Устройства вывода информации

После введения пользователем исходных данных компьютер должен их обработать в соответствии с имеющейся программой и вывести полученные результаты для восприятия их оператором или для использования автоматическими устройствами. Выводимая информация может отображаться на экране монитора, печататься на бумаге (с помощью принтера или плоттера), воспроизводиться в виде звуков (с помощью акустических колонок или головных телефонов), регистрироваться в виде тактильных ощущений (технология виртуальной реальности), распространяться в виде управляющих сигналов (устройства автоматики), передаваться в виде электрических сигналов по сети.

Наиболее распространенными устройствами вывода информации являются мониторы (дисплеи). Подавляющее большинство мониторов для формирования изображения используют электронно-лучевые трубки (ЭЛТ) или жидкокристаллические матрицы. Причем в настоящее время происходит постепенное вытеснение мониторов с ЭЛТ мониторами, использующими жидкие кристаллы.

Существуют мониторы, основанные на других физических принципах: плазменные, люминесцентные и др.

Например, мониторы, изготовленные по технологии FED (Field Emission Display) базируются на эффекте создания эмиссии по всей поверхности экрана. В отличие от ЭЛТ источником электронов является не отдельная точка (электронная пушка), а целая излучающая поверхность. Облучение производится через маску, в которой число отверстий равно числу пикселей. За счет такой конструкции удается получить яркость изображения такую же, как у мониторов с ЭЛТ, а габариты (толщину) – как у жидкокристаллических мониторов.

Перспективной считается новая технология изготовления мониторов — OLED (Organic Light Emitting Diodes). Их конструкция основана на использовании органических светоизлучающих диодов.

Принтеры, в зависимости от порядка формирования изображения, подразделяются на последовательные, строчные и страничные. Принадлежность принтера к той или иной группе зависит от того, формирует ли он на бумаге символ за символом или сразу всю строку, а то и целую страницу.

По физическому принципу действия принтеры делятся на следующие типы: термографические, лепестковые (ромашковые), матричные (игольчатые), струйные и лазерные.

Конструкция первых двух типов принтеров морально устарела, и они практически уже не используются.

В матричных принтерах изображение формируется из точек ударами иголок по красящей ленте. Под действием управляющих сигналов, поступающих на электромагниты, иголки «выколачивают» краску из ленты, оставляя следы на бумаге. В зависимости от конструкции печатающая головка матричного принтера может иметь 9, 18 или 24 иголки. Все символы формируются из отдельных точек.

Печатающие головки струйных принтеров вместо иголок содержат тонкие трубочки — сопла, через которые на бумагу выбрасываются капельки чернил. Печатающая головка струйного принтера содержит от 12 до 64 сопел, диаметры которых тоньше человеческого волоса.

Известно несколько принципов действия струйных печатающих головок.

В одной из конструкций на входном конце каждого сопла расположен маленький резервуар с чернилами. Позади резервуара располагается нагреватель (тонкопленочный резистор). Когда резистор нагревается проходящим по нему током до температуры 500°С, окружающие его чернила закипают, образуя пузырек пара. Этот расширяющийся пузырек выталкивает из сопла капли чернил диаметром 50...85 мкм со скоростью около 700 км/ч.

В другой конструкции печатающей головки источником давления служит мембрана, приводимая в движение пьезоэлектрическим элементом. Подача электрического напряжения на пьезоэлемент вызывает его деформацию, которая используется для распыления чернил.

Во всех конструкциях принтеров электромеханические устройства перемещают печатающие головки и бумагу таким образом, чтобы печать происходила в нужном месте.

В лазерных принтерах используется электрографический принцип создания изображения. Процесс печати включает в себя формирование невидимого рельефа электростатического потенциала в слое полупроводника с последующей его визуализацией. Визуализация (проявление) осуществляется с помощью частиц сухого порошка – тонера, наносимого на бумагу. Тонер представляет собой кусочки железа, покрытые пластиком. Наиболее важными частями лазерного принтера являются полупроводниковый барабан, лазер и прецизионная оптико-механическая система, перемещающая луч (рис. 10.5).

Лазер генерирует тонкий световой луч, который, отражаясь от вращающегося зеркала, формирует электронное изображение на светочувствительном полупроводниковом барабане.

Поверхности барабана предварительно сообщается некоторый статический заряд. Для создания электростатического заряда используется сетка или тонкий провод. При подаче на провод высокого напряжения возникает коронный разряд, в результате которого вокруг провода появляется светящаяся ионизированная область пространства. За счет коронного разряда поверхность барабана равномерно заряжается. Для получения изображения на барабане лазер должен включаться и выключаться в соответствии с формируемым изображением, что обеспечивается схемой управления. Управляющие сигналы поступают из ЭВМ в соответствии с хранящимся в памяти изображением. Вращающееся зеркало служит для разворота луча лазера в строку, формируемую на поверхности барабана.

Когда луч лазера попадает на предварительно заряженный барабан, заряд «стекает» с освещенной поверхности. Таким образом, освещаемые и неосвещаемые лазером участки барабана имеют разный заряд. В результате сканирования всей поверхности полупроводникового барабана на нем создается скрытое (электронное, не видимое для человека) изображение.

Поворот барабана на новую строку осуществляет прецизионный шаговый двигатель. Это смещение определяет разрешающую способность принтера и может составлять, например, 1/300, 1/600 или 1/1200 дюйма. Процесс развертки изображения на барабане во многом напоминает построение изображения на экране монитора (создание растра).

Рис. 10.5. Процесс печати лазерного принтера

На следующем этапе работы принтера происходит проявление изображения, т. е. превращение скрытого электронного изображения в видимое. При проявлении изображения используется следующее физическое явление: заряженные частицы тонера притягиваются только к тем местам барабана, которые имеют противоположный заряд по отношению к заряду тонера.

Когда видимое изображение на барабане построено и он покрыт тонером в соответствии с оригиналом, подаваемый лист бумаги заряжается таким образом, что тонер с барабана притягивается к бумаге. Прилипший порошок закрепляется на бумаге за счет нагрева частиц тонера до температуры плавления. В результате этого формируется водоупорный отпечаток. Цветные лазерные принтеры формируют изображение, последовательно накладывая голубой, пурпурный, желтый и черный тонеры на фоточувствительный барабан.

В четырехпроходном цветном принтере скорость печати существенно меньше, чем у черно-белого принтера. В однопроходном цветном принтере четыре картриджа с тонером установлены в одной плоскости друг за другом, каждый рядом со своим бараном. Все цвета наносятся за один проход вместо четырех, поэтому скорость формирования изображения повышается.

Кроме лазерных принтеров, существуют так называемые LED-принтеры (Light Emitting Diode), которые получили свое название из-за того, что полупроводниковый лазер в них заменен «гребенкой» (линейкой) светодиодов. В этом случае не нужна сложная механическая система вращения зеркала. Изображение одной строки на полупроводниковом барабане формируется одновременно.

В табл. 10.1. приведены характеристики принтеров различной конструкции.

Таблица 10.1. Характеристики принтеров

Плоттеры (или графопостроители) – устройства вывода графической информации, которые используются при оформлении больших плакатов, чертежей, географических карт, эскизов печатных плат, диаграмм, гистограмм.

Работа плоттера основана на механических и немеханических способах вывода графической информации. При механическом способе применяются карандаши, перья с чернилами. Аналогично принтерам в немеханических графопостроителях применяются термический, матричный, струйный и лазерный способы печати.

В качестве устройств, способных выполнять функции ввода и вывода информации, могут использоваться коммуникационные адаптеры. С их помощью осуществляют связь между ЭВМ по телефонной линии. Поскольку пока еще телефонные сети работают чаще не с цифровыми, а с аналоговыми электрическими сигналами звукового диапазона, необходимо преобразовать цифровые сигналы, поступающие от ЭВМ, в аналоговые сигналы и передать их в телефонную сеть. На другом конце телефонной линии необходимо осуществить обратное преобразование. Эти преобразования выполняются специальным устройством — модемом (от слов МОдулятор — ДЕМодулятор).

Модем выполняется либо в виде внешнего устройства, которое одним выходом подсоединяется к телефонной линии, а другим — к стандартному порту компьютера, либо в виде обыкновенной платы (карты), которая устанавливается на системную шину компьютера (внутренний модем).

Вывод звуковой информации осуществляется с помощью акустических колонок и головных телефонов (рис. 10.6), которые подключаются через специальный адаптер (контроллер, звуковую плату).

Рис. 10.6. Наушники

Существует несколько способов воспроизведения звуков (в частности, музыкальных произведений). Частотный способ (FM-синтез) воспроизведения звука основан на имитации звука реальных инструментов, а табличный способ (wave-table-синтез) оперирует записанными в памяти звуками реальных инструментов.

Частотный синтез основывается на том, что для получения какого-либо звука используются математические формулы (модели), которые описывают спектр частот конкретного музыкального инструмента. Звуки, получаемые по этой технологии, характеризуются металлическим оттенком.

Волновой синтез основан на использовании цифровой записи реальных инструментов, так называемых семплов (samples). Семплы – это образцы звучания различных реальных инструментов, хранящиеся в памяти звуковой карты. При воспроизведении звуков по технологии волнового синтеза пользователь слышит звуки реальных инструментов, поэтому создаваемая звуковая картина ближе к естественному звучанию инструментов.

Семплы могут храниться двумя способами: либо постоянно в находиться ПЗУ, либо загружаться в оперативную память звуковой карты перед их использованием. Существует большой набор разнообразных семплов, что позволяет формировать практически бесконечное разнообразие звуков.

Дисплей (монитор) является наиболее популярным устройством вывода информации. Существуют монохромные (черно-белые) и цветные дисплеи. Вначале рассмотрим принцип действия черно-белых мониторов.

Рис. 10.7. Электронно-лучевая трубка

Основным узлом дисплея является электронно-лучевая трубка (ЭЛТ). Порой для обозначения ЭЛТ используют аббревиатуру CRT — Cathode Ray Tube. Одна из возможных конструкций ЭЛТ показана на рис. 10.7.

Перечислим основные детали, из которых состоит ЭЛТ: катод, анод, модулятор, горизонтальные отклоняющие пластины, вертикальные отклоняющие пластины, экран, колба.

Катод, анод и модулятор образуют электронный прожектор, который иногда называют электронной пушкой. Горизонтальные и вертикальные отклоняющие пластины образуют отклоняющую систему. Такая отклоняющая система называется электростатической. Существуют магнитные отклоняющие системы, в которых для изменения траектории движения электронного потока вместо пластин используют катушки.

В ЭЛТ используется поток электронов, сфокусированных в узкий пучок, управляемый по интенсивности и по положению в пространстве и взаимодействующий с экраном трубки. Электронный пучок испускается электронным прожектором (точнее, катодом), а изменение положения пучка на экране производится отклоняющей системой.

Перемещение электронного луча по экрану ЭЛТ в соответствии с определенным законом называется разверткой, а рисунок, прочерченный следом пучка электронов на экране, — растром. Развертка осуществляется подачей на отклоняющую систему ЭЛТ периодически изменяющихся напряжений. В ходе развертки электронный пучок последовательно обегает по строчкам поверхность экрана ЭЛТ.

В процессе формирования растра поток электронов движется по зигзагообразной траектории от левого верхнего угла экрана к нижнему правому углу. На рис. 10.8 сплошными линиями показан растр, штриховыми — траектория движения электронного луча, на которой он «гасится» (делается невидимым).

Рис. 10.8. Растр и траектория движения электронного луча

Экран покрыт люминофором, поэтому в местах падения электронного пучка появляется свечение, яркость которого пропорциональна интенсивности пучка. Интенсивность потока электронов изменяется в соответствии с сигналами, подаваемыми на управляющий электрод – модулятор. Именно эти сигналы формируют необходимое изображение на экране дисплея.

Рис. 10.9. Изображение буквы «И»

На рис. 10.9 показано в большом масштабе изображение буквы «И». В данном случае для ее изображения потребовалось восемь строк растра. На рис. 10.10. показаны временные диаграммы для управляющих сигналов, подаваемых на модулятор. Высокий потенциал соответствует белым участкам экрана, низкий – черным. С помощью отклоняющей системы модулированный пучок электронов развертывается в растр, высвечивая на экране строку за строкой, воспроизводя таким образом изображение кадр за кадром. Благодаря инерционности зрения человек видит на экране слитное, часто динамическое, изображение.

Рис. 10.10. Временные диаграммы для управляющих сигналов

Любое изображение на экране монитора состоит из множества дискретных точек, называемых пикселями (pixel — picture element).

Дисплей взаимодействует со своим адаптером, который может также называться видеокартой, видеоадаптером или контроллером. Дисплей и адаптер очень тесно связаны между собой и совместно определяют качество изображения — разрешение, количество воспроизводимых цветов, скорость регенерации (число кадров в единицу времени).

Разрешение зависит от размеров экрана и минимального элемента изображения (так называемого «зерна», равного для лучших мониторов 0,24...0,28 мм). Для 14-дюймовых мониторов разрешение обычно не более 800×600 элементарных точек (пикселей), для 15-дюймовых — 1024×768, для 21-дюймовых — 1280×1024 точек.

Способность адаптера выводить на экран монитора изображение с заданным разрешением и глубиной цвета (т. е. числом цветовых оттенков) определяется объемом установленной оперативной памяти на плате адаптера. Для отображения 16,7 млн оттенков цветов (24 бита на пиксель) нужно установить в адаптер не менее 1,37 Мбайт памяти при разрешении 800×600 элементарных точек, 3,75 Мбайт при разрешении 1280×1024 и 5,49 Мбайт при разрешении 1600×1200.

Для комфортного восприятия изображения, без утомляющего зрения мерцания, нужны достаточно высокие частоты кадровой развертки (рекомендуется не менее 85 Гц).

Принцип работы цветного монитора сходен с принципом действия монохромного монитора, однако конструкция цветного монитора существенно сложнее. Цветной дисплей содержит три электронные пушки с отдельными схемами управления. Экран выполняется в виде мозаичной структуры (прямоугольной матрицы), состоящей из зерен люминофора трех цветов свечения: красного (Red), зеленого (Green) и синего (Blue). Зерна расположены тройками (триадами) так, чтобы электроны каждой из трех пушек попадали только на зерна «своего» цвета. Для обеспечения этого на пути движения электронов устанавливают маски.

Принцип действия цветного дисплея базируется на физиологической особенности зрения человека. Так, при одинаковой интенсивности свечения трех разноцветных маленьких соседних зерен этот участок экрана воспринимается как белая точка. Свечение соседних красного и зеленого зерен воспринимается как желтая точка, а свечение синего и зеленого зерен дает голубую точку и т. д. Изменяя интенсивность свечения трех основных цветов (RGB), можно получить любой цвет или оттенок. Такой способ получения любых цветов является одной из систем цветопередачи и назван RGB-системой (по первым буквам соответствующих английских слов).

Жидкокристаллические мониторы (ЖКМ) обладают следующими достоинствами: малая потребляемая мощность (в 2–3 раза меньше, чем у ЭЛТ), отсутствие рентгеновского излучения, статической электризации, геометрических искажений. У ЖКМ малый вес и габариты: толщина монитора не превышает 5…6 см. Недостатками ЖКМ являются ограниченный угол обзора, меньшие, чем у ЭЛТ, контрастность и глубина цвета, существенная неравномерность яркости в различных местах экрана. У ЖКМ наблюдается большой процент брака при их производстве (наличие «мертвых» пикселей). В настоящее время это считается основной причиной более высокой стоимости ЖКМ по сравнению с мониторами на ЭЛТ.

В электронно-лучевых трубках люминофор размещается в определенных точках экрана, образуя матрицу. Поток электронов направляется в эти точки с помощью непрерывных (аналоговых) управляющих сигналов, поступающих на отклоняющую систему. Электронный луч последовательно строчка за строчкой «обегает» все точки (пиксели) экрана и поочередно изменяет интенсивность их свечения.

Полное изображение на экране ЭЛТ, полученное с участием всех пикселей, называется кадром. Чтобы получить иллюзию движущегося изображения, очередные кадры должны быстро сменять друг друга (не менее чем 25…30 раз в 1 с). В ЭЛТ за время движения электронного луча от начала кадра до его конца свечение первых возбужденных элементов матрицы (люминофора) успевает несколько ослабнуть. Для уменьшения мерцания экрана приходится увеличивать частоту смены (обновления) очередных кадров (говорят: увеличивать частоту кадровой развертки). Частота кадровой развертки ЭЛТ должна быть не менее 85 Гц.

Принцип действия жидкокристаллического монитора существенно отличается от принципа действия монитора с ЭЛТ. В ЖКМ используется физический эффект изменения пространственного положения молекул кристаллов под действием электрического поля. Так же, как в ЭЛТ, в ЖКМ изображение формируется из большого числа точек (пикселей), которые образуют прямоугольную матрицу. Однако в жидкокристаллической матрице управление процессом формирования изображения идет цифровым способом. В ЖКМ одновременно изменяется свечение всех элементов целой строки матрицы (экрана). Мерцание ЖКМ принципиально меньше, чем дисплеев с ЭЛТ, так как при формировании изображения обновляются только изменяющиеся пиксели. Изображение статических картинок не требует обновления, поэтому в этих случаях мерцаний экрана ЖКМ совсем нет. Матрица ЖКМ (Liquid Crystal Display, LCD) сделана из вещества, находящегося в жидком агрегатном состоянии, но обладающего свойствами кристаллов. Под действием электрического поля жидкие кристаллы изменяют свою пространственную ориентацию (поворачиваются) и этим варьируют интенсивность проходящего света.

Рис. 10.11. Многослойная конструкция монитора

Монитор представляет собой многослойную конструкцию (рис. 10.11), которая содержит поляризаторы, матрицу управляющих транзисторов, цветные фильтры, стеклянные пластины, между которыми размещены жидкие кристаллы.

Принцип действия ЖКМ (рис. 10.12) основан на эффекте поляризации. Вначале свет проходит через первый поляризационный фильтр (Поляризатор 1), который характеризуется определенным углом поляризации. В ЖКМ установлен еще один поляризатор (Поляризатор 2). В зависимости от угла поляризации второго фильтра, свет будет либо полностью им поглощаться (если угол поляризации второго фильтра перпендикулярен углу поляризации первого фильтра), либо беспрепятственно проходить (если углы совпадают). Плавное изменение угла поляризации проходящего света позволяет регулировать интенсивность видимого (проходящего) света. Угол поляризации проходящего света изменяют с помощью жидких кристаллов. Их ориентация в пространстве зависит от величины управляющего напряжения, подаваемого на матрицу транзисторов.

Рис. 10.12. Принцип действия ЖКМ

Таким образом, изменяя управляющее напряжение на каждом транзисторе матрицы, можно варьировать пространственное положение жидких кристаллов в данной точке. Изменение пространственного положения кристаллов приводит к изменению угла поляризации света в данной точке экрана (а, значит, и к изменению интенсивности свечения данной точки экрана).

Дискретная конструкция ЖКМ позволяет, в принципе, обходиться без аналого-цифрового преобразования, т. е. работать непосредственно с цифровыми сигналами. Очевидно, что такая конструкция более перспективна по сравнению с устройствами, работающими с аналоговыми сигналами. Напомним, что ЭЛТ — аналоговое устройство. Сигналы на отклоняющих пластинах и модуляторе являются непрерывными. Для управления работой ЭЛТ приходится трансформировать цифровой сигнал, сформированный ЭВМ, в аналоговый сигнал. Однако всякое цифро-аналоговое преобразование сопряжено с возникновением искажений и помех, усложнением конструкции контроллеров.