阴极射线管CRT显示技术.ppt
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1、第第2章章阴极射线管阴极射线管(CRT)显示技术显示技术2.1CRT显示器的基本结构与工作原理显示器的基本结构与工作原理2.2CRT显示器的驱动与控制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显示器的特点、性能指标及发展历史习题二习题二主要分为主要分为黑白黑白CRT显示器和彩色显示器和彩色CRT显示器两大类。显示器两大类。它的它的核心部件核心部件是是CRT显像管(即阴极射线管),其主要由显像管(即阴极射线管),其主要由五部分组成五部分组成:电子枪:电子枪(ElectronGun)、偏转线圈、偏转线圈(Defiectioncoils)、荫罩、荫罩(Shadowmask)、荧光
2、粉层、荧光粉层(Phosphor)及玻璃外壳,其中电子枪是显像管的核心。及玻璃外壳,其中电子枪是显像管的核心。包括直观刷新式、直观存储式和特种包括直观刷新式、直观存储式和特种CRT 直观刷新式是目前应用最广泛的,主要用于显示设备、直观刷新式是目前应用最广泛的,主要用于显示设备、电视接收机、雷达终端、示波器等,后面讨论的都是这种电视接收机、雷达终端、示波器等,后面讨论的都是这种CRT。CRT(Cathode-Ray-Tube)显显示示器器,即即阴阴极极射射线线管管显显示示器器,是是最最早早使使用用的的显显示示器器,它它技技术术成成熟熟,价价格格便便宜宜,寿命长,可靠性高。寿命长,可靠性高。结构原
3、理结构原理CRT是一内部抽成真空的玻璃锥体。是一内部抽成真空的玻璃锥体。其基本工作原理是:其基本工作原理是:一些物质在电子轰击下发射磷光的特性一些物质在电子轰击下发射磷光的特性电磁场对电子运动实施控制的效应电磁场对电子运动实施控制的效应2.1.1黑白黑白CRT显示器的基本结构与工作原理显示器的基本结构与工作原理黑白黑白CRT即单色即单色(MonochromeMonitor)CRT,只有,只有单一的电子枪,仅能产生黑白两种颜色。它的单一的电子枪,仅能产生黑白两种颜色。它的主要用途主要用途是在是在电视机中显示图像电视机中显示图像,以及在工业控制设备中用作,以及在工业控制设备中用作监监视器视器。黑白
4、黑白CRT主要由主要由圆锥形玻壳圆锥形玻壳、玻壳正面用于显示的、玻壳正面用于显示的荧光屏荧光屏、封入玻壳中发射电子束用的、封入玻壳中发射电子束用的电子枪系统电子枪系统和位于和位于玻壳之外控制电子束偏转扫描的玻壳之外控制电子束偏转扫描的磁轭器件磁轭器件四部分组成。四部分组成。荧光屏圆锥形玻壳圆锥形玻壳偏转磁轭偏转磁轭图图2.1单色单色CRT的结构示意图的结构示意图结构中灯丝、阴极(结构中灯丝、阴极(K)、第一控制栅极()、第一控制栅极(G1或称或称调制器)、加速极(调制器)、加速极(G2或称屏蔽极)构成或称屏蔽极)构成发射系统发射系统;第二阳极第二阳极G3、聚焦极、聚焦极G4、高压阳极、高压阳极
5、G5构成构成聚焦系统聚焦系统。CRT的组成的组成阴极阴极:加热时发射电子:加热时发射电子控制栅极控制栅极:对发射电子多少实施控制:对发射电子多少实施控制加速结构加速结构:使电子形成高速度射速:使电子形成高速度射速聚焦系统聚焦系统:使电子束轰击荧屏聚集成细点:使电子束轰击荧屏聚集成细点偏转系统偏转系统:使电子束在屏幕上随意移动:使电子束在屏幕上随意移动荧光屏荧光屏:电子束轰击时发出光辉:电子束轰击时发出光辉阴极射线管工作原理阴极射线管工作原理工作原理工作原理 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
6、,然后子束在聚焦系统的作用下进一步聚焦,形成很细的束,然后在超高压电场在超高压电场(通常为通常为150001500020000V)20000V)的加速下轰击屏幕表面的加速下轰击屏幕表面的磷光体从而发光。的磷光体从而发光。阴阴极极控控制制栅栅极极聚聚焦焦系系统统偏偏转转系系统统加加速速电电场场荧荧光光屏屏电电子子电电子子束束聚聚焦焦方方向向轰轰击击2.1.2彩色彩色CRT显示器的基本结构与工作原理显示器的基本结构与工作原理 彩色彩色CRT利用三基色利用三基色图像叠加原理实现彩色图图像叠加原理实现彩色图像的显示。荫罩式彩色像的显示。荫罩式彩色CRT是目前占主导地位的是目前占主导地位的彩色显像管,这
7、种管子的彩色显像管,这种管子的原始设想是德国人弗莱西原始设想是德国人弗莱西(Fleshsig)在)在1938年提年提出的。荫罩式彩色出的。荫罩式彩色CRT的的基本结构如图基本结构如图2.2所示。所示。图图2.2彩色彩色CRT的结构示意图的结构示意图彩色彩色CRT是通过红是通过红(R)、绿、绿(G)、蓝、蓝(B)三原色组合三原色组合产生彩色视觉效果。荧光屏上的每一个像素由产生红产生彩色视觉效果。荧光屏上的每一个像素由产生红(R)、绿、绿(G)、蓝、蓝(B)的三种荧光体组成,同时电子枪中的三种荧光体组成,同时电子枪中设有设有3个阴极个阴极,分别发射电子束,轰击对应的荧光体。,分别发射电子束,轰击对
8、应的荧光体。为了防止每个电子束轰击另外两个颜色的荧光体,在荧为了防止每个电子束轰击另外两个颜色的荧光体,在荧光面内侧设有光面内侧设有选色电极选色电极荫罩荫罩。在荫罩型彩色在荫罩型彩色CRT中,中,玻壳荧光屏的内面形成点状玻壳荧光屏的内面形成点状红、绿、蓝三色荧光体红、绿、蓝三色荧光体,荧光面与单色,荧光面与单色CRT相同,在其相同,在其内侧均有膜金属覆层。在离荧光面一定距离处设置荫罩。内侧均有膜金属覆层。在离荧光面一定距离处设置荫罩。荫罩焊接在支持框架上,并通过显示屏侧壁内面设置的荫罩焊接在支持框架上,并通过显示屏侧壁内面设置的紧固钉将荫罩固定在显示屏内侧。紧固钉将荫罩固定在显示屏内侧。图图2
9、.3彩色彩色CRT工作原理工作原理荫罩与荧光屏的距离可根据几何关系由下式确定:荫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:式中:为荫罩与荧光屏的距离;为荫罩与荧光屏的距离;为孔距放大率;为孔距放大率;为从电子枪到荧光面的距离;为从电子枪到荧光面的距离;为电子枪的束间距;为电子枪的束间距;为为电子束排列方向的荫罩孔距;电子束排列方向的荫罩孔距;为电子束排列方向的荧光为电子束排列方向的荧光屏上同一色荧光体的点间距。屏上同一色荧光体的点间距。整体工作过程整体工作过程:由灯丝、阴极、控制栅组成电子:由灯丝、阴极、控制栅组成电子枪,通电后灯丝发热,阴极被激发,发射出电子流,枪,
10、通电后灯丝发热,阴极被激发,发射出电子流,电子流受到带有高电压的内部金属层的加速,经过透电子流受到带有高电压的内部金属层的加速,经过透镜聚焦形成极细的电子束,在阳极高压作用下,获得镜聚焦形成极细的电子束,在阳极高压作用下,获得巨大的能量,以极高的速度去轰击荧光粉层。这些电巨大的能量,以极高的速度去轰击荧光粉层。这些电子束轰击的目标就是荧光屏上的三原色。子束轰击的目标就是荧光屏上的三原色。电子枪发射的电子束不是一束,而是三束,电子束电子枪发射的电子束不是一束,而是三束,电子束在偏转磁轭产生的磁场作用下,可以控制其射向荧光在偏转磁轭产生的磁场作用下,可以控制其射向荧光屏的指定位置,去轰击各自的荧光
11、粉单元。一般荫罩屏的指定位置,去轰击各自的荧光粉单元。一般荫罩式式CRT的内部有一层类似筛子的网罩,电子束通过网的内部有一层类似筛子的网罩,电子束通过网眼打在呈三角形排列的荧光点上,以防止每个电子束眼打在呈三角形排列的荧光点上,以防止每个电子束轰击另外两个颜色的荧光体。轰击另外两个颜色的荧光体。受到高速电子束的激发,这些荧光粉单元分别发受到高速电子束的激发,这些荧光粉单元分别发出强弱不同的红、绿、蓝三种光。根据空间混色法出强弱不同的红、绿、蓝三种光。根据空间混色法(将将三个基色光同时照射同一表面相邻很近的三个点上进三个基色光同时照射同一表面相邻很近的三个点上进行混色的方法行混色的方法)产生丰富
12、的色彩,这种方法利用人们眼产生丰富的色彩,这种方法利用人们眼睛在超过一定距离后分辨力不高的特性,产生与直接睛在超过一定距离后分辨力不高的特性,产生与直接混色法相同的效果。混色法相同的效果。用这种方法可以产生不同色彩的像素,而大量的用这种方法可以产生不同色彩的像素,而大量的不同色彩的像素可以组成一张漂亮的画面,而不断变不同色彩的像素可以组成一张漂亮的画面,而不断变换的画面就成为可动的图像。换的画面就成为可动的图像。电电子子枪枪是是显显像像管管中中极极为为重重要要的的组组成成部部分分。它它是是电电子子束束源源,用用来来发发射射电电子子,并并将将其其加加速速和和聚聚焦焦成成细细束束,同同时时外外加加
13、电电信信号号控控制制电电子子束束的的强强度度。偏偏转转系系统统能能依依据据输输入入的的有有电电子子束束位位置置信信息息的的信信号号使使电电子子束束在在向向荧荧光光屏屏行行进进途途中中轨轨迹迹发发生生偏偏转转,以以控控制制电电子子束束到到达达荧荧光光屏屏上上的的位位置置。偏偏转转系系统统可可以以用用静静电电式式偏偏转转或或磁磁偏偏转转,电子枪与偏转系统合称显示器件的电子枪与偏转系统合称显示器件的电子光学系统电子光学系统。一一般般分分为为双双电电位位电电子子枪枪(Bi-potential Focus,BPF)和和单单电电位位电电子子枪枪(Uni-Potential Focus,UPF)。UPF电电
14、子子枪枪比比BPF电电子子枪枪多多一一个个高高压压阳阳极极,聚聚焦焦能能力力大大大大提提高高,在在荧荧光光屏屏上上形形成成直直径径为为0.2mm左右的光点。左右的光点。1、电子枪2.1.3CRT显示器的主要单元显示器的主要单元 双双电电位位电电子子枪枪的的各各电电极极电电压压及及结结构构如如图图所所示示:灯灯丝丝、阴阴极极(发发射射极极)K,控控制制极极G1(栅栅极极),加加速速极极G2(第第一一阳阳极极A1),聚聚焦焦极极G3(第第二二阳阳极极A2),高高压压阳阳极极G4。栅栅极极与与阴阴极极间间的的距距离离一一般般为为1mm以以下下,栅栅极极中中心心孔孔直直径径为为0.60.8mm。G2灯
15、丝阴极控制极聚焦极加速极阳极G3 双电位电子枪(双电位电子枪(Bi-potential Focus,BPFBi-potential Focus,BPF)0V -60-20V 400V 0300V 9000VG4G1 当当阴阴极极被被阴阴极极里里面面的的灯灯丝丝加加热热到到约约800时时,电电子子获获得得逸逸出出功功,大大量量电电子子从从阴阴极极表表面面发发出出,并并对对准准栅栅极极的的小小圆圆孔孔飞飞行行出出去去。电电子子飞飞出出的的多多少少,由由栅栅极极与与阴阴极极之之间间所所加加的的电电压压的的大大小小决决定定,因因此此,将将视视频频信信号号电电压压加加在在阴阴极极或或栅栅极极上上可可以以
16、调调制制电电子子束束强强度度。电电子子束束经经过过加加速速极极的的加加速速,聚聚焦焦极极的的聚聚焦焦,偏偏转转磁磁场场的的偏偏转转扫扫描描到到屏屏幕幕前前面面的的荧荧光光涂涂层层上上,产产生生复复合合发发光光,最最终终形形成成满满足足人人眼视觉特性要求的光学图像。其结构如图所示。眼视觉特性要求的光学图像。其结构如图所示。基本工作原理A1灯丝阴极栅极聚焦极加速极高压阳极A2A3G阴极阴极呈小圆筒状呈小圆筒状,圆筒表面涂有氧化物(氧化钡、氧化锶、,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(加热
17、到高温(10003000oC)使其发射出电子。)使其发射出电子。控制栅极(调制级)控制栅极(调制级)圆筒状,它套在阴极外面圆筒状,它套在阴极外面,圆筒的中间开有一个金属小孔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,这个圆筒比阴极的电位要低,它排斥电子,除少数电子通过它排斥电子,除少数电子通过底部的孔底部的孔逃脱外,大多数仍留在控制栅极内。逃脱外,大多数仍留在控制栅极内。控制栅极控制栅极在在CRT中中作用作用是:是:(1)控制电子束的电流密度)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)使从阴极飞出的电子聚焦成能穿过控制栅极小孔的细束。束。控制栅极相对于阴
18、极的电位越低,通过小孔逃逸的电子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越少,如果电位低到一定程度,电子束电流密度接近0,达,达到这种情况的电流叫到这种情况的电流叫截止电压截止电压,其值一般在其值一般在201000v。加速结构加速结构电子由控制栅极出电子由控制栅极出来,穿过第二栅极的小来,穿过第二栅极的小孔,被其间的强静电场孔,被其间的强静电场加速,然后电子束高速加速,然后电子束高速通过第二阳极上的小孔。通过第二阳极上的小孔。(加速电压)(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。结论:电子束能到达的速度正比于加速电压的平方
19、根。聚焦系统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。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。聚焦系统的好坏直接影响显示装置分辨率的高低。分辨率分辨率(resolution)指的是显示设备所能表示的像素个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,电子束
20、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方由此开始向前收敛,到屏幕时一直到聚焦开始作用的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。又成一个小点,完成聚焦作用。聚焦系统分为:聚焦系统分为:静电聚焦和电磁聚焦。静电聚焦和电磁聚焦。加速极加速极A1呈圆盘状,电压一般在呈圆盘状,电压一般在450600V之间。之间。聚聚焦焦极极装装在在加加速速极极后后面面,电电压压在在58KV,改改变变这这个个电电压压,可以改变电子束聚焦的质量。可以改变电子束聚焦的质量。阳阳极极施施加加22K34KV的的高高压压(CRT尺尺寸寸越越大大所所需需电电压压越越高高),使电子束以足够高的速度
21、轰击荧光粉发光。,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A2A3 单单电电位位电电子子枪枪与与双双电电位位电电子子枪枪相相比比,相相当当于于在在双双电电位位电电子子枪枪的的G2和和G4之之间间多多加加了了一一个个高高压压阳阳极极,电电位位大大幅幅度度增增加加,增增强强了了预预聚聚焦焦能能力力,电电子子束束进进入入主主透透镜镜(由由G3、G4、G5组组成成)前前,经经过过预预聚聚焦焦作作用用,变变细细了了,然然后后再再通通过过主主透透镜镜的的聚聚焦焦,使使电电子子束束激发荧光屏产生的光点足够小。激发荧光屏产生的光点足够小。单电位电子枪(Uni-potential
22、Focus,UPF)G2灯丝阴极栅极聚焦极加速极高压阳极G4G5G3G1G2灯丝阴极栅极聚焦极加速极阳极G4G5G3G1 另另外外,由由于于聚聚焦焦极极G4的的电电位位大大大大低低于于G3、G5,因因而而G4上上的的电电位位变变化化对对电电场场影影响响作作用用减减小小了了,这这对对显显像像管管聚聚焦焦持持性性的的稳稳定定和和提提高高起起了了良良好好的的保保证证作作用用。单单电电位位电电子子枪枪只只要要在在设设计计装装配配时时将将三三电电极极(G3、G4、G5)位位置置调调整整好好,在在以以后后的的使使用用中中,对对聚聚焦焦电电压压就就不不必必进进行行调调整整,所所以以这这种种枪枪又又称称为为自
23、自聚焦电子枪聚焦电子枪。2.荧光屏荧光屏荧光屏,是由涂覆在玻璃壳内的荧光屏,是由涂覆在玻璃壳内的荧光粉荧光粉和叠于荧光粉层和叠于荧光粉层上面的上面的铝膜铝膜共同组成的。工作的时候荧光屏后面的电子枪发共同组成的。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。字符或者图像。荧光屏是实现荧光屏是实现CRT显像管电光转换的关键部位之一,显像管电光转换的关键部位之一,要要求求发光亮度和发光效率足够高,发光光谱适合人眼观察,图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
24、间适当,机械、化学、热像分辨力高、传递效果好,余辉时间适当,机械、化学、热稳定性好,寿命高。稳定性好,寿命高。CRT的的发光性能发光性能首先取决于所用的荧光粉材料,因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。为主要由荧光粉层完成显像管内的光电转换功能。荧光粉的荧光粉的发光效率发光效率是指每瓦电功率能获得多大的发是指每瓦电功率能获得多大的发光强度。光强度。余辉时间余辉时间是荧光粉的重要特性参数。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,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,而当电
25、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,这种特性称为而是按指数规律衰减,这种特性称为荧光粉的余辉特性荧光粉的余辉特性。余辉时间是指荧光粉在电子束轰击停止后,其亮度减小余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到电子轰击时稳定亮度的1/10所经历的时间。所经历的时间。一般把余辉分成三类:余辉时间长于一般把余辉分成三类:余辉时间长于0.1s的称为的称为长长余辉发光余辉发光;余辉时间介于;余辉时间介于0.1s至至0.001s的称为的称为中余辉发光中余辉发光;余辉时间短于余辉时间短于0.001s的称为的称为短余辉发光短余辉发光。余辉太长,则同。余辉太
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