• ВВЕДЕНИЕ
  • 1. ИНФОРМАЦИОННАЯ МОДЕЛЬ
  • 1.1 Формирование элементов информационных моделей
  • 1.2. Система «человек-машина» и основные задачи инженерной психологии
  • 1.3. Основные фотометрические параметры
• 2. ПСИХОФИЗИОЛОГИЧЕСКИЕ ОСОБЕННОСТИ ВОСПРИЯТИЯ ЗРИТЕЛЬНОЙ ИНФОРМАЦИИ ОПЕРАТОРОМ
  • 2.1. Строение зрительного анализатора
  • 2.2. Особенности восприятия зрительной информации
  • 2.3. Цветовая чувствительность
  • 2.4. Пространственные характеристики
  • 2.5. Временные характеристики
• 3. СРЕДСТВА ОТОБРАЖЕНИЯ ИНФОРМАЦИИ
  • 3.1. Структура и основные технические параметры средств отображения информации
  • 3.2. Параметры средств отображения информации
  • 3.3 Классификация средств отображения информации
• 4. ЭЛЕКТРОННО-ЛУЧЕВЫЕ ТРУБКИ
  • 4.1 Классификация электронно-лучевых трубок
  • 4.2 Конструкция электронно-лучевых трубок
  • 4.3 Фокусирующие системы
    • 4.3.1 Электростатическая фокусирующая система
    • 4.3.2 Электромагнитная отклоняющая система
  • 4.4 Отклоняющие системы
    • 4.4.1 Электростатическая отклоняющая система
    • 4.4.2 Электромагнитная отклоняющая система
  • 4.5 Цветные электронно-лучевые трубки
    • 4.5.1. Электронно-лучевые трубки с теневой маской
    • 4.5.2. Тринитрон
  • 4.6 Классификация сре6дств отображения информации с электронно-лучевыми трубками
  • 4.7. Принципы формирования знаков в средствах отображения информации телевизионного типа
  • 4.8 Функциональная схема буквенно-цифровых средств отображения информации телевизионного типа
• 5. ВИДЕОАППАРАТУРА ПЕРСОНАЛЬНОГО КОМПЬЮТЕРА
  • 5.1. Классификация видеоадаптеров
  • 5.2. Структурная схема видеоадаптера
  • 5.3. Кодирование цветов
• 6. МИКРОПРОЦЕССОРНЫЕ СИСТЕМЫ ОТОБРАЖЕНИЯ ИНФОРМАЦИИ
  • 6.1. Структурная схема микропроцессорных средств отображения информации
  • 6.2. Архитектура контроллера прямого доступа к памяти (КПДП) КР580ВТ57
  • 6.3. Архитектура программируемого контроллера электроннолучевой трубки (КЭЛТ) КР580ВГ75
  • 6.4. Архитектура программируемого интервального таймера (ПИТ) КР580ВИ53
  • 6.5. Архитектура программируемого параллельного адаптера (ППА) КР580ВВ55А
  • 6.6. Архитектура программируемого контроллера клавиатуры и индикации (ПККИ) КР580ВВ79
• 7. СРЕДСТВА ВВОДА И ВЫВОДА ИНФОРМАЦИИ
  • 7.1. Клавиатура
  • 7.2. Дискретные индикаторы
  • 7.3. Вакуумные люминесцентные индикаторы
  • 7.4. Полупроводниковые индикаторы
  • 7.5. Газоразрядные индикаторы
  • 7.6. Жидкокристаллические индикаторы
  • 7.7. Системы адресации
  • 7.8. Структурные схемы малоразрядных цифровых и буквенно-цифровых средств отображения информации

4. ЭЛЕКТРОННО-ЛУЧЕВЫЕ ТРУБКИ

Электронно-лучевые трубки (ЭЛТ) – это индикаторный прибор, в котором для управления некоторым параметром одного или нескольких его элементов используется электронный пучок.

ЭЛТ является наиболее типичным  и известным электронно-лучевым прибором как широкого, так и специального назначения. Достоинства ЭЛТ на многие годы  обеспечили  их  внедрение  в телевизионные приемники и в различные терминалы связи с ЭВМ, предназначенные для управления и передачи данных. Они подразделяются на типы и категории и в основном предназначены для визуального наблюдения некоторых видов информации. Под визуальным изображением понимаются как натурные сцены вещательного телевидения, так и сложные знаки, и закодированные данные, формируемые на устройствах отображения машинным путем.

Основная категория ЭЛТ в свою очередь классифицируется на приборы с электростатической и магнитной разверткой, монохромные и цветные, однолучевые и многолучевые. ЭЛТ каждой группы осуществляет функцию преобразования данных из одной формы (чаще всего электрической) в видимое изображение или некоторую другую форму, сравнимую с созданием изображения.

4.1 Классификация электронно-лучевых трубок

Условно ЭЛТ можно классифицировать по многим признакам.

По типу использования:

1.           Знаковые – характрон, композитрон, тайпотрон, принтоскоп. Главное достоинство знаковых трубок – их быстродействие. К недостаткам можно отнести: сложность в изготовлении, отсутствие возможности замены трафарета в матрице, сложность систем управления, необходимость высококвалифицированного обслуживания, высокую стоимость.

2.           Накопительные – прямого видения, с электрическим считыванием, бистабильные. Эти трубки имеют низкую разрешающую способность (не более двух линий на миллиметр), значительное время стирания (0,1 – 0,5 с).

3.           Специальные – с темновой записью, с непосредственной печатью, со стекловолоконной планшайбой, многолучевые, с задним оптическим окном, плоские, с цифровой адресацией. Данные трубки применяются там, где необходимы документальная регистрация быстропротекающих процессов, оперативная информация. Они имеют повышенную разрешающую способность. Недостатки: воздействие света, используемого при наблюдении за экраном, на стирание изображения и воздействие записывающего луча на стирание изображения.

4.           Цветные – с теневой маской, с управляющей сеткой, с фокусирующей сеткой, с индексацией луча, с проникновением луча. Цвет расширяет возможности устройств отображения информации. Однако все цветные трубки имеют меньшую разрешающую способность, яркость, более сложны в изготовлении и дороги.

По типу отклонения и фокусировки луча:

1.           Электростатическое отклонение и фокусировка.

2.           Электромагнитное отклонение и фокусировка.

3.           Смешанные.

4.2 Конструкция электронно-лучевых трубок

Электронно-лучевая трубка - это электровакуумный прибор (рис. 4.1), включающий в себя электронную пушку 1, отклоняющие системы 2 и экран 3, покрытый люминофором. Электронная пушка имеет подогреватель, катод, модулятор (сетку), ускоряющий электрод и фокусирующую систему. Пушка обеспечивает формирование электронного пучка и его фокусировку. С помощью отклоняющей системы осуществляется управление электронным пучком, который создает изображение на экране с требуемой яркостью, послесвечением и цветом. В зависимости от конкретных условий и требований, предъявляемых к СОИ, используется электростатическое, электромагнитное или комбинированное управление электронным пучком ЭЛТ.

4.3 Фокусирующие системы

4.3.1 Электростатическая фокусирующая система

Основные законы движения электрона в однородном электростатическом поле могут быть получены из второго закона Ньютона, решение которого дает возможность найти скорость электрона

,                                                            (4.1)

где  (потенциал, действующий на электрон).

Подставляя реальные значения для е и m, имеем

.

Если электрон входит в однородное поле с начальной скоростью под углом  к вектору напряженности электрического поля, то уравнение движения электрона примет вид

,

где V₀ – потенциал, соответствующий начальной скорости.

Это уравнение параболы (рис. 4.2), параметры которой (максимальное значение у_m, смещение х_m  и наклон кривой α) находят из выражений:

,

,

.        (4.2)

Радиус траектории электрона при вхождении его в однородное магнитное поле под прямым углом получаем по формуле

,                                          (4.3)

где В_m – плотность магнитного потока.

Если же электрон входит в поле под углом , то уравнение принимает вид

.

При движении электрона по спирали ее шаг находится из выражения

.                                        (4.4)

В неоднородных электростатическом или электромагнитном полях или при их наложении траектории движения электронов описываются довольно сложными дифференциальными уравнениями, решение которых в общем случае затруднительно. В простом случае, когда оба поля параллельны, а электрон начинает движение с состояния покоя, магнитное поле не оказывает влияния на движение. Уравнения, выведенные для однородного поля, одинаково справедливы для большинства случаев.

Работу электростатических линз следует рассматривать по аналогии с оптическими. Таким образом, если на рис. 4.3 электрон после эмиссии имеет скорость и потенциал, равные нулю, и входит в область, характеризующуюся значением потенциала, равным V₁, то он будет двигаться по прямой линии со скоростью, описываемой уравнением (4.1). После пересечения поверхности, где потенциал изменяется со значения V₁ до V₂, скорость электрона изменится и может быть рассчитана по уравнению (4.1), где V₁ заменяется на V₂. Тангенциальная составляющая скорости V_t одинакова в обеих областях, нормальная же составляющая для электрона, входящего перпендикулярно вектору напряжения, изменится. Следовательно,

,    .

Тангенциальные составляющие скорости одинаковы в обеих областях

.

Уравнения становится еще более наглядным после подстановки выражения скорости из уравнения (4.1); тогда

,

,

т.е. эквивалентно показателю преломления.

4.4 Отклоняющие системы

4.4.1 Электростатическая отклоняющая система

К первому аноду приложен положительный потенциал в несколько сотен вольт, ускоряющий электронный луч. Ко второму аноду приложено напряжение в несколько десятков киловольт, поэтому электронный луч приобретает очень большую скорость. Электронный прожектор позволяет получить сфокусированный пучок электронов большой скорости. Электростатическая отклоняющая система представляет собой две пары перпендикулярных пластин. Пара пластин Х и Y образуют плоские конденсаторы. Горизонтальные пластины Y отклоняют луч в вертикальной плоскости, а вертикальные пластины Х – в горизонтальной плоскости.

Уравнение, описывающее отклонение луча электростатическим полем, можно найти из рис. 4.6 и уравнения (4.2), где вторая составляющая стремится к нулю, т.к.  = 90⁰, величина отклонения найдется по формуле

,

где l – расстояние от системы отклонения до экрана; b – линейный размер пластин; d – расстояние между пластинами; U_d – напряжение на отклоняющих пластинах; U_a – ускоряющее напряжение.

Увеличение U_a повышает яркость пятна на экране ЭЛТ за счет роста энергии электронов пучка, однако чувствительность по отклонению при этом уменьшается. Для повышения чувствительности применяют ускорение электронов после отклонения, но это не позволяет получить высокую яркость свечения изображения.

Электростатическая система отклонения имеет преимущества в том случае, если необходимы высокое разрешение и скорость. ЭЛТ с электростатической системой отклонения не технологичны, ремонтонепригодны (электроды внутри трубки). Электростатические системы отклонения применяются в осциллографах.

4.4.2 Электромагнитная отклоняющая система

Электроны в поле отклоняющей катушки движутся по кривой, радиус кривизны которой в каждой точке обратно пропорционален магнитной индукции. Вне поля отклоняющей катушки электроны движутся по прямой, касательной к траектории в конце действия магнитного поля.

Уравнение магнитного отклонения находится из рис. 4.7 и уравнения (4.3).

Угол отклонения определяется выражением:

.

Ввиду того, что центр отклонения является центром поля, амплитуда отклонения находится по уравнению

.

Чувствительность трубок с магнитным отклонением обратно пропорциональна , что позволяет с помощью большого анодного напряжения (15-20 кВ) получить очень яркое светящееся пятно при высокой чувствительности трубки. К недостаткам таких трубок следует отнести потребление электрической энергии.

Электромагнитная система отклонения имеет преимущества в том случае, если необходимо большое отклонение. ЭЛТ с магнитной системой отклонения ремонтопригодна и имеет небольшие размеры. ЭЛТ с электромагнитными системами отклонения применяются в телевидении, радиолокационных станциях и т.д.

4.5 Цветные электронно-лучевые трубки

 Цветные ЭЛТ получили значительное распространение в бытовом телевидении, но в информационных отображающих комплексах эти конструкции не могут быть применены без существенных оговорок. В вещательном телевидении интенсивно используется цветная трубка.

4.5.1. Электронно-лучевые трубки с теневой маской

 Наилучшим образом зарекомендовали себя цветные ЭЛТ, широко используемые в многочисленных цветных бытовых телевизорах, предназначенных для приема развлекательных и учебных программ и выпускаемых в большом количестве промышленностью. Многоплановое внедрение способствовало увеличению выпуска и снижению стоимости цветных ЭЛТ, отвечающих требованиям качества, предъявляемым этим рынком. Хотя этот прибор не может без существенных доработок применяться в сложных информационных отображающих системах, конструкция его столь удачна, что необходимо тщательно проанализировать его возможности. На рис. 4.8 схематически показана конструкция цветной ЭЛТ с теневой маской. ЭЛТ состоит из трех электронных пушек, расположенных таким образом, что лучи, проходя через отверстия маски, попадают на определенные участки люминесцирующего экрана. Экран выполнен из точечных триад, которые включают по одной точке каждого из трех первичных цветов — красного, синего и зеленого. Расположение пушек таково, что луч, соответствующий определенному цвету, бомбардирует люминофор с данным спектральным составом излучения. Отклонение всех трех лучей осуществляется с помощью одной обмотки. Элементы электромагнитной фокусировки пушек соединены па­раллельно и работают от одной схемы управления. Даже при хорошей юстировке маски и триад ЭЛТ нельзя устранить потери разрешения и яркости. Ухудшение разрешения связано с регулировкой и объясняется зависимостью максимального разрешения от размера апертур маски. Это видно из выражения                                                                                                      

,

где N – число цветовых триад; - коэффициент; h – высота маски; а – расстояние между отверстиями в маске (рис. 4.9).        

Получены образцы с большим разрешением при некотором увеличении стоимости. Описанный тип трубки остается наиболее распространенным.

Максимальная эффективность пучка равна 9 %; следовательно, для трех пучков общая эффективность равна 27 %, тогда как для монохромной камеры она составляет 80 %. Поэтому по яркости ЭЛТ с теневой маской значительно уступает стандартной трубке. Рассогласование трех пучков приводит к потере чистоты цвета, формируемого из первичных компонентов, а также вызывает падение яркости за счет уменьшения диаметра лучей при прохождении через отверстия. Качество изображения ухудшается также под воздействием магнитного поля земли и при изменении угла отклонения в центре отклоняющей обмотки, а также зависит от точности нанесения точечных триад на люминофор (непостоянство увеличения). Влияние первого фактора компенсируется с помощью магнитов, располагаемых вокруг горловины трубки. Действие других устраняется в процессе изготовления при помощи применения источника излучения с корректирующим объективом, предыскажающим расстановку точек люминофора на фоторезисте. Эффект уширения устраняется выбором положения источника света. Процесс изготовления очень сложен и экономически оправдан лишь в случае крупного серийного производства. Однако их применение, например, в специальных приборах с высоким разрешением, выпускаемых  мелкими сериями,  приводит  к значительному  удорожанию (на целый порядок).

В последнее время цветные ЭЛТ с теневой маской были еще более улучшены в отношении визуального восприятия, размеров и воспроизведения цвета. Усовершенствование достигнуто применением матричного экрана, увеличением углов отклонения, компланарным расположением пушек. Рассмотрим основные моменты этих разработок.

Матричные экраны разрабатывались с целью уменьшения потерь результирующей яркости, вызванных применением нейтраль­ного светофильтра, расположенного на лицевой части и предназначенного для повышения контраста. Возрастание контраста обусловлено наличием значительной части поверхности наблюдения, не  покрытой люминофором (рис. 4.9). Улучшение  сходимости достигается согласованием положения точек люминофора с положением  отверстий  маски. В результате около  50 % поверхности отражает окружающий свет. В матричном экране вся эта поверхность покрывается чернящим  составом;  следовательно, уменьшается как обратная засветка, так и общий отраженный фронтальной частью свет. Таким образом, путем уменьшения потерь излучения можно увеличить яркость экрана.                                                                   

Другие два усовершенствования касаются электрических характеристик ЭЛТ. Во-первых, увеличение угла отклонения от 45 до 70° создает возможность значительно уменьшить длину трубки (рис. 4.7). Исходя из геометрических параметров, характеризующих процесс отклонения, охват данного размера экрана возможен только в том случае, если расстояние от центра отклонения до экрана согласовано с углом отклонения. Углы отклонения современных трубок достигают  120° и более, поэтому наблюдается укорочение трубки.

Третье усовершенствование - использование компланарного расположения пушек (как в тринитроне). Действительно, рассматриваемым ЭЛТ присущи некоторые свойства, характерные для тринитрона, в частности использование горизонтальных лучей и вертикальных полосок, как показано на рис. 4.10. Такая конструкция имеет преимущества перед тринитроном, но основное ее достоинство состоит в согласовании обмотки и трех пушек в процессе изготовления; следовательно, устраняется необходимость осуществления 12 операций юстировки для сведения лучей стандартной ЭЛТ с теневой маской.  

Наконец, необходимо отметить, что трубка с теневой маской является базовой для телевизионной промышленности и наиболее широко используется в ТВ-прием-никах. Трубки с разрешением 1000 строк только сейчас получают должное признание. Их возникновение вызвано необходимостью получения высококачественных цветных изображений, сравнимых по качеству с ЭЛТ проникающего типа. В будущем эта разновидность ЭЛТ может найти широкое применение в не вещательных комплексах, если будет выпускаться в достаточном  количестве и иметь приемлемую стоимость.                                                           

4.5.2. Тринитрон

Тринитрон является наиболее удачным заменителем цветной ЭЛТ с теневой маской. Он чем-то напоминает хромотрон и позволяет надеяться на устранение некоторых недостатков, свойственных ЭЛТ, в сочетании с экономичностью процесса изготовления. Хромотрон включает параллельные полоски цветного люминофора, расположенные упорядоченно по три (красная, зеленая, синяя). Сеточная схема обеспечивает фокусировку и развертку пучка, направляя его на соответствующую цветную полоску. Несмотря на то, что речь шла об ЭЛТ с тремя пушками, основное внимание уделим однопушечной трубке.

Формирование цветного изображения на экране кинескопа с планарным расположением прожекторов и щелевой маской аналогично рассмотренному выше. Однако такой кинескоп обладает рядом преимуществ: повышенной яркостью изображения за счет плотного заполнения люминофорами площади экрана и увеличения на 25-30 % прозрачности маски; устойчивостью к воздействию внешних магнитных полей, поскольку смещение лучей в вертикальном направлении при штриховой структуре экрана не приводит к нарушению цветоделения; отсутствием системы динамического сведения лучей, которое осуществляется автоматически за счет применения отклоняющей системы с сильным анизотропным астигматизмом.

Электронно-лучевые приборы с тремя отдельными прожекторами сложны в изготовлении и настройке, поэтому были предложены способы получения трех лучей с помощью одного прожектора. В ЭЛТ типа «Тринитрон» электронные лучи, испускаемые из трех катодов, отклоняются таким образом, что пересекаются в центре электронной линзы (рис. 4.11). Боковые лучи, расходящиеся от точки пересечения, отклоняются парой электронных призм (отклоняющие устройства) так, что три луча сходятся окончательно без дальнейшей фокусировки на люминофорном экране простым изменением их направления. Таким образом, центр большой апертурной электронной линзы предназначен для фокусировки трех лучей, а пара отклоняющих устройств — для сведения лучей. Электронную линзу и электронные призмы можно построить либо по электростатической, либо по электромагнитной схеме.

Эмиттирующие поверхности трех катодов располагаются на одной плоскости. Два боковых электронных луча, испускаемые в одной плоскости параллельно с центральным лучом, отклоняются к центральному лучу с помощью слабой электронной линзы, расположенной прямо перед катодами. Система сделана так, что три луча пересекаются в центре основной электронной линзы. В «Тринитроне» применяется щелевая маска.

Если сравнить ток луча ЭЛТ «Тринитрон» и масочного кинескопа при одном и том же размере электронного луча, то оказывается, что в «Тринитроне» ток бокового луча может быть в 1,5 раза больше, а ток центрального луча - в 2 раза больше. Это означает, что в «Тринитроне» можно получить цветное изображение, которое приблизительно в 1,5 раза ярче.

Известно, что разрешающая способность трехцветного изображения определяется в основном размерами зеленого светового пятна. Поэтому для получения цветных изображений с высокой разрешающей способностью кинескоп разрабатывается таким образом, что центральный луч возбуждает зеленый люминофор, а синий и красный люминофоры возбуждаются соответственно боковыми лучами. Таким образом, сочетание трехлучевой оптической системы с одним прожектором со щелевой маской дает существенный выигрыш по яркости по сравнению с масочным кинескопом.

Возникает вопрос: почему же, обладая такими характеристиками, «Тринитрон» до сих пор не вытеснил полностью ЭЛТ с теневой маской?  Ответить  можно так:  высокая  стоимость  и  малый  размер экрана вначале отпугнули потребителя, да  и само усовершенствование не было таким уж значительным. Кроме того, потребовалась бы доработка сложных вспомогательных схем приемника. В настоящее время по размеру экрана «Тринитрон» сравним с ЭЛТ с  теневой маской,  поэтому он широко используется.

4.6 Классификация сре6дств отображения информации с электронно-лучевыми трубками

Форма элемента отображения в СОИ с электронно-лучевыми индикаторами определяется сечением электронного луча в плос­кости экрана трубки. Это сечение может иметь конфигурацию вы­бранного знака (в знакопечатающих ЭЛТ), в большинстве же случаев оно принимает форму круга малого диаметра (точечный ЭО). Соответственно СОИ на ЭЛТ можно разделить на знакомоделирующие и знакогенерирующие. Основные параметры эле­мента отображения ЭЛТ (геометрические размеры, яркость, цвет) определяются параметрами электронного луча и свойствами люминофора.

Адресация ЭО, определяющая положение электронного луча в плоскости экрана ЭЛТ, задается сигналами отклоняющей системы трубки. В каждый момент времени луч занимает определенное по­ложение, фиксируя на информационном поле ЭО. Полное изобра­жение формируется последовательным во времени воспроизведением всех его элементов. Последовательное поэлементное воспроизведение называется разверткой изображения. Изображение, образованное в процессе развертки совокупностью ЭО, называется кадром.

По принципу организации развертки изображения методы синтеза знаков делятся на растровые и функциональные.

При растровых закон развертки, а следовательно, и траектория перемещения луча по экрану не зависят от формируемой информационной модели. Формирование изображения осуществля­ется модуляцией яркости луча при его прохождении соответствую­щих элементов информационной модели.

При функциональных траекториях перемещения луча совпадают с контурами отображаемых элементов информационной мо­дели ИМ, т. е. закон развертки в этом случае определяется ото­бражаемой информацией. Принятая развертка определяет структуру кадра, которую называют растром.

В СОИ применяются два основных типа растра: телевизионный и полиграммный.

Телевизионный растр представляет собой совокупность прямых ли­ний, расположенных друг под другом. Средства отображения, ис­пользующие телевизионный растр, называют СОИ телевизион­ного типа или телевизионными СОИ.

Полиграммный растр представляет совокупность обобщенных фигур – полиграмм (аналогичных полиграммам на рис. 1.1), расположенных в пределах знакомест информационного поля.

На рис. 4.12, а показан телевизионный растр, образованный линейной прогрессивной разверткой, при которой полный растр образуется за один период кадровой развертки Т_К. Развертка изображения создается одновременным движением луча по горизонтали вдоль оси X и по вертикали вдоль оси Y. Движение луча по горизонтали называют строчной разверткой, а прочерчиваемые при этом линии – телевизионными строками. Перемещение луча по вертикали называют кадровой разверткой, в результате которой все телевизионные строки располагаются одна над другой. Строчная и кадровая развертки осуществляются формированием отклоняющих сигналов X, Y (рис. 4.12, б) напряжений для электростатической отклоняющей системы или токов для магнитной. Отклоняющие сигналы формируются генераторами строчной и кадровой разверток.

Частота кадровой развертки f_K=1/T_K для ЭЛТ с малым временем послесвечения должна быть больше критической частоты мелькания. Обычно частоту f_К выбирают равной частоте сети пере­менного тока, исключая этим эффект перемещения по экрану создаваемой ею помехи. Частота f_Z и период T_Z строчной развертки (f_Z = 1/T_Z) выбирают из условия

,

где Z –  число телевизионных строк в кадре, определяющее разрешающую способность СОИ по вертикали. В телевидении стандар­том принято Z = 625. В высококачественных СОИ распространена так называемая многострочная развертка с Z = 1000 и более.

Период строчной развертки T_Z включает в себя время прямого хода луча по строке T_ZП и время обратного хода T_ZO. Изображение формируется за время прямого хода. Отношение T_ZO/T_Z = a_Z на­зывается коэффициентом обратного хода строчной развертки. Соответственно при известных значениях T_Z и a_Z определяется T_ZП = T_Z (1 – a_Z). Для стандарта телевидения  a_Z = 0,18.

Период кадровой развертки Т_К = Т_КО + Т_КП, где Т_КП и Т_КО – время прямого и обратного ходов кадровой развертки.

Отношение Т_КО/Т_К = a_Z называется коэффициентом об­ратного хода кадровой развертки. Число телевизион­ных строк, формируемых за время прямого хода луча,

Z_П = (1 – a_K) Z.

Для стандарта телевидения a_K = 0,08.

На рис. 4.13 показан телевизионный растр, образованный чересстрочной разверткой, которая предусматривает формирование одного кадра изображения из двух полей, передаваемых последовательно. В первом поле прочерчиваются нечетные, а во втором – четные строки растра (последние на рисунке показаны штрихпунктирными линиями). Дискретное смещение изображения на одну строку в каждом поле не фиксируется глазом из-за инерционности к восприятию перемещения объектов в поле зрения, если частота смены изображений не менее 15 – 16 Гц. Поэтому при выборе частоты кадров f_К = 25 Гц обеспечивается слитность восприятия изображения двух полей. В то же время воспроизведение изображения в каждом поле с частотой f_П – 2f_К = 50 Гц исключает мерцания яркости, так как выполняется условие f_П = f_КЧМ. Уменьшение частоты кадров в два раза по сравнению с прогрессивной разверткой при том же числе телевизионных строк в кадре приводит к двукратному уменьшению частоты строчной развертки и требуемой полосы пропускания видеоусилителя. Для формирования чересстрочной развертки необходимо обеспечить следующие условия: число строк в кадре должно быть нечетным, т.е.

Z = 2m+1,

где m – целое число.

Частоты строчной развертки и полей должны быть жестко связаны между собой условием

2f_Z = Z f_П = (2 m + 1)f_П.

В результате выполнения этих условий второе поле начинается с половины строки, и все строки оказываются сдвинутыми по вертикали относительно строк первого поля.

Чересстрочная развертка используется в телевизионном веща­нии и в большинстве промышленных телевизионных установок. В СОИ рекомендуется применять прогрессивную развертку, при которой отсутствуют чересстрочные мелькания, приводящие к утом­лению зрения оператора.

К преимуществам СОИ телевизионного типа относятся: универсальность, позволяющая отображать все виды ИМ; возмож­ность совмещения информационных моделей, формируемых мето­дом электронного синтеза (знакогенерации), с полутоновыми теле­визионными изображениями, получаемыми с помощью телевизион­ных камер; возможность использования стандартных телевизион­ных приемников и видеоконтрольных устройств промышленных те­левизионных установок в качестве видеомониторов.

4.7. Принципы формирования знаков в средствах отображения информации телевизионного типа

Для формирования знаков растр разбивается (дискретизируется) на отдельные участки – знакоместа, в пределах которых условно располагаются матрицы знаков (рис. 4.14). Размер элемента матрицы по вертикали h_Э определяется шириной телевизионной строки и может изменяться дискретно кратно числу телевизионных строк l, выделяемых для формирования одного элемента матрицы. Таким образом, элемент матрицы является укрупненным ЭО, если считать последним точечный элемент, определяемый сечением электронного луча.

Особенность синтеза знаковой информационной модели СОИ с полным телевизионным растром заключается в том, что каждый символ формируется по частям разрывно во времени. В процессе формирования одновременно находятся все знаки, составляющие одну текстовую строку. Действительно, двигаясь по телевизионной строке, электронный луч последовательно обходит все элементы одного ряда матрицы знакомест, входящих в одну текстовую строку (рис. 4.14). Формирование текстовой строки заканчивается после того, как луч проходит l h₃ телевизионных строк       (h_З’ = h_З / h_Э – относительный размер матрицы по вертикали, выраженный числом ее элементов). Затем через lּh_П’ (h_П’ = h_П / h_Э) телевизионных строк, образующих интервал между текстовыми строками, начинается формирование знаков следующей текстовой строки.

Для прогрессивной развертки число l принципиально может быть любым. Для чересстрочной развертки чаще всего используют размер элемента матрицы по вертикали, равный двум строкам (l = 2) или кратный двум. Это позволяет дублировать знак в каждом поле. Обычно на краях телевизионного растра наблюдаются наибольшие нелинейные искажения, а, кроме того, нестабильность амплитуды сигналов развертки может вывести края растра за пределы экрана. В связи с этим краевые зоны растра не включают в информационное поле, и размеры информационного поля определяют как

,    ,

где Н_Р, В_Р и Н, В –  высота и ширина растра и ИП; β_В и β_Г – коэффициенты использования телевизионного растра по вертикали и по горизонтали, имеющие обычно значение 0,9 – 0,7.

Число элементов матрицы, которое можно расположить по вертикали в ИП, ограничивается условием

.

Число текстовых строк N_TC определяется значением N_ЭB и относительными размерами матрицы по вертикали h_З’ и интервала меж­ду текстовыми строками  h_П’:

,

или                                             .

Элементы, входящие в контур синтезируемого знака, высвечиваются путем модуляции интенсивности электронного луча видеоимпульсами в момент его прохождения через расположение дан­ного элемента на ИП.

Если телевизионная строка условно дискретизирована на N_ЭC элементов, то время развертки одного элемента

.

Минимальный размер элемента матрицы по горизонтали ограничивается разрешающей способностью ЭЛТ и граничной частотой тракта видеоусилителя f_В. Для определения верхней границы частотного спектра видеосигнала рассмотрим случай формирования чередующихся темных и светлых полос шириной b_Э (рис. 4.15, а). Как видно из рис. 4.15, б, первая гармоника видеосигнала U_BC при этом имеет период T_ВС = 2·T_Э. Следовательно, верхняя граница полосы пропускания видеоусилителя f_ВС должна отвечать условию

.

При заданной полосе пропускания видеоусилителя можно определить возможное число элементов отображения, формируемых в телевизионной строке:

.

С учетом формата телевизионного экрана k_Ф  условие обеспечения квадратной формы элемента матрицы может выполняться, если между числом элементов по вертикали и по горизонтали соблюдается соотношение

.

Иногда в буквенно-цифровых дисплеях нарушают условие квадратной формы элемента матрицы (h_Э = b_Э^’), соответственно изменяя относительный формат матрицы знака (b'_З :h'_З).

При выполнении условия верхняя граница полосы про­пускания видеоусилителя определится так:

.

Число знаков  в текстовой  строке N_ЗТС  определяется  числом элементов в строке  N_ЭC, относительными размерами матрицы по горизонтали  b₃' = b₃ / b_Э  и  межзнакового  пробела b_П' = b_П / b_Э:  

.

Общее число знаков, формируемых в кадре

.

Увеличение числа отображаемых знаков в кадре требует увеличения полосы пропускания видеоусилителя и повышения разрешающей способности электронно-лучевой трубки.

4.8 Функциональная схема буквенно-цифровых средств отображения информации телевизионного типа

Рис. 4.16. Функциональная схема телевизионного буквенно-цифрового СОИ

Функциональная схема буквенно-цифровых СОИ телевизионного типа дана на рис. 4.16. Информационный массив в объеме одного или нескольких кадров заносится через устройство интер­фейса (УИ) в буферное запоминающее устройство (БЗУ). Если в СОИ используется ЭЛТ без запоминания, то для воспроизведения изображения необходим режим регенерации. Наличие БЗУ позволяет организовать его без участия ИИ.

Информационная емкость БЗУ С_БЗУ = Nзу · п, где N_ЗУ – количество ячеек памяти; п  – разрядность ячейки памяти.

Для хранения информации объемом в одну страницу (кадр) N_БЗУ должно быть больше или равно N_ЗК (количество знаков в кадре), т. е.

С_БЗУ = N_ЗК · n.

Разрядность ячейки памяти п определяется числом разрядов, необходимых для кодирования знака и его признаков (цвета, раз­мера, мерцания, ориентации и т. д.). Следовательно, п ≥ п_а, где п_а – разрядность кода алфавита.

Минимальное количество адресных разрядов (k), необходимых для выбора N_3K ячеек памяти,

k= [log₂N_3K],

где [] – признак того, что результат вычислений в скобках округляется до ближайшего большего целого числа.

Наиболее просто последовательность выборки кодов знаков из БЗУ осуществляется при раздельной адресации по номеру зна­коместа в текстовой строке (r младших адресных разрядов) и но­меру текстовой строки (k – r  старших адресных разрядов). В этом случае

r= [log₂N_3ТС],

(k – r)= [log₂N_ТС],

k= [log₂N_3ТС]+ [log₂N_ТС].

При этом требуемое число ячеек памяти БЗУ следует опреде­лять как

N_ЗУ  ≥ 2^rN_ТС.

Преобразователь кода информационной модели ПКИМ (знакогенератор) должен осуществлять преобразование кода знаков, хранящихся в БЗУ, в последовательный код, формирующий в процессе телевизионной развертки последовательность видеоимпульсов для подсвета ЭО, входящих в контуры отображаемых знаков. Наиболее распространенными являются знакогенераторы, выполненные на базе матрицы-накопителя ПЗУ, в которой хранится информация о начертании всех знаков алфавита. Разрядность ячейки памяти должна быть не менее размерности используемой матрицы знака по горизонтали b₃'. Для каждого зна­ка в ПЗУ выделяется h₃' таких ячеек памяти. Следовательно, при основании кода алфавита N₃ требуемое число b₃'-разрядных ячеек памяти ПЗУ Nпзу определяют из условия

N_ПЗУ > N_З h_З’,

информационная емкость ПЗУ

С_ПЗУ > N_ПЗУ b₃'.

В ПЗУ знакогенератора используется двухкоординатный принцип адресации. В качестве первой координаты используется код знака. В качестве второй адресной координаты используется код номера ряда матрицы, поступающий на вход дешифратора DCY с выхода счетчика рядов матрицы СчZ. Выбор требуемого знака заключается в выборе соответствующей группы ячеек памяти, где записана информация о его графике. На рис. 4.14 n-разрядный код знака с БЗУ подается на вход дешифратора DCX, с помощью ко­торого выбирают группу из b₃' вертикальных шин ПЗУ.

Таким образом, с выхода ПЗУ в каждый момент времени снимается b₃'-разрядный код, оп­ределяющий точки, которые необходимо высветить в дан­ном ряду матрицы (так при выборе буквы А в соответст­вии с начертанием знака, пока­занным на рисунке, для перво­го ряда матрицы будет снята кодовая комбинация 00011). Полученный b₃'-разрядный код преобразуется в последова­тельность видеоимпульсов, сни­маемых с выхода параллель­но-последовательного регистра на вход видеоусилителя с ча­стотой тактового генератора, которую выбирают из условия

.

Соответственно длительность видеоимпульса, определяющая размер элемента матрицы по горизонтали, .

После установки адреса на входах БЗУ (A1 – Ak) информация (Q1 – Qn) на его выходе установится через время выборки БЗУ (t_ВБЗУ). Код (Q1 – Qn) является входным для ПЗУ знакогенератора, на выходе которого установится информация через время выборки ПЗУ (t _ВПЗУ). После установления информации на выходе ПЗУ ее можно переписать параллельно в регистр Рг по входам (D1 – Db₃) и приступить к адресации следующего знака. Одновременно производят последовательный вывод информации, записанной в регистр.

За время считывания ряда матрицы одного знака (b₃' тактов) и формирования пробела (b_П' тактов) на выходе ПЗУ должен установиться код следующего знака. Следовательно, необходимо обеспечить выполнение условия

(t_ВБЗУ +t _ВПЗУ) ≤ (b_З' + b_П')/f_TГ = .

Адресация номера знакоместа в текстовой строке на рис. 4.16 осуществляется с помощью счетчика знакомест Сч_зн, содержимое которого изменяется на единицу после формирования b₃' элементов знака и промежутка между знаками b_П' на одной телевизионной строке. Счетчик знакомест управляется импульсами с выхода устройства синхронизации, следующими с частотой

f_ЗН = f_ТГ /(b _З'+b_П').

Емкость счетчика СчZ должна быть равна числу знаков в текстовой строке N_3ТС. После формирования всех элементов знаков, расположенных на одной телевизионной строке, осуществляется формирование элементов следующей ТВ-строки. Номер ряда матрицы задается счетчиком СчZ, управляемым частотой строчной развертки f_Z.

Емкость счетчика СчZ выбирают равной (h_З'+h_П'). После опроса h_З' строк формируется полная текстовая строка. Далее в течение h_П' строк устройство синхронизации запрещает съем информации с ПЗУ. Импульсом переполнения счетчика СчZ изменяется на еди­ницу содержимое счетчика текстовых строк Сч_тс, который управляет старшими (k – r) разрядами БЗУ. После формирования всех N_TC текстовых строк процесс формирования повторяется с частотой кадров fк (или полей f_П).

Формирование телевизионного растра осуществляется с помощью блока развертки (БР), осуществляющего развертку по строкам, синхронизируемую частотой f_Z, и развертку по кадрам (полям), синхронизируемую частотой f_K (f_П). Для прогрессивной развертки частота f_K формируется путем деления частоты строчной развертки на Z. Так как при чересстрочной развертке в каждом поле содержится дробное число Z/2 строк, то для получения целочисленного значения коэффициента деления делителя частоты на вход делителя с коэффициентом, равным числу строк в двух полях, подают удвоенную частоту строк 2f_Z. В том случае, если требуется микширование знаковой информации с изображением, получаемым по телевизионному каналу, в качестве опорных сигналов используются синхроимпульсы строчной и кадровой разверток, а тактовую частоту f_ТГ получают умножением частоты fz на n1 x n2 или принудительной подстройкой частоты f_ТГ  в соответствии с системой регулирования.