2 阴极射线管(CRT)显示技术

1第2章阴极射线管(CRT)显示技术2.1CRT显示器的基本结构与工作原理2.2CRT显示器的驱动与控制2.3CRT显示器的特点、性能指标及发展历史2•主要分为黑白CRT显示器和彩色CRT显示器两大类。它的核心部件是CRT显像管（即阴极射线管），其主要由以下几部分组成：电子枪(ElectronGun)、偏转线圈(Defiectioncoils)、遮罩(Shadowmask)、荧光粉层(Phosphor)及玻璃外壳，其中电子枪是显像管的核心。−主要用于显示设备、电视接收机、雷达终端、示波器等。•CRT（Cathode-Ray-Tube）显示器，即阴极射线管显示器，是最早使用的显示器，它技术成熟，价格便宜，寿命长，可靠性高。3结构原理•CRT是一内部抽成真空的玻璃锥体。•其基本工作原理是：−电磁场对电子运动实施控制的效应−一些物质在电子轰击下发射磷光的特性42.1.1黑白CRT显示器基本结构与原理•黑白CRT即单色(MonochromeMonitor)CRT，只有单一的电子枪，仅能产生黑白两种颜色。•主要用途电视机、监视器。•黑白CRT主要由圆锥形玻壳、玻壳正面用于显示的荧光屏、封入玻壳中发射电子束用的电子枪系统和位于玻壳之外控制电子束偏转扫描的磁轭器件四部分组成。5图2.1单色CRT的结构示意图•结构中灯丝、阴极（K）、第一控制栅极（G1或称调制器）、加速极（G2或称屏蔽极）构成发射系统；第二阳极G3、聚焦极G4、高压阳极G5构成聚焦系统。6•阴极：加热时发射电子•控制栅极：对发射电子多少实施控制•加速结构：使电子形成高速度射速•聚焦系统：使电子束轰击荧屏聚集成细点•偏转系统：使电子束在屏幕上随意移动•荧光屏：电子束轰击时发出光辉7工作原理•由阴极放出的电子通过控制栅极后变成电子束，该电子束在聚焦系统的作用下进一步聚焦，形成很细的束，然后在超高压电场(通常为15000—20000V)的加速下轰击屏幕表面的磷光体从而发光。阴极控制栅极聚焦系统偏转系统加速电场荧光屏电子电子束聚焦方向轰击82.1.2彩色CRT显示器的结构与工作原理•彩色CRT利用三基色图像叠加原理实现彩色图像的显示。遮罩式彩色CRT是目前占主导地位的彩色显像管，这种管子的原始设想是德国人弗莱西（Fleshsig）在1938年提出的。遮罩式彩色CRT的基本结构如图2.2所示。图2.2彩色CRT的结构示意图9•遮罩与荧光屏的距离可根据几何关系由下式确定：(2-1)(2-2)•式中：q为遮罩与荧光屏的距离；为孔距放大率；•L为从电子枪到荧光面的距离；Sg为电子枪的束间距；PS为电子束排列方向的遮罩孔距；PM为电子束排列方向的荧光屏上同一色荧光体的点间距。3MgqLPS//()SMPPLLq10•1、电子枪−电子枪是显像管中极为重要的组成部分。它是电子束源，用来发射电子，并将其加速和聚焦成细束，同时外加电信号控制电子束的强度。−一般分为双电位电子枪（Bi-potentialFocus,BPF）和单电位电子枪（Uni-PotentialFocus,UPF）。UPF电子枪比BPF电子枪多一个高压阳极，聚焦能力大大提高，在荧光屏上形成直径为0.2mm左右的光点。2.1.3CRT显示器的主要单元11三极电子枪的各电极电压及结构如图所示：灯丝、阴极（发射极）K，控制极G1（栅极），加速极G2（第一阳极A1），聚焦极G3（第二阳极A2），高压阳极G4。栅极与阴极间的距离一般为1mm以下，栅极中心孔直径为0.6~0.8mm。G2/A1灯丝阴极控制极聚焦极加速极阳极G3/A2三极电子枪（Bi-potentialFocus,BPF）0V-60~-20V400V0~300V9000VG4/A3G112阴极呈小圆筒状，圆筒表面涂有氧化物（氧化钡、氧化锶、氧化钍）能在受热时发射电子，圆筒内有灯丝，能把阴极加热到高温（1000～3000oC）使其发射出电子。灯丝阴极控制栅极控制栅极（调制级）圆筒状，它套在阴极外面，圆筒的中间开有一个金属小孔这个圆筒比阴极的电位要低，它排斥电子，除少数电子通过底部的孔逃脱外，大多数仍留在控制栅极内。13•控制栅极在CRT中作用是：−（1）控制电子束的电流密度−（2）使从阴极飞出的电子聚焦成能穿过控制栅极小孔的细束。•控制栅极相对于阴极的电位越低，通过小孔逃逸的电子越少，如果电位低到一定程度，电子束电流密度接近0，达到这种情况的电流叫截止电压，其值一般在－20～－1000v。14加速结构电子由控制栅极出来，穿过第二栅极的小孔，被其间的强静电场加速，然后电子束高速通过第二阳极上的小孔。2v1vＥ（加速电压）结论：电子束能到达的速度正比于加速电压的平方根。)(212122meE15聚焦系统•作用是使电子束轰击荧光物质时，只限在很小的一点上发出辉光，以保证图形和符号的清晰。•聚焦系统的好坏直接影响显示装置分辨率的高低。分辨率(resolution)指的是显示设备所能表示的像素个数。像素越密，分辨率越高，图像越清晰。分辨率取决于荧光粉的粒度，屏的尺寸和电子束的聚焦能力电子束离开控制栅极后，变细到一个点源，再发散，一直到聚焦开始作用的地方．由此开始向前收敛，到屏幕时又成一个小点，完成聚焦作用。聚焦系统主要是电聚焦16•加速极A1呈圆盘状，电压一般在450~600V之间。•聚焦极装在加速极后面，电压在5~8KV，改变这个电压，可以改变电子束聚焦的质量。•阳极施加22K~34KV的高压（CRT尺寸越大所需电压越高），使电子束以足够高的速度轰击荧光粉发光。A1灯丝阴极栅极聚焦极加速极阳极A2A317•四极电子枪与三极电子枪相比，相当于在三极电子枪的G2和G4之间多加了一个高压阳极，电位大幅度增加，增强了预聚焦能力，电子束进入主透镜(由G3、G4、G5组成)前，经过预聚焦作用，变细了，然后再通过主透镜的聚焦，使电子束激发荧光屏产生的光点足够小。四极电子枪（Uni-potentialFocus,UPF）G2灯丝阴极栅极聚焦极加速极高压阳极G4G5G3G118G2灯丝阴极栅极聚焦极加速极阳极G4G5G3G1•另外，由于聚焦极G4的电位大大低于G3、G5，因而G4上的电位变化对电场影响作用减小了，这对显像管聚焦持性的稳定和提高起了良好的保证作用。四极电子枪只要在设计装配时将三电极（G3、G4、G5）位置调整好，在以后的使用中，对聚焦电压就不必进行调整，所以这种枪又称为自聚焦电子枪。192.荧光屏•荧光屏，是由涂覆在玻璃壳内的荧光粉和叠于荧光粉层上面的铝膜共同组成的。工作的时候荧光屏后面的电子枪发射电子束打在荧光粉上，于是一部分荧光粉亮起来，显示出字符或者图像。•荧光屏是实现CRT显像管电光转换的关键部位之一，要求发光亮度和发光效率足够高，发光光谱适合人眼观察，图像分辨力高、传递效果好，余辉时间适当，机械、化学、热稳定性好，寿命高。20•荧光粉材料−绝缘体基质（如ZnS，3~6eV对可见光透明）−掺杂发光中心（如Ag+,Cl-）•电子轰击跃迁发光−电子束轰击荧光粉基质，产生电子-空穴对−电子、空穴被施主、受主杂质俘获，复合发光−发光波长决定于掺杂物质21•CRT的发光性能首先取决于所用的荧光粉材料，因为主要由荧光粉层完成显像管内的光电转换功能。•荧光粉的发光效率是指每瓦电功率能获得多大的发光强度。余辉时间是荧光粉的重要特性参数。•当电子束轰击荧光粉时，荧光粉的分子受激而发光，而当电子束的轰击停止后，荧光粉的发光并非立即消失，而是按指数规律衰减，这种特性称为荧光粉的余辉特性。•辉时间是指荧光粉在电子束轰击停止后，其亮度减小到电子轰击时稳定亮度的1/10所经历的时间。22•一般把余辉分成三类：余辉时间长于0.1s的称为长余辉发光；余辉时间介于0.1s至0.001s的称为中余辉发光；余辉时间短于0.001s的称为短余辉发光。余辉太长，则同一像素第一帧余辉未尽而第二帧扫描又到了，前一帧的余辉会重叠在后一帧图像上，整个图像便会模糊。若余辉时间太短，屏幕的平均亮度将会减低。•屏幕的亮度取决于荧光粉的发光效率、余辉时间及电子束轰击的功率。荧光粉的发光效率高时屏幕较亮，余辉时间长平均亮度也较大。23蒸Al工艺•防止离子斑−离子斑：显像管残余气体，形成负离子，轰击荧光屏中部−Al层让电子通过，阻挡负离子•荧光粉绝缘体如何保持电荷平衡在荧光粉表面蒸发Al膜•使屏面的组成部分都处于阳极高压电位−Al与内石墨层，使得荧光屏等电位•提高屏亮度−Al膜反射向屏幕后方发射的光线，成倍提高亮度243.偏转系统25•偏转线圈是CRT显像管的重要部件。分为行偏转线圈和场偏转线圈即水平偏转线圈和垂直偏转线圈。•场偏转线圈通有由场扫描电路提供的锯齿波电流，使电子束作垂直方向扫描。工作在50Hz，穿绕在磁环上，磁环采用高导磁率的铁氧材料制成。•行偏转线圈通有由行扫描电路提供的锯齿波电流，产生线性变化的磁场，使电子束作水平方向扫描。工作在15.6kHz，该线圈是马鞍形，匝数大，空心，在场偏转线圈里面。•在行扫描和场扫描共同作用下，有规律的从上到下从左到右控制电子束的运动，屏幕上呈现一幅矩形的光栅。264.遮罩•遮罩、玻壳和电子枪是组成彩色显像管的三大主要部件，在彩色显象管内，遮罩装于玻壳和电子枪之间，起分色作用。275.玻璃管壳•玻璃管壳通常由屏幕玻璃、锥体、管颈三部分组成。占了50%以上的成本，主要分为颈部、锥部和屏面三部分。•要求：−1）耐压•1个大气压•中间压应力，四周张应力28•2）防X射线辐射−加铅或钡锶以吸收X射线•3）透过率合适−玻璃表面的理论反射率为4%，透过显像管屏面两个表面后最大透过率为92%。为了提高画面的对比度，一般采用低透过率屏面，即取50%的透过率玻璃，称为烟玻璃。29•1.生成图像•CRT的DeflectionCoil（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，不断重复地刷新就能保持图像的持续性。2.2CRT显示器的驱动与控制2.2.1CRT显示器相关技术30•2.混合颜色•黑白的显示器只有单一的电子枪，仅能产生黑白两种颜色，即单色显示器（MonochromeMonitor）。•彩色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R、G、B（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。31•3.回转变压器（FlybackTransformer）•回转变压器是一种工作于高电压状态多频脉冲功率变压器，是CRT中唯一的高压输出元件，又名高压包，作用类似于发动机的点火线圈。•回转变压器，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10000V至50000V之间。32•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。•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=63.5μs。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，一般约为428～399条线。33•5.交错和非交错•指扫描