第2章 阴极射线管(CRT)显示技术 2.1 CRT显示器的基本结构与工作原理 2.2 CRT显示器的驱动与控制2.3 CRT显示器的特点、性能指标及发展历史 习题二 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 要由五部分组成：电子枪(Electron Gun)、偏转线圈 (Defiection coils)、荫罩(Shadow mask)、荧光粉层 (Phosphor)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CRT 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CRT 。 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。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：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2.1.1 黑白CRT显示器的基本结构与工作原理黑白CRT即单色(Monochrome Monitor) CRT，只有单一的电子枪，仅能产生黑白两种颜色。它的主要用途是在电视机中显示图像，以及在工业控制设备中用作监视器。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。 荧光屏圆锥形玻壳偏转磁轭图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 。CRT的组成阴极：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阴极射线管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1500020000V)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2.1.2 彩色CRT显示器的基本结构与工作原理 彩色CRT利用三基色图像叠加原理实现彩色图 像的显示。荫罩式彩色 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。荫罩式彩色CRT的 基本结构如图2.2所示。图2.2 彩色CRT的结构示意图 彩色CRT是通过红(R)、绿(G)、蓝(B)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 (R)、绿(G)、蓝(B)的三种荧光体组成，同时电子枪中 设有3个阴极，分别发射电子束，轰击对应的荧光体。为了防止每个电子束轰击另外两个颜色的荧光体，在荧 光面内侧设有选色电极荫罩。 在荫罩型彩色CRT中，玻壳荧光屏的内面形成点 状红、绿、蓝三色荧光体，荧光面与单色CRT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。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。 图2.3 彩色CRT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： (2-1)(2-2)式中： 为荫罩与荧光屏的距离； 为孔距放大率；为从电子枪到荧光面的距离； 为电子枪的束间距； 为电子束排列方向的荫罩孔距； 为电子束排列方向的荧 光屏上同一色荧光体的点间距。整体工作过程：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，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。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 荧光屏的指定位置，去轰击各自的荧光粉单元。一般 荫罩式CRT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出强弱不同的红、绿、蓝三种光。根据空间混色法(将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)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。 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。偏转系统能依据输入的有电子束位置信息的信 号使电子束在向荧光屏行进途中轨迹发生偏转，以控制电子束 到达荧光屏上的位置。偏转系统可以用静电式偏转或磁偏转， 电子枪与偏转系统合称显示器件的电子光学系统。 一般分为双电位电子枪（Bi-potential Focus, BPF）和单电位 电子枪（Uni-Potential Focus, 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。 1、电子枪2.1.3 CRT显示器的主要单元双电位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 0.60.8mm。G2灯 丝阴 极控 制 极聚 焦 极加 速 极阳 极G3 双电位电子枪（Bi-potential Focus, BPF）0V -60-20V 400V 0300V 9000VG4G1当阴极被阴极里面的灯丝加热到约800时，电子获得逸出 功，大量电子从阴极表面发出，并对准栅极的小圆孔飞行出去 。电子飞出的多少，由栅极与阴极之间所加的电压的大小决定 ，因此，将视频信号电压加在阴极或栅极上可以调制电子束强 度。电子束经过加速极的加速，聚焦极的聚焦，偏转磁场的偏 转扫描到屏幕前面的荧光涂层上，产生复合发光，最终形成满 足人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（10003000oC）使其发射出电子。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。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。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。（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。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。 聚焦系统分为：静电聚焦和电磁聚焦。加速极A1呈圆盘状，电压一般在450600V之间。聚焦极装在加速极后面，电压在58KV，改变这个电压， 可以改变电子束聚焦的质量。阳极施加22K34KV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A2A3单电位电子枪与双电位电子枪相比，相当于在双电位电子 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。 单电位电子枪（Uni-potential 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。单电位电子枪只要在设 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。2. 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。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。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1/10所经历的时间。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。3. 偏转系统如果不加偏转电压，经过加速、聚焦的具有很高动能的电子束轰击荧光面时，仅能在荧光屏中心位置产生亮 度很高的光点，难以成像；为了显示一幅图像，必须让电 子束在水平方向和垂直方向上同时偏转，使整个荧光屏上 的任何一点都能发光而形成光栅，这就是偏转系统的作用 。由于磁偏转像差小，在高阳极电压下适用于大角度偏转 ，所以显像管通常采用磁偏转。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。行偏转 线圈通有由行扫描电路提供的锯齿波电流，产生在垂直方 向上线性变化的磁场，使电子束作水平方向扫描。场偏转 线圈通有由场扫描电路提供的锯齿波电流，产生一个水 平方向线性变化的磁场，使电子束作垂直方向扫描。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。我国采用的PAL制式规定，每帧625行，每秒25帧 。隔行扫描，每帧两场，每秒50场；每行水平扫描正程为 52s，逆程为12s，场正程时间18.4ms，逆程时间 1.6ms，垂直