Основные функциональные узлы dvd привода. Что такое CD-ROM. Структура оптического диска

Типичный привод CD-ROM состоит из печатной платы с электрони­кой, шпиндельного двигателя, считывающей системы с оптической го­ловкой, системы загрузки CD-диска и механизма перемещения рамы с механикой привода. На плате с электроникой размещены:

Все схемы управления работой привода;

Разъем интерфейса для подключения к компьютеру;

Аналоговый звуковой выход (Analog Audio);

Цифровой звуковой выход S/PDIF (Digital Audio - может отсутствовать в некоторых моделях).

Шпиндельный двигатель служит для вращения диска с постоянной линейной (CLV - Constant Linear Velocity) или угловой (CAV - Constant Angular Velocity) скоростью. Поддержка постоянной линейной скорости требует изменения угловой скорости диска в зависимости от положе­ния оптической головки.

На оси шпиндельного двигателя крепится подставка, к которой при­жимается нижняя сторона диска (при горизонтальной загрузке). На конце оси шпиндельного двигателя крепится намагниченный металли­ческий наконечник, имеющий конусообразную форму. С другой сторо­ны диска - верхней в случае горизонтальной загрузки, то есть над дис­ком, - размещается намагниченный маховик, который притягивает ме­таллический наконечник, в результате чего диск оказывается зажатым между подставкой и маховиком, что обеспечивает фиксацию диска по вертикали и хорошее сцепление диска с вращающейся подставкой во время работы привода.

Считывающая система состоит из оптической головки и механизма ее позиционирования. В головке размещены лазерный излучатель на основе инфракрасного лазерного светодиода с длиной волны от 770 до 830 нм (обычно - около 780 нм) и мощностью 0,2-0,5 мВт, система фокусировки лазерного пучка, фотоприемник и предварительный уси­литель. Система фокусировки представляет собой набор подвижных линз, приводимых в движение электромагнитной системой типа «voice coil» (звуковая катушка), сделанной по аналогии с подвижной систе­мой громкоговорителя. Изменение напряженности магнитного поля приводит к передвижению линз и перемещению точки фокусировки лазерного луча.

Благодаря малой инерционности такая система эффективно отсле­живает вертикальные биения диска даже при значительных скоростях вращения. Механизм позиционирования оптической головки имеет собственный двигатель, приводящий в движение каретку с оптической головкой при помощи зубчатой или червячной передачи.

Система загрузки диска бывает трех типов:

Caddy - с использованием специального футляра для диска, вставляемого в приемное отверстие привода;

Tray - с использованием выдвижного лотка, на который кла­дется диск;

В приводах типа Caddy и Slot-in диск может загружаться как гори­зонтально, так и вертикально - то есть при горизонтальном и, соответ­ственно, вертикальном монтаже привода.

После загрузки диск не касается никаких деталей дисковода, кроме подставки и маховика, после чего его уже можно раскручивать.

На передней панели привода обычно расположены:

Кнопка Eject для загрузки/выгрузки диска;

Индикатор обращения к диску Busy (в некоторых моделях -Disk On/Busy, индикатор сигнализирует не только об обращении к диску, но также о том, что в приводе находится диск);

Гнездо для подключения наушников с электронным или меха­ническим регулятором громкости.

Для считывания информации с диска используется полупроводни­ковый лазер, излучающий в инфракрасном диапазоне - длина волны составляет около 780 нм. Луч лазера, проходя через фокусирующую линзу, падает на отражающий слой. Отраженный луч регистрируется фотоприемником. По зарегистрированному сигналу определяется прохождение оптической головки над питами и промежутками диска, а также проверяется качество фокусировки пятна лазерного луча на поверх­ности диска и его ориентации по центру дорожки.

На выходе фотоприемника получается цифровой поток бит, который декодируется c удалением дополнительных нуле­вых бит. B результате этого получает­ся битовый поток, который представляет собой исходный поток дан­ных, кодированный по CIRC с добавленными субкодами. Поэтому далее производится отделение субкодовых каналов и CIRC-декодирование. На этапе CIRC-декодирования обнаруживается и ис­правляется большая часть ошибок, вызванных дефектами при штам­повке, неоднородностью материалов диска, царапинами на его по­верхности, нечетким определением лита/промежутка в фотоприемни­ке и т.д. Полученный поток бит представляет собой полезную инфор­мацию, хранящуюся на диске.

DVD-технология

Развитие компьютеров и вычислительных систем позволило начать активное применение мощных алгоритмов сжатия, позволяющих вместить на один диск не час с четвертью, а от 5 до 10 часов музыки практически без потери качества. Однако для видеоиндустрии размер одного диска оказался маловат даже при использовании сжатия, да и компьютерные приложения уже переросли воз­можности накопителей на CD-дисках. Решить все эти проблемы была призвана DVD-технология.

В соответствии с этим был принят единый стандарт, названный DVD, или Digital Video Disc (впоследствии приняли расшифровку Digital Versatile Disc - цифровой многоцелевой диск). Далее была опуб­ликована первая версия спецификации для DVD-ROM и DVD-Video и принята схема защиты цифровой копии от несанкциони­рованного тиражирования.

В настоящее время существуют стандарты для DVD-Video, DVD-ROM, DVD-Audio. Звуковое сопровождение на DVD поддерживается стандартами Mono, PCM Stereo, Dolby Surround (Prologic), Dolby Digital AC-3, THX, DTS. Звуковые стандарты Dolbv Digital AC-3, THX, DTS определяют шестиканальный звук, т.е. звуковое сопровождение по схеме: фронтальные колонки, центр, тыловые ко­лонки и саббуффер. Обычно для обозначения шестиканального звука используется аббревиатура «5.1», что означает использование основ­ных пяти источников звука и отдельно - низкочастотного блока - саббуффера. Dolby ProLogic и Doiby Digital АС-3 отличаются тем, что Dolby Digital АС-3 имеет шесть независимо записанных звуковых до­рожек, a Dolby ProLogic лишь специальным образом обрабатывает стереосигнал и является имитацией шестиканального звука.

Таким образом, звук на DVD-дисках записывается в самых различных форматах, все они воспроизводят несколько независимых каналов пространственного компрессированного звука, создавая тем самым реалистичную картину происходящего.

DVD-видео - это цифровое видео, сжатое по алгоритму MPEG-2 и записанное на DVD-диск. Формат - 25 кадров в секунду с разрешением 720 х 576 то­чек при глубине цвета 24-бит (PAL) или 30 кадров 720 х 480 х 24-бит (NTSC). В несжатом виде это поток 3О МБайт в секунду, а двухчасовой фильм будет занимать более 100 гигабайт.

DVD-диски имеют емкость от 4,7Gb до 17Gb в зависимости от типа. При этом меняется не плотность записи, а тип размещения информа­ции. Диски бывают односторонние однослойные, односторонние двух­слойные, двухсторонние однослойные и двухсторонние двухслойные. Кроме того, бывают комбинированные диски, у которых с одной стороны два слоя, а с другой - один.

Способ хранения информации на DVD-ROM практически такой же, как и у CD-ROM: вдоль металлической подложки по спирали располо­жены канавки, составляющие так называемые треки. Эти канавки не­сут в себе информацию, которая считывается лучом лазера, преобра­зовывая канавки в единички и нули. Сама отражающая подложка покрыта защитным слоем пластика, предохраняющего диск от повреж­дения.

Отличие DVD-диска от CD - плотность записанной информа­ции. Так, например, односторонний и одноуровневый DVD-диск хранит приблизительно 4,7 Гбайт информации (технология DVD-5), а обычный CD-диск - лишь 650 Мбайт. Был разра­ботан новый полупроводниковый лазерный излучатель, использующий для работы меньшую длину волны (650-635 нм), чем лазер дис­ковода CD-ROM (780 нм). После этого расстояние между треками ста­ло меньше, да и сами канавки на диске (хранители информации) значительно уменьшились в размерах.

Вслед за одноуровневыми дисками появились двухуровневые, вмещающие до 8,54 Гбайт информации. Здесь первый уровень нахо­дился под вторым, а считывание происходило путем фокусировки лу­ча лазера по уровням (технология DVD-9). По технологии DVD-10 счи­тывание происходит с двух сторон по одному уровню. Хранимый объ­ем достиг 9,4 Гбайт. Двухуровневый DVD-18 обеспечивает хранение 17,08 Гбайт. Чтение происходит с двух сторон, каждая из которых имеет два уровня.

Существенными являются такие характеристики привода, как Access Time (время доступа), CPU Utilization (загрузка центрального процессора), Transfer Rate Inside/Outside (внутренняя и внешняя ско­рость передачи данных).

Показатель Access Time (время доступа) отражает сумму среднего времени поиска, необходимую приводу DVD-ROM для позициониро­вания на нужный трек и среднего времени «запаздывания» (латентности), в течение которого диск подводится под нужный сектор для счи­тывания. Соответственно, чем ниже значение Access Time, тем лучше. Показатель CPU Utilization (загрузка CPU) говорит о том, насколько DVD-ROM использует ресурсы процессора.

Скорость передачи данных характеризуется двумя показателями: внутренней (Inside) и внешней (outside) скоростью. Внутренняя скорость передачи представляет со­бой передачу между DVD-диском и внутренним буфером DVD-ROM непосредственно.

Она определяется многими параметрами: качеством и плотностью записи, скоростью вращения и т. д. На эти параметры влияет конст­руктивная особенность привода. Внешняя же скорость передачи дан­ных полностью зависит от ис­пользуемого режима передачи.

Несмотря на большое разнообразие моделей винчестеров прин­цип их действия и основные конструктивные элементы одинаковы. На рисунке 5 показаны основные элементы конструкции накопите­ля на жестком диске:

• 
  магнитные диски;
• 
  головки чтения/записи;
• 
  механизм привода головок;
• 
  двигатель привода дисков;
• 
  печатная плата с электронной схемой управления.

Типовой накопитель состоит из герметичного корпуса (гермоблока) и платы электронного блока. В гермоблоке размещены все механические части, на плате - вся управляющая электроника. Внутри гермоблока установлен шпиндель с одним или несколь­кими магнитными дисками. Под ними расположен двигатель. Бли­же к разъемам, с левой или правой стороны от шпинделя нахо­дится поворотный позиционер магнитных головок. Позиционер соединен с печатной платой гибким ленточным кабелем (иногда одножильными проводами).

Гермоблок заполняется воздухом под давлением в одну атмос­феру. В крышках гермоблоков некоторых винчестеров имеется спе­циальное отверстие, заклеенное фильтрующей пленкой, которое служит для выравнивания давления внутри блока и снаружи, а также для поглощения пыли.

Рисунок 5 - Основные элементы конструкции накопителя на жестких дисках

Габаритные размеры винчестеров стандартизованы по парамет­ру, называемому формфактор (Form-Factor). Например, все HDD с формфактором 3,5" имеют стандартные размеры корпуса 41,6x101x146 мм.

Подложки магнитных дисков первых винчестеров из­готовлялись из алюминиевого сплава с добавлением магния. В со­временных моделях в качестве основного материала для дисковых пластин используется композиционный материал из стекла и ке­рамики с малым температурным коэффициентом расширения, что делает их менее восприимчивыми к изменениям температу­ры, более прочными. Магнитные диски выпускаются следующих размеров: 3,5"; 5,25"; 2,5"; 1,8".

Диски покрываются магнитным веществом - рабочим слоем. Он может быть либо оксидный, либо на основе тонких пленок.

Головки чтения/записи предусмотрены для каждой сто­роны диска. Когда накопитель выключен, головки касаются диска. При раскручивании дисков возрастает аэродинамическое давле­ние воздуха на головки, что приводит к их отрыву от рабочих поверхностей дисков. Чем ближе располагается головка к повер­хности диска, тем выше амплитуда воспроизводимого сигнала.

Механизм привода головок обеспечивает перемеще­ние головок от центра дисков к краям и фактически определяет надежность накопителя, его температурную стабильность и виб­рационную устойчивость. Все существующие механизмы привода головок делятся на два основных типа: с шаговым двигателем и подвижной катушкой.

Двигатель привода дисков приводит пакет дисков во вращение, скорость которого в зависимости от модели находится в пределах 3600 - 7200 об/мин (т.е. головки движутся с относи­тельной скоростью 60 - 80 км/ч). Скорость вращения дисков не­которых винчестеров достигает 15 000 об/мин. Жесткий диск вра­щается непрерывно даже тогда, когда не происходит обращения к нему, поэтому винчестер должен быть установлен только верти­кально или горизонтально.

Печатная плата с электронной схемой управ­ления и прочие узлы накопителя (лицевая панель, элементы конфигурации и монтажные детали) являются съемными. На пе­чатной плате монтируются электронные схемы управления двига­телем и приводом головок, схема для обмена данными с кон­троллером. Иногда контроллер устанавливается непосредственно на этой плате.

Вопросы для самоконтроля:

1. 
   Накопители на гибких дисках. Конструкция, принцип действия, основные компоненты, технические характеристики FDD;
2. 
   Логическая структура дискет;
3. 
   Накопители на жестких магнитных дисках. Конструкция и принцип работы HDD, форм-факторы, типы;
4. 
   Основные характеристики и режимы работы накопителей на жестких магнитных дисках. Контроллеры и подключение HDD;
5. 
   Современные модели накопителей;
6. 
   Логическая структура жесткого диска;
7. 
   Форматирование жестких дисков;
8. 
   Утилиты обслуживания жестких магнитных дисков.

Тема 4.2 Приводы CD-R (RW). DVD-R (RW)

Студент должен:

иметь представление:

• 
  о назначении приводов CD-R (RW). DVD-R (RW)

знать:

• 
  принцип действия и основные компоненты привода CD-ROM;
• 
  эксплуатационные характеристики привода CD-ROM;
• 
  принцип действия и основные компоненты привода DVD;

уметь:

• 
  подключать приводы CD и DVD дисков;

Приводы CD-R, (RW), DVD-R (RW): принцип работы, конструкция и основные компоненты, технические характеристики.

Методические указания

Приводы CD-ROM

CD-ROM - компакт-диск (CD), предназначенный для хране­ния в цифровом виде предварительно записанной на него инфор­мации и считывания ее с помощью специального устройства, называемого CD-ROM-driver, - дисковода для чтения компакт-дисков.

Процесс изготовления CD-дисков включает несколько этапов.

На первом этапе создается информационный файл для последу­ющей записи на носитель. На втором этапе с помощью лазерного луча производится запись информации на носитель, в качестве которого используется стеклопластиковый диск с покрытием из фоторезистивного материала. Информация записывается в виде последовательности расположенных по спирали углублений (штри­хов), как показано на рисунке 6. Глубина каждого штриха-пита (pit) равна 0,12 мкм, ширина (в направлении, перпендикулярном плос­кости рисунка) - 0,8 - 3,0 мкм. Они расположены вдоль спираль­ной дорожки, расстояние между соседними витками которой со­ставляет 1,6 мкм, что соответствует плотности 16000 витков/дюйм (625 витков/мм). Длина штрихов вдоль дорожки записи колеблет­ся от 0,83 до 3,1 мкм.

Рисунок 6 - Геометрические характеристики компакт-диска (а) и его поперечное сечение (б)

На следующем этапе производятся проявление фоторезистивного слоя и металлизация диска. Изготовленный по такой техно­логии диск называется мастер-диском. Для тиражирования ком­пакт-дисков с мастер-диска методом гальванопластики снимает­ся несколько рабочих копий. Рабочие копии покрываются более прочным металлическим слоем (например, никелем), чем мас­тер-диск, и могут использоваться в качестве матриц для тиражи­рования CD-дисков до 10 тыс. шт. с каждой матрицы. Тиражирова­ние осуществляется методом горячей штамповки, после которой информационную сторону основы диска, выполненную из поли­карбоната, подвергают вакуумной металлизации слоем алюминия и диск покрывают слоем лака. Диски, выполненные методом го­рячей штамповки, в соответствии с паспортными данными обес­печивают до 10 000 циклов безошибочного считывания данных. Толщина CD-диска 1,2 мм, диаметр - 120 мм.

Привод CD-ROM содержит следующие основные функциональ­ные узлы:

• 
  загрузочное устройство;
• 
  оптико-механический блок;
• 
  системы управления приводом и автоматического регулиро­вания;
• 
  универсальный декодер и интерфейсный блок.

На рисунке 7 дана конструкция оптико-механического блока при­вода CD-ROM, который работает следующим образом. Электро­механический привод приводит во вращение диск, помещенный в загрузочное устройство. Оптико-механический блок обеспечивает перемещение оптико-механической головки считывания порадиусу диска и считывание информации. Полупроводниковый лазер генерирует маломощный инфракрасный луч (типовая длина волны 780 нм, мощность излучения 0,2 - 5,0 мВт), который попадает на разделительную призму, отражается от зеркала и фокусируется линзой на поверхности диска. Серводвигатель по командам, по­ступающим от встроенного микропроцессора, перемещает под­вижную каретку с отражающим зеркалом к нужной дорожке на компакт-диске. Отраженный от диска луч фокусируется линзой, расположенной под диском, отражается от зеркала и попадает на разделительную призму, которая направляет луч на вторую фоку­сирующую линзу. Далее луч попадает на фотодатчик, преобразую­щий световую энергию в электрические импульсы. Сигналы с фо­тодатчика поступают на универсальный декодер.

Рисунок 9 - Конструкция оптико-механического блока привода CD-ROM

Системы автоматического слежения за поверхностью диска и дорожки записи данных обеспечивают высокую точность считы­вания информации. Сигнал с фотодатчика в виде последователь­ности импульсов поступает в усилитель системы автоматического регулирования, где выделяются сигналы ошибок слежения. Эти сигналы поступают в системы автоматического регулирования: фокуса, радиальной подачи, мощности излучения лазера, линей­ной скорости вращения диска.

Универсальный декодер представляет собой процессор для об­работки сигналов, считанных с CD. В его состав входят два декоде­ра, оперативное запоминающее устройство и контроллер управле­ния декодером. Применение двойного декодирования дает возмож­ность восстановить потерянную информацию объемом до 500 байт. Оперативное запоминающее устройство выполняет функцию бу­ферной памяти, а контроллер управляет режимами исправления ошибок.

Интерфейсный блок состоит из преобразователя цифровых дан­ных в аналоговые сигналы, фильтра нижних частот и интерфейса для связи с компьютером. При воспроизведении аудиоинформа­ции ЦАП преобразует закодированную информацию в аналого­вый сигнал, который поступает на усилитель с активным фильт­ром низких частот и далее на звуковую карту, которая связана с наушниками или акустическими колонками.

Ниже приводятся эксплуатационные характеристики, которые необходимо учитывать при выборе CD-ROM применительно к кон­кретным задачам.

Скорость передачи данных (Data Transfer Rate - DTK) - Максимальная скорость, с которой данные пересылаются от но­сителя информации в оперативную память компьютера. Высокая скорость передачи данных привода CD-ROM необхо­дима прежде всего для синхронизации изображения и звука. При недостаточной скорости передачи возможны пропуск кадров ви­деоизображения и искажение звука.

Качество считывания характеризуется коэффици­ентом ошибок (Eror Rate) и представляет собой вероятность получения искаженного информационного бита при его считыва­нии.

Среднее время доступа (Access Time - AT) - это вре­мя (в миллисекундах), которое требуется приводу, чтобы найти на носителе нужные данные.

Объем буферной памяти - это объем оперативного запоминающего устройства привода CD-ROM, используемого для увеличения скорости доступа к данным, записанным на носителе. Буферная память (кэш-память) представляет собой устанавливаемые на плате накопителя микросхемы памяти для хранения счи­танных данных.

Средняя наработка на отказ - среднее время в ча­сах, характеризующее безотказность работы привода CD-ROM.

В процессе развития накопителей на оптических дисках разра­ботан целый ряд основных форматов записи информации на CD.

Формат CD-DA (Digital Audio) - цифровой аудио-компакт диск со временем звучания 74 мин.

Формат ISO 9660 - наиболее распространенный стандарт ло­гической организации данных.

Формат High Sierra (HSG) предложен в 1995,г. и обеспечивает чтение данных, записанных на диск в формате ISO 9660, с помо­щью приводов всех типов, что привело к широкому тиражирова­нию программ на CD и способствовало созданию компакт-дис­ков, ориентированных на различные операционные системы.

Формат Photo-CD разработан в 1990- 1992 гг. и предназначен для записи на CD, хранения и воспроизведения статической ви­деоинформации в виде высококачественных фотоизображений. Диск формата Photo-CD вмещает от 100 до 800 фотоизображений соответствующих разрешений - 2048 х 3072 и 256 х 384, а также сохраняет звуковую информацию.

Любой диск CD-ROM, содержащий текст и графические дан­ные, аудио- или видеоинформацию, относится к категории муль­тимедиа. Мультимедиа CD существуют в различных форматах для различных операционных систем: DOS, Windows, OS/2, UNIX, Macintosh.

Формат CD-I (Jntractive) разработан для широкого круга пользо­вателей как стандарт мультимедийного диска, содержащего раз­личную текстовую, графическую, аудио- и видеоинформацию. Диск формата CD-I позволяет хранить видеоизображение со звуковым сопровождением (стерео) и длительностью воспроизведения до 20 мин.

Формат CD-DV(Digital Video) обеспечивает запись и хранение высококачественного видеоизображения со стереозвуком в течение 74 мин. При хранении обеспечивается сжатие по методу MPEG-1 (Motion Picture Expert Group).

Чтение диска возможно с использованием аппаратного или программного декодера стандарта MPEG.

Формат 3DO разработан для игровых приставок.

Приводы CD-ROM могут работать как со стандартным интер­фейсом для подключения к разъему IDE (E-IDE), так и с высо­коскоростным интерфейсом SCSI.

Самые популярные дисководы CD-ROM в России - изделия с торговыми марками Panasonic, Craetive, Samsung, Pioneer, Hitachi, Teac, LG.

Накопители DVD

Решение проблемы увеличения емкости оптических носителей информации на базе совершенствования технологии производ­ства CD и приводов, а также имеющихся научно-технических ре­шений в области высококачественного цифрового видео привело к созданию CD-дисков повышенной емкости.

Качество изображения, хранимого в формате DVD, соизмеримо с качеством профессиональных студийных видеозаписей, причем качество звука также не уступает студийному. Считывание звуко­вой информации в формате DVD производится со скоростью 384 Кбайт/с, что позволяет организовать многоканальное звуко­вое сопровождение.

Такие возможности дисков формата DVD обусловлены улуч­шенными параметрами рабочей поверхности дисков. Так же как и CD, диск формата DVD имеет диаметр 120 мм. В приводе DVD используется полу­проводниковый лазер с длиной волны излучения в видимой об­ласти 0,63 - 0,65 мкм. Такое снижение длины волны (по сравне­нию с 0,78 мкм у обычного CD-привода) обеспечило возмож­ность уменьшения размеров штрихов записи (пит) практически в два раза, а расстояние между дорожками записи - с 1,6 до 0,74 мкм. Питы располагаются по спирали, как на виниловых долгоигра­ющих пластинках.

Приводы DVD-ROM поставляются как с аппаратным декоде­ром MPEG-2 в виде карты расширения для шины PCI, так и с программным декодером. Записывающие DVD-R и перезаписы­вающие дисководы DVD-RW способны работать с однослойными односторонними дисками емкостью до 4,7 - 5,2 Гбайт при скоро­сти записи информации около 1 Мбайт/с.

Вопросы для самоконтроля:

1. 
   Приводы CD-R, (RW), принцип работы, конструкция и основные компоненты, технические характеристики;
2. 
   DVD-R (RW): принцип работы, конструкция и основные компоненты, технические характеристики.

Тема 4.3 Магнитооптические накопители. Накопители на магнитных дисках. Внешние устройства хранения информации

Студент должен:

иметь представление:

• 
  о назначении накопителей на компакт дисках;
• 
  о назначении магнитооптических накопителей;
• 
  о назначении накопителей на магнитных дисках;
• 
  о назначении внешних устройств хранения информации

знать:

• 
  форматы оптических и магнитооптических дисков;
• 
  принцип работы стримера

уметь:

• 
  записывать информацию на оптические и магнитооптические диски

Накопители на компакт – дисках: форматы записи информации, процесс изготовления CD – дисков, накопители с однократной и многократной записью. Магнитооптические накопители: принципы работы, конструкция и основные компоненты, технические характеристики. Логическая структура и формат магнитооптических дисков. Накопители на магнитных лентах. Принцип размещения информации на магнитных лентах. Конструкция лентопротяжных механизмов. Структура данных на магнитных лентах. Устройства записи считывания информации с магнитных лент. Катриджы с магнитными лентами. Современные модели стримеров. Внешние устройства хранения информации: флэш- накопители, ZIP-накопители. Принцип работы и основные технические характеристики.

Методические указания

Накопители на магнитооптических дисках

Магнитооптический (МО) привод представляет собой нако­питель информации, в основу которого положен магнитный но­ситель с оптическим (лазерным) управлением.

Технология изготовления магнитооптического диска состоит в следующем. На стеклопластиковую подложку наносится алюми­ниевое (либо золотое) покрытие, обеспечивающее отражение лазерного луча. Диэлектрические слои, окружающие с двух сто­рон магнитооптический слой, изготовлены из прозрачного поли­мера и защищают диск от перегрева, повышают чувствительность при записи и отражающую способность при считывании инфор­мации. Магнитооптический слой создается на основе порошка из сплава кобальта, железа и тербия. Свойства такого покрытия ме­няются как при температурном воздействии, так и при действии магнитного поля. Если нагреть диск свыше определенной темпе­ратуры, возможно изменение магнитной поляризации посредством небольшого магнитного поля. Верхний защитный слой из про­зрачного полимера, выполненный методом ультрафиолетового от­верждения, предохраняет рабочую поверхность от механических повреждений. Благодаря такой технологии и помещению в специ­альный пластиковый конверт - картридж, магнитооптические диски обладают повышенной надежностью и не боятся воздей­ствия неблагоприятных условий окружающей среды.

Запись данных на МО-диск производится с использованием лазерной технологии. Луч лазера, сфокусированный на поверх­ности магнитооптического слоя в пятно с диаметром около 1 мкм, направляется в магнитооптический слой и нагревает его в точке фокусировки до температуры точки Кюри (около 200 °С). При этой температуре резко падает магнитная проницаемость, и изменение магнитного состояния частиц выполняется относитель­но небольшим по величине магнитным полем магнитной головки. После охлаждения материала магнитная ориентация доменов в данной точке сохраняется. В зависимости от магнитной ориента­ции участка магнитного материала он интерпретируется как ло­гический нуль или логическая единица. Данные записываются бло­ками по 512 байт.

Для изменения части информации в блоке необходимо переза­писывать его полностью, поэтому при первом проходе инициали­зируется (разогревается) весь блок, а при подходе сектора под магнитную головку происходит запись новых данных.

Считывание данных с диска происходит поляризованным ла­зерным лучом пониженной мощности, которой недостаточно для разогрева рабочего слоя: мощность лазера при считывании состав­ляет 25 % мощности лазера при записи. Попадание луча на упорядоченно ориентированные при записи данных магнитные части­цы диска приводит к тому, что их магнитное поле незначительно изменяет поляризацию луча, т.е. наблюдается эффект Керра.

Стандартные емкости МО-дисков: односторонних дисков 3,5" - 128, 230 и 640 Мбайт, двухсторонних - 600 и 650 Мбайт. Диски размером 5,25" выпускаются емкостью от 1,7 до 4,6 Гбайт.

Быстродействие МО-накопителей ниже, чем накопителей со сменными магнитными носителями, хотя быстродействие новых моделей неуклонно возрастает. Одна из причин сравнительно низ­кого быстродействия МО-накопителей заключается в том, что скорость вращения диска всего 2000 об/мин. Кроме того, в МО-накопителях используется довольно массивная головка чтения/ записи, совмещающая в одном устройстве оптический и магнит­ный узлы.

Среднее время доступа к данным в МО-накопителях около 30 мс, а гарантийный срок работы (средняя наработка на отказ) - 75 000 ч.

Технология магнитооптической записи непрерывно совершен­ствуется. Несколько фирм выпускают МО-накопители с частотой вращения МО-диска 3600 об/мин, но их стоимость довольно вы­сока. Лидерами рынка накопителей на МО-дисках являются ком­пании Sony, Fujitsu и Hewlett-Packard.

Магнитооптические диски и накопители большинства фирм-изготовителей соответствуют требованиям международных стан­дартов, выпускаются как в виде встраиваемых устройств, так и во внешнем автономном исполнении с интерфейсами IDE и SCSI.

Помимо обычных дисководов широкое распространение полу­чили так называемые оптические библиотеки с автоматической сменой дисков, емкость которых достигает сотен гигабайт и даже нескольких терабайт. Время автоматической смены диска - не­сколько секунд, а время доступа и скорость обмена данными - такие же, как у обычных дисководов.

Накопители на магнитной ленте

Накопители на магнитной ленте применяются в системах ре­зервного копирования. Резервное копирование данных необходимо, если емкость используемого накопителя на жестких дисках невелика и при этом на нем хранится много программ; результа­ты работы представлены большими массивами данных; отсутствует свободное место на жестком диске.

В качестве устройств записи данных на магнитную ленту (стри­меров) сначала использовались катушечные накопители, анало­гичные бытовым катушечным магнитофонам. В 1972 г. фирма ЗМ разработала первую кассету размером 15x10x1,6 см, предназна­ченную для хранения данных. Внутри кассеты находились две ка­тушки, на которые лентопротяжным механизмом наматывалась лента в процессе чтения/записи. В 1983 г. был выпущен первый стандартный QIC (Quarter-Inch-Catridge - накопитель на магнит­ной ленте), емкость которого составляла 60 Мбайт. Запись данных производилась на девяти дорожках, а магнитная лента имела дли­ну около 90 м. В дальнейшем был разработан стандарт на мини-кассеты (формат МС). Габариты мини-кассеты, согласно этому стандарту, 8,25 х 6,35 х 1,5 см. Основу магнитного слоя лент QIC составляет оксид железа.

Внешние устройства хранения информации

При современных объемах программного обеспечения и раз­мерах файлов носитель информации на гибких дисках емкостью всего 1,44 Мбайт не в состоянии обеспечить обмен данными меж­ду PC и тем более не может использоваться для хранения резерв­ных копий и архивов.

Решение этой проблемы связано с созданием таких накопите­лей, как LS-120, SyQuest, Zip, Jaz, МО, ORB и др. Важнейшим параметром оценки этих устройств является совместимость с FDD, т.е. способность устройства читать и записывать данные на гибкий диск 3,5" емкостью 1,44 Мбайт. Все перечисленные устройства не­совместимы с FDD, поскольку работают только со своими дис­ками. Исключение составляет дисковод LS-120, который в состо­янии читать кроме своих дискет емкостью 120 Мбайт стандартные дискеты емкостью 1,44 Мбайт.

Дисководы LS-120 выпускаются фирмами как внешние уст­ройства с интерфейсом LPT или внутренние с интерфейсом IDE. Несомненным преимуществом дисковода LS-120 является высо­кая емкость дискеты (120 Мбайт) при достаточно низкой цене накопителя с интерфейсом IDE. При этом скорость чтения/запи­си в несколько раз выше, чем у FDD (80- 100 Кбайт/с в DOS и 200 - 300 Кбайт/с в Windows по сравнению с 60 Кбайт/с у FDD). Дисководы LS-120 являются магнитными накопителями инфор­мации и имеют такие же недостатки, как и все магнитные носи­тели информации: чувствительность к магнитным полям, пыли и механическим деформациям.

Сменные жесткие диски используются при необходимости раз­мещения больших объемов данных на малогабаритных носителях. У сменного винчестера переносным является не только носитель информации, но и весь дисковод, который вынимается из своих направляющих в корпусе ПК. Чаще всего это IDE диски, которые устанавливаются в корпус компьютера. Для извлечения дисковода на передней панели имеется специальная ручка. С обратной его стороны находится адаптер, который обычно обеспечивает сило­вое питание и связь для приема/передачи данных. Использование сменного жесткого диска такого рода для частого обмена инфор­мацией между удаленными ПК не дает желаемых результатов в связи с недостаточной защищенностью от внешних воздействий, возникающих при их транспортировке. Рекомендуется использо­вать сменные жесткие диски главным образом для целей архиви­рования данных.

Вопросы для самоконтроля:

1. 
   Накопители на компакт – дисках: форматы записи информации, процесс изготовления CD – дисков, накопители с однократной и многократной записью.
2. 
   Магнитооптические накопители: принципы работы, конструкция и основные компоненты, технические характеристики.
3. 
   Логическая структура и формат магнитооптических дисков.
4. 
   Накопители на магнитных лентах.
5. 
   Принцип размещения информации на магнитных лентах. Конструкция лентопротяжных механизмов. Структура данных на магнитных лентах.
6. 
   Устройства записи считывания информации с магнитных лент. Катриджы с магнитными лентами. Современные модели стримеров.
7. 
   Внешние устройства хранения информации: флэш- накопители, ZIP-накопители. Принцип работы и основные технические характеристики.

Раздел 5. Видеоподсистема: мониторы, видеоадаптеры, видеопроекторы

Тема 5.1 Мониторы ЭЛТ

Студент должен:

иметь представление:

• 
  

знать:

• 
  принцип работы мониторов на основе ЭЛТ;
• 
  основные характеристики ЭЛТ мониторов.

уметь:

• 
  подключать мониторы на основе ЭЛТ;
• 
  устанавливать режимы работы мониторов на основе ЭЛТ;

Мониторы на основе электронно- лучевой трубки (ЭЛТ): основные принципы работы, типы ЭЛТ, конструкция, технические характеристики. Стандарты ТСО. Обзор основных моделей.

Методические указания

Мониторы на основе ЭЛТ - наиболее распространенные уст­ройства отображения информации. Используемая в этом типе мо­ниторов технология была разработана много лет назад и первона­чально создавалась в качестве специального инструментария для измерения переменного тока, т. е. для осциллографа.

Конструкция ЭЛТ-монитора представляет собой стеклянную трубку, внутри которой находится вакуум. С фронтальной сторо­ны внутренняя часть стекла трубки покрыта люминофором. В ка­честве люминофоров для цветных ЭЛТ используются довольно сложные составы на основе редкоземельных металлов - иттрия, эрбия и др. Люминофор - это вещество, которое испускает свет при бомбардировке его заряженными частицами. Для создания изображения в ЭЛТ-мониторе используется электронная пушка, которая испускает поток электронов сквозь металлическую маску или решетку на внутреннюю поверхность стеклянного экрана монитора, которая покрыта разноцветными люминофорными точ­ками. Электроны попадают на люминофорный слой, после чего энергия электронов преобразуется в свет, т.е. поток электронов заставляет точки люминофора светиться. Эти светящиеся точки люминофора формируют изображение на мониторе. Как правило, в цветном ЭЛТ-мониторе используются три электронные пушки, в отличие от одной пушки, применяемой в монохромных мони­торах.

На пути пучка электронов обычно находятся дополнительные электроды: модулятор, регулирующий интенсивность пучка элек­тронов и связанную с ней яркость изображения; фокусирующий электрод, определяющий размер светового пятна; размещенные на основании ЭЛТ катушки отклоняющей системы, которые из­меняют направление пучка. Любое текстовое или графическое изоб­ражение на экране монитора состоит из множества дискретных точек люминофора, называемых пикселами и представляющих со­бой минимальный элемент изображения-растра.

Формирование растра в мониторе производится с помощью специальных сигналов, поступающих на отклоняющую систему. Под действием этих сигналов производится сканирование луча по поверхности экрана по зигзагообразной траектории от левого верх­него угла до правого нижнего. Ход луча по горизонтали осуществляется сигналом строчной (горизонталь­ной) развертки, а по вертикали - кадровой (вертикальной) раз­вертки. Перевод луча из крайней правой точки строки в крайнюю левую точку следующей строки (обратный ход луча по горизонта­ли) и из крайней правой позиции последней строки экрана в крайнюю левую позицию первой строки (обратный ход луча по вертикали) производится посредством специальных сигналов об­ратного хода. Мониторы такого типа называются растровыми. Элек­тронный луч в этом случае периодически сканирует экран, обра­зуя на нем близко расположенные строки развертки. По мере дви­жения луча по строкам видеосигнал, подаваемый на модулятор, изменяет яркость светового пятна и образует видимое на экране изображение. Разрешающая способность монитора определяется числом элементов изображения, которые он способен воспро­изводить по горизонтали и вер­тикали, например, 640x480 или 1024 х 768 пикселов.

В электронно-лучевой трубке цветного монитора расположены три электронные пушки с независимыми схемами управления, а на внутреннюю поверхность экрана нанесен люминофор трех основных цветов: красного, синего и зеленого.

Электронный луч каждой пушки возбуждает точки лю­минофора, и они начинают светиться. Точки светятся по-разному и представляют собой мозаичное изображение с чрезвычайно ма­лыми размерами каждого элемента. Интенсивность свечения каж­дой точки зависит от управляющего сигнала электронной пушки. В человеческом глазу точки с тремя основными цветами пересека­ются и накладываются друг на друга. Изменением соотношения интенсивностей точек трех основных цветов получают требуемый оттенок на экране монитора. Для того чтобы каждая пушка на­правляла поток электронов только на пятна люминофора соот­ветствующего цвета, в каждом цветном кинескопе имеется спе­циальная цветоделительная маска.

В зависимости от расположения электронных пушек и конст­рукции цветоделительной маски (рисунок 8) различают ЭЛТ четы­рех типов, используемые в современных мониторах:

ЭЛТ с теневой маской (Shadow Mask) (см. рисунок 8, а) наибо­лее распространены в большинстве мониторов, производимых LG, Samsung, Viewsonic, Hitachi, Belinea, Panasonic, Daewoo, Nokia;

ЭЛТ с улучшенной теневой маской (EDP - Enhenced Dot Pitch) (см. рисунок 8, 6);

ЭЛТ со щелевой маской (Slot Mask) (см. рисунок 8, в), в которой люминофорные элементы расположены в вертикальных ячейках, а маска сделана из вертикальных линий. Вертикальные полосы разделены на ячейки, содержащие группы из трех люминофорных элементов трех основных цветов. Этот тип маски применяется фирмами NEC и Panasonic;

ЭЛТ с апертурной решеткой из вертикальных линий (Aperture Grill) (см. рисунок 8, г). Вместо точек с люминофорными элемента­ми трех основных цветов апертурная решетка содержит серию нитей, состоящих из люминофорных элементов, выстроенных в виде вертикальных полос трех основных цветов. По этой техноло­гии производятся трубки Sony и Mitsubishi.

Рисунок 8 - Типы цветоделительных масок ЭЛТ: а – ЭЛТ с теневой маской; б – ЭЛТ с улучшенной теневой маской; в- ЭЛТ с щелевой маской; г – ЭЛТ с апертурой решеткой

ЭЛТ-мониторы имеют следующие основные характеристики.

Диагональ экрана монитора - расстояние между левым нижним и правым верхним углом экрана, измеряемое в дюймах.

Размер зерна экрана определяет расстояние между ближайши­ми отверстиями в цветоделительной маске используемого типа. Расстояние между отверстиями маски измеряется в миллиметрах. Чем меньше расстояние между отверстиями в теневой маске и чем больше этих отверстий, тем выше качество изображения.

Разрешающая способность монитора определяется количеством элементов изображения, которые он способен воспроизводить по горизонтали и вертикали.

Тип электронно-лучевой трубки следует принимать во внимание при выборе монитора. Наиболее предпочтительны такие типы кинескопов, как Black Trinitron, Black Matrix или Black Planar. Мо­ниторы этих типов имеют особое люминофорное покрытие.

Потребляемая мощность монитора указывается в его техниче­ских характеристиках. У мониторов 14" потребляемая мощность не должна превышать 60 Вт.

Покрытия экрана необходимы для придания ему антибликовых и антистатических свойств. Антибликовое покрытие позво­ляет наблюдать на экране монитора только изображение, форми­руемое компьютером, и не утомлять глаза наблюдением отражен­ных объектов. Существует несколько способов получения анти­бликовой (не отражающей) поверхности. Самый дешевый из них - протравливание. Оно придает поверхности шероховатость. Однако графика на таком экране выглядит нерезко, качество изображе­ния низкое. Наиболее популярен способ нанесения кварцевого покрытия, рассеивающего падающий свет; этот способ реализо­ван фирмами Hitachi и Samsung. Антистатическое покры­тие необходимо для предотвращения прилипания к экрану пыли вследствие накопления статического электричества.

Защитный экран (фильтр) должен быть непременным атрибу­том ЭЛТ-монитора, поскольку медицинские исследования пока­зали, что излучение, содержащее лучи в широком диапазоне (рент­геновское, инфракрасное и радиоизлучение), а также электро­статические поля, сопровождающие работу монитора, могут весьма отрицательно сказываться на здоровье человека.

По технологии изготовления защитные фильтры бывают: се­точные, пленочные и стеклянные.

Безопасность монитора для человека регламентируется стан­дартами ТСО: ТСО 92, ТСО 95, ТСО 99, предложенными Швед­ской конфедерацией профсоюзов. ТСО 92, выпущенный в 1992 г., определяет параметры электромагнитного излучения, дает опре­деленную гарантию противопожарной безопасности, обеспечива­ет электрическую безопасность и определяет параметры энерго­сбережения. В 1995 г. стандарт существенно расширили (ТСО 95), включив в него требования к эргономике мониторов. В ТСО 99 требования к мониторам еще более ужесточили. В частности, ста­ли жестче требования к излучениям, эргономике, энергосбере­жению, пожаробезопасности. Присутствуют здесь и экологические требования, которые ограничивают наличие в деталях монитора различных опасных веществ и элементов, например тяжелых ме­таллов.

Вопросы для самоконтроля:

1. 
   Принцип работы мониторов на основе ЭЛТ;
2. 
   Основные характеристики ЭЛТ мониторов.
3. 
   Подключение монитора на основе ЭЛТ;
4. 
   Установка режимов работы мониторов на основе ЭЛТ

Тема 5.2 Жидкокристаллические мониторы

Студент должен:

иметь представление:

• 
  об устройствах отображения информации

знать:

• 
  принцип работы жидкокристаллических мониторов;
• 
  основные характеристики жидкокристаллических мониторов.

уметь:

• 
  подключать мониторы на основе ЖК;
• 
  устанавливать режимы работы жидкокристаллических мониторов.

Жидкокристаллические мониторы. Принцип действия и технологии ЖК- мониторов. Контроллер ЖК экрана. Технические характеристики ЖК мониторов. Сравнительный анализ ЖК мониторов и мониторов на основе ЭЛТ. Обзор основных моделей. Плоскопанельные мониторы: плазменные дисплеи, электролюминесцентные мониторы, мониторы электростатической эмиссии, органические светодиодные мониторы. Принцип действия, основные преимущества и недостатки.

Методические указания

ЖК-мониторы (LCD - Liquid Crystal Display) составляют ос­новную долю рынка плоскопанельных мониторов с экраном раз­мером 13-17". Первое свое применение жидкие кристаллы на­шли в дисплеях для калькуляторов и в кварцевых часах, затем их стали использовать в мониторах для портативных компьютеров. Сегодня в результате прогресса в этой области начинают полу­чать все большее распространение LCD-мониторы для настоль­ных компьютеров.

Основным элементом ЖК-монитора является ЖК-экран, со­стоящий из двух панелей, выполненных из стекла, между кото­рыми размещен слой жидкокристаллического вещества, которое находится в жидком состоянии, но при этом обладает некоторы­ми свойствами, присущими кристаллическим телам. Фактически это жидкости, обладающие анизотропией свойств (в частности, оптических), связанных с упорядоченностью ориентации моле­кул. Молекулы жидких кристаллов под воздействием электриче­ства могут изменять свою ориентацию и вследствие этого изме­нять свойства светового луча, проходящего сквозь них. Следова­тельно, формирование изображения в ЖК-мониторах основано на взаимосвязи между изменением электрического напряжения, приложенного к жидкокристаллическому веществу, и изменени­ем ориентации его молекул.

Экран ЖК-монитора представляет собой массив отдельных ячеек (называемых пикселами), оптические свойства которых могут меняться при отображении информации. Панели ЖК-монитора имеют несколько слоев, среди которых ключевую роль играют две панели, выполненные из свободного от натрия и очень чистого стеклянного материала, между которыми и расположен тонкий слой жидких кристаллов. На панелях нанесены параллельные бо­роздки, вдоль которых ориентируются кристаллы. Панели распо­ложены так, что бороздки на подложках перпендикулярны между собой. Технология получения бороздок состоит в нанесении на стеклянную поверхность тонких пленок из прозрачного пластика. Соприкасаясь с бороздками, молекулы в жидких кристаллах ори­ентируются одинаково во всех ячейках.

Жидкокристаллическая панель освещается источником света (в зависимости от того, где он расположен, жидкокристалличе­ские панели работают на отражение или на прохождение света). В качестве источников света используются специальные элект­ролюминесцентные лампы с холодным катодом, характеризую­щиеся низким энергопотреблением. Молекулы одной из разно­видностей жидких кристаллов (нематиков) в отсутствие напря­жения на подложках поворачивают вектор электрической напря­женности электромагнитного поля в световой волне, проходящей через ячейку, на некоторый угол в плоскости, перпендикулярной оси распространения пучка. Нанесение бороздок позволяет обес­печить одинаковые углы поворота для всех ячеек. Фактически каж­дая ЖК-ячейка представляет собой электронно управляемый све­тофильтр, принцип действия которого основан на эффекте поля­ризации световой волны.

Чтобы поворот плоскости поляризации светового луча был за­метен для глаза, на стеклянные панели дополнительно наносят два слоя, представляющих собой поляризационные фильтры. Эти фильтры выполняют функции поляризатора и анализатора.

Принцип действия ячейки ЖК-монитора в следую­щем. При отсутствии напряжения между подложками ячейка ЖК-монитора прозрачна, поскольку вследствие перпендикулярного расположения бороздок на подложках и соответствующего закру­чивания оптических осей жидких кристаллов вектор поляризации света поворачивается и проходит без изменения через систему поляризатор -анализатор. Ячейки, у которых ориентирующие канавки, обеспечивающие соответствующее закру­чивание молекул жидкокристаллического вещества, расположе­ны под углом 90°, называются твистированными нематическими. При создании между подложками напряжения 3- 10 В молекулы жидкокристаллического вещества располагаются параллельно си­ловым линиям поля. Твистированная структура жидкокристаллического вещества нарушается, и поворота плос­кости поляризации проходящего через него света не происходит. В результате плоскость поляризации света не совпадает с плоско­стью поляризации анализатора, и ЖК-ячейка оказывается непро­зрачной. Напряжение, приложенное к каждой ЖК-ячейке, фор­мируется ПК.

Для вывода цветного изображения на экран выполняется под­светка монитора сзади, так чтобы свет порождался в задней части ЖК-дисплея. Цвет формируется в результате объединения ЖК-ячеек в триады, каждая из которых снабжена светофильтром, про­пускающим один из трех основных цветов.

Технология, при которой закручивание молекул составляет 90°, называется твистированной нематической (TN - Twisted Nematic). Недостатки ЖК-мониторов, реализующих эту технологию, свя­заны с низким быстродействием; зависимостью качества изобра­жения (яркости, контрастности) от внешних засветок; значитель­ным взаимным влиянием ячеек; ограниченным утлом зрения, под которым изображение хорошо видно, а также низкими яркостью и насыщенностью изображения.

Следующим этапом на пути совершенствования ЖК-монито­ров было увеличение угла закручивания молекул ЖК-вещества с 90 до 270° с помощью STN-технологии (Super-Twisted Nematic). Использование двух ячеек, одновременно поворачивающих плос­кости поляризации в противоположных направлениях, согласно DSTN-технологии (Dual Super-Twisted Nematic), позволило значи­тельно улучшить характеристики ЖК-мониторов.

Для повышения быстродействия ЖК-ячеек используется тех­нология двойного сканирования (DSS- Dual Scan Screens), когда весь ЖК-экран разбивается на четные и нечетные строки, обнов­ление которых выполняется одновременно. Двойное сканирова­ние совместно с использованием более подвижных молекул по­зволило снизить время реакции ЖК-ячейки с 500 мс (у ЖК-мо­ниторов, реализующих технологию TN) до 150 мс и значительно повысить частоту обновления экрана.

Для получения лучших результатов с точки зрения стабильно­сти, качества, разрешения и яркости изображения используются мониторы с активной матрицей в отличие от применявшихся ра­нее с пассивной матрицей. Термин пассивная матрица (Passive Matrix) относится к такому конструктивному решению монитора, согласно которому монитор разделен на отдельные ячейки, каждая из которых функционирует независимо от осталь­ных, так что в результате каждый такой элемент может быть под­свечен индивидуально для создания изображения. Матрица назы­вается пассивной, потому что рассмотренные выше технологии создания ЖК-мониторов не могут обеспечить быстродействие при отображении информации на экране. Изображение формируется строка за строкой путем последовательного подвода управляюще­го напряжения на отдельные ячейки. Вследствие большой элект­рической емкости отдельных ячеек напряжение на них не может изменяться достаточно быстро, поэтому изображение не отобра­жается плавно и дрожит на экране. При этом между соседними электродами возникает некоторое взаимное влияние, которое может проявляться в виде колец на экране.

В активной матрице используются отдельные усилитель­ные элементы для каждой ячейки экрана, компенсирующие вли­яние емкости ячеек и позволяющие значительно увеличить быст­родействие. Активная матрица (active matrix) имеет следующие преимуще­ства по сравнению с пассивной матрицей:

• 
  высокая яркость;
• 
  угол обзора, достигающий 120-160°, в то время как у мони­торов с пассивной матрицей качественное изображение можно наблюдать только с фронтальной позиции по отношению к экрану;
• 
  высокое быстродействие, обусловленное временем реакции монитора около 50 мс.

Функциональные возможности ЖК-мониторов с активной матрицей почти такие же, как у дисплеев с пассивной матрицей. Разница заключается в матрице электродов, которая управляет ячейками жидких кристаллов дисплея. В случае с пассивной мат­рицей разные электроды получают электрический заряд цикли­ческим методом при построчной регенерации дисплея, а в ре­зультате разряда емкостей элементов изображение исчезает, так как кристаллы возвращаются к своей изначальной конфигурации. В случае с активной матрицей к каждому электроду добавлен за­поминающий транзистор, который может хранить цифровую ин­формацию (двоичные значения 0 или 1), и в результате изобра­жение сохраняется до тех пор, пока не поступит другой сигнал. Такой транзистор, выполняя роль своеобразного коммутирующе­го ключа, позволяет коммутировать более высокое (до десятков вольт) напряжение, используя сигнал низкого уровня (около 0,7 В). Благодаря применению активных ЖК-ячеек стало возможным значительно снизить уровень сигнала управления и тем самым решить проблему частичной засветки соседних ячеек.

Запоминающие транзисторы производятся из прозрачных ма­териалов, что позволяет световому лучу проходить сквозь них, и располагаются на тыльной части дисплея, на стеклянной панели, которая содержит жидкие кристаллы. Поскольку запоминающие транзисторы выполняются по тонкопленочной технологии, по­добные ЖК-мониторы получили название TFT-мониторы (Thin Film Transistor - тонкопленочный транзистор). Тонкопленочный транзистор имеет толщину в диапазоне от 0,1 до 0,01 мкм. Техно­логия TFT была разработана специалистами фирмы Toshiba. Она позволила не только значительно улучшить показатели ЖК-мо­ниторов (яркость, контрастность, угол зрения), но и создать на основе активной ЖК-матрицы цветной монитор.

К основным характеристикам жидкокристаллических монито­ров относятся следующие.

Размер экрана ЖК-мониторов находится в пределах от 13 до 16". В отличие от ЭЛТ-мониторов, номинальный размер экрана и раз­мер его видимой области (растра) практически совпадают.

Ориентация экрана у ЖК-монитора в отличие от ЭЛТ-монито­ра может быть как портретная, так и ландшафтная. В то время как традиционные экраны ЭЛТ-мониторов и ЖК-экраны компьюте- ров типа Notebook имеют только ландшафтную ориентацию, обус­ловленную тем, что поле зрения человека в горизонтальном на­правлении шире, чем в вертикальном, в ряде случаев (работа с текстами большого объема, Web-страницами) намного удобнее работать с экраном портретной ориентации. ЖК-монитор можно легко развернуть на 90°, при этом ориентация изображения оста­нется прежней.

Поле обзора ЖК-мониторов обычно характеризуется углами обзор а, отсчитываемыми от перпендикуляра к плоскости экра­на по горизонтали и вертикали.

Разрешение ЖК-монитора определяется размером отдельной ЖК-ячейки, т.е. фиксированным размером пикселов.

Метод «Centering» (центрирование) состоит в том, что для отображения изображения используется только то количество пикселов, которое необходимо для формирования изображения с более низким разрешением. В результате изображение получает­ся не во весь экран, а только в середине: все неиспользуемые пикселы остаются черными, образуя вокруг изображения широ­кую черную рамку.

Метод «Expansion» (растяжение) основан на растяжении изоб­ражения на весь экран, что приводит к возникновению некото­рых искажений и ухудшению резкости.

Яркость - важнейший параметр при выборе ЖК-монитора. Ти­повая яркость ЖК-монитора 150 - 200 кд/м 2 . При этом в центре яркость ЖК-монитора может быть на 25 % выше, чем у краев эк­рана.

Контрастность изображения ЖК-монитора показывает, во сколько раз его яркость изменяется при изменении уровня видео­сигнала от минимального до максимального. Приемлемая цвето­передача обеспечивается при контрастности не менее 130:1, а высококачественная - при 350:1.

Инерционность ЖК-монитора характеризуется минимальным временем, необходимым для активизации его ячейки, и состав­ляет 30 - 70 мс, соответствуя аналогичным параметрам ЭЛТ-мо-ниторов.

Палитра ЖК-мониторов, по сравнению с обычными, ограни­чена определенным количеством воспроизводимых на экране от­тенков цветов. Типовой размер палитры современных ЖК-мони­торов составляет 262 144 или 16 777 216 оттенков цветов.

Массогабаритные характеристики и энергопотребление выгодно отличают ЖК-мониторы от ЭЛТ-мониторов. Масса большинства моделей не превышает нескольких килограмм, а толщина экрана - 20 мм. Потребляемая мощность в рабочем режиме не превышает 35-40 Вт.

Плазменные дисплеи (Plasma Display Panel - PDF) создаются путем заполнения пространства между двумя стеклянными по­верхностями инертным газом, например аргоном или неоном. За­тем на стеклянную поверхность наносят миниатюрные прозрач­ные электроды, на которые подается высокочастотное напряже­ние. Под действием этого напряжения в прилегающей к электроду газовой области возникает электрический разряд. Плазма газового разряда излучает свет в ультрафиолетовом диапазоне, который вызывает свечение частиц люминофора в диапазоне, видимом человеком.

Электролюминесцентные мониторы (Electric Luminiescent Displays - ELD) no своей конструкции аналогичны ЖК-мониторам. Прин­цип действия электролюминесцентных мониторов основан на яв­лении испускании света при возникновении туннельного эффек­та в полупроводниковом p-n- переходе. Такие мониторы имеют высокие частоты развертки и яркость свечения, кроме того, они надежны в работе. Однако они уступают ЖК-мониторам по энер­гопотреблению, поскольку на ячейки подается относительно вы­сокое напряжение - около 100 В. При ярком освещении цвета электролюминесцентных мониторов тускнеют.

Мониторы электростатической эмиссии (Field Emission Displays - FED) являются сочетанием традиционной технологии, основанной на использовании ЭЛТ, и жидкокристаллической техноло­гии. Мониторы FED основаны на процессе, который несколько похож на тот, что применяется в ЭЛТ-мониторах, так как в обо­их методах применяется люминофор, светящийся под воздействием электронного луча. В качестве пикселов применяются такие же зерна люминофора, как и в ЭЛТ-мониторе, что позволяет получить чистые и сочные цвета, свойственные обычным мониторам. Однако активизация этих зерен производится не электронным лучом, а элек­тронными ключами, подобными тем, что используются в ЖК-мо­ниторах, построенных по TFT-технологии. Управление этими клю­чами осуществляется специальной схемой, принцип действия ко­торой аналогичен принципу действия контроллера ЖК-монитора.

Органические светодиодные мониторы (Organic Light-Emitting Diode Displays - OLEDs), или LEP-мониторы {Light Emission Plastics - светоизлучающий пластик), по своей технологии похожи на ЖК-и ELD-мониторы, но отличаются материалом, из которого изго­тавливается экран: в LEP-мониторах используется специальный органический полимер (пластик), обладающий свойством полу­проводимости. При пропускании электрического тока такой мате­риал начинает светиться.

Основные преимущества технологии LEP по сравнению с рас­смотренными:

• 
  низкое энергопотребление (подводимое к пикселу напряжение менее 3 В);
• 
  простота конструкции и технологии изготовления;
• 
  тонкий (около 2 мм) экран;
• 
  малая инерционность (менее 1 мкс).

К существенным недостаткам этой технологии следует отнести малую яркость свечения экрана; малый размер экрана. LEP-мони­торы используются пока только в портативных устройствах, на­пример, в сотовых телефонах.

Выбор той или иной модели монитора зависит от характера информации, с которой будет работать пользователь, и задач, которые он ставит перед собой, а также от суммы выделенных средств на приобретение монитора. Российский рынок мониторов Постоянно пополняется новыми моделями. Если модель уже вы­брана, при выборе конкретного экземпляра полезно следовать Приведенным ниже рекомендациям.

Вопросы для самоконтроля:

1. 
   Принцип работы жидкокристаллических мониторов;
2. 
   Основные характеристики жидкокристаллических мониторов;
3. 
   Подключение мониторов на основе ЖК;
4. 
   Установка режимов работы жидкокристаллических мониторов;
5. 
   Принцип работы плазменных дисплеев;
6. 
   Принцип работы электролюминесцентных мониторов;
7. 
   Принцип работы мониторов электростатической эмиссии;
8. 
   Принцип работы органических светодиодных мониторов.

Тема 5.3 Проекционные аппараты

Студент должен:

иметь представление:

• 
  об устройствах отображения информации

знать:

• 
  
• 
  
• 
  

Проекционные аппараты. Оверхед- проекторы и ЖК панели. Мультимедийные проекторы: принцип действия и классификация. Принципиальные схемы TFT- проекторов, полисиликоновых проекторов, D-ILA, DMD/DLP- проекторов. Их достоинства и недостатки. Принцип действия 3D- проекторов. Основные характеристики мультимедийных проекторов.

Методические указания

Проекционный аппарат (проектор) (от латинского projicio - бросаю вперед) - оптико-механический прибор для проециро­вания на экран увеличенных изображений различных объектов.

Принцип действия проекционных аппаратов заключается в проецировании с помощью оптической системы на экран изоб­ражения объекта, нанесенного на тонкой полупрозрачной плен­ке, при освещении его мощной проекционной лампой. В результа­те изображение может быть показано большой аудитории.

Современные проекционные аппараты служат для демонстра­ции прозрачных объектов: диапозитивов (кодопроекторы), диа­фильмов (диапроекторы), непрозрачных (эпипроекторы), а так­же тех и других (эпидиапроекторы). Проекционные аппараты при­меняются для презентаций, в качестве технических средств обуче­ния. Поскольку в настоящее время весомая часть информации на­ходится в электронном виде, возникла необходимость проециро­вания на экран изображения с экрана монитора.

Конструкции и принципы действия модуляторов отличаются большим разнообразием, хотя в основном они построены на базе ЖК-панелей. Все компьютерные проекторы можно разбить на две группы:

универсальные проекторы (оверхед-проекторы) об­щего назначения; в качестве источника изображения в них ис­пользуется специальный внешний модулятор - ЖК-панель;

мультимедийные проекторы со встроенным моду­лятором.

На компьютерный проектор подается RGB-сигнал, снимаемый с выхода видеоадаптера ПК, а также обычный видеосигнал, ис­точником которого может быть бытовая или полупрофессиональ­ная видеоаппаратура. Проекторы, в которых в качестве входного используется только видеосигнал, называются видеопроекторами.

Оверхед-проектор (Over Head Projector - проектор, располо­женный над головой) - проекционный аппарат, в котором изоб­ражение от источника проецируется на экран при помощи на­клонного проекционного зеркала. Конструктивно в зависимости от места размещения проекционной лампы оверхед-проекторы разделяются на отражательные и просветные.

Отражательные проекторы представляют собой ма­логабаритные устройства, предназначенные для проецирования изображений, нанесенных на специальную прозрачную пленку. Отражательные проекторы не могут использоваться совместно с ЖК-панелями, поскольку мощность проекционной лампы у них невелика.

Просветные проекторы отличаются тем, что у них проекционная лампа размещается под рабочей поверхностью устройства внутри его основания, мощность лампы уве­личена в десятки раз и имеется ее принудительное охлаждение с помощью вентилятора, как показано на оптической схем. Это позволяет использовать в качестве источника изображения не только прозрачные пленки, но и менее про­зрачные ЖК-панели.

ЖК-панель, подключенную к видеоадаптеру ПК, устанавли­вают на прозрачную рабочую поверхность проектора как про­зрачную пленку. Световой поток от проекционной лампы через специальную фокусирующую линзу освещает ЖК-панель и, про­ходя через нее и рассеивающую линзу, поступает на проекцион­ное зеркало.

По конструкции и габаритам ЖК-панель напоминает дисплей ПК типа Notebook, причем на ее корпусе расположены органы управления параметрами изображения.

Качество изображения, формируемого оверхед-проектором, подключаемым к компьютеру, определяется характеристиками ЖК-панели, которые аналогичны характеристикам плоскопанель­ных ЖК-мониторов: размер, максимальное разрешение, количе­ство воспроизводимых оттенков цветов, яркость. В зависимости от разрешения экрана различают ЖК-панели следующих типов с соответствующим максимальным разрешением экрана: VGA-па­нели (640x480); SVGA-панели (800 х 600); XGA-панели (1024x768); SXGA-панели (1280х 1024).

В VGA-панелях, рассчитанных на небольшую аудиторию, в качестве экрана используется пассивная ЖК-матрица, основан­ная на применении технологии DSTN; в более качественных па­нелях используется активный TFT-экран.

В мультимедийном проекторе проекционная лампа, ЖК-матрица и оптическая система конструктивно размещаются в одном корпусе, что делает их похожими на диапроекторы, предназна­ченные для просмотра слайдов или диафильмов. По принципу действия мультимедийный проектор не отличается от оверхед-проектора: изображение создается с помощью мощной проекци­онной лампы и встроенного в проектор электронно-оптического модулятора, управляемого сигналом видеоадаптера ПК, а затем посредством оптической системы проецируется на внешний эк­ран. Основным отличием в мультимедийных проекторах является конструкция модулятора и способы построения и переноса изоб­ражения на экран. В зависимости от конструкции модулятора про­екторы бывают следующих типов: TFT-проекторы; полисилико­новые проекторы и DMD/DLP-проекторы.

В зависимости от способа освещения модулятора мультимедий­ные проекторы подразделяют на проекторы просветного и отражательного типов.

В TFT-проекторах, относящихся к проекторам просветного типа, в качестве модулятора используется малогабаритная цветная ак­тивная ЖК-матрица, выполненная по технологии TFT.

Основным элементом установки является миниатюрная ЖК-матрица, выполненная по технологии TFT, как и ЖК-экран плос­копанельного цветного монитора. Равномерное освещение поверх­ности ЖК-матрицы достигается за счет применения системы линз, называемой конденсором.

Полисиликоновые мультимедийные проекторы также относятся к проекторам просветного типа и применяются в том случае, когда необходимо получить более яркое изображение. В них используется не одна цветная TFT-матрица, а три монохромных миниатюр­ных ЖК-матрицы размером около 1,3". Каждая из матриц форми­рует монохромное изображение красного, зеленого или синего цвета. Оптическая система проектора, обеспечивает совмещение трех монохромных изображений, в ре­зультате чего формируется цветное изображение. Такая техноло­гия получила название полисиликоновой (p-Si). Каждый элемент полисиликоновой матрицы содержит только один тон­копленочный транзистор, поэтому его размер меньше, чем раз­мер элемента TFT-матрицы, что позволяет повысить четкость изображения.

Цветоделительная система полисиликонового проектора, со­стоящая из двух дихроичных (D u D 2) и одного обычного (Ni) зеркал, используется для разложения белого света проекционной лампы на три составляющие основных цветов (красный, зеленый, синий). Цветоделение необходимо выполнить для того, чтобы по­дать на каждую из трех монохромных матриц световой поток соот­ветствующего цвета. Дихроичное (цветоделительное) зеркало пропус­кает свет только одной длины волны (один цвет) и представляет собой хорошо отполированную стеклянную подложку с нанесен­ной на него тонкой пленкой из диэлектрического материала.

Система цветосмешения полисиликонового проектора состоит из двух дихроичных (D 3 , D 4) и одного отражающего (N 2) зеркал и служит для получения цветного изображения путем наложения одного на другой трех монохромных изображений, создаваемых соответствующими ЖК-матрицами.

Полисиликоновые проекторы обеспечивают более высокое ка­чество изображения, яркость и насыщенность цветов по сравнению с проекторами на основе TFT-матриц. Они более надежны в работе и долговечны, поскольку три ЖК-матрицы работают в менее напряженном тепловом режиме, чем одна. Благодаря этому поли­силиконовые проекторы можно использовать при проецировании изображения на большой экран в таких помещениях, как конфе­ренц-залы, кинотеатры.

ЖК-проекторы отражательного типа предназначены для рабо­ты в больших аудиториях и отличаются по принципу действия: модуляции подвергается не проходящий, а отраженный световой поток.

В настоящее время наиболее используемой в конструкциях ЖК-проекторов отражательного типа является технология DMD/DLP, разработанная фирмой Texas Instruments.

В DMD/DLP-проекторах отражательного типа излучение ис­точника света модулируется изображением при отражении от мат­рицы. В DMD/DLP-проекторах в качестве отражающей поверхно­сти используется матрица, состоящая из множества электронно-управляемых микрозеркал, размер каждого из которых около 1 мкм. Каждое микрозеркало имеет возможность отражать падающий на него свет либо в объектив, либо в поглотитель, что определяется уровнем поданного на него электрического сигнала. При попада­нии света в объектив образуется яркий пиксел экрана, а в поглоти­тель - темный. Такие матрицы обозначаются аббревиатурой DMD (Digital Micromirror Device - цифровой микрозеркальный прибор), а технология, на которой основан их принцип действия, - DLP (Digital Light Processing - цифровая обработка света).

Для получения цветного изображения используются проекто­ры двух вариантов: с тремя или одной DMD-матрицей.

В одноматричных DMD/DLP-проекторах полный цветной кадр формируется в результате последовательного наложения трех бы­стро меняющихся монохромных кадров: черно-красного, черно-зеленого и черно-синего. Смена монохромных кадров на экране незаметна благодаря инерционности человеческого зрения. Мо­нохромные кадры образуются при последовательном освещении DMD-матрицы лучом красного, зеленого и синего цветов. Луч каждого цвета образуется за счет пропускания светового потока от проекционной лампы через вращающийся диск с красным, зеленым и синим светофильтрами. Управление микрозеркалами синхронизировано с поворотом светофильтра.

По сравнению с ЖК-технологиями технология DLP обладает следующими преимуществами: практически полным отсутствием зернистости изображения, высокой яркостью и равномерностью ее распределения. К недостаткам одноматричных DMD-проекторов следует отнести заметное мелькание кадров.

Вопросы для самоконтроля:

1. 
   Проекционные аппараты;
2. 
   Оверхед- проекторы и ЖК панели;
3. 
   Мультимедийные проекторы: принцип действия и классификация;
4. 
   Принципиальные схемы TFT- проекторов;
5. 
   Принципиальные схемы полисиликоновых проекторов;
6. 
   Принципиальные схемы D-ILA, DMD/DLP- проекторов. Их достоинства и недостатки;
7. 
   Принцип действия 3D- проекторов;
8. 
   Основные характеристики мультимедийных проекторов.

Практическая работа 6. Проекционные аппараты

Студент должен:

иметь представление:

• 
  об устройствах отображения информации

знать:

• 
  назначение, типы, функции проекционных аппаратов;
• 
  назначение и принцип работы оверхед- проектора и ЖК панели;
• 
  назначение и принцип работы мультимедийного проектора.

уметь:

• 
  подключать проекционные аппараты;
• 
  настраивать проекционные аппараты;
• 
  работать с проекционными аппаратами.

Тема 5.4 Устройства формирования объемных изображений

Студент должен:

иметь представление:

• 
  об устройствах отображения информации

знать:

• 
  назначение, виды устройств формирования объемных изображений

Устройства формирования объемных изображений: назначение, принцип действия стереоскопа, способы селекции. VR-шлемы. 3D- очки. 3D мониторы. 3D- проекторы

Методические указания

Устройства формирования объемных (трехмерных) изображе­ний появились в качестве весьма дорогостоящих и недостаточно совершенных элементов системы виртуальной реальности. Одна­ко в настоящее время эти устройства интенсивно совершенству­ются, постепенно превращаясь в непременный атрибут домашне­го мультимедийного ПК, поскольку объемный характер изобра­жения имеет важнейшее значение для создания у пользователя подсознательного ощущения реальности наблюдаемой сцены.

По своей конструкции такие устройства принципиально отли­чаются от традиционных мониторов, поскольку в их основе ле­жит способ формирования трехмерных изображений, основанный на эффекте бинокулярного зрения, или стереозрения.

Шлемы виртуальной реальности (VR-шлемы)

Шлемы виртуальной реальности (VR-шлемы), называемые так­же кибершлемами, являются в настоящее время наиболее совер­шенными устройствами формирования трехмерных изображений. Помимо наличия двух индивидуальных экранов для каждого глаза VR-шлемы, благодаря своей конструкции, обеспечивают отсече­ние поля периферийного зрения человека, что усиливает эффект проникновения в виртуальный компьютерный мир.

В VR-шлемах используются миниатюрные экраны, выполнен­ные на основе активных ЖК-матриц. Каждая из ЖК-матриц фор­мирует цветное изображение, которое, благодаря особой конст­рукции шлема, видит только один глаз. Помимо экранов VR-шлем снабжен стереофоническими головными телефонами и микрофо­ном. Узел шлема, объединяющий в себе эти матрицы и органы регулировки, называют в и з о р о м. Визор дает возможность ре­гулировать расстояние между матрицами по горизонтали, кото­рое должно соответствовать расстоянию между зрачками пользо­вателя, называемому IPD (Inter Pupil Distance). Визоры некоторых моделей шлемов оборудованы специальной оптической системой автоматического определения IPD, исключающей необходимость в индивидуальной настройке шлема.

Основным недостатком VR-шлема является недостаточно высо­кое разрешение стереоскопического изображения. Это обусловлено ограниченным количеством элементов ЖК-матрицы и малым рас­стоянием между глазом и визором, что делает зернистость ЖК-матриц заметной.

Важнейшей особенностью VR-шлемов является наличие так называемой системы виртуальной ориентации (СВО) (Virtual Orientation System - VOS), которая отслеживает движение голо­вы и в соответствии с ним корректирует изображение на экра­нах. В случае поворота головы в одну сторону панорамное изобра­жение «прокручивается» через ЖК-матрицы в противоположном направлении. В результате у пользователя возникает иллюзия ста­бильности наблюдаемой картины, ощущение реальности изобра­жения. В зависимости от принципа действия и типа используемого поля различают магнитные, ультразвуковые и инерциальные СВО. Магнитные СВО распространены наиболее широко. В них ис­пользуются миниатюрные магнитные датчики (катушки индук­тивности). Магнитная СВО включает в себя блок внешних непо­движных передатчиков, выполняющих роль радиомаяков; датчик-приемник, расположенный на шлеме; системный электронный блок, который формирует электрические сигналы, поступающие на передатчик, и обрабатывает сигналы, принятые приемником. Интенсивность и фаза принятых сигналов зависят от расстояния между передающими и приемными катушками, а также от их вза­имной ориентации. Обрабатывая передаваемые и принимаемые сигналы, системный электронный блок вычисляет пространствен­ные координаты приемника относительно передатчика. Результа­ты вычислений передаются в PC через стандартный последова­тельный интерфейс RS-232 с частотой 50 - 60 Гц.

В ультразвуковых СВО вместо магнитных используются мало­габаритные пьезокерамические преобразователи, выполняющие функции передатчиков и приемников. Обычно используются три передатчика и приемника, размещенные в шлеме. Системный блок посылает на передатчики электрический сигнал и регистрирует ультразвуковой сигнал. Измеряя временную задержку между по­сланным и принятым сигналом, а также зная скорость распрост­ранения звуковой волны (около 330 м/с), можно достаточно точ­но определить расстояние между передатчиком и приемником. Путем обработки результатов измерений расстояния между тремя парами датчиков рассчитывают положение и ориентацию шлема (головы пользователя) в пространстве.

Инерциальные СВО используются в VR-шлемах моделей, пред­назначенных в основном для профессионального применения. Свое название они получили благодаря использованию в них инерци-альных датчиков - гироскопов и акселерометров, не требующих для своей работы магнитных или ультразвуковых полей. С их по­мощью создается независимая инерциальная система координат, в которой отслеживается положение головы пользователя.

В качестве входного сигнала для VR-шлема может использо­ваться либо видеосигнал от бытовой видеоаппаратуры, либо RGB-сигнал видеоадаптера ПК. VR-шлемы с визорами, способными обеспечить разрешение не хуже 640 х 480, обычно рассчитаны на подключение непосредственно к видеоадаптеру ПК.

Помимо визора VR-шлем оборудован высококачественной сте­реофонической аудиосистемой. Источником звука может быть либо телевизор (видеомагнитофон), либо звуковая карта компью­тера.

3 D -очки являются наиболее распространенными и доступными по цене устройствами формирования трехмерных изображений. Принцип их действия основан на использовании затворного ме­тода разделения элементов стереопары. ЗD-очки используются в качестве дополнения к обычному монитору и могут подсоеди­няться к видеоадаптеру ПК при помощи гибкого провода длиной 2-3 м.

Принцип действия ЗD-очков заключается в том, что при по­следовательном отображении на мониторе левой и правой час­тей стереопары синхронно меняется прозрачность стекол оч­ков. В результате каждый глаз видит только свою часть стереопа­ры, что обеспечивает стереоэффект. Чтобы стекла ЗD-очков мог­ ли «терять прозрачность» по командам компьютера, их выпол­няют по технологии ЖК-ячейки просветного типа, использую­щей эффект поляризации. Поэтому 3D-очков иногда называют поляризационными. Поскольку прозрачность стекол 3D-очков изменяется синхронно со сменой изображения на экране вслед­ствие управления сигналами видеоадаптера, их называют ак­тивными.

Таким образом, термины «активные поляризационные очки», «3D-очки» - синонимы; они обозначают устройства, работаю­щие на одинаковом принципе.

Между ЗD-очками и шлемами виртуальной реальности есть принципиальные различия:

3D-очки изображения не создают, хотя также содержат ЖК-линзы, которые используются в качестве электронно-управляе­мого фильтра (затвора), поэтому качество формируемого изобра­жения определяется монитором;

3D-очки лишены системы виртуальной ориентации, поэтому изображение на экране монитора никак не корректируется в зави­симости от положения головы наблюдателя. В связи с этим при использовании ЗD-очков нет смысла перекрывать зону периферий­ного зрения, поэтому они выполняются в форме обычных очков. Подключение 3 D -очков к ПК производится в большинстве слу­чаев с помощью дополнительного устройства - контроллера, ко­торый формирует синхросигнал для 3D-очков, управляющий по­очередным затемнением стекол, и преобразует (при необходимо­сти) выходной видеосигнал и синхросигналы видеоадаптера та­ким образом, чтобы обеспечить раздельный последовательный показ элементов стереопары на экране монитора.

В большинстве моделей 3D-очков контроллер выполняется в виде отдельного внешнего блока, хотя в настоящее время появи­лось много видеоадаптеров с интегрированными контроллерами для 3D-очков.

Современный рынок 3D-очков достаточно разнообразен. Пре­имущественно используются беспроводные модели, обеспечива­ющие связь с ПК с помощью инфракрасного передатчика, ана­логичного телевизионному пульту управления.

Начало создания приводов компакт дисков было положено с появлением в 1982 г. первых аудио компакт-дисков, разработанных компаниями Sony и Philips. Объем информации на CD составлял 72 минутам, именно столько длится одна из популярных симфоний Баха, что составило 650 мегабайт. Вскоре, в 1985 году, появились и первые CD ROM приводы для ПК, тогда основным средством переноса информации между компьютерами были дискеты и объем 650 мегабайт казался очень большим.

Приводы компакт-дисков ( CDD ) – необходимый атрибут современного компьютера.

Приводы компакт-дисков работают с оптическими дисками информация на которых записывается и считывается с помощью лазера.

 Компакт – диск - предназначен только для хранения предварительно записанной на него информации в цифровом виде и считывания ее с помощью соответствующего устройства - привода (накопителя).

Принцип действия привода компакт дисков

Основными функциональными элементами привода CD-ROM являются: миниатюрный электродвигатель, лазер, система оптических линз и датчиков, а также электронная схема, осуществляющая предварительную обработку (считывание и декодирование информации) и управление приводом.

Приводы компакт дисков работают не так, как все рассмотренные ранее электромагнитные носители информации. При записи компакт-диск обрабатывается лазерным лучом (без механического контакта), выжигающим тот учачток, который хранит логическую 1, и оставляет не тронутым тот участок который хранит логический 0. В результате чего на поверхности CD образуются маленькие углубления, - так называемые питы (Pits).

Считывание информации осуществляется следующим образом:

Электродвигатель вращает диск. Лазер генерирует световой луч, который системой оптических линз фокусируется на отражающей (металлической) поверхности диска. Свет по-разному отражается от переходов между основной поверхностью и углублениями. Отраженный свет через линзы попадает на датчик интенсивности света, который анализирует и преобразует его в электрический двоичный сигнал и направляет его для дальнейшей обработки в электронную схему привода.

Информация, хранимая на оптических дисках, в отличие от информации, хранимой на магнитных дисках, практически не подвержена разрушительному воздействию электрических и магнитных полей и в значительно меньшей степени подвергается разрушению в результате естественного старения материала носителя. Кроме того, стоимость записи и хранения единицы информации на CD-ROM существенно меньше, чем для магнитных дисков.

Структура оптического диска

Всоответствии с принятыми стандартами поверхность диска разделена на три области:

1. Входная директория - область в форме кольца, ближайшего к центу диска (ширина 4 мм). Считывание информации с диска начинается именно с входной директории, где содержится оглавление, адреса записей, число заголовков, объем диска, название диска;

2. Область данных ;

3. Выходная директория – имеет метку конца диска.

Типы оптических дисков:

CD - ROM . На диске CD-ROM промышленным способом записывается информация, и произвести ее повторную запись невозможно. Наибольшее распространение получили 5-дюймовые диски CD-ROM емкостью 670 Мбайт. По своим характеристикам они полностью идентичны обычным музыкальным компакт-дискам. Данные на диске записываются в виде спирали.

CD - R . Аббревиатурой CD-R (CD-Recordable) обозначена технология однократной оптической записи, которую можно использовать для архивирования данных, создания прототипов дисков для серийного производства и для мелкосерийного выпуска изданий на компакт-дисках, записи аудио и видео. Назначение устройства CD-R - запись данных на компакт-диски CD-R, которые потом можно читать на накопителях CD-ROM и CD-RW.

CD - RW . Старые данные могут быть стерты и вместо них могут быть записаны новые. Емкость носителя CD-RW составляют 650 Мбайт и равна емкости дисков CD-ROM и CD-R.

DVD-ROM, DVD-R, DVD-RW . Подобны рассмотренным ранее типам оптических дисков, но имеют большую емкость.

Разрабатывается HVD (Holografic Versatile Dosc) емкостью 1 Тб.

Технология DVD допускает 4 типа дисков :

односторонний, однослойный – 4,7 Гбайт

односторонний, двухслойный – 8,5 Гбайт

двусторонний, однослойный – 9,4 Гбайт

двусторонний, двухслойный – 17 Гбайт

В двухслойных дисках используется укрепляющий слой, на который стали записывать информацию. При считывании информации с первого слоя, расположенном в глубине диска, лазер проходит через прозрачную пленку второго слоя. При считывании информации со второго слоя контроллер привода подает сигнал фокусировки лазерного луча на втором слое и с него производится считывание. При всем при этом диаметр диска составляет 120 мм, а его толщина 1,2 мм.

Как уже упоминалось, например, двусторонний двухслойный диск DVD-диск может умещать до 17 Гбайт информации, это примерно 8 часов высококачественного видео, 26 часов музыки или что нагляднее всего – стопка бумаги исписанной с двух сторон высотой в 1.4 километра!

Форматы DVD

DVD - R . могут быть только однослойными, но возможно создание двухсторонних дисков. Принцип по которому производится запись DVD-R точно такой же, как и у CD-R. Отражающий слой меняет свои характеристики, под воздействием луча лазера повышенной мощности. DVD-R не несёт в себе ничего нового, технически это тот же CD-R, только рассчитанный на более тонкие дорожки. При создании DVD-R самое пристальное внимание уделено совместимости с существующими DVD-ROM приводами. Длина записывающего лазера 635 Нм + защита записываемых дисков от копирования.

DVD + R . Принципы, на которых построен DVD+R идентичны тому, что используется в DVD-R. Разница между ними в формате записи, который используется. Так, например, DVD+R диски поддерживают запись в несколько приёмов. Длина записывающего лазера 650 Нм + более высоко отражающая поверхность.

Существует два основных класса компакт-дисков: CD и DVD .

Классы оптических дисков
Характеристики
Количество сторон	Односторонние	Двухсторонние
Тип записи	Однослойная	Двуслойная
Плотность записи
Размер пита
Длина лазера		Красный 650-635 Нм

При проведении ремонтных работ, используют системный подход. Последовательность работы при этом такова:

• 
  определяется обобщенная структура устройства;
• 
  определяются основные взаимосвязи элементов;
• 
  выясняется характер влияния отсутствия необходимых связей (либо появления несанкционированных связей) на общее поведение устройства в целом;
• 
  локализуется место неисправности в пределах отдельного чипа, ответственного за данную взаимосвязь;
• 
  проверяются сигналы на выводах чипа на соответствие спецификации производителя;
• 
  заменяется неисправный элемент.

В результате ремонт уже не сводится к общепринятым формулам «замена электроники», «замена оптики» и не становится опустошительным для кармана клиента.

Чтобы рассмотреть наиболее характерные неисправности CD/DVD-приводов, обратимся к структуре этого достаточно сложного устройства, представленной на рисунке:

В соответствии с этой структурой можно выделить три основные группы его «болезней»:

• 
  механические неисправности;
• 
  неисправности оптической системы;
• 
  неисправности электронных компонентов.

Первая группа неисправностей является превалирующей.

Механические неисправности составляют 80...85% общего числа неисправностей. Их также можно разделить на несколько основных групп:

• 
  отсутствие смазки трущихся частей;
• 
  скопление пыли и грязи на подвижных частях механизма транспортировки диска;
• 
  засаливание фрикционных поверхностей;
• 
  нарушения регулировок;
• 
  механические поломки деталей транспортного механизма.

Отсутствие смазки приводит к тому, что привод с трудом выталкивает каретку с диском. В простых механизмах, где каждый элемент выполняет несколько функций, отсутствие смазки приводит, например, к заклиниванию замка каретки и исключает возможность использования привода.

Скопление пыли и грязи на подвижных частях, особенно на краях подвижных салазок каретки, делает практически невозможным запирание механизма, и в результате привод постоянно выбрасывает диск.

Рис. 2. Характерные места скопления грязи и пыли на каретке оптического диска

Засаливание фрикционных поверхностей приводит либо к остановке механизма каретки в промежуточных положениях, либо к проскальзыванию диска во время вращения. И то и другое делает использование привода невозможным. К подобному результату приводит и нарушение регулировок транспортного механизма.

Перечисленные выше механические неисправности касаются в основном простых механизмов относительно дешевых приводов. Дорогие модели, как правило, имеют сложные механизмы, и для них основным видом механических неисправностей является поломка деталей механизма. Чаще всего это происходит из-за того, что пользователь, вместо того, чтобы пользоваться кнопками управления, рукой заталкивает каретку с диском внутрь дисковода. Последствия таких действий могут оказаться самыми неприятными. Если загрязненный и неухоженный механизм достаточно прочистить, протереть, смазать – и он вновь исправно выполняет свои функции, то торопливость и чрезмерные усилия приводят к достаточно дорогому и длительному ремонту дисковода.

Ко второму виду распространенных неисправностей относятся неисправности оптико-электронной системы считывания информации. Несмотря на небольшие размеры, система эта - очень сложное и точное оптическое устройство. Достаточно взглянуть на структурную схему (рис. 3), чтобы согласиться с этим. По частоте появления в течение первых полутора-двух лет эксплуатации отказы оптической системы составляют 10...15% от общего числа неисправностей. Чтобы выделить основные «болезни» оптики и их характерные проявления, рассмотрим ее состав:

• 
  сервосистема управления вращением диска;
• 
  сервосистема позиционирования лазерного считывающего устройства;
• 
  сервосистема автофокусировки;
• 
  сервосистема радиального слежения;
• 
  система считывания;
• 
  схема управления лазерным диодом.

Сервосистема управления вращением диска обеспечивает постоянство линейной скорости движения дорожки считывания на диске относительно лазерного пятна. При этом угловая скорость вращения диска зависит как от расстояния головки считывания до центра диска, так и от условий считывания информации. Характерными признаками неисправности являются либо отсутствие вращения диска, либо, наоборот, разгон до максимальной скорости вращения. При попытке изъять диск с помощью органов управления каретка открывается с вращающимся на ней диском. Характерными признаками исправной работы являются четко прослеживающиеся фазы:

• 
  старт и разгон вращения диска;
• 
  установившийся режим вращения;
• 
  интервал торможения до полной остановки;
• 
  съем диска лотком каретки и вынос его наружу из дисковода.

Рис. 3. Структура связей оптико-электронной системы считывания информации

Сервосистема позиционирования головки считывания информации обеспечивает плавное подведение головки к заданной дорожке записи с ошибкой, не превышающей половины ширины дорожки в режимах поиска требуемого фрагмента информации и нормального воспроизведения. Перемещение головки считывания, а вместе с ней и лазерного луча, по полю диска осуществляется двигателем головки. Работа двигателя контролируется сигналами прямого и обратного перемещения, поступающими с процессора управления, а также сигналами, вырабатываемыми процессором радиальных ошибок. Характерными признаками неисправности являются как беспорядочное движение головки по направляющим, так и ее неподвижность.

Сервосистема радиального слежения обеспечивает удержание луча лазера на дорожке и оптимальные условия считывания информации. Работа системы основана на методе трех световых пятен. Суть метода заключается в разделении основного луча лазера с помощью дифракционной решетки на три отдельных луча, имеющих незначительное расхождение. Центральное световое пятно используется для считывания информации и для работы системы автофокусировки. Два боковых луча располагаются впереди и позади основного луча с незначительным смещением вправо и влево. Сигнал рассогласования этих лучей от датчиков позиционирования воздействует на привод слежения, вызывая при необходимости коррекцию положения центрального луча.

Работоспособность системы радиального слежения можно проконтролировать по изменению сигнала рассогласования, поступающего на привод слежения.

Контроль и управление вертикальным перемещением фокусирующей линзы осуществляется под воздействием сервофокуса. Эта система обеспечивает точную фокусировку лазерного луча в процессе работы на рабочей поверхности диска. После загрузки и старта CD начинается настройка фокуса по максимальному уровню выходного сигнала фотодетекторной матрицы и минимальному уровню сигнала ошибки детекторов точной фокусировки и прохождения нуля фокуса. В момент старта диска процессор управления CD-ROM вырабатывает сигналы корректировки, которые обеспечивают многократное (двух- или трехкратное) перемещение фокусной линзы, необходимое для точной фокусировки луча на дорожку диска. При нахождении фокуса вырабатывается сигнал, разрешающий считывание информации. Если после двух-трех попыток этот сигнал не появляется, процессор управления выключает все системы и диск останавливается. Таким образом, о работоспособности системы фокусировки можно судить как по характерным движениям фокусной линзы в момент старта диска, так и по сигналу запуска режима ускорения диска при нахождении фокуса луча лазера.

Система считывания информации содержит фотодетекторную матрицу и дифференциальные усилители сигналов. О нормальной работе этой системы можно судить по наличию высокочастотных сигналов на ее выходе при вращении диска.

Система управления лазерным диодом обеспечивает номинальный ток возбуждения диода в режимах пуска диска и считывания информации. Признаком нормальной работы системы является наличие ВЧ-сигнала амплитудой около 1 В на выходе системы считывания.

Помимо функциональных неисправностей оптической системы, очень часто она отказывает из-за пыли, скопившейся на фокусной линзе (рис. 4). При этом для того, чтобы привести CD-ROM в рабочее состояние, достаточно протереть линзу мягкой фланелью. Ни в коем случае нельзя использовать для протирки растворители! Фокусные линзы большинства CD-ROM выполнены из органической пластмассы, и растворитель необратимо повредит их поверхность.

Рис. 4. ОптикаCD/DVD-привода: а) запыленная линза, б) чистая линза

К третьей группе неисправностей принадлежат все повреждения электронной начинки привода. Несмотря на достаточно небольшой (относительно общего числа дефектов привода) процент случаев выхода из строя электроники – 5...10%, поиск неисправностей электронных схем является самой трудоемкой частью ремонта.

Системы записи, считывания и последующей обработки информации определяют общую функциональную схему CD/DVD-привода, представленную на рис. 5. Помимо рассмотренных выше систем, она включает синхрогенератор, обеспечивающий синхросигналами все узлы CD-ROM, и EFM-демодулятор, преобразующий 14-разрядные кодовые посылки с диска в 8-разрядный последовательный код. Далее информация попадает в процессор цифровых данных, который совместно с процессором системного управления является сердцем всего устройства. Здесь происходит обратное перемежение данных и коррекция ошибок. Задачей перемежения данных при записи информации является «растяжка» каждого байта информации на несколько кадров записи. При этом, если и случается потеря даже нескольких кадров информации в результате механического повреждения поверхности диска, результатом обратного перемежения данных будет наличие мелких ошибок в отдельных байтах. Такие ошибки исправляет схема коррекции ошибок.

Рис. 5. Функциональная схема CD-ROM

В зависимости от выбранной для конкретной модели CD-ROM стратегии коррекции ошибок и, соответственно, сложности процессора и устройства в целом, на практике тот или иной CD-ROM может либо исправлять одну-две мелкие ошибки в кадре информации (что соответствует дешевым моделям), либо в несколько этапов восстанавливать, с вероятностью 99,99%, серьезные и длинные разрушения информации. Как правило, такими корректорами ошибок оснащены дорогостоящие модели CD-ROM. Это и есть ответ на часто задаваемый вопрос: «Почему вот этот диск читается на машине товарища, а мой ПК его даже не видит?»

С выхода процессора цифровых данных откорректированная цифровая информация через интерфейс связи поступает на вход ПК, где подвергается дальнейшей обработке. Если чтение производится с аудиодиска, информация поступает на цифровой фильтр, с него на цифроаналоговый преобразователь и далее, через цепи аналоговой коррекции и усиления, – на аудиовыходы.

Таким образом, даже после поверхностного рассмотрения функциональной схемы устройства CD-ROM можно сделать вывод, что данное устройство является весьма сложной электронной системой, а значит, без правильно выбранной стратегии поиска неисправностей найти конкретного «виновника» чрезвычайно трудно.

Несложно найти неисправность, когда она сама о себе заявляет (как, например, на рис. 6). Но к сожалению, в подавляющем большинстве случаев неисправная микросхема по внешнему виду не отличается от исправной.

Рис. 6. Неисправная микросхема на плате CD-ROM

На рис. 7 приведен алгоритм поиска и обнаружения неисправностей, который используется специалистами фирмы «ЕПОС» для поиска неисправностей устройств CD-ROM практически любого типа. На практике этот алгоритм неизменно дает положительный результат.

Это устройство для чтения данных, которые записаны на оптическом компакт-диске.

Носителем информации на CD-диске является рельефная подложка из поликарбоната 120, 80 мм, на которую нанесен тонкий слой отражающего свет металла (алюминий, иногда золото). При записи матрицы компакт-диска лазерный луч "прожигает" в ней мельчайшие ямки - питы (Pit), оставляя отражающие поверхности металлического диска - лэнды (Land). После этого матрица (мастер-диск) отправляется в производственный цех, где с него штампуется много поликарбонатных копий. Потом рельефная основа металлизуется, добавляется еще один, более тонкий слой лака, защищающий металлический слой.

При чтении диска другой, считывающий луч отражается от участков-питов и лендов по-разному. Точнее, от питов он не отражается - ямки поглощают луч, не дают ему отразиться. Таким образом, пит дает сигнал "ноль", а лэнд - "единицу". А комбинация нулей и единиц и есть сутью любой компьютерной информации. От центра до края компакт-диска наносится одна дорожка шириной 0,4 мкм в виде спирали с шагом 1,6 мкм.

Вся поверхность компакт-диска разбита на три участка в виде колец, размещенных от центра до его края. Начальная область (Lead-In) размещена ближе к центру диска. При инициализации диска в персональном компьютере Lead-In-область считывается первой. В этой области записан заголовок диска таблица соднржаний (Table of Contents), таблица адресов всех записей, метка диска и некоторая служебная информация. Средняя область содержит основную информацию на компакт-диске и занимает основную часть диска. Конечная область диска Lead-Out содержит метку конца диска.

Из чего состоит CD-ROM

Привод CD-ROM состоит из основных компонентов:

• электродвигателя, который вращает диск;
• оптической системы, которая состоит из лазерного излучателя, оптических линз и датчиков, предназначенной для считывания информации с поверхности компакт-диска,
• микропроцессоров, управляющих механикой привода, оптической системой и декодирования считанной информации в двоичный код.

Компакт-диск раскручивается электродвигателем. В нужной области позиционируется луч из лазерного излучателя при помощи оптической системы привода. Луч отражается от поверхности диска и проходит через призму на специальный датчик. Поток лучей превращается датчиком в электрический сигнал, который обрабатывается .

Емкость CD-ROM. Емкость CD-ROM составляет величину 650-700 Мбайт (на дисках диаметром 80 мм - 180-210 Мбайт). На дисках такого типа можно поместить 74 минуты аудиозаписи или до 2 часов видео телевизионного качества в формате MPEG-4.

Скорость передачи данных в CD-ROM. Скорость передачи данных (Data Transfer Rate) - это величина, характеризующая максимальную скорость, с которой привод передает считанные с компакт-диска данные в оперативную память. Скорость передачи данных увеличивается от начальных секторов к конечным. Скорость передачи внутреннего кольца диска называется Inside Data Transfer Rate, а внешнего - Outside Data Transfer Rate. В техпаспорте приводится внешняя скорость. Таким образом, привод Sony 52x - это 52 скоростной дисковод фирмы Sony. Данные читаются в 52 раза быстрее, чем в дисководах (либо обычного аудиопроигрывателя), скорость чтения которых составляет 150 кбайт/с. То есть, умножив 52 на 150 получаем скорость передачи данныхпривода Sony 52x равную 7800 кбайт/с.