[Перевод] Симуляция радара истребителя на 3″ осциллографической ЭЛТ
Все из вас уже наверняка повыбрасывали старые громоздкие ЭЛТ-мониторы, предпочтя им изящные ультратонкие ЖК-дисплеи. Многие уже и не думают, что еще можно повстречать столь древний девайс в современном мире… Но здесь речь пойдет об особенном ЭЛТ-дисплее — круглом! Его диаметр составляет всего 3 дюйма, и выглядит это чудо очень мило.
В прошлом году ко мне как-то обратился один любитель авиа-симуляторов, которому для воссоздания копии кабины истребителя потребовался экран радиолокатора. В целях максимальной реалистичности, предполагалось, что этот экран будет реализован на базе ЭЛТ. По силам ли Oscilloclok спроектировать и собрать подобный дисплей?
Скажу так, долго меня уговаривать не пришлось. Ненадолго отвлекшись от сборки часов, я решил принять этот вызов и создать свой первый блок с растровым дисплеем. В последующие месяцы со всех сторон посыпались разные сложности, но в конечном итоге мне удалось все их решить и реализовать функционирующее устройство:
Комплектация
Ключевым компонентом в этом процессе стал новый прототип VGA-платы, преобразующей VGA-сигнал в аналоговый выход X и Y. В ней также были предусмотрены аналоговый выход контроля яркости луча и выход дискретного сигнала управления гашением.
Прототип VGA-платы от Oscilloclock
Выходы X и Y управляют платой отклонения Oscilloclock, а выход дискретного сигнала гашения управляет усилителем гашения на плате ЭЛТ.
Плата отклонения с реализацией сверхлинейного высоковольтного выхода
ЭЛТ-плата с реализацией улучшения частотной характеристики
Плата питания служит для питания нити накаливания катода, генерирует высокое анодное напряжение и напряжения для управляющей сетки.
Плата питания с улучшенной оптопарой
На первый взгляд все выглядело так просто, но не тут-то было. Как и в прочих проектах Oscilloclock, этот не обошелся без засиживания допоздна, болезненного дергания за волосы и лишения семьи внимания. Дальше я расскажу, что же меня так озадачило…
Недостаток яркости растрового сканирования
В ТВ и мониторах для отрисовки изображений используется растровое сканирование. Электронный луч непрерывно и быстро перемещается вдоль экрана по предопределенному шаблону, при этом в нужных местах он активируется, благодаря чему и появляется изображение. Для меня это создало реальную проблему.
Чтобы понять почему, представьте, что вы граффитист, который рисует на стене круг. Обычно для этого вы бы просто делали круговое движение рукой. Это эффективно. В один или два захода можно получить жирный круг.
А теперь попробуйте рисовать методом растрового сканирования: перемещайте руку вправо, влево, немного вниз, вправо, влево, немного вниз, вправо, влево, ну вы поняли… и нажимайте в нужных местах кнопку закрашивания, рисуя таким образом части круга. Вначале такой круг будет очень светлым, и потребуется много повторений, чтобы получить отчетливую насыщенную фигуру.
Круг граффити, нарисованный баллончиком (слева) и его вариант, полученный растровым сканированием (справа)
ЭЛТ подобна баллончику с краской — электронная пушка направляет поток электронов с определенной скоростью. Если луч будет перемещаться быстро, в заданную точку экрана за раз будет попадать ограниченное число частиц, что, естественно, ограничит яркость этой точки.
Компромисс между яркостью и отклонением
С целью компенсации этого ограниченного потока электронов в реальных компьютерных ЭЛТ-мониторах для ускорения после отклонения (PDA) применяется очень высокое напряжение. В монохромных устройствах оно зачастую достигает 10–20кВ. После отклонения луча электроны сильно ускоряются этим потенциалом и врезаются в экран с невероятной силой. Огромная скорость электронов компенсирует их небольшое число, в результате чего получается очень яркая точка.
К сожалению, в большинстве доступных сегодня 3» ЭЛТ-дисплеев не реализована такая технология ускорения. На деле заказчик рассчитывал использовать универсальную трубку без PDA типа 3RP1A в силу ее широкой доступности. Но получаемое на ней растровое изображение было бы слишком тусклым. К тому же заказчику требовалась высокая яркость даже при условии использования зеленого акрилового фильтра.
Имеющиеся ограничения грозили реальными сложностями, но отступать я не привык.
Было решено сконфигурировать плату питания на подачу к пластинам отклонения 2кВ, что практически вдвое больше стандартно подаваемого большинством схем напряжения для этой ЭЛТ. Таким образом я рассчитывал сильно ускорить электроны, чего должно было хватить для получения ярких точек.
Но всегда есть какой-то подвох! Без PDA луч ускоряется до выхода из области отклонения. Из-за инерции электрона это означает, что луч не так легко преломляется, в связи с чем изображение уменьшается. Для корректировки необходим намного более мощный сигнал, чтобы отклонение луча стало достаточным для достижения им края экрана.
Сможет ли моя скромная плата отклонения обеспечить сигнал достаточной величины?
Сложности с отклонением
Обратимся к приведенной ниже спецификации 3RP1A. При работе на 2кВ с учетом максимальной границы диапазона пластинам отклонения оси X (Отклоняющие пластины 1–2) требуется колоссальный сигнал 198В для отклонения от центра всего на дюйм!
Значит для нашего экрана 3» необходимо 1.5×198 = ±300В (приблизительно), чтобы отклонить луч от центра к любому краю экрана. Это серьезная проблема. Стандартная плата отклонения Oscilloclock едва способна обеспечить ±200В до потери линейности.
В добавок к этому, выяснилось, что требуется добиться отклонения более 1.5» от центра! Взгляните на схему растрового изображения ниже, которое мне нужно было отобразить. Так оно выглядит при VGA сигнале 800×600. Обратите внимание на площадь мертвых зон, особенно слева и справа. Эта область определяется в VGA стандарте как импульс синхронизации, а также тайминги переднего фронта и заднего фронта, которые дают цепи дисплея время подготовиться к обработке каждой строки.
VGA-наложение, показывающее мертвые зоны
Следующая сложность (сколько их еще будет?) в том, что нам нужно отрисовывать круг в разрешении 800×600 с соотношением сторон 4:3 на круглом экране с соотношением 1:1. После преобразования всех разрешений в соотношение 1:1 и выражения их в дюймах для удобства, получаем следующее:
Соотношение сторон, приведенное к 1:1 и преобразованное в дюймы
Отсюда следует, что луч должен перемещаться максимум на +2.525» вправо и на 3.325» влево, обеспечивая перемещение фактического круга изображения радара на ±1.5» и достижение им края экрана. Но отклонение -3.325» по оси X (Отражающие пластины 1–2) при 198В/дюйм требует не менее -658В! Куда уж тут моей плате с напряжением ±200В…
Побежден —, но не сломлен!
Спустя несколько часов мыслительных метаний мне в голову пришла прекрасная идея. Вот ряд сопутствующих ей фактов:
- На VGA-диаграмме большая часть мертвой зоны относится к направлению X. Для Y эта зона существенно меньше.
- Согласно спецификации ЭЛТ отклонение в «Отклоняющих пластинах 3–4» более чувствительно, чем в «Отклоняющих пластинах 1–2». Причина в том, что 3–4 пластины расположены ближе к электронной пушке, и в этой области электроны движутся медленнее.
- Из-за повышенной чувствительности пластин 3–4 практически во всех осциллоскопах к ним подается вертикальный сигнал. И слепо следуя этой условности, я тоже планировал приспособить для этих пластин выход Y.
- Но в VGA-дисплее ни для вертикальных, ни для горизонтальных сигналов не характерна высокая частота. При этом оба этих вида сигналов имеют одинаковую амплитуду от 0 до 5В. А значит чувствительность отклонения значения не имеет.
Так что Вау! К черту условности — почему бы не подключить проблемный выход X, которому для преодоления мертвой зоны нужно намного большее отклонение, чем Y, к более чувствительным пластинам 3–4? А после просто повернуть трубку на 90 градусов!
Нужно еще раз все рассчитать…
Отклонение 3.325» по оси X при использовании более чувствительных пластин 3–4 при 140В/дюйм (в худшем случае) требует -466В! Это фантастическое улучшение по сравнению с -658В, но все еще намного больше, чем ±200В, которые может обеспечить моя плата…
Излечение платы отклонения
Вот незадача! Место для этой статьи закончилось. Но я попрошу вас, мой дорогой читатель, набраться немного терпения, потому что вскоре последует продолжение, в котором мы рассмотрим базовую схему платы отклонения, попытаемся понять ПОЧЕМУ она не может пропускать линейно более ±200В и в завершении узнаем, как я обошел это ограничение.
