Autore: Samuel M. Goldwasser
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Traduzione: Antonio Cristiani
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Ai tempi passati dei piccoli computer, una telescrivente da 110 baud con un lettore personale di nastro perforato rappresentava la periferica 'preferita' di input-output (nel senso che si trattava già di un enorme miglioramento rispetto alle schede perforate e all'avere a che fare con gli ottusi incompetenti nella sala dei computer. Il 'piccolo' nella frase sta a significare un apparecchio che si possa sistemare con una certa comodità in un paio di rack elettronici da 2 metri cadauno!
I primi personal computer non erano provvisti di un apposito monitor, ma venivano collegati al televisore domestico. Eravate costretti a condividere un solo televisore con i vostri bambini, che spesso riuscivano ad avere partita vinta. Il Commodore 64 non avrebbe avuto il successo che tutti conosciamo se fosse stato progettato per collegarsi solo ad un costoso monitor invece che un economico televisore, già presente in ogni famiglia.
Ad ogni modo, man mano che le prestazioni dei computer miglioravano, divenne subito evidente l'esigenza di un monitor dedicato. Anche per la visualizzazione del semplice testo, un televisore può visualizzare solo un massimo di 40 caratteri attraverso lo schermo con un certo livello di leggibilità.
Quando fu introdotto, il PC IBM era fornito con un simpatico monitor monocromatico a fosfori verdi in grado di visualizzare 80x25 caratteri di testo. Lo schermo era luminoso, vivo, e stabile. Furono poi aggiunte la grafica monocromatica (MGA o MDA) alla risoluzione di 720x350, CGA ad un intervallo di risoluzioni da 160x200 a 640x200 da 2 a 16 colori, e successivamente lo standard EGA estese queste caratteristiche fino ad una spettacolare risoluzione di 640x350. Si trattava di una risoluzione davvero elevata fino all'introduzione di Windows (beh, almeno fino a quando il Windows si diffuse a sufficienza perchè poteste curarvene).
Tutti questi monitor utilizzavano un segnale video digitale, per la precisione dei segnali TTL che codificavano uno specifico numero discreto di possibili colori ed intensità. Sia la scheda video che il monitor erano limitati a 2, 4, o 16 colori dipendentemente dallo standard grafico. I segnali video erano bit logici - zeri e uni.
Con l'introduzione dello standard VGA, la grafica dei personal computer divenne 'reale'. La VGA ed i suoi successori - PGA, XGA, e tutti i (non) standard SVGA utilizzano un segnale video analogico, ciascuno dei segnali Red, Green, Blue è cioè rappresentato da una tensione continua che può rappresentare un intervallo continuo di intensità per ciascun colore. In principio, un monitor analogico è in grado di visualizzare un numero infinito di possibili colori ed intensità. In pratica, l'inevitabile rumore e le limitazioni del cinescopio restringono il numero reale nell'ordine di 64-256 intensità distinguibili per ciascun canale.
Si noti che il video analogico era nuovo solo al mondo dei PC; i televisori e gli altri apparecchi video, le workstation, e i sistemi di analisi delle immagini avevano utilizzato segnali analogici per molti anni prima che i PC 'scoprissero' questo approccio. In tutta onestà, sia le schede video che i monitor analogici erano molto più costosi, e quindi non deve sorprendere il fatto che i primi PC non utilizzassero il video analogico.
La maggior parte delle informazioni contenute nel presente documento si applica ai monitor video a colori per computer ed ai monitor da studio televisivo, così come alle parti di visualizzazione dei televisori. I monitor in bianco e nero, a scala di grigi e monocromatici utilizzano un sottoinsieme della circuitazione dei monitor a colori (e generalmente a livelli di potenza inferiori), e quindi molta della trattazione si applica anche ad essi.
Per la maggior parte delle descrizioni dei sintomi, controlli, diagnosi e riparazione, si assume il caso di un monitor SVGA multiscan per PC. Per un monitor da workstation a frequenza fissa, un monitor video da studio televisivo, o un monitor per TV a circuito chiuso, si applica solo un sottoinsieme dei possibili guasti e relative procedure di riparazione.
Consultate i documenti "Note per la ricerca dei guasti e la riparazione di piccoli alimentatori switching" e "Note per la ricerca dei guasti e la riparazione di televisori" per ulteriori utili puntatori. Poichè un monitor deve espletare un sottoinsieme delle funzioni di un televisore, molti dei problemi e delle relative soluzioni sono similari. Per i problemi legati ai circuiti di alimentazione, potrebbe risultare di aiuto la lettura del documento relativo alla riparazione dei piccoli alimentatori switching. Se state prendendo in considerazione l'acquisto di un monitor o ne possedete uno di cui vorreste valutare le prestazioni, consultate il documento "Controllo delle prestazioni di monitor video e per computer".
I monitor progettati per i PC e le workstations o per l'utilizzo in studi televisivi hanno molte caratteristiche in comune. I moderni monitor per computer condividono con i televisori molte similarità, ma il multisync ed i circuiti di deflessione ad alta frequenza di scansione, uniti ad alimentatori più sofisticati, complicano la loro manutenzione e riparazione.
Attualmente, la maggior parte dei monitor per computer sono ancora basati sul tubo a raggi catodici come dispositivo di visualizzazione. Ad ogni modo gli apparecchi portatili, i computer laptop e gli schermi montati all'interno dei proiettori video utilizzano la tecnologia flat panel, quasi sempre implementata con display a cristalli liquidi (LCD). Questi schermi sono molto più compatti di quelli con tubo a raggi catodici, utilizzano una minor potenza, e dispongono di una migliore geometria, ma presentano purtroppo alcuni difetti.
Per prima cosa, la qualità dell'immagine risulta generalmente minore in termini di scala di grigi, ed i colori sono generalmente inferiori rispetto a quelli di un monitor analogico decente. Il numero di sfumature distinte di grigio o di colori distinti è molto più limitato. Questi schermi non presentano generalmente una risposta immediata come quelli a raggi catodici quando si tratta di visualizzare dei filmati in tempo reale, caratteristica che sta diventando sempre più importante con la diffusione dei computer multimediali. La luminosità non è generalmente buona come quella di un decente schermo con tubo a raggi catodici. Ed infine, il costo è molto ma molto superiore a causa della maggiore complessità della tecnologia flat panel e dei minori volumi di produzione (sebbene questi cresceranno sicuramente di botto). E' davvero difficile battere la semplicità del tubo a raggi catodici shadowmask. Per esempio, un pannello LCD a colori a matrice attiva di qualità decente potrebbe aggiungere 1.500.000 di Lire al costo di un computer notebook, invece delle 300.000 Lire di un monitor VGA. La maggior parte di questi pannelli finisce nei rifiuti piuttosto che proseguire nella catena di montaggio, a causa di imperfezioni di produzione.
Ad ogni modo, una varietà di tecnologie sono attualmente in competizione per essere utilizzate negli schermi flat panel in futuro. Tra queste annoveriamo gli LCD avanzati, la scarica al plasma, e gli schermi field emission. Solo il tempo dirà quale di queste tecnologie (o magari una ancora da scoprire) diverrà l'unica immagine-sul-muro o lo schermo dei notepad, ad un costo ragionevole.
I televisori ed i monitor a proiezione a grande schermo d'altro canto potrebbero trarre vantaggio dagli ultimi sviluppi nella micromachining integrata, il Digital Micromirror Device (DMD) della Texas Instruments Inc. Si tratta basilarmente di un circuito integrato con un microspecchio inclinabile per ciascun pixel, fabricato sulla base di una cella di memoria statica (RAM). Questa tecnologia permetterebbe di realizzare schermi a proiezione praticamente di qualunque dimensione, e quindi potrebbe essere utilizzabile per i monitor per computer ad alta risoluzione così come per la HDTV. Poichè si tratta di un dispositivo a riflessione, la sorgente di luce può essere luminosa a volontà. Non si tratta ancora di un prodotto commerciale, ma state all'erta.
Le caratteristiche di uno schermo sono descritte dai seguenti parametri:
Risoluzione: il numero di pixel distinguibili su ciascuna linea ed il numero di linee di scansione. Anche la larghezza di banda della sorgente di segnale video, il cavo e gli amplificatori video del monitor così come lo spot size del fuoco del CRT sono tutti fattori critici. Ad ogni modo, la massima risoluzione di uno schermo a colori realizzato con un tubo a raggi catodici è limitata dal dot/slot/line pitch dello shadow/slot mask o aperture grille del cinescopio.
Refresh rate: il numero di immagini complete 'disegnate' sullo schermo per ogni secondo. La scansione non-interlacciata o progressiva disegna l'intero fotogramma durante ciascuna spazzata dello schermo dall'alto al basso. La scansione interlacciata disegna una metà del fotogramma per volta, denominata un campo; per prima cosa viene disegnato il campo dispari e quindi il campo pari. Questa alternanza riduce l'apparente sfarfallamento per una data larghezza di banda durante la visualizzazione di un'immagine liscia come nel caso di un televisore. Di solito questa tecnica non è idonea per la grafica generata da un computer, poichè delle sottili linee orizzontali tendono a sfarfallare ad una frequenza uguale alla metà di quella di scansione verticale. Il refresh rate è il fattore predominante che influenza lo sfarfallamento dell'immagine sebbene occorre prendere in considerazione anche la persistenza dei fosfori del tubo a raggi catodici; dei fosfori a lunga persistenza riducono lo sfarfallamento a spese di un po' di confusione sulle quando le immagini cambiano o si muovono. La frequenza di scansione verticale è uguale al refresh rate per i monitor non-interlacciati, ma è il doppio del refresh rate per i monitor interlacciati (1 fotogramma equivale a 2 campi). Una frequenza di refresh-rate verticale non-interlacciata di 70-75 Hz è consigliata per i monitor per computer. I televisori utilizzano una scansione interlacciata a 25 o 30 Hz (frame rate) nella maggior parte degli Stati.
Frequenza di scansione orizzontale: la frequenza a cui i raggi elettronici si spostano attraverso lo schermo. La frequenza di scansione orizzontale rappresenta spesso il fattore limitativo nel supporto di schermi ad alto refresh rate ed alta risoluzione. Ecco perchè si potrebbero verificare dei guasti se vengono superati i limiti di frequenza di scansione, a causa del livello di stress dei componenti nei sistemi di deflessione ad alte prestazioni.
A colori o monocromatico: un monitor a colori dispone di un tubo a raggi catodici con tre raggi elettronici, ciascuno associato ad un colore primario - rosso, verde, o blu. E' possibile creare quasi tutti i colori visibili mescolando opportunamente un insieme di colori primari con idonee caratteristiche spettrali utilizzando questo sistema additivo di colore.
Un monitor monocromatico dispone di un tubo a raggi catodici con un singolo raggio elettronico. Ad ogni modo, il colore reale dello schermo può essere bianco, ambra, verde, o qualunque altro colore desiderato, visto che il colore è determinato dai fosfori del tubo a raggi catodici scelto.
Segnale digitale o analogico: un ingresso digitale può solo assumere un discreto numero di stati dipendentemente da quanti bit sono previsti. Un ingresso a singolo bit è in grado di produrre due soli livelli, di solito bianco (o ambra, verde, ecc.) o nero. Con quattro bit (come nei monitor EGA) è possibile visualizzare fino a 16 colori (con un monitor a colori) o 16 livelli di grigio (con un monitor monocromatico).
Un ingresso analogico consente di visualizzare un numero teoricamente illimitato di possibili livelli di grigio o di colore. Ad ogni modo, i convertitori digitale-analogico montati nelle schede video o memorie di quadro e/o l'inevitabile rumore ed altra caratteristiche del tubo a raggi catodici, e per finire le limitazioni nel sistema psicovisivo occhio-cervello limiteranno questi valori ad un massimo di 64-256 livelli distinguibili di grigio o per ciascun canale del colore.
Ad ogni modo, le sorgenti video digitali ad alte prestazioni potrebbero montare dei RAMDAC (convertitori D/A con tabelle di lookup video) con 10 o più bit di risoluzione di intensità. Sebbene non sia possibile percepire questi livelli distinti di grigio o colori (per ciascun canale del colore), è possibile applicare una più accurata correzione della scala dei toni ('gamma') attraverso una tabella di lookup nel RAMDAC per compensare la inevitabile non-linearità della risposta dei fosfori del tubo a raggi catodici o per uguagliare delle specifiche necessità fotometriche.
I monitor possono essere classificati in tre generiche categorie:
Monitor da studio: a frequenza di scansione fissa in base agli standard televisivi adottati nel Paese in cui vengono utilizzati. Di alta qualità, spesso di alto costo, montati un un mobile utilitario (leggi: brutto), dotati di funzione underscan. Anche i piccoli monitor per TV a circuito chiuso rientrano in questa categoria. L'ingresso del segnale è generalmente composito (cioè NTSC o PAL) sebbene siano anche disponibili modelli RGB.
RGB a frequenza fissa: ad alta risoluzione, con frequenza di scansione fissa. Di alta qualità, alto costo, e dotati di visualizzazione molto stabile. Gli ingressi sono RGB analogici che utilizzano o connettori BNC separati o un connettore 13W3 (Sun). Questi monitor spesso dispongono di funzione multisync. I modelli con connettori BNC consentono di pilotare più monitor da una stessa sorgente utilizzando la tecnica del daisychain. Generalmente vengono utilizzati in underscan sulle workstation (per esempio con X-window) in modo che sia visibile l'intero fotogramma. Esistono anche monitor monocromatici a frequenza fissa che possono disporre di ingressi digitali o analogici con connettori BNC, 13W3, o connettori speciali.
Multiscan o multisync: supportano più risoluzioni e frequenze di scansione, o più intervalli di risoluzioni e frequenze di scansione. Monitor di questo tipo se ne trovano di tutte le qualità e tutti i costi; sebbene il costo non costituisca un preciso metro della qualità di immagine e dell'affidabilità, esiste comunque una stretta correlazione. L'ingresso è quasi sempre RGB analogico, ma alcuni dei monitor più vecchi di questo tipo (per esempio il Mitsubishi AUM1381) supportano anche una varietà di modalità digitali (TTL). Un completo assortimento di controlli utente consente la regolazione della luminosità, contrasto, posizione, dimensione, ecc., secondo le proprie esigenze. La circuitazione nel monitor identifica automaticamente la frequenza di scansione video ed imposta la circuitazione appropriata. Nei progetti più sofisticati (e costosi), il monitor regola automaticamente anche i parametri appropriati in base alle impostazioni memorizzate dall'utente. Il connettore più comune è il DB15 VGA ad alta densità, sebbene potrebbero anche essere utilizzati dei BNC o in sostituzione del connettore VGA o come ingresso ausiliario (e di miglior qualità).
Grazie alla IBM. Poichè il PC si è evoluto in un periodo di 15 anni, le schede video sono cambiate e migliorate un certo numero di volte. In un sistema aperto, i distributori con vedute più aperte (e maggiormente disposti a rischiare) rispetto alla IBM uscivano di continuo sul mercato con delle schede video migliorate ad alta risoluzione. Nel caso delle workstation e dell'Apple MacIntosh, il distributore principale può controllare la maggior parte degli aspetti dell'hardware e software di un computer. Non è il caso dei PC. Sono state introdotte sul mercato delle nuove schede video migliorate che non seguivano nessuno degli standard per le modalità ad alta risoluzione (ma almeno riguardo al software tentavano di essere compatibili a ritroso con la VGA oroiginale così come con la EGA e la CGA). E' stato scritto un vasto numero di programmi progettati per controllare direttamente l'hardware CGA, EGA, e VGA. Le schede video potevano essere progettate in modo da emulare le vecchie modalità video su un monitor a frequenza fissa ad alta risoluzione (esistono schede di questo tipo per consentire l'utilizzo sui PC di monitor di alta qualità a frequenza di scansione fissa). Ad ogni modo, questo tipo di schede risulta molto più costoso rispetto a quelle basilari, che commutano semplicemente le frequenze di scansione in base alla modalità operativa. Quindi, i monitor multiscan si sono evoluti per accommodare le varie risoluzioni richieste dai differenti programmi.
Si noti che utilizzeremo il termine 'multiscan' per indicare un monitor che riconosce automaticamente la frequenza di scansione del segrale video in ingresso e seleziona la circuitazione di deflessione orizzontale e verticale appropriata e le tensioni di alimentazione per visualizzare il particolare segnale. I produttori utilizzano i termini più vari per descrivere le proprie versioni di questi monitor, incluse 'multisync', 'autosync', 'panasync', e 'omnisync', così come 'multiscan'.
Fondamentalmente, il monitor a frequenza fissa potrebbe riapparire nel mondo dei PC, basta considerare che sta diventando sempre più economico progettare e produrre del complesso hardware per l'elaborazione digitale piuttosto che produrre degli affidabili circuiti elettronici analogici e di alimentazione di alta qualità necessari per un monitor multiscan; il mercato degli articoli speciali sta già iniziando a seguire questa tendenza. Forse lo sviluppo di chipset accelerati per l'emulazione delle modalità grafiche potrebbe essere forzato dalla crescente popolarità degli schermi flat panel, che sono basilarmente similari ai monitor a frequenza fissa in in termini di circuiti necessari per l'interfacciamento.
Ci sono due aspetti nella progettazione di un monitor che possono essere descritti in termini di caratteristiche analogiche o digitali:
Gli ingressi video. I primi monitor per PC, i monitor video per terminali, e i monitor monocromatici per workstation utilizzano in ingresso segnali digitali, di solito a livello TTL, ma alcuni monitor a risoluzione molto elevata possono anche utilizzare un livello ECL.
I controlli del monitor e l'interfaccia utente. Originariamente, tutti i monitor utilizzavano delle manopole, a volte in numero consistente, per controllare tutte le funzioni come luminosità, contrasto, posizione, ampiezza, linearità, correzione est-ovest, convergenza, ecc. Ad ogni modo, con la riduzione dei costi dei circuiti digitali, e la crescente necessità di memorizzare i settaggi relativi a più frequenze di scansione e più risoluzioni, i controlli digitali realizzati tramite un microprocessore sono diventati un'attraente alternativa in termini di progettazione, costi di produzione e comodità d'uso. Ora, la maggior parte dei monitor di fascia alta utilizzano dei controlli digitali con pulsanti e menù per quasi tutte le regolazioni, fatta forse eccezione per la luminosità e il contrasto dove le manopole risultano ancora il sistema più conveniente.
Poichè i monitor con ingressi per segnali digitali sono ormai pressochè estinti oggigiorno fatta eccezione per applicazioni specializzate, è spesso sicuro assumere che il termine 'digitale' sia riferito all'interfaccia utente ed al controllo realizzato con microprocessore.
Il funzionamento o meno in modo interlacciato dipende quasi sempre dalle temporizzazioni del segnale video in ingresso. L'impulso di sincronismo verticale è spostato di un ammontare uguale ad 1/2 della durata di linea nei campi alternati (scansioni verticali, due campi costituiscono un frame quando viene utilizzata la scansione interlacciata).
Generalmente, un monitor che funziona ad una certa risoluzione in modo non-interlacciato può funzionare in modo interlacciato ad una risoluzione con un numero più o meno doppio di pixel alla stessa frequenza di scansione orizzontale. Per esempio, un monitor che funziona a 1024x768 in modo non-interlacciato con frame rate di 70 Hz funzionerà a 1280x1024 in modo interlacciato con frame rate di 40 Hz. Il fatto che l'immagine prodotta sia o meno utilizzabile alla risoluzione più alta dipende naturalmente anche da molti altri fattori, inclusi il dot pitch del tubo a raggi catodici e la larghezza di banda video della scheda video o degli amplificatori video del monitor, come pure dalla qualità del cavo e dalla terminazione. Anche lo sfarfallamento delle sottili linee orizzontali potrebbe risultare discutibile.
La qualità finale di visualizzazione di un monitor è influezata da molti aspetti nel sistema totale composto dalla sorgente video/computer-cavo-monitor. Tra questi annoveriamo:
Risoluzione della sorgente video; per uno schermo destinato ad un computer, questa è determinata dal numero di pixel su ciascuna linea di scansione visibile e dal numero di linee di scansione visibili sull'intera immagine.
Il pitch della maschera shadow o aperture grille del tubo a raggi catodici. Il più piccolo elemento di colore sulla superficie frontale del tubo a raggi catodici è determinato dalla spaziatura dei gruppo di fosfori di colore Red, Green, e Blue. La reale conversione da pitch a punto o linea alla risoluzione differisce leggermente nei casi dei tubi a raggi catodici con maschera a punti o fessure o tubi aperture grille ma in genere, più è piccolo e meglio è, oltre a costare ovviamente di più.
I tubi a raggi catodici utilizzati nei televisori dispongono di un pitch relativamente elevato: 0,75 mm potrebbero rappresentare una specifica ragionevole per un apparecchio da 20 pollici. I monitor ad alta risoluzione per computer potrebbero avere un dot pitch di soli 0,22 mm per una dimensione simile dello schermo.
E' possibile ottenere una qualche indicazione sulla massima risoluzione possibile del tubo a raggi catodici determinando il numero di gruppi completi di fosfori che entrano attraverso la parte visibile dello schermo.
Facendo funzionare un tubo a raggi catodici ad una risoluzione troppo elevata si potrebbe generare un effetto Moire, un pattern di interferenza che si manifesterà con linee di contorno nella aree uniformemente luminose dell'immagine. Ad ogni modo, sono molti i fattori che possono far si che questo sia o meno un problema. Consultate il paragrafo "Linee di contorno su monitor ad alta risoluzione - effetto Moire".
Larghezza di banda della sorgente video o della scheda video, utilizzo di amplificatori video e convertitori digitale/analogico di alte prestazioni.
Qualità del segnale della sorgente video o scheda video; una circuitazione ben progettata, con un alimentatore adeguatamente filtrato e componenti di alta qualità.
Dei cavi di alta qualità con terminazioni corrette e della minima lunghezza richiesta, senza estensioni o box di commutazione, a meno che questi ultimi non siano progettati esplicitamente per segnali video a larga banda.
Nitidezza del fuoco; anche se il pitch dei punti del tubo a raggi catodici è molto piccolo, un raggio elettronico che effettua una scansione poco precisa produrrà un'immagine di scarsa qualità.