СRT-мониторы (Саthode Rау Тиbе - катодная лучевая трубка) содержат такие основные компоненты:

- электронно-лучевую трубку;
- электронную схему управления;
- кнопки управления;
- разъемы или соединительные кабели;
- корпус.

Электронная схема усиливает сигналы, которые поступают от видеокарты, руководит горизонтальной и вертикальной развертками, а также содержит контроллер меню, работа с которым выполняется с помощью кнопок управление монитора. Эти кнопки позволяют регулировать яркость и контрастность, смещать экран в горизонтальном или вертикальном направлениях, увеличивать или уменьшать размеры изображения на экране, а также выполнять другие действия.

Монитор имеет разъемы или кабель для подключения к видеокарте, которая находится в системном блоке, и кабель электропитания.

По способу передачи сигналов (интерфейсу) между видеокартой и монитором различаются цифровые и аналоговые мониторы. В цифровых мониторах цветной сигнал RGB передается в дискретном (цифровом) виде по отдельному проводнику. Аналоговые мониторы работают с видеокартами стандартов VGA, SVGA и т.д.  В этих мониторах сигнал передается через изменение величины напряжения.

Кадр в СRТ-мониторе формируется по строкам и начинается в левом верхнем углу экрана. После окончания строки пучок электронной пушки переходит на начало следующей строки (горизонтальное развертывание). После окончания заполнения кадра пучок возвращается в левый верхний угол экрана и начинает формировать следующий кадр (вертикальное развертывание).

Для совместной работы видеокарты и монитора нужно временное согласование переданных элементов изображения - синхронизация. Видеокарта формирует два сигналы синхронизации, один из которых формирует горизонтальную частоту строк (в килогерцах), а второй - вертикальную частоту повторения кадров (в герцах). Эти сигналы (H.Sync и V.Sync) поступают на плату управления  монитора по сигнальному кабелю.

Интерфейсы дисплеев

В традиционной технике цветного телевизионного вещания (PAL, SECAM, NTSC) видеосигал непосредственно несет информацию о мгновенном значении яркости, а цветовая информация передается в модулированном виде на дополнительных частотах. Таким образом обеспечивается совместимость черно-белого приемника с цветным передающим каналом. Однако для вывода графической информации с высоким разрешением ни одна из традиционных вещательных систем не подходит, поскольку они имеют ограниченную полосу пропускания цветовых каналов (нужно минимум 35 МГц).

Дискретный интерфейс

Для мониторов при высоком разрешении можно использовать только прямую передачу сигнала на входы видеоусилителей базовых цветов – RGB-вход   (Red Green Blue – красный, синий, зеленый). Интерфейс между видеоадапетором и монитором может быть как дискретным (с сигналами ТЛЛ), так и аналоговым.

Первые мониторы для РС имели дискретный интерфейс с уровнями  ТТЛ – RGB TTL. Для монохромного монитора использовали только два сигнала – видео (включить/выключить луч) и повышенной яркости, т.е. монитор мог отобразить три градации яркости (22 = 4). В цветных мониторах имелось по одному сигналу для включения каждого луча и общий сигнал повышенной яркости  (можно задать 16 цветов). Следующий класс – улучшенный цветной дисплей ECD имел дискретный интерфейс с двумя сигналами на каждый базовый цвет. Сигналы позволяли задавать одну из четырех градаций интенсивности; общее количество кодирующих цветов 26 = 64.
Строчная и кадровая синхронизация монитора осуществляется сигналами H.Sync  и V.Sync.

Аналоговый интерфейс RGB

Из-за ограниченных возможностей  цветопередачи дискретного интерфейса пришлось перейти на аналоговый интерфейс, перенеся цифро-аналоговые преобразователи сигналов базовых цветов из монитора на графический адаптер. Такой интерфейс с 8-разрядными ЦАП для каждого цвета в настоящее время позволяют выводить 16,7 млн. цветов (True Color). Этот интерфейс называется RGB Analog. В нем базовые цвета передаются аналоговыми сигналами с отдельными обратными линиями по витым парам. Черному цвету соответствует нулевой потенциал на линиях всех цветов. Полной яркости каждого цвета соответствует уровень +0,7 В. Для такого интерфейса применяется 15-контактный разъем DB-15S (см. табл.1).

Таблица 1– Аналоговый интерфейс монитора (RGB Analog)

Примечание. 1. Сигналы DDC Return, SDA, SLC требуются только при поддержке DDC. При этом контакт 9 может использоваться для питания логики монитора.
2. Сигнал   (H + V)Sync используется при совмещенной синхронизации.

Кроме передачи изображения по интерфейсу передают информацию, необходимую для автоматизации согласования параметров и режимов монитора и компьютера. «Интересы» компьютера представляет дисплейный адаптер, к которому и подключается монитор. С его помощью обеспечивается идентификация монитора, необходимая для PnP, и управление энергопотреблением монитора.
Стандартизацией в области видеосистем занимается международная организация VESA (Video Electronic Standard Association – Ассоциация по стандартизации в области видеоэлектроники). Благодаря ее усилиям обеспечивается совместимость как на уровне аппаратных средств, так и на уровне программного обеспечения. С целью реализации технологии Рlug&Р1ау для мониторов ассоциация VESA разработала спецификацию DDC (Display Data Channel), которая предусматривает обмен информацией между монитором и компьютером с использованием обычного кабеля, то есть через стандартный VGA-разъем.

Мониторы Рlug&РІау разрешают системе установить оптимальные для конкретной модели характеристики вывода изображение (частоту кадрового и строчного разверток, цветную модель и т.п.).

Для простейшей идентификации в интерфейс ввели три логических сигнала ID0 – ID2, по которым адаптер мог определить тип подключенного монитора. Со стороны монитора эти линии либо подключались к шине GND, либо оставались неподключенными.
Параллельную идентификацию заменила последовательная идентификация по каналу цифрового интерфейса VESA DDC (Display Data Channel). Этот канал построен на интерфейсе I2C (DDC2B) или ACCESS.Bus (DDC2AB), которые используют всего два ТТЛ-сигнала  SDA и  SLC.

Последовательная шина ACCESS.Bus и интерфейс I2С

Последовательная шина ACCESS.Bus (Accessory Bus), разработанная фирмой DEC, является шиной взаимодействия компьютера с монитором (канал VESA DDC). Шина имеет  два сигнальных и два питающих (12 В, 500 мА) провода. Аппаратной основой является интерфейс I2C, характеризу­емый простотой реализации, но низкой производительностью. Над аппаратным протоколом I2C для шины ACCESS.Bus имеется базовый программный прото­кол, с которым взаимодействует протокол  подключенного уст­ройства. Протокол обеспечивают подключение/отключение устройства без пере­загрузки ОС.

ИнтерфейсI2C, разработанный фирмой Philips, используется как внутренняя вспомогательная шина системной платы для общения с энергонезависимой памятью идентификации установленных ком­понентов (модулей памяти DIMM). Шина отличается предельной простотой реа­лизации — две сигнальные линии, с которыми работают программно. Способ программного доступа к шине пока не стандартизован.

Последовательный интерфейс I2C обеспечивает двунаправленную передачу данных между парой устройств, используя два сигнала: данные SDA (Serial Data) и синхронизация SCL (Serial Clock). В обмене участвуют два устройства - веду­щее (Master) и ведомое (Slave). Каждое из них может выступать в роли передат­чика, помещающего на линию SDA информационные биты, или приемника. Син­хронизацию задает ведущее устройство - контроллер. Линия данных - двунаправленная с выходом типа «открытый коллектор» - управляется обоими уст­ройствами поочередно. Частота обмена (не обязательно постоянная) ограничена сверху величиной 100 кГц для стандартного режима и 400 кГц для скоростного, что позволяет организовать программно-управляемую реализацию контроллера интерфейса.

Протокол PC позволяет нескольким контроллерам использовать одну шину, определяя коллизии и выполняя арбитраж. Эти функции реализуются достаточ­но просто: если два передатчика пытаются установить на линии SDA различные логические уровни сигналов, то «победит» тот, который установит низкий уро­вень. Передатчик следит за уровнями управляемых им сигналов и при обнару­жении несоответствия (передает высокий уровень, а «видит» — низкий) отказы­вается от дальнейшей передачи. Устройство может инициировать обмен только при пассивном состоянии сигналов. Коллизия может возникнуть лишь при одновременной попытке начала обмена — как только конфликт обнаружен, «про­игравший» передатчик отключится, а «победивший» продолжит работу.

Синхронизация и цифровое управление в мониторе

Первые мониторы работали на фиксированных частотах развертки. С появлением адаптера EGA новые видеорежимы потребовали других частот синхронизации. При этом переключение частот приводит к необходимости подстройки геометрических параметров. 
Мониторы EGA имели два существенно различающихся режима синхронизации. Режим задавался относительной полярнос­тью вертикальных синхроимпульсов V.Sync. Для каждого режима (Mode 1 и Mode 2) использовались отдельные элементы подстройки, коммутируемые в зависимости от полученного указания на режим синхронизации.

Адаптеры VGA и SVGA могут использовать различные режимы разрешения без столь существенного изменения частот, но  возникла потребность выбора частот развертки. Для распознавания режима также стали применять изменение полярности синхросигналов, но теперь уже обоих — H.Sync и V.Sync. При изме­нении параметров синхронизации (например, при переключении задач, работающих в разных графических режимах) приходится подстраивать геометрические параметры изображения, что вручную делать не очень удобно.
Решить проблему подстройки позволило цифровое управление (Digital Control, или DC). Суть цифрового управления сводится к тому, что в монитор встраивается специализированный микроконтроллер, управляющий практически всеми параметрами монитора. Потенциометры, традиционно использовавшиеся для всех регулировок, заменили кнопками управления (пара кнопок заменяет одну ручку). Поскольку микроконтроллер может хранить большое количество параметров (он для этого имеет энергонезависимую память), несложно его заставить запоминать наборы параметров, заданных для каждого используемого видеорежима. Таким образом, после первоначального «обучения» контроллер быстро устанавливает запомненные настройки для текущего видеорежима. Установленный видеорежим распознается по частотам и полярности сигналов синхронизации. Цифровое управление со множеством параметров потребовало бы большого количества кнопок. Чтобы не загромождать лицевую панель монитора и облегчить работу пользователя, тому же микроконтроллеру поручили на экране монитора организовать дисплей для аналогового режима настройки. Такой дисплей, встроенный в экран, сокращенно называется OSD (On Screen Display). Применение OSD позволяет всего тремя-четырьмя кнопками обеспечить неограниченное число регулировок. Меню дисплея появляется на экране во время настройки, перекрывая небольшую часть выводимого изображения, и автоматически исчезает по окончании настройки.

От функций OSD сделали еще один небольшой шаг — ввели в монитор режим самотестирования. В этом режиме микроконтроллер при отсутствии сигнала от компьютера сам формирует цветное графическое изображение, по которому можно произве­ди настройку и оценить качество монитора.

Управление энергопотреблением

Монитор, особенно цветной с большим экраном, является одним из основных потребителей электроэнергии. Международная организация по защите окружающей среды ERA (Environmental Protection Agency) выдвинула программу энергосбережения Energy Star, на которую VESA откликнулась соответствующим стандартом.  Для управления энергопотреблением разработана система DPMS (Display Power-Management Signaling – сигналы управления энергопотреблением дисплея). Ниже перечислены жимы энергопотребления для мониторов:
On — активная (нормальная) работа. Для 15" монитора типовое потребление - 80 Вт.                                                 
Stand-by — отключение видеосигналов и снижение яркости до минимума, при этом потребление монитора снижается примерно на 20 %. Из этого режима в нормальный (On) монитор переходит быстро (около секунды). Поддержка состояния Stand-by не является обязательной для всех мониторов. Для монитора 15" типовое потребление — 60 Вт.  
Syspend — отключение строчной развертки, накала и высокого напряжения кинескопа, что снижает потребление на 70 %. Переход в режим On занимает около 15 секунд. Для монитора 15" типовое потребление — менее 15 Вт.                                                    
Off— отключение всех схем монитора, кроме блока DPMS, потребление снижается до единиц ватт. Переключение в нормальный режим займет около 30 секунд (как включение «холодного» монитора). Если в этом режиме обесточивается и блок DPMS, то монитор можно будет включить только вручную (нажатием кнопки).  

Для переключения режимов управляют активностью сигналов синхронизции. Конечно, для работы системы энергосбережения ее должен поддерживать и монитор, и дисплейный адаптер, и BIOS. Переход в режимы с пониженным потреблением и «пробуждающие» события настраиваются в CMOS Setup параметрами управления энергопотреблением (Power Management).
В Windows есть даже целый интерфейс, называемый ACPI (Advanced Configuration and Power Interface – расширенный интерфейс конфигурирования и питания), который призван обеспечить работу всех энергосберегающих функций. При выключении компьютера видеокарта перестает посылать синхросигналы, и монитор сразу переходит в режим полного отключения. После того, как синхросигналы возобновятся или поступит сигнал к выходу из спящего режима, монитор автоматически включается.
Для управления энергопотреблением монитора в соответствии со стандартом VESA DMPS (Display Power Management Signaling) используются сигналы кадровой и строчной синхронизации H.Sync и  Vsync (см.табл2).

Таблица 2 – Управление энергопотреблением монитора 

Управление энергопотреблением происходит автоматически. После того, как на монитор поступает сигнал к переходу в ждущий режим (Stand-by), на время гаснет его экран, но все остальные его узлы работают. Через несколько минут, если работа не возобновлена, происходит переход во второй режим (Suspend), при котором потребление энергии не должно превышать 15 ватт. Если же и по прошествии следующей паузы работа не будет возобновлена, монитор отключается полностью, обычно потребляя не больше 5 ватт в час. Некоторые производители не признают разницы между режимами Stand-by и Suspend, и первый может отсутствовать.

Описание структурной  схемы управления монитора

Блок питания

В состав блока питания (БП) монитора (рис. 1) входят:
• сетевой выпрямитель и фильтр (диодный мост, конденсатор);
• контроллер IC901;
• трансформатор Т901;
• силовой ключ Q901;
• регулятор напряжения и переключатель режимов Q902, VR901;
• элементы вторичных выпрямителей и стабилизаторы напряжения, а также другие элементы.

ИП формирует напряжения 105, 50, 15, 12, 6,3,  5 В и -12 В, необходимые для питания всех узлов монитора.
Ключевой преобразователь БП построен по схеме обратноходового конвертора с ШИМ, управляемого контроллером IC901. Выходной сигнал этой микросхемы  управляет силовым ключом Q901, подключенным через обмотку трансформатора Т901 к сетевому выпрямителю. По цепи запуска заряжается конденсатор  и на  IC901 появляется питающее напряжение. В рабочем режиме микросхема питается от обмотки  трансформатора Т901 и выпрямителя. Напряжение стабилизации выходных напряжений БП формируется элементами,  подключенными к  IC901.

Для уменьшения взаимных помех узлы строчной развертки и ключевого преобразователя должны быть синхронизированы. Для этого импульсы обратного хода строчной развертки   подаются на времязадающий конденсатор и на микросхему IC901. На эту же  микросхему  подается сигнал для защиты силового ключа по току с датчика, включенного последовательно с силовым ключом Q901. Вторичные выпрямители БП собраны по однополупериодной схеме.

Схема размагничивания кинескопа работает как в автоматическом режиме (во время включения монитора), так и в ручном (выбором параметра DEGAUSS в экранном меню). Сигнал управления схемой размагничивания  формируется микропроцессором (МП) IC401.
В мониторе реализована система энергосбережения, режимы которой переключает МП. На его входы  с компьютера поступают строчные и кадровые синхроимпульсы (Hsync IN и Vsync IN).  В зависимости от их наличия или отсутствия МП переключает монитор в различные режимы.

В режимах ожидания и дежурном сигналами низкого уровня DPMS (выводы IC401)  с помощью ключей  отключаются выходные напряжения 15 и 6,3 В от потребителей. И наоборот, высокие уровни этих сигналов разрешают прохождение указанных напряжений, что соответствует рабочему режиму монитора.

Система управления

Основа системы управления - МП IC401. Работа МП синхронизируется внутренним генератором, частота которого стабилизирована кварцевым резонатором (24 МГц), подключенным к выводам микросхемы. Для сброса всех узлов МП в исходное состояние после подачи на него питания используется схема, которая формирует импульс отрицательной полярности на выводе  МП.
В зависимости от наличия синхросигналов и их частоты, поступающих на вход МП, он формирует выходные аналоговые и цифровые сигналы управления БП, синхропроцессором IC701, видеопроцессором IC302, схемой OSD IC301, а также узлами кадровой и строчной разверток.

Для регулировки параметров изображения служит экранное меню (OSD). Оно управляется кнопками, расположенными на передней панели монитора. В составе МП имеются два цифровых интерфейса I2C. К этому же интерфейсу подключена микросхема энергонезависимой памяти IC402, в которой сохраняется информация о последних настройках параметров монитора. По интерфейсу DDC  МП передает данные на компьютер для реализации стандарта Plug & Play.

Видеотракт

Видеопроцессор монитора выполнен на микросхеме IC302 типа TDA9210. На его входы  с контактов соединителя (сигнального кабеля)  поступают видеосигналы основных цветов R, G, В. Микропроцессор IC401 формирует сигнал фиксации уровней видеосигналов CLAMP, который снимается с его вывода и через  соединитель поступает на  микросхему IC302. Регулировка усиления каждого канала IC302 и установка точек отсечки катодов кинескопа производятся МП по интерфейсу I2C. Выходные сигналы RGB с микросхемы IC302 и подаются на выходные видеоусилители микросхемы IC303 типа TDA9535. На ее выходах  формируются видеосигналы амплитудой около 85 В.

Схема OSD реализована на микросхеме IC301 типа NT6827. На ее выводы поступают строчные (H-FBP) и кадровые (V-FBP) импульсы гашения. Сигналы управления OSD поступают на вход IC301 от МП по цифровой шине I2C.  Выходные сигналы R - OSD, G - OSD и B - OSD снимаются соответственно с  IC301 и подаются на вход коммутатора OSD и  IC302. Сигнал “врезки” OSD  подается на микросхему IC302. Питающие напряжения поступают на видеотракт (плату кинескопа) через соединитель.

Синхропроцессор

Синхропроцессор выполнен на микросхеме IC701. Всеми режимами его работы управляет МП по цифровой шине I2C. При подаче напряжения питания 12 В синхропроцессор вырабатывает сигналы запуска кадровой развертки V-OUT  и строчной развертки H-OUT. Изменение частоты и фазы запускающих импульсов при смене режима разрешения монитора обеспечивается по шине I2C, а синхронизация синхроимпульсов H-SYNC и V-SYNC производится по командам МП Н-Sync OUT и V-Sync OUT.
Выходной каскад кадровой развертки выполнен на микросхеме IC601. Размах сигнала V-OUT, а значит и размер изображения по вертикали, регулируется МП по интерфейсу I2C.

Импульсы запуска строчной развертки снимаются с синхропроцессора IC701 и далее подаются на предварительный каскад строчной развертки (Q705).

Размер по горизонтали и корректировка растра определяются параболическим напряжением EW (IC701), которое управляет диодным модулятором. Напряжение EW управляет не только размером по горизонтали, но и регулировкой углов растра, компенсацией подушкообразных и трапецеидальных искажений. Все эти установки находятся в памяти и по шине I2С, обработанные в МП, передаются в синхропроцессор, где и формируется параболический сигнал.

Строчная развертка

Схема построена по классической двухкаскадной схеме. Импульсы запуска с микросхемы IC701 поступают на транзистор предварительного каскада Q705, включенный по схеме с общим эмиттером. Каскад питается от БП напряжением +15 В. Предварительный каскад имеет цепь  демпфирования выбросов напряжения, возникающих при переключении транзистора Q705. Нагрузкой транзистора Q705 служит первичная обмотка трансформатора Т703.

Со вторичной обмотки трансформатора Т703 импульсы запуска поступают на выходной каскад, выполненный по схеме двухстороннего электронного ключа с последовательным питанием на транзисторе Q706 и диоде D706. Транзистор нагружен на первичную обмотку трансформатора Т701 и строчные катушки отклоняющей системы, подключенные к соединителю Р701.

Питание выходного каскада строчной развертки происходит от широтно-импульсного преобразователя. Широтно-импульсный модулятор (ШИМ), находящийся внутри IC701, формирует импульсный сигнал, который  через усилитель поступает на ключевой каскад (транзистор Q719), который питается от БП напряжением 60 В.

Далее сигнал снимается со стока Q719, выпрямляется, и через обмотку 1-2 Т701 питающее напряжение В+ подается на коллектор транзистора Q706. Для стабилизации напряжения питания выходного каскада, а значит и размера растра по горизонтали, с обмотки 5-7 трансформатора Т701 снимается сигнал обратной связи, который подается на вход усилителя сигнала ошибки - выв.12 ОСИ.
В зависимости от частоты строчной развертки, параллельно основному конденсатору S-коррекции С722 к нему с помощью ключей Q711, Q713, Q714 и Q716 подключаются конденсаторы С723, С729. Ключи управляются сигналами CS1 и CS3 от МП IC401.

Выходной каскад кадровой развертки

Выходной каскад кадровой развертки выполнен на микросхеме IC601, которая содержит входной усилитель, выходной каскад, генератор импульсов обратного хода и схему защиты. Микросхема питается от БП следующими напряжениями: +15В и ~12В. Отклоняющие катушки кадровой развертки подключены к соединителю Р701.

Ограничение тока лучей кинескопа

Последовательно со вторичной обмоткой трансформатора Т701 включен конденсатор С725, напряжение на котором пропорционально току лучей кинескопа. При превышении заданного уровня тока лучей напряжение на конденсаторе С725 увеличивается и через транзисторы Q724, Q722 на  видеопроцессор IC302 поступает сигнал B-LIMIT и контрастность изображения становится минимальной.