Реферат: Плоскопанельные мониторы и цифровой видеоинтерфейс

Плоскопанельные мониторы и цифровой видеоинтерфейс

Всем хорош монитор с электронно-лучевой трубкой (ЭЛТ):

• он может отображать цветовую палитру в 16М оттенков (это во много раз больше, чем воспринимает человеческий глаз);

• прекрасная разрешающая способность (количество пикселей, со­ставляющих экранную матрицу, перевалило за 2 млн);

• возможно изменение режимов отображения (монитор без проблем и искажений воспроизводит старую грубую графику) и масса дру­гих достоинств.

Однако со временем стали все более заметны их недостатки:

• мониторы большие и занимают много места на столе,

• они тяжелые (масса 10...15 кг у 15", 16...18 кг у 17"),

• они потребляют много электроэнергии — порядка 80...110 Вт (и это в то время, когда западные пользователи и производители по­мешаны на энергосбережении),

• электронно-лучевая трубка является источником вредных воздей­ствий на человека и окружающую среду.

Для построения мониторов с иными, чем у ЭЛТ-мониторов, эксплуа­тационными свойствами должны быть использованы другие технические принципы и материалы с иными свойствами. Они должны быть способны к каким-нибудь электрооптическим эффектам.

Экраны плоскопанельных (или просто плоских) мониторов строят­ся на так называемых жидких кристаллах (LiquidCrystallDisplay — LCD) — веществах, под воздействием тока изменяющих светопрово-димость.

Между двумя стеклами (поляризатор и анализатор) слоем в несколь­ко десятков микрон помещается жидкокристаллическое (ЖК) вещество. В упрощенном виде его свойства можно описать следующим образом. Молекулы ЖК-вещества упорядочены (ориентированы) в одном направ­лении. Под воздействием электрического поля ориентация меняется — вызывается эффект поляризации.

На стекла нанесены вертикальные и горизонтальные проводники, об­разующие поляризационные решетки. Пересекающимися проводниками ЖК-вещество организуется в виде отдельных ячеек. Их множество имеет матричную организацию. Со стороны поляризатора размещаются источ­ники света. Существует несколько типов системы подсветки: просвет-ная, отражательная, просветно-отражательная.

Для адресации ячеек матрицы используются различные алгоритмы подачи сигналов на вертикальные и горизонтальные линии координатной решетки (однокоординатный, статический двухкоординатный, динамиче­ский двухкоординатный).

Для управления пропускающей способностью экрана на жидких кри­сталлах может быть использовано несколько технических приемов. Тех­нология STN(SuperTwistedNematic) проще в реализации, технология DSTN(Doul-scanSuperTwistedNematic) обеспечивает большую контра­стность изображения.

Жидкокристаллические матрицы бывают двух типов. В пассивной матрице (PassiveMatrix) на вещество ячеек действует только поле, со­здаваемое проводниками поляризационной решетки. В активной матрице (ActiveMatrix) для воздействия на вещество ячейки используется специальный транзистор, а управление им выполняется через поляриза­ционную решетку.

Пассивные матрицы чаще всего применяли для построения черно-бе­лых (точнее бело-серо-черных) экранных панелей. Из употребления они уже практически вышли.

Для построения высококачественных цветных экранов (в ноутбуках, плоских мониторах, демонстрационных панелях) используют активные TFT-матрицы.В структуру жидкокристаллического экрана вводится матрица тонкопленочных транзисторов (ThinFilmTransistor — TFT, от­сюда и название технологии). Один транзистор управляет одной ячей­кой. Экранный пиксель составляют три ячейки, они имеют различные световые фильтры (красный, зеленый, синий).

Образно говоря, ячейка — это "стаканчик", заполненный ЖК-вещест-вом. Донышки у "стаканчиков" в составе одного пикселя разноцвет­ные — красные, зеленые и синие. Через ЖК-вещество, когда оно про­зрачно, проходят окрашенные световые потоки.

В мониторах с ЭЛТ на экране без проблем организуются матрицы с любыми параметрами (количество пикселей в строке и количество строк). Плоскопанельные мониторы не имеют такой возможности. Мат­рица определенной разрядности встроена в отображающую панель. Она образует реальную (физическую) разрешающую способность. Чаще все­го строится один из следующих вариантов матрицы:

640x480 (применительно к плоскопанельным мониторам этот режим называется VGA); •

800x600 (SVGA);

1024x768 (XGA — extended Graphic Array); 1280x1024 (SXGA).

Для создания больших жидкокристаллических экранов и панелей ис­пользуются матрицы других форматов:

1400x1050 (SXGA+);

1920x1080 (HDTV — экран нового TV-формата HighDefinitionTele-Vision с отношением сторон 16x9);

2048x1536 (QXGA — QuadXGA, учетверенный XGA-экран).

Плоские мониторы с жидкокристаллическими экранами имеют много положительных качеств:

• они тонкие, хоть на стенку вешай (к этому все когда-нибудь и придет);

• масса — 4...6 кг;

• потребление 25...40 Вт;

• никаких вредных излучений.

Это достоинства "общего" плана. Кроме них есть, качества, которые сразу "бросаются в глаза" работающему с ними пользователю.

Яркость. В мониторах с ЭЛТ она прямо пропорциональна энергии, излучаемой "электронными пушками". Просто так их мощность не по­высишь, неизбежны побочные эффекты. В плоских мониторах яркость свечения зависит от интенсивности подсветки. Увеличить ее не состав­ляет проблем.

Контрастность. Определяется соотношением максимального и ми­нимального значений яркости. У мониторов с ЭЛТ он колеблется в ин­тервале от 200:1 — 400:1, у плоских мониторов достижим уровень 700:1.

Плоскопанельные мониторы могут работать с пониженной часто­той кадров, и у них отсутствует мерцание. Процесс вывода одного кадра на экран можно разделить на несколько последовательных состоя­ний: изображение выведено, погашено, экран темный (до момента вывода следующего кадра). Наличие интервала, когда экран погашен, вызывает эффект, получивший название — мерцание. Зрение человека не успева­ет воспринять момент отсутствия изображения, но изменение интенсив­ности освещения фиксирует. Изображение дрожит — мерцает. Этот фак­тор ведет к повышенной утомляемости глаз. Человек перестает его замечать только с достижением кадровой частоты 85 Гц. Изображение на жидкокристаллическом экране более инерционно, т.е. оно дольше не гас­нет (на изменение положения молекул ЖК-вещества требуется больше времени). Интервал, когда экран погашен, значительно короче. Монитор может работать с частотой 60 Гц и мерцания не будет. На современных TFT-мониторах кадровая частота находится в пределах от 44 до 85 Гц.

Отсутствует такое понятие, как плохая фокусировка (сведение лу­чей у ЭЛТ-мониторов). Лучей нет, ячейки в составе пикселя неподвижны.

Несмотря на небольшое потребление (по сравнению с построенными на основе ЭЛТ) в плоских мониторах предусматривается поддержка энер­госберегающих технологий. Чаще всего организуется работа в режимах пониженного потребления, предписываемых стандартом DPMS (DisplayPowerManagementSignaling). Он разработан ассоциацией VESA. Вклю­чение режимов DMPS выполняется при помощи программы Setup (см. раздел 8.5). В случае простоя монитор последовательно переходит из ра­бочего состояния ("On") в режимы пониженного потребления:

• "Standby" — уровень потребления снижается на 20 %, прекраща­ется подача видеосигнала;

• "Suspend" — уровень потребления снижается на 70 %, отключает­ся строчная развертка и высокое напряжение;

• "Off" — отключаются все системы, кроме блока DPMS, уровень по­требления — менее 5 % от рабочего.

Дополнительно многие мониторы строятся с учетом требований по эргономике, сформулированных авторитетными организациями: NUTEK(Шведский национальный совет по промышленному и техническому раз­витию), ЕРА(US агентство по охране окружающей среды).

Чтобы не сложилось впечатления о плоскопанельных мониторах как об идеальных изделиях, упомянем о некоторых свойственных им недо­статках.

Никто и никогда не слышал о неработающих пикселях на экране ки­нескопа. Из миллионов транзисторов, составляющих TFT-матрицу, не­сколько вполне могут со временем выйти из строя. Черная или ярко све­тящаяся точка в цветном изображении глаз не порадует.

Мы сравнили ячейку матрицы со "стаканчиком". Теперь другой образ. Целиком дно стакана можно увидеть только в том случае, если смотреть на него строго сверху. То же самое и с экраном плоского монитора. Смот­рим на него прямо и видим прекрасную картинку, чуть под углом — появ­ляется пелена, еще чуть в сторону — изображение погружается в туман.

На мониторах с ЖК-экранами плохо выполняется масштабирование. В структуру экрана заложена матрица с конкретными параметрами. Если используется режим с этим разрешением, то все в полном порядке. Когда возникает необходимость в применении другого разрешения, то необхо­дим "пересчет" матриц (одну экранную точку будут составлять два, три и другое количество пикселей). Не всегда можно сделать это корректно. Следствием преобразований становится искажение пропорций.

Популярность плоскопанельных мониторов стремительно растет. Фир­ма DisplaySearch, занимающаяся анализом состояния рынка, оценила уве­личение количества используемых плоских мониторов в 2002 г. на 28 % (в Японии на 80 %, в Северной Америке на 27 %, в Европе на 28 %).

По данным, приводимым той же компанией, большинство предприя­тий, производящих TFT-матрицы, находится в Юго-Восточной Азии: 40 % в Южной Корее, 32 % на Тайване, 27 % в Японии. Крупнейшие производители ЖК-панелей: SamsungElectronics — 20 %, AUOptronics (Тайвань) — 13 %, InternationalDisplayTechnology (IDT) — 6 %, ChiMeiOptoelectronics (CMO) — 4 %. По секторам рынка TFT-панели рас­пределяются следующим образом: мониторы — 54 %, ноутбуки — 40 %, TV-экраны и панели плоских мониторов 3 %.

Видеосистема состоит из двух блоков: адаптера и монитора. Между со­бой они соединены интерфейсным каналом. Сведения об изображении хранятся в памяти в цифровой форме. "Электронные пушки" ЭЛТ-монито­ра управляются аналоговыми сигналами. Необходимо цифро-аналоговое преобразование. Для производителей оказалось более удобным выполнить его на видеоадаптере и затем уже "готовый" сигнал подать на монитор. Та­кая схема положена в основу видеосистем с "аналоговым" интерфейсом.

Экран плоского монитора организован в виде матрицы. Матрица — структура линейная. При работе с ней удобнее оперировать цифровыми данными. Сначала до ячейки нужно "добраться": подготовить ее адрес (а это цифровой код), выдать его на линии, и только после этого на тран­зистор подается управляющий сигнал. Эту задачу решает специальный контроллер ЖК-экрана.

Цифровой интерфейс для плоских мониторов является естественным. При необходимости можно использовать и аналоговый интерфейс (пер­воначально он и применялся). Однако этот путь не рациональный. Струк­тура электронного блока монитора в этом случае усложняется, так как в его состав включается дополнительный блок аналогово-цифровых преоб­разований.

По большому счету, цифровые данные — СКВ (свободно-конвертиру­емая валюта) любой компьютерной системы. Ее можно обменять на что угодно и когда угодно. ,

Цифровой интерфейс однажды уже применялся в компьютерном ви­део — система EGA. Данные подавались на монитор в параллельной фор­ме. Для передачи кода цвета точки отводилось 6 линий (по 2 линии на каждый образующий цвет, количество оттенков — 4). Ширина палит­ры — 64 цвета (4³ ).

На том этапе развития компьютерной техники направление посчита­ли неперспективным — слишком много информационных линий должно быть в составе видеоинтерфейса (для палитры в 64К — 16, в 16М — 24). Цифровой интерфейс получил отставку. Возможности EGA-системы да­же не были использованы в полной мере (первая модификация EGA-мо­нитора, оказавшаяся единственной, имела палитру всего в 16 цветов). Пришли системы с аналоговым интерфейсом — VGA, SVGA, которые в течение ряда лет и господствовали на рынке.

Однако все течет, все меняется. С появлением плоскопанельных мо­ниторов неизбежным стал возврат к цифровому интерфейсу. Переход был осуществлен на новом качественном уровне. Параллельные каналы передачи видеоданных были заменены на скоростные последовательные. В состав интерфейса входит несколько передающих каналов. Для описа­ния образующих цветов в современных мониторах применяются 6- или 8-разрядные коды. Соответственно, цвет пикселя описывается 18- или 24-разрядными кодами. Цветовые палитры в этих случаях составляют 256К или 16М оттенков.

Первой вариант цифрового видеоинтерфейса предложила в 1997 г. ас­социация VESA. Он получил название P&D(Plug-and-Display). В качест­ве передающего канала используется шина PanelLink, разработанная компанией SiliconImage: три витые пары, передача ведется по протоке: TMDS(TransitionMinimizedDifferentialSignaling). Кроме цифровог: Р&О-интерфейс включает аналоговый канал, порты USB и FireWire. Сое­динительная панель Р&О-устройств — разъем EVC(EnhancedVide: Connector) имеет две группы контактов (рис. 9.4, а).Большая группа со­стоит из 30 контактов, организованных матрицей 3x10. Малая (или ана­логовая) состоит из четырех контактов (С1-С4) и разделяющего их плос­кого контакта (С5). Частота передачи — до 165 МГц. Интерфейс широ­кого распространения не получил. Он показался производителям слиш­ком сложным. Его использовала в основном фирма IBM. Через специаль­ные переходники (вилка показана на рис. 9.4, б) к адаптерам P&D могу-быть подключены обычные SVGA-мониторы.

В 1999 г. Compaq и еще несколько фирм предложили другой вариант интерфейса — DFP(DigitalFlatPanel). Он строился на базе P&D. Из не­го были убраны: USB, FireWire и линии передачи аналоговых видеосигна­лов. Сохранялся только цифровой канал (в его основе та же Рапе!-Link-шина). Для подключаемых устройств предусматривается возмож­ность работы в режиме Plug&Play. Применяются идентификационные протоколы, соответствующие стандарту DDC(DisplayDataChannel), разработанному VESA. Согласно ему подключенные устройства обмени­ваются идентификационными пакетами EDID(ExtendedDisplayIdentifi­cationData) и на основании этих данных выполняют взаимную настрой­ку. В протоколе DDC1 сведения подаются только в одну сторону (с мони­тора на адаптер), в DDC2 идет двунаправленный обмен.

На смену DFP пришел стандарт DVI(DigitalVideoInterface). Его под­готовили фирмы Intel, Compaq, Fujitsu, HP, IBM, NEC, SeliconImage, с ставившие инициативную DDWG-группу (Digital Display Working Gro­up). Восновецифровогоканалашина PanelLink. Поддерживаются прото­колы DDC и EDID. В состав интерфейса входят два канала цифровой пе­редачи видеоданных и один аналоговой канал. Частота передачи по обо­им цифровым каналам — 165 МГц. Пропускная способность интерфейс вдвое больше, чем у P&D.

Предусмотрена возможность "горячей" замены устройств. После за­мены монитора автоматически запускается механизм HPD(HotPlugDe­tection). По одному из протоколов DDC адаптер получает сведения о мо­ниторе. Если он цифровой, то работать начинает шина PanelLink, ест. нет — аналоговый канал.

Панель DVIвключает:

• цифровая часть — 24 контакта (1—24), составляют большую груп­пу и организованы матрицей 3x8,

• аналоговая часть — 4 контакта под штырьки (CI—С4) и один кон­такт под плоский "лепесток" (С5).

Используются DVI-вилки нескольких типов:

• DVI-IDualLink. Полный вариант содержит оба цифровых и анало­говый канал. Имеет весь набор контактов;

• DVI-ISingleLink. Предусматривается один цифровой и аналоговый канал. Отсутствуют контакты 4, 5, 12, 13, 20, 21;

• DVI-DDualLink. Для варианта шины с двумя цифровыми канала­ми. Отсутствуют контакты CI—С4;

• DVI-DSingleLink. Интерфейс имеет только один цифровой канал. Отсутствуют контакты 4, 5, 12, 13, 20, 21 и CI—С4;

• DV1-A. Предназначен для изготовления переходников, позволяю­щих подключить аналоговые SVGA-мониторы к адаптерам с DVI-панелью. Отсутствуют контакты 4, 5, 12, 13, 20, 21, 22.