Ламповый дисплей для компьютера. Часть 1 — обзор конепций и постановка задачи
Всем привет! Мне с большим трудом удалось побороть лень и начать писать новый цикл статей, но на этот раз не о лазерах. Дело в том, что лазеры — не единственный мой интерес, значительное место в списке интересов у меня занимает ламповая техника в её разнообразных проявлениях, и совершенно особый фетиш — советская ламповая радиолокационная аппаратура. Мне давно хотелось отвлечься от лазеров и создать что-то такое, что, как бы это ни звучало банально, не имеет аналогов. Потому вспомнил одну старую идею, очень долго лежавшую в «долгом ящике». И речь в статье пойдет о нестандартных устройствах отображения визуальной информации.
Как известно, с определенного момента времени, ни один компьютер не обходится без дисплея, через который происходит 90% взаимодействия с пользователем. В ходе истории развития компьютерной техники дисплеи неоднократно видоизменялись, но в итоге все свелось к нескольким общеизвестным стандартам дисплейных интрфейсов. Сами же дисплеи на текущий момент представлены одной доминирующей технологией, основанной на жидких кристаллах, хотя ещё 10 лет назад были распространены дисплеи на ЭЛТ. Надо отметить, что в этой области теперь нет абсолютно никакого разнообразия. Но для человека, увлекающегося электроникой, открывается определенный простор для творчества, который я предлагаю рассмотреть в данной статье. Начну, пожалуй, с того, что много лет назад в англоязычном сегменте интернета мне попалась статья о том, что можно сделать несложный преобразователь, который позволит подключить к компьютеру обыкновенный осциллограф и использовать его как дисплей. Первой моей реакцией стало: «А что, так можно разве?» Статья элементарно находится по запросу в гугле «VGA to scope converter» и находится здесь: www.electronixandmore.com/projects/vgatoscope/index.html
Идея схемы состоит в том, что из ВГА сигнала выделяются синхроимпульсы, которые запускают генераторы развертки на 555х таймерах, сигналы из которых подаются на входы Х и У осциллографа и создают на его экране растр, а компонетные сигналы видео RGB объединяются в монохромный сигнал сумматором на резисторах, усиливаются операционным усилителем и подаются на вход Z осциллографа, который управляет яркостью. Таким образом, получается классическая растровая картинка, как на обычном ЭЛТ мониторе. Схема достаточно проста, не содержит дефицитных деталей, не требует навыков программирования (так как в составе схемы нет контроллеров) и приводится ниже.
Несмотря на то, что данная схема подкупает своей простотой, она имеет существенные недостатки. Во-первых, результат сильно зависит от качества примененного осциллографа. Осциллографы с большим размером экрана и тонкой фокусировкой электронного пучка достаточно редки и дороги. Даже применяя хороший широкополосный осциллограф, качества картинки ожидать не приходится — его ЭЛТ просто не предназначена для отображения графической информации с обилием мелких деталей, и не обладает достаточной разрешающей способностью. Что и можно увидеть на картинках ниже.
Во-вторых, в схеме конвертера применяется максимально примитивный видеоусилитель, который не имеет достаточной полосы пропускания. От этого качество изображения страдает ещё сильнее. Из этого можно сделать вывод, что как proof of concept это устройство годится, но регулярно им пользоваться невозможно.
Когда я впервые увидел эту статью, я ещё не знал о недостатках описанного устройства, да и хорошего осциллографа у меня не было, а был в распоряжении только очень древний С1–1 построенный на октальных лампах, и слабо годившийся для этой цели. Идея повторить это устройство была отложена в «очень долгий ящик».
С течением времени накапливался и мой опыт, а заодно и запасы элементной базы. Окончательно сформировался интерес к ламповой технике и полное отторжение современной электроники в моем творчестве. Периодически я подглядывал за творчеством других энтузиастов, которых интересовало создание необычного дисплейного устройства. В большинстве случаев все сводилось опять же к выводу изображения на экран осциллографа. Для примера можно посмотреть статьи здесь же, на Хабре. Например, раз: habr.com/ru/articles/221591
В этой статье показан пример векторного рисования на экране осциллографа, что дает достаточно неплохой результат. Но для реализации этого способа обычно применяют контроллер, требующий программирования. Дальше вариант номер два, предлагающий растровый метод рисования изображения на экране осциллографа. И на этот раз тоже — по непонятным причинам автор решил применить контроллер — несмотря на то, что он на самом деле не нужен. (см. схему выше). habr.com/ru/articles/394531 Как написано в статье, возможности устройства ограничиваются отображением 7 букв или цифр на экране. Для чего может пригодиться такая концепция кроме абсолютно надоевших «часов на электронно-лучевой трубке» — непонятно. Единственное, что выделяет эту схему — отсутствие необходимости во входе Х у осциллографа. Но это очень сильно ограничивает возможности. Стоит обратить внимание и на вариант номер три: В статье по ссылке habr.com/ru/articles/375117 описывается очень оригинальный способ векторного рисования на экране осциллографа, не требующий ни аналогового конвертера, ни цифрового. Функцию конвертера выполняет звуковая карта компьютера, осциллограф подключается к ней напрямую. Для генерирования изображения используется программная обработка видеопотока. Статья ссылается на оригинальный ресурс тут: www.lofibucket.com/articles/oscilloscope_quake.html
Ну и нельзя не упомянуть незабвенный векторный мультик на осцллографе. habr.com/ru/articles/173833 Графика оного на экране сделана тоже с помощью контроллера.
Подытоживая вышесказанное, заключим, что реализация дисплейных устройств на основе осциллографа однотипна — — собственно осциллограф и контроллер, мощность которого зачастую превышает мощность ранних ПК на 286, 386 и даже 486 процессорах (тактовая частота ардуино дью составляет 84МГц).
Пусть в меня сейчас бросают камни и тапки, но такой чисто программистский подход к решению задачи — это явная деградация технического творчества. Какое творчество может быть в покупке готовой платы в китае и подключении её к осциллографу? Ответ, похоже, очевиден.
Какие ещё могут быть способы реализации необычного дисплейного устройства? Например, дисплей можно построить на основе плазменной панели ГИП10000, которая применялась в ряде промышленных устройств, например советском цифровом осциллографе С9–9 или машинке для счета банкнот. ГИП10000 объединялась с пакетом плат управления для встраивания в промышленные устройства и выпускалась под названием «Индикатор ИМГ1–03». Такой индикатор тоже можно применить в качестве дисплея, а для этого его надо как-то подружить с компьютером, что описано в этой статье. habr.com/ru/articles/588588 Редкий случай действительно интересного проекта с очень обстоятельной проработкой. Тем не менее, это устройство тоже можно отнести скорее к разряду демонстрационных.
Можно ли создать необычный дисплей для компьютера, и при этом создать его так, чтобы повседневно им пользоваться? Ответ на этот вопрос — да, можно. Можно ли это сделать так, как никто никогда ещё не делал? Да, можно. Если построить его на радиолампах без микросхем, и, тем более, контроллеров. Так и обозначилась постановка задачи — создать полностью ламповый дисплей для компьютера. На первый взгляд она может показаться абсурдной (адепты контроллеров и программирования зачастую не могут выйти за рамки своего мировосприятия, как показано в примерах выше), но только на первый взгляд. Для того, чтобы получился дисплей, пригодный для повседневной работы, нужна большая площадь экрана. И для этого идеальным образом подходит электронно-лучевая трубка от индикатора кругового обзора радиолокатора. Такие ЭЛТ выделяются в отдельный класс и называются индикаторными. От осциллографических они отличаются способом отклонения и фокусировки электронного пучка — магнитным вместо электростатического. В отличие от электростатического, магнитное отклонение более тормознутое (сердечник отклоняющей системы не успевает перемагничиватсья слишком быстро), но при этом позволяет отклонить электронный пучок на больший угол, а значит — обеспечить большую площадь изображения при умеренной габаритной длине ЭЛТ, а магнитная фокусировка дает возможность сфокусировать пучок гораздо более тонко. Эти особенности трубок с магнитным отклонением и фокусировкой обусловили их длительное господство в телевизионной и дисплейной технике. Помимо классических индикаторных ЭЛТ, в радиолокационной технике, и, особенно, в системах управления воздушным движением, применялись особые электронно-лучевые трубки — характроны. Ламповая техника не позволяла строить векторные или растровые знакогенераторы, потому задачу отображения символьной информации решили в лоб — внутри ЭЛТ разместили трафарет с отверстиями в виде разных символов и значков, которые требуется отображать на экране. Проходящий электронный пучок через трафарет принимал форму требуемого символа и затем попадал на люминофор. Выбор нужного символа осуществлялся путем смещения пучка по трафарету с помощью обычной электростатической отклоняющей системы. Таким образом, вместо сложного алгоритма управления пучком для отрисовки контура символов использовалось простейшее изменение напряжения на отклоняющих пластинах по линейному закону. На рисунке ниже представлено схематическое устройство электронно-оптической системы характрона.
Пучок электронов, выпущенный электронной пушкой ЭП, проходит систему отклоняющих пластин, называемых «выбирающими» (ОСВЗ), которые его направляют на нужное отверстие в трафарете-матрице М. Далее, пучок фокусируется магнитным полем фокусирующей катушки ФК. После этого пучок нужно заново сцентрировать по оси трубки, для этого он проходит вторую систему отклоняющих пластин, которая называется «компенсирующей» (КОС). Для установки сформированного символа в нужном месте на экране используется третья отклоняющая система АОС, которая может быть или электростаической или элеткромагнитной. В характронах чаще использовалось электростатическое отклонение, но применялось и магнитное. Фокусировка чаще применялась магнитная.
Поскольку в характронах используется 3 последовательно расположенных отклоняющие системы, то итоговые габариты ЭЛТ получаются воистину монструозными. На фото показан имеющийся у меня характрон от авиадиспетчерского пульта с диаметром экрана 51 см. Габаритная длина трубки превышает 1 м, а масса 25 кг. Для масштаба рядом лежит весьма немаленькая генераторная лампа — ГУ10А
На этом фото показана символьная матрица этой трубки, по символам можно однозначно понять, где она применялась.
Построить на такой ЭЛТ дисплей было бы интересно, но на выходе получились бы слишком уж конские габариты. Очень похожие трубки применялись в дисплеях американского лампового компьютера AN\FSQ7, который обрабатывал радиолокационную информацию с многочисленных РЛС и управлял системой противоракетной обороны SAGE. Система была настолько сложной, что очень долго отлаживалась, попав, по сути, в «производственный ад» и фактически успела устареть к моменту постановки на вооружение. Дисплей у этой системы был действительно монументальным устройством.
Для доступа к ЭЛТ и электронике лицевая часть поднималась вверх на петлях, а сама ЭЛТ выдвигалась вперед. Похожий конструктив применяется сейчас у банкоматов.
Так что, хотя характрон очень интересная ЭЛТ, применить её в жизни крайне проблематично. Посему я решил остановить свой выбор на обычной индикаторной ЭЛТ 45ЛМ2У. При диаметре экрана в 45 см её габаритная длина втрое меньше, чем у характрона и не превышает размер обыкновенного кинескопа тех же времен. Эта ЭЛТ имеет очень хорошие параметры — она позиционируется как ЭЛТ высокой чёткости с заявленным разрешением в 1500 линий в центре экрана. Фокусировка и отклонение луча — магнитные. Угол отклонения 70 градусов, а экран зелёного цвета свечения с коротким послесвечением. Для растрового дисплея лучше не придумать.
Таким образом, основа для будущего лампового дисплея выбрана и дальше предстояло создать электронику для его работы, что и превратилось в увлекательный проект. Ведь стояла задача реализовать это без единого полупроводникового элемента — да, полупроводниковые диоды также исключались! Только лампы, только хардкор! И разбор этой задачи я начал с понимания того, что есть VGA интерфейс, по которому планировалось общение этого дисплея с компьютером. VGA это простой аналоговый интерфейс, у которого есть 3 линии компонентного видеосигнала — по отдельным проводам идут сигналы, красного, зеленого и синего цветов и есть отдельно 2 линии синхроимпульсов — по одному проводу идут импульсы запуска строчной развертки, по другому — импульсы запуска кадровой развертки.
Поскольку ЭЛТ монохромная, то отдельные цветовые видеосигналы нужно собрать в один суммарный яркостный видеосигнал; проще всего это сделать смесителем на резисторах из «оригинальной статьи» (https://www.electronixandmore.com/projects/vgatoscope/index.html) Затем этот яркостный видеосигнал нужно увеличить до амплитуды, достаточной для модуляции луча в ЭЛТ, для чего понадобится видеоусилитель. На первый взгляд, если вникнуть в спецификацию VGA, видеоусилитель должен обладать нетривиально широкой полосой — порядка 80 МГц для видеорежима 1024×768 при частоте обновления 75 Гц. Для того, чтобы был запас, полоса желательна в 100МГц. Однако, в случае смешения RGB в яркостный сигнал, полосу можно уменьшить в три раза, а значит — достаточно 30 МГц.
В зависимости от выбранного видеорежима, видеокарта может выдавать импульсы запуска разверток различной полярности, при этом оба сигнала могут быть как одинаковой, так и противоположных полярностей. Готовый дисплей должен поддерживать смену видеорежимов без перенастройки, что означает, что задающие генераторы разверток должны запускаться одинаково при любой полярности синхроимпульса. Возможность перехода между видеорежимами налагает несколько специфических требований — выходные каскады разверток должны работать на разных частотах; генераторы разверток должны обладать хорошей амплитудной и фазовой стабильностью; применять выходной каскад строчной развертки для генерирования высокого напряжения присоски ЭЛТ не следует, так как с изменением частоты развертки напряжение будет изменяться в широких пределах. Соответственно, генератор высокого напряжения должен быть отдельным узлом, желательно со стабилизацией, чтобы напряжение в присоске не изменялось в зависимости от тока луча.
В результате обрисовывается минимальный набор структурных блоков: узел преобразования синхросигналов в пилообразные импульсы разверток, выходные каскады разверток, видеоусилитель, стабилизированный блок высокого напряжения присоски, блок питания накальных/ анодных цепей и смещения. Поскольку от качества питания напрямую зависит работа всех остальных узлов, то обязательно нужна стабилизация всех напряжений, а для питания катушки магнитной фокусировки — стабилизация тока. Распутывать этот клубок задач я решил с запуска самой ЭЛТ — с того, чтобы создать необходимые для неё источники питания. Это был непростой путь, приведший к созданию работающего макета. Вот что получилось в результате. О том КАК это получилось — напишу в следующей части. Не переключайтесь!
PS: если есть желание, любой читатель может оказать помощь в виде доната криптовалютой на любой из этих кошельков:
BTC: 3BV9B2Jsy8CY86YHpsBgrXsQe3N2db8yF8
ETH: 0×193c70a3826c63eb3738a9d3c982c02ba3a07c84 (QR прилагается)
doge: DLLNGqSeyXo786jiurzMAnj8USwaU5u9xY (QR тоже есть)
Я пробовал подключить сервис destream для того чтобы тут появилась кнопка «задонатить», но узнал что для этого требуется разглашение личных данных, что для меня неприемлемо. Поэтому только криптовалюта.
