Телевизор с матричным экраном

Проблемой создания плоских телевизионных экранов специалисты всего мира занимаются на протяжении последних полутора десятков лет. Поиск ученых привел к разработке матричных экранов, основанных на самых различных физических явлениях и рассмотренных в статье «Приходит ли конец кинескопам?».

Переход в будущем к телевизорам с такими экранами, кроме выигрыша в габаритах, массе и других технических параметрах, позволит повысить и качество изображения, так как матричные экраны не требуют традиционных отклоняющих систем, то исчезнут такие геометрические искажения изображения, как «подушка», «трапеция», четкость изображения во всех частях экрана будет одинакова, не будет искажений из-за неведения, как это имеет место в масочных цветных кинескопах.

Наиболее перспективными для применения в телевидении специалисты считают электролюминесцентные и газоразрядные матричные экраны (индикаторы), поскольку экраны других типов имеют недостатки, затрудняющие их применение в телевизорах. Так, светодиодные экраны дороги, а жидкокристаллические имеют малое быстродействие. К тому же, для последних требуется внешний источник света. В принципе, возможно создание телевизионных воспроизводящих устройств на жидкостнопаровых и электрофоретических индикаторах, но сведений о практической реализации таких устройств пока нет.

Матричные индикаторы можно разделить на две группы: экраны без «памяти» (элементы горят только во время приложения к ним управляющего напряжения) и экраны с «памятью» (состояние элемента сохраняется после снятия управляющего напряжения).

Каким же образом получается изображение на матричном экране в указанных режимах? Рассмотрим сначала работу экрана без «памяти».

В кинескопах электронный луч, перемещаясь по горизонтали, поочередно заставляет светиться точки экрана, которые (если не учитывать послесвечения люминофора) излучают свет лишь во время воздействия на них этого луча, то есть сотые доли микросекунды во время каждого кадра. Но так как частота смены кадров составляет 25 Гц, а частота полей — 50 Гц, то человеческий глаз не замечает мельканий. Причем изображение получается достаточно яркое, поскольку импульсная яркость каждого элемента весьма велика.

Подобным способом можно получать изображение и на матричном экране, но его практически не будет видно, так как элементы матричных индикаторов пока имеют относительно невысокую импульсную яркость. Поэтому для увеличения яркости изображения в матричных телевизорах используют не «точечный», а «построчный» способ отображения, при котором одновременно светятся все элементы каждой строки, а время свечения равно длительности строки (64 мкс). Таким образом, время свечения элемента увеличивается примерно в 800 раз (столько элементов в строке) и во столько же раз увеличивается яркость всего экрана.

На рисунке изображена примерная структурная схема черно-белого телевизора с матричным экраном, в котором от современного телевизора остались лишь высокочастотный блок, блок разделения сигналов и канал звукового сопровождения.

Строчная развертка в телевизоре осуществляется коммутатором строк (вместо генератора пилообразного напряжения в обычном телевизоре), который последовательно переключает строки на каждый строчный синхроимпульс. Коммутатор — это в общем обычное устройство цифровой техники и может быть выполнен на микросхемах.

Однако при отображении полного кадра коммутатор требует некоторого усложнения. Во-первых, 25 строк каждого поля не несут видеоинформации, а используются для служебных целей. То есть коммутатор должен «пропустить» эти строки. Во-вторых, переключение строк должно происходить не подряд, а через одну (во время одного поля должны светиться нечетные строки, а во время другого — четные).

С коммутатора низковольтный сигнал поступает на выходные каскады, которые подают на строки матричного экрана более высокое напряжение. Например, для работы электролюминесцентных или газоразрядных экранов требуется напряжение около 400 В.'

Видеосигнал в телевизоре с матричным экраном претерпевает ряд преобразований. В сигнале информация о каждой точке изображения передается последовательно, а каждая строка на экране должна светиться сразу вся. Поэтому сигнал сначала поступает в преобразователь видеосигнала, которым может служить, например, многозвенная линия задержки с усилителями между звеньями для предотвращения ослабления сигнала. Когда сигнал одной строки полностью поступил в линию задержки, с коммутатора поступает импульс, при котором мгновенные значения видеосигнала из каждого звена линии переписываются в блок запоминания строки, где и сохраняются на длительность строки (64 мкс). Из этого блока сигналы сразу же поступают в преобразователь информации о яркости, где закодированная в амплитуде видеосигнала информация преобразуется в необходимый для данного экрана вид, а затем через выходные каскады поступает на матричный индикатор.

Пока блок запоминания строки сохраняет записанные значения сигнала и заставляет тем самым элементы строки экрана светиться, в преобразователь видеосигнала поступает информация о следующей строке. При следующем импульсе, поступившем с коммутатора в блок запоминания строки, переписывается информация о новой строке, и далее все повторяется.

В кинескопах яркость свечения экрана зависит от числа и скорости электронов, бомбардирующих люминофор. Изменение яркости получают, подавая изменяющийся по амплитуде видеосигнал на модулятор или катод кинескопа. В экспериментальных телевизорах с матричным экраном сейчас используются два способа получения изменений яркости: амплитудный и временной.

Первый способ основан на изменении амплитуды напряжения, подаваемого на столбцы экрана (для газоразрядных панелей постоянного тока — на модуляции тока через элемент). Как правило, элементы экрана имеют нелинейную зависимость яркости от амплитуды, что требует для уменьшения искажений контрастности применения коррекции в телевизоре, поскольку применяемые сейчас на телецентре устройства коррекции рассчитаны на компенсацию искажений за счет нелинейной модуляционной характеристики кинескопов, а не матричных индикаторов.

Второй способ заключается в том, что элементы строки, имеющие одинаковую яркость, светятся различное время. То есть для получения самой яркой точки строки нужно, чтобы элемент светился во время всей строки, а наполовину менее яркой — время, равное половине длительности строки (32 мкс), и т. д. При таком способе для электролюминесцентных и газоразрядных индикаторов переменного тока необходимое для их работы переменное напряжение (с частотой сотни герц — десятки килогерц соответственно) получают в генераторе опорного напряжения (показанном на рисунке штрихпунктирной линией). Причем выходные каскады должны представлять собой высоковольтные ключевые устройства, пропускающие на нужное время это напряжение на элементы экрана.

Однако и применение построчного способа подачи сигнала не позволяет получать достаточную яркость свечения экрана. Она на порядок и более ниже яркости свечения кинескопа, поэтому для повышения ее необходимо заставить элементы светиться еще большее время. Это возможно, если применять экран с «памятью». В нем под действием некоторого опорного напряжения ранее включенные элементы светятся бесконечно долго, причем самопроизвольного зажигания их не наблюдается. Зажигание и гашение элементов происходит при подаче управляющих сигналов, которые накладываются на опорное напряжение.

Такой внутренней «памятью» обладают пока только газоразрядные индикаторные панели (ГИП) переменного тока. Однако если в ГИП постоянного тока включить резисторы последовательно с каждым элементом, то она тоже будет обладать памятью, но, учитывая число элементов в панели, можно представить себе сколько нужно для этого резисторов, на сколько увеличатся ее размеры и потребляемая мощность. Поэтому ограничимся рассмотрением только ГИП переменного тока.

В настоящее время в телевизорах, в которых применены экраны с «памятью» и одинаковой яркостью свечения элементов, используют временной способ модуляции либо усложняют конструкцию индикаторов. При временном способе, как указывалось выше, все элементы имеют одинаковую яркость, но светятся разное время. Для получения четко различимых градаций яркости время свечения должно изменяться в широких пределах, соизмеримых с длительностью телевизионного кадра (40 мс). Например, для получения наибольшей яркости элемент должен светиться в течение всего кадра, а вдвое меньшей яркости — половину кадра (20 мс). Такое требование вынуждает иметь внешнее устройство памяти, которое запоминает практически сигнал всего кадра, то есть информацию огромного объема. Это не останавливает разработчиков, и имеются сообщения о создании упрощенных макетов подобных телевизоров. Получить градации яркости можно за счет усложнения конструкции экрана. Единичный элемент изображения составляют из нескольких отдельных ячеек. В зависимости от числа светящихся ячеек будет различна и яркость элемента изображения. Например, элемент , из четырех одинаковых ячеек будет иметь четыре градации (не считая нулевой), а элемент из ячеек, обладающих яркостью в пропорции 1:2:4:8, — уже 16 градаций. Если светящиеся ячейки одного элемента изображения располагать рядом, в одной плоскости, то ухудшается разрешающая способность экрана, поэтому чаще их размещают друг за другом на одной оси.

В литературе описан экран, представляющий собой пакет толщиной 2,5 мм из шести газоразрядных индикаторов, разделенных полупоглощающими свет пленками, который позволяет получать 64 градации яркости. Интересен и предложенный способ управления — ячейки каждого индикатора пакета управляются двоичным счетчиком, причем ближний к наблюдателю индикатор работает от триггера старшего разряда счетчика, наиболее удаленный — младшего разряда. Перед началом записи изображения счетчик устанавливается в нулевое состояние. В зависимости от длительности сигнала, разрешающего счет (а она зависит от амплитуды видеосигнала, то есть от яркости передаваемого изображения), в счетчик пройдет соответствующее число тактовых импульсов и он примет некоторое состояние. Поэтому будут светиться ячейки соответствующих индикаторов, создавая необходимую яркость свечения элемента изображения. Например, при состоянии счетчика 010110 будут светиться ячейки во 2, 4 и 5-м индикаторах экрана, считая от наблюдателя.

Для обеспечения равномерной яркости по всему экрану продолжительность свечения элементов каждой строки должна быть одинакова, поэтому их нужно гасить через равные промежутки времени, например, перед записью каждой строки, а не в конце кадра. Следовательно, коммутатор строк должен еще вырабатывать сигналы для гашения строк.

Все указанные требования, конечно, приводят к усложнению телевизора, то есть каждый элемент экрана потребует применения значительно большего числа радиокомпонентов, чем в настоящее время. Однако эти радиокомпоненты -в основном однотипны, их легко можно выполнить, используя методы микроэлектроники, поэтому при серийном выпуске они будут достаточно дешевы. Так что цена телевизора с матричным экраном не должна существенно отличаться от сегодняшних цен на телевизоры.

Сейчас трудно утверждать, что именно так, как рассказано, будут работать будущие плоские телеэкраны. Нельзя сказать, как скоро телевизоры с такими экранами поступят в продажу. Поиск ученых продолжается.