CRT显示器的点距、视频带宽和工作原理

1.CRT显示器主要技术参数

（1）点距：点距是指屏幕上两个相邻的同色荧光点之间的距离。点距越小，显示的画面就越清晰、自然和细腻。用显示区域的宽和高分别除以点距，即得到显示器在水平和垂直方向上的分辨率。如果设置的显示分辨率超过显示器的实际分辨率，则图像就会模糊。目前常见的CRT显示器点距有0.28mm、0.27mm、0.26mm、0.25mm等。

（2）行频和场频：行频（又称水平扫描频率）是电子枪每秒在屏幕上扫描过的水平线条数，以kHz为单位。场频（又称垂直扫描频率）是每秒钟屏幕重复绘制显示画面的次数，以Hz为单位。由于显示器需要和显卡（视频适配器）匹配，所以现在所有的显示器都是变频的（也称多扫描或多频）。频率的范围越大则显示器价格越高，其用途也越广。场频决定了图像的稳定性，频率越高越好，典型的场频为50～160Hz，但是它还与分辨率密切相关，如当分辨率为640×480时，某显示器的场频可达到100Hz，但当分辨率为1024×768时，场频将降至60Hz。行频通常为31.5～90kHz或更高。

（3）最高分辨率：最高分辨率是定义显示器面曲解析度的标准，由每帧画面的像素数决定，以水平显示的像素个数×水平扫描线数表示，例如800×600，表示一幅画面水平方向和垂直方向的像素点数分别是800和600。最高分辨率受点距和视频带宽的制约。

（4）刷新率：刷新率指的是显示器每秒钟重画屏幕的次数，刷新率越高，意味着屏幕的闪烁越小，对人眼睛产生的刺激越小。行频、场频、最高分辨率和刷新率这4个参数是密切相关的。一般来说，行频、场频的范围越宽，能达到的最高分辨率也越高，相同分辨率下能达到的最高刷新率也越高。VESA（视频电子标准协会）规定85Hz为无闪烁的刷新率。

（5）视频带宽：视频带宽是表示显示器显示能力的一个综合性指标，以MHz为单位。它指每秒钟扫描的像素个数，即单位时间内每条扫描线上显示的点数的总和。带宽越大表明显示器显示控制能力越强，显示效果越佳。现在主流的CRT显示器的视频带宽都能达到110MHz以上。

视频带宽＞水平分辨率×垂直分辨率×刷新率

（6）屏幕尺寸：指屏幕对角线长度，一般有14、15、17、19、20、21in或更大。

2.CRT显示器的工作原理

（1）CRT显示器的扫描方式。CRT显示器的主要部分就是阴极射线管。阴极射线管由阴极、栅极、加速极和聚焦极以及荧光屏组成。阴极用来发射电子，所以，阴极也叫电子枪。阴极发射的电子在栅极、加速极、高压极和聚焦极产生的电磁场的作用下，形成具有一定能量的电子束，射到荧光屏上使荧光粉发光产生亮点，从而达到显示的目的。

为了在整个屏幕上显示出字符或图形，必须采用光栅扫描方式。CRT显示器中有水平和垂直偏转线圈，在偏转线圈中分别加入不同频率线性变化的锯齿波扫描电流，如图8-6所示，水平扫描电流引起的磁场变化控制电子束在屏幕上从左到右作水平方向移动，到右端之后，又立刻回到左端，移动的轨迹形成水平扫描线（行扫描）；垂直扫描电流引起的磁场变化控制电子束在屏幕上从上到下作垂直方向移动，到底部之后，又立刻回到上面，移动的轨迹形成垂直扫描线（场扫描）。由于电子束从左到右、从上到下有规律地做周期运动，在屏幕上会留下一条条扫描线，这些扫描线形成了光栅，这就是光栅扫描。如果电子枪根据显示的内容产生电子束，就可以在荧光屏上显示出相应的图形或字符。

图8-6　锯齿波扫描电流

光栅扫描方法一般有两种，一种是逐行扫描，另一种是隔行扫描。隔行扫描时，要两次才能扫完一帧。一次对所有奇数行进行扫描；一次对所有偶数行进行扫描。

对于黑白显示器来说，内部仅仅有一个电子束；对于彩色显示器来说，内部有红（R）、绿（G）、蓝（B）3个电子枪发射3个电子束。电子束的通、断、强弱由显卡送来的视频信号控制，由显卡送来的红、绿、蓝三基色视频信号分别被送到3套视频放大电路，并用加亮（I）信号调整放大电路的驱动能力。放大电路的输出被送到相应的电子枪。这样，用I、R、G、B的不同视频信号分别控制的3个电子束打击荧光屏的某一点（像素），该点的荧光粉就发出红、绿、蓝三基色合成的颜色，如图8-7所示。

图8-7　彩色显示器结构

（2）显示器的显示模式。显示模式从功能上分为两大类：字符模式和图形模式。

字符模式也称为字母数字模式，即A/N模式（Alpha Number Mode）。在这种模式下，显示缓冲区中存放着显示字符的代码（ASCII码）和属性。显示屏幕被划分为若干字符显示行和列，如25行×80列。字符模式的CRT显示器不是点控制（这是与图形模式的根本区别），而是一个由8位代码（ASCII码）控制的一块，比如像8×8、8×14等大小的显示区域。因此显示缓冲区较小，显示更新的速度非常快，但缺点是无法显示图形。目前流行的所有显示器都包含有字符模式。

图形模式也称APA模式（All Points Addressable Mode），即对所有点均可寻址。我们常常把它称为位图化的显示器，因为屏幕上的每个像素都对应显示缓冲区中的一位或多位。

（3）显示缓冲区。CRT显示器的荧光屏上涂的是中短余晖荧光材料，保存的扫描信号（被电子束点亮）时间较短，这样就需要电子束不断地点亮和熄灭荧光点，即要不断地刷新屏幕才能“保存”住信息，即使是静止图像。

为了不断提供刷新画面的信号，必须把字符或图形信息存储在一个显示缓冲区中，这个缓冲区称为视频存储器（VRAM）。显示器一方面对屏幕进行光栅扫描，一方面同步地从VRAM中读取显示内容，送到显示器件。因此，对VRAM的操作是显示器工作的软、硬件界面所在。(www.xing528.com)

VRAM的容量由分辨率和灰度级决定，分辨率越高，灰度级越高，VRAM的容量就越大。同时，VRAM的存取周期必须满足刷新率的要求。分辨率由每帧画面的像素数决定，而像素具有明暗和色彩属性。黑白图像的明暗程度称为灰度，明暗变化的数量称为灰度级，所以在单色显示器中，仅有灰度级指标。彩色图像是由多种颜色构成的，不同的深浅也可算作不同的颜色，所以在彩色显示器中能显示的颜色种类称为颜色数。如果颜色数过少，不足以逼真地显示图像，则称为伪彩色显示。如果颜色数量多，显示逼真，则称为真彩色显示。真彩色一般要求调色板能达到显示224=16M种颜色的能力。

在字符显示方式中，将一屏中可显示的最多字符数称为分辨率，例如80列×25行，表示每屏最多可显示25行，每行可有80个字符。字符方式的VRAM通常分成两部分：字符代码缓存和显示属性缓存。字符代码缓存中存放着显示字符的ASCII码，每个字符占1B；显示属性缓存中存放着字符的显示属性，一般也占1B。VRAM的最小容量是由屏幕上字符显示的行、列规格来确定的，例如，一帧字符的显示规格为80×25，那么VRAM中的字符代码缓存的最小容量就是2KB（80×25×1），缓存的容量也可以大于一帧字符数，用来同时存放几帧字符的代码。在这种情况下，通过控制缓存的指针就可以在屏幕上显示不同帧中的字符内容，实现屏幕的硬件滚动，这也是实现动画显示的一种方式。

在图形显示方式中，将一屏中可显示的像素点数称为分辨率，图形方式的显示信息以二进制的形式存储在VRAM中，这些信息是图形元素的矩阵数组。在最简单的情况下，共需要存储两值图形，即用“0”表示黑色（暗点），用“1”表示白色（亮点）。用VRAM的1位表示1个点，所以VRAM的1个字节可以存放8个点。在彩色显示或单色多灰度显示时，每个点需要若干位来表示。例如，若用2位二进制代码表示1个点，那么每个点便能选择显示4种颜色，但是此时VRAM的1个字节只能存放4个点，如果显示器的分辨率不变，VRAM的容量就要增加一倍。反之，若VRAM容量一定，随着分辨率的增高，显示的颜色数将减少。

（4）字符显示原理。字符显示器显示字符的方法也是以点阵为基础的。通常将显示屏幕划分成许多方块，每个方块称为一个字符窗口，它包括字符显示点阵和字符间隔。一般的字符显示器可显示80列×25行=2000个字符，字符窗口数目为80×25，如图8-8所示。在单色字符显示方式下，每个字符窗口为9×14点阵，对应的分辨率为80列×25行（720×350点阵），其中字符本身点阵为7×9，同一字符行中字符横向间隔2个点，不同字符行间的间隔为5个点。

图8-8　屏幕上字符位置的分配

屏幕上每个字符窗口对应了VRAM中的一个字节单元，在实际的VRAM中，还需存入字符的显示属性，如字符的颜色、背景等，所以VRAM的容量还要增加一倍。VRAM中存放的是字符的ASCII码，不是点阵信息。若要显示此字符的形状，还要有字符发生器（字符库）的支持。

显示器的字符库是用来存放各种字符的点阵字形数据的只读存储器。显示时，从ROM中读出有关的点阵信息送给CRT作为辉亮控制信号，以控制电子束的强弱，从而在屏幕上组成字符。字符库的高位地址来自VRAM的ASCII码，低位地址来自行计数器的输出RA3～RA0（行扫描线序号）。图8-9给出了字符“A”的点阵字形、这是一个7×9的点阵，用二进制码中的“1”对应屏幕上的亮点，“0”对应暗点。字符“A”可用9个字节的行点阵码表示，从第1行到第9行分别为10 H、28H、44 H、82H、82H、FEH、82H、82H、00H。从字符库中读出行点阵码，就能显示该字符。

图8-9　“A”的点阵字形

在屏幕上，每个字符行一般要显示多个字符，而电子束在进行光栅扫描时，是沿屏幕从左向右的方向扫描完一行，再扫描第二行。按照这种扫描方式，在显示字符时，并不是对一行的每个字符逐个进行点阵扫描，而是采用对一排的所有字符的点阵进行逐行依次扫描。例如，某字符行欲显示字符是A、B、C、…、T，显示电路首先根据各字符代码依次从字符发生器中取出A、B、C、…、T各个字符的第一行点阵代码，并在字符行第一条扫描线位置上显示这些字符的第一行点阵，然后再依次取出该排各个字符的第二行代码，并在屏幕上显示出它们的第二行点阵。如此循环，直到扫描完该字符行的全部扫描线，那么每个字符的所有点阵（例如9行点阵）便全部显示在相应的位置上，屏幕上就出现了一排完整的字符。当显示下一排字符时，重复上述的扫描过程。

（5）图形显示器的工作原理。下面以分辨率为640×480，同时显示16种颜色的彩色图形显示器为例，介绍图形显示的基本原理。

VRAM中存放着显示的图形点阵数据，对于单色显示，VRAM中的每一位对应屏幕上的一个像素点，该位为“1”表示画面上的这一点是亮点。但对彩色显示，如16种颜色，就需要VRAM中的4位来定义一种颜色。在彩色图形显示器中经常采用彩色位平面的存储结构来表示颜色信息，每个彩色位平面由单一位组成，并表示屏幕上某个可以显示的颜色。例如：分辨率为640×480，每个位平面含有640×480位，即有307 200位的信息。由于要同时显示16种不同颜色，它就具有4个彩色位平面，共需要l 228 800位的VRAM，即153 600B。所以VRAM的总容量=640×480×4b=150KB。它被分为4个位平面，每个位平面提供彩色代码中的一位，每个位平面的容量为37.5KB。

从屏幕显示角度，每一行由4个位平面的80个字节来表示（640/8b=80B）。屏幕上的一个彩色像素点需要用来自4个位平面上每个位平面的相同位置的一个存储位表示。

根据上述对应关系，可设计出显示器控制逻辑中的同步计数分频关系，如图8-10所示。

图8-10　彩色CRT控制逻辑框图

图形/图像以像素为单位，但在VRAM中以字节为单位按地址存储，即将一条水平线上自左向右，每8个点的代码作为一个字节，存放在一个编址单元中。因此点脉冲经点计数器8分频之后产生字节脉冲，每发一次字节脉冲就访问一次VRAM，从4个位平面中各读出一个字节（8个点），送往移位寄存器，再串行输出形成亮度信号与红、绿、蓝三色信号，它们的组合决定了16色中的一种。若用于单色显示器，则将4位代码转换为16级亮度调制信号，用于控制像素的灰度。

列计数器又称字节计数器，98分频。计数值从0到79，光栅从左向右扫描显示80字节共640点。字节计数器所附加的18次计数，作为行线逆程回扫时间，逆程回扫应当消隐。

行计数器为488分频。计数值从0到479，对应于场正程扫描，显示480行，附加8次计数，对应于场逆程回扫，逆程回扫应消隐。

行计数值与列计数值决定了屏幕当前显示位置（8点一组），相应的VRAM地址为：行号×80+列号。按该地址同时访问4个位平面，取出4个字节的图形代码。列计数一个循环，输出一个行扫描同步信号；行计数一个循环，输出一个场扫描同步信号。这就使对VRAM的访问与CRT的扫描严格同步，能获得稳定的显示画画。