放1支燈管，可以有效地提高液晶顯示器的亮度、色彩對比度和可視角度，消除“暗區(qū)”。還有一些顯示器使用“6燈管”，即采用3個U型的燈管，可以一進一步提高液晶顯示器的屏幕亮度。2.LED背光源發(fā)光二極管LED（LightEmittingDiode）是一種可以將電能轉(zhuǎn)化為光能的電子器件，具有二極管的特性。LED背光源的使用壽命可以超過5000小時，且使用直流電壓，通常應(yīng)用于小型的單色顯示器等。

3.EL背光源無機電致發(fā)光EL（ElectroLuminescence)是通過加在兩極的交流電壓產(chǎn)生交流電場，電場激發(fā)的電子轟擊熒光物質(zhì)，引起電子能級的跳躍、變化、復(fù)合從而發(fā)射出高效率冷光的一種物理現(xiàn)象，即電致發(fā)光現(xiàn)象。EL背光源發(fā)光率高、功耗低、抗震性好、不需要維護、體薄量輕、提供的光線均勻一致。EL主要用于4英寸以下小尺寸液晶顯示器件。8.2.6顯示器技術(shù)指標1．分辨率。LCD的分辨率與CRT顯示器不同，只能提供固定的顯示分辨率，也就是所謂的“真實分辨率”。例如，15英寸的LCD顯示器分辨率為1024×768時，就表示顯示器的水平方向有1024個像素，垂直方向有768個像素。2．點距和可視面積。液晶顯示器的點距和可視面積有直接的對應(yīng)關(guān)系，是很容易直接通過計算得出的。以15英寸的液晶顯示器為例，當(dāng)點距為0.279mm，分辨率為1024×768時，就是說該液晶顯示板在水平方向上有1024個像素，垂直方向有768個像素，由此，我們可以很容易計算出此液晶顯示器的可視面積為285.7×214.3mm。

3．屏幕比例屏幕寬度和高度的比例稱為屏幕比例。目前標準的屏幕比例一般有4:3（或1.33，標準屏幕）和16:9（或1.78寬屏）兩種；通常屏幕比例為15:9、16:10、24:9也算寬屏寬屏能在帶來更大顯示面積的同時，不顯著加大機身和屏幕的面積，即可減輕整機的重量；同樣對角線長度的寬屏，其面積比普通4：3屏幕更小一些，可以降低生產(chǎn)成本。由于燈管較長而屏幕的相對面積較小，寬屏的亮度和對比度要比4：3比例的普通屏幕要好一些。

4．顯示模式顯示器的顯示模式是指顯示器能夠顯示的最大顏色數(shù)量和最大分辨率。如擴展圖形陣列XGA（ExtendedGraphicsArray）模式可以顯示32彩色，支持1024×768分辨率。寬擴展圖形陣列WXGA（WideExtendedGraphicsArray）作為普通XGA屏幕的寬屏版本，采用16:10的橫寬比例來擴大屏幕的尺寸，其最大顯示分辨率為1280×800。

顯示分辨率為1400×1050的超級擴展圖形陣列SXGA（SuperExtendedGraphicsArray）；分辨率為1600×1200的極速擴展圖形陣列UVGA（UltraVideoGraphicsArray）；分辨率為1920×1200的WUXGA（WideUltraVideoGraphicsArray）等顯示模式。

5．可視角度可視角度是指用戶在屏幕前以一定的角度觀看時，能清晰看見屏幕圖像所構(gòu)成的最大角度，也稱為可視范圍。液晶顯示器的可視角度又分為為水平可視角度和垂直可視角度。可視角越大越好。通常，LCD的水平可視角度都是左右對稱的，但垂直可視角度上下就不一定了，通常上可視角度要大于下可視角度。如有的LCD的水平可視角度為160度（左/右80度）、垂直可視角度為120度（上65度/下55度）。用戶的視角一旦超出可視范圍，畫面的顏色就會減退、變暗，甚至出現(xiàn)正像變成負像的情況。而對于純平CRT顯示器來說，上下、左右的可視角都可以達到180度。

6．響應(yīng)時間響應(yīng)時間是用來表示液晶顯示器各像素點對輸入信號的反應(yīng)速度，也就是液晶由暗轉(zhuǎn)亮到由亮轉(zhuǎn)暗所需要的時間，單位是毫秒。響應(yīng)時間越小越好，現(xiàn)在大多數(shù)LCD顯示器的響應(yīng)時間在2ms至8ms之間

7．亮度、對比度LCD顯示器的亮度是用來表示光源通過液晶透射出的光強度，單位是每平方米燭光(cd／m2)或Nits。一般的LCD亮度值為300cd/m2，有些可以達到500cd／m2。臺式機用的液晶顯示器在背光燈的數(shù)量上比筆記本的顯示器要多一些，所以臺式機用的液晶顯示器看起來要明顯亮一些。對比度是同一屏幕上最亮處與最暗處亮度的比值。人眼可分辨的對比度約在100:1左右，當(dāng)顯示器的對比度超過120:1時，就可以顯示生動、豐富的色彩，對比率高達300:1時便可以支持各階度的顏色。對比度值的差別很大，有1000:1，3000:1，甚至更高。

8．接口標準液晶顯示器的接口可以分為模擬接口和數(shù)字接口兩大類，如圖8-22所示。液晶顯示器的數(shù)字接口標準有LVDS、TDMS、GVIF、P&D、DVI和DFP等。其中DVI接口（DigitalVisualInterface）既可以傳送數(shù)字信號也可以傳送模擬信號，實現(xiàn)的分辨率也很高。DVI接口標準得到了行業(yè)中廣泛的支持，現(xiàn)在很多顯卡都已集成了DVI接口。

9．壞點在LCD顯示器的制作過程中，液晶單元很容易出現(xiàn)瑕疵，如一部分薄膜晶體管短路或斷路，LCD上的某一點或像素會永遠顯示同一種顏色，這些點被稱為壞點。壞點包括“紅點”、“藍點”、“綠點”、“亮點”和“黑點”五種。對1024×768的屏幕來說，每個像素都由三個單元構(gòu)成，分別負責(zé)紅、綠和藍色的顯示，所以總共需要約240萬個單元(1024×768×3＝2359296)。最有可能的是，其中一部分己經(jīng)短路，即出現(xiàn)“亮點”，或者斷路，即出現(xiàn)“黑點”。

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