Monitore und Grafikkarten

Funktionsweise
Der wichtigste Baustein eines Monitors ist die Bildröhre. Im Hals der Bildröhre befinden sich 3 Elektronenkanonen, die jeweils einen Elektronenstrahl erzeugen. Jeder Elektronenstrahl strahlt genau eine Farbe an, nämlich rot, grün oder blau (RGB). Alle anderen Farben werden durch additive Farbmischung gebildet.


Die Elektronenstrahlen treffen auf die Leuchtschicht, auf der sich bestimmte Leuchtstoffe, die Phosphore, in den Farben rot, grün und blau (RGB) befinden. Damit jeder Elektronenstrahl nur die Phosphorinseln seiner Farbe trifft, schattet eine Maske aus Metall vor der Leuchtschicht die falschen Farbpunkte bzw. -streifen aus. Deswegen werden solche Bildröhren auch Schattenmaskenröhren genannt.


Die Elektronenstrahlen sind so angeordnet, daß sie sich in einer Ebene vor der Schattenmaske schneiden. Dies nennt man Konvergenz (zusammenlaufen in einem Punkt). Diese muß durch die Konvergenzspulen, die rechts und links von dem Bildröhrenhals angeordnet sind, eingestellt werden. Dabei müssen 2 verschiedene Einstellungen gemacht werden:


Einstellung der Konvergenz bei nicht abgelenkten Strahlen, d.h. in der Bildmitte (statische Konvergenz)
Konvergenz bei abgelenkten Strahlen (dynamische Konvergenz)

Allerdings gestaltet sich die Einstellung der dynamischen Konvergenz als sehr schwierig, da der Bildschirm und die Schattenmaske eine flachere Krümmung haben als der Ablenkkreis der Elektronenstrahlen.


Weiterhin spielt die Farbreinheit eine große Rolle. Farbreinheit liegt dann vor, wenn jeder Elektronenstrahl seinen zugeordneten Farbpunkt genau in der Mitte trifft. Ist dies nicht der Fall, dann macht sich das in sogenannte Farbreinheitsfehlern bemerkbar. In einer weiße Fläche würde man dann Farbflecken von anderen Farben sehen.


Farbreinheitsfehler können durch Magnetisierung oder durch thermische Ausdehnung der Schattenmaske hervorgerufen werden. Auch äußere Magnetfelder, wie sie z.B. Lautsprecher erzeugen, können Farbreinheitsfehler hervorrufen. Allerdings besitzt jeder Monitor einen Entmagnetisierungsschalter, der beim Einschalten eventuellen Restmagnetismus beseitigt. Dazu wird ein rasch abklingender 50 Hz- Wechselstrom durch Entmagnetisierungsspulen, die sich am Hals der Bildröhre befinden, geschickt. Außerdem werden die Schattenmasken aus Material gebaut, die sehr unempfindlich gegen hohe Temperaturen sind. Treten dennoch Farbreinheitsfehler auf, können diese durch drehbare Magnetringe (=Reinheitsmagnete), die sich am Röhrenhals befinden, korrigiert werden.

1.1.1.1 Lochmaskenröhre

Bei der Lochmaske besteht die Leuchtschicht sowie die Schattenmaske aus Löchern, die so angeordnet sind, daß sich hinter jedem Loch ein Dreieck aus einem Farbtripel befindet. Deswegen werden die Lochmaskenröhren auch Deltaröhren genannt. Ebenso sind die Elektronenkanonen nicht in einer Ebene angeordnet, sondern in dreieckiger Form. Somit wird also gewährleistet, daß jeder Elektronenstrahl nur den Punkt seiner Farbe trifft.


Der Vorteil der Lochmaske ist, daß es durch die dichte Anordnung der Farbtripel ein insgesamt weicheres Bild erzeugt. z.B. fällt bei diagonalen Linien der unerwünschte Treppchen-Effekt fast weg. Allerdings ist der Kontrast nicht so gut, da zwischen den einzelnen Punkten immer etwas Freiraum bleibt. Außerdem ist die Abschattung der Lochmaske sehr groß, denn nur ungefähr 17% der Elektronenstrahlen erreichen auch wirklich ihr Ziel. Somit muß eine große Energie aufgewendet werden, um ein möglichst helles Bild zu bekommen.

1.1.1.2 Streifenmaskenröhre

Bei den Streifenmaskenröhren besteht die Leuchtschicht aus durchgängig von oben nach unten verlaufenden Streifen, vor der sich eine Maske aus senkrecht gespannten Drähten befindet, die für die korrekte Abschattung sorgen.


Die Streifenmaskenröhre hat den Vorteil, daß der Elektronenstrahl weniger abgeschattet wird. Dies führt zu einer höheren Farbreinheit und Helligkeit. Allerdings werden bei der Streifenmaskenröhre sogenannte waagerechte Stabilisierungsdrähte benötigt, die verhindern, daß bei Erschütterungen die vertikalen Drähte anfangen zu schwingen. Diese hinterlassen auf einen hellen Hintergrund einen dünnen, schwarzen und gut sichtbaren Streifen. Bei einem 15 Zoll Monitor existiert nur 1 schwarzer Streifen. Ein 17 Zoll Monitor besitzt schon 2 schwarze Streifen. Außerdem erhält man wieder den Treppchen-Effekt bei schrägen Linien.


Die Streifenmaskenröhre wird von 2 Firmen eingesetzt. Sony nennt seine Entwicklung Trinitron. Diese Bildröhren besitzen nur eine Elektronenkanone, die alle 3 Elektronenstrahlen erzeugt. Mitsubishi dagegen setzt für ihr System Diamondtron das übliche Dreistrahl-System ein.

1.1.1.3 CromaClear Bildröhre

Wie schon erwähnt, wurde die CromaClear Röhre von NEC entwickelt. Dabei gelang es zum erstenmal, die vom Fernseher bekannten Schlitzmasken auch in der für Computermonitore notwendigen Feinheit zu fertigen. Die Leuchtschicht ist genauso aufgebaut wie bei der Streifenmaskenröhre. Allerdings besteht die Schattenmaskenröhre nun aus ovalen Löchern (=Schlitze). Auch die Anordnung der Elektronenkanonen hat sich in Vergleich zu den Lochmaskenröhren geändert. Diese sind nun in einer Ebene angeordnet (In-Line). Dies hat den Vorteil, daß die Einstellung zur Farbreinheit nicht mehr so viele Schritte umfaßt. Die Elektronenkanonen müssen nämlich nur noch horizontal eingestellt werden, damit diese sich in einer Ebene vor der Schlitzmaske schneiden. Da die Elektronenkanonen schon in einer Ebene liegen und die Schattenmaske aus vertikalen Schlitzen besteht, ist es nicht mehr nötig die vertikale Ebene einzustellen.


Die Schlitzmaske vereinigt so die Vorteile der Loch- und Streifenmasken. Sie liefert eine erhöhte Lichtausbeute, da der Anteil an Leuchtfläche größer ist als bei der Lochmaskenröhre. Weiterhin hat man festgestellt, daß die CromaClear Röhre Bilder mit gutem Farbkontrast und einer sehr guten Schärfe bildet. Und sie ist im Gegensatz zur Streifenmaskenröhre unempfindlich gegen Erschütterungen.

1.1.2 Kriterien
1.1.2.1 Schirmdiagonale (Zoll ²)

Gibt die Größe der Bildröhre an.

Spanne der gängigsten: 14²-21²

Standardbenutzer: 15²
1.1.2.2 Maximale Auflösung (Pixelanzahl)

Gibt die Pixelanzahl Spalten mal Zeilen an.

Spanne der gängigsten: 640×480 (VGA) – 1600×1280 (VESA)

Standardbenutzer: 1024×768 (XGA)
1.1.2.3 Bildwiederholfrequenz (Hertz Hz)

Gibt an, wie oft der Monitor das Bild in der Sekunde aktualisiert.

Spanne der gängigsten: 50 – 150

Standardbenutzer: 75 Hz (mind. 72Hz sonst flimmern!)
1.1.2.4 Zeilenfrequenz(Kilo Hertz kHz)

Gibt die Zeit, die für den Aufbau einer Bildschirmzeile benötigt wird an.

(= Zeilenanzahl x Bildwiederholfrequenz)

Spanne der gängigsten: 24 – 107

Standardbenutzer: 45-60
1.1.2.5 Videobandbreite (Mega Hertz MHz)

Gibt an, wie schnell der Monitor die einzelnen Bildpunkte aufbaut.

(= Zeilenfrequenz x Bildpunkte pro Zeile x 10% Austastlücke (nicht sichtbarer Bereich))

Spanne der gängigsten: 30 – 200

Standardbenutzer: 60 – 130
1.1.2.6 Gewicht (Kilogramm kg)

Gibt das Gewicht des Monitors an.

Spanne der gängigsten: 10 – 30 kg

Standardbenutzer: ca. 20 kg
1.1.2.7 Weitere Kriterien sind:

Maße (HxBxT)

Stromverbrauch (normal / Powersave)

Strahlungsnormen (MPRII / TCO)

Besonderheiten (OnScreen – Menü / P&P / Garantie…)


Ein Kriterium für Schattenmaskenröhren ist der Punktabstand, auch Dot Pitch genannt. Dieser Wert gibt den Abstand zwischen zwei gleichfarbigen Punkten auf der Leuchtschicht an. Dabei wird je nach Bauart anders gemessen:


Lochmaskenröhre:

Bei der Lochmaskenröhre wird er diagonal gemessen.

Streifenmaskenröhre:

Bei den Streifenmaskenröhren wird der Punktabstand horizontal angegeben.


Heutzutage ist ein Dot Pitch von 0,27 mm üblich. Aber je kleiner dieser Wert ist ein desto besseres Bild kann dargestellt werden. Allerdings gilt, daß ein 21 Zoll Monitor ein größeren Dot Pitch haben kann als ein 15 Zoll Monitor, um ein Bild mit derselben Schärfe darzustellen.

1.2 Liquid Crystal Displays – LCD Bildschirme
1.2.1 Funktionsweise

LC- Displays bestehen aus zwei Teilen: der Hintergrundbeleuchtung und der Flüssigkristallschicht („liquid crystal“); die Schicht läßt das Licht der Beleuchtung entweder passieren oder nicht.


Der Trick mit der Lichtregelung:

Licht, das durch Flüssigkristalle geleitet wird, verändert je nach Ausrichtung der Moleküle seine Polarisation (Schwingungsebene der Wellen).

Nun kommt der Kniff: Zunächst leitet man das Licht der Hintergrundbeleuchtung durch einen Polarisationsfilter, so daß nur Licht einer bestimmten Schwingungsrichtung zu den Kristallen durchkommt. Diese sind in einem Zustand, bei dem die Moleküle eine 90-Grad-Schraube formen. Das Licht wird beim Passieren um diese 90 Grad in seiner Polarisation gedreht. Es verläßt das Display durch einen um 90 Grad gedrehten Polarisationsfilter.

Wird nun Spannung an die Flüssigkristalle angelegt, verändern diese ihre Ausrichtung und dadurch den Drehwinkel des durchscheinenden Lichtes. Durch die veränderte Drehung stimmt die Polarisationsebene nicht mehr mit dem zweiten Filter überein, das Licht kann das Display nicht mehr verlassen, das Display wird dunkel. Dieser Vorgang ist für jedes Pixel getrennt steuerbar. Über dem Ganzen liegen zudem noch Farbfilter in Rot, Grün und Blau, um mit einzelnen Punkten Farben darstellen zu können.


Die Probleme der LC- Displays:

Das alles funktioniert auf die gedachte Art aber nur mit Licht, das das Display lotrecht passiert. Schräg durchlaufendes Licht legt mehr Weg zurück und wird anders gedreht, kommt also schwächer oder stärker wieder heraus. So erklärt sich die schlechte Bildqualität beim Betrachten von der Seite.

Weiteres Problem siehe „Zusammenspiel Grafikkarte und Monitor“


Andere Darstellungsprobleme:

Der zweite Nachteil offenbart sich beim Umgang mit Auflösungen, die nicht den Auflösungen des Displays entsprechen. Der Textmodus hat 720 x 400 Pixel, das Display aber 1024 x 768.

Ein digitales Display hat zwei Möglichkeiten:

Entweder stellt es die geringere Auflösung verkleinert dar (mit schwarzem Rand), oder es muß entscheiden, welche Bildpunkte wohin genähert werden. Mit einem guten Anti-Aliasing-Algorithmus ist das kein Problem. Leider geben sich nur wenige Hersteller richtig Mühe.
1.2.1.1 Passive Matrix LC-Displays

Zur Ansteuerung der Flüssigkristallschicht wird eine Matrix verwendet, welche aus horizontalen und vertikalen (durchsichtigen) Leiterbahnen besteht. Die Zellen an den Kreuzungspunkten der horizontalen und vertikalen Leiterbahnen können nun eindeutig angesprochen werden.

Bei der Menge von zu ansteuernden Bildpunkten, bleibt jedem einzelnen Bildpunkt nur sehr wenig Zeit, sich bei Anlegen des elektrischen Feldes umzuorientieren, so daß das Licht keine Doppelbrechung erfährt. Um eine große Schnelligkeit zu erhalten, bedient man sich einer trägen Flüssigkristallschicht, bei der die Reorganisation relativ langsam vonstatten geht. Dies bedeutet, ein zeitlich kurzes elektrisches Feld zwingt die Moleküle verhältnismäßig schnell sich entlang der Fellinien auszurichten. In ihrer Ausgangslage, d.h. ohne ein elektrisches Feld, bewegen sie sich aber nur sehr langsam.

Die Verwendung einer solchen nematischen Flüssigkeit hat den Vorteil, daß Bildpunkte zwar schnell angezeigt werden können, aber häufig Punkte noch zu sehen sind, die in Wirklichkeit schon längst wieder verschwunden sein sollten. Dies kann man bei einem scrollenden Text erkennen, der sich verschmiert und ruckartig bewegt. Aber auch, wenn die Umsteuerung der Moleküle relativ schnell ist, so ist sie, für einen schnell bewegten Mauszeiger, zu langsam und der Zeiger ist erst gar nicht zu sehen. Ebenfalls zeigt sich ein weiterer unangenehmer Effekt; es findet ein sogenanntes Übersprechen statt, das bedeutet, daß nicht nur an den Kreuzungspunkten elektrische Felder ausbilden, sondern auch entlang der Leiterbahnen. Diese ungewollten elektrischen Felder zeigen sich als horizontale und vertikale Linien, je nach Qualität, mehr oder weniger stark ausgeprägt, auf dem Displays.

1.2.1.2 Aktiv Matrix oder Thin Film Transistor LC-Display


Wie schon erwähnt, entstehen bei Passiv Matrix LCDs horizontale und vertikale Linien, die durch elektrische Felder entlang der Leiterbahnen hervor gerufen werden. Eine Lösung bieten hier die Aktiv Matrix LC-Displays (AM-LCDs), wobei Aktiv nicht bedeutet, daß das Flüssigkristall selbst Licht erzeugt, sondern es drückt aus, daß sich an den Kreuzungspunkten der Matrix, also bei der Flüssigkristallzelle, ein aktiver Baustein befindet – ein Transistor.


Deshalb werden mit dieser Technik arbeitende Display auch Thin Film Transistor bzw. TFT-Displays (Mit einem dünnen Film von Transistoren arbeitende Displays) genannt. Diese sogenannten Transistoren steuern die Entladung eines Kondensators, welcher zu Umorientierung der Flüssigkristallmoleküle nötig ist. Da sich der Kondensator nur relativ langsam entlädt, braucht man nicht mehr auf eine träge Flüssigkristallschicht zurückzugreifen und kann dagegen eine schnellere verwenden. Somit wird das Display folglich auch schneller und das Phänomen der abtauchenden Mäusezeiger tritt so gut wie nicht mehr auf, im weiteren zeigen sich verschmierte oder ruckelnde Texte ebenfalls nicht mehr.


Gleichzeitig wurde durch diese Bauart ein weiterer negativer Effekt ausgelöscht; verloren die Passiv Matrix LCDs noch ihren Kontrast und Schärfe durch induktive Beeinflussung, verursacht durch andere elektrische Geräte, Überspannungsleitungen oder auch besonders durch angesteuerte Nachbarregionen innerhalb der Matrix; sind die TFT-Displays dagegen (fast) immun. Der Grund dafür ist, das die Matrix mit einem sehr schwachen Steuerstrom auskommt, somit ist eine Beeinflussung einer Nachbarregionen nicht mehr gegeben.

1.2.2 Kriterien
1.2.2.1 Aktiv oder Passiv LC- Display

Diese Entscheidung wird einem größtenteils von den Anbietern abgenommen, die vermehrt auf TFT – Displays umsteigen.
1.2.2.2 Schirmdiagonale (Zoll ²)

Gibt die Größe der Bildröhre an. Auch als sichtbare Diagonale bezeichnet (cm)

Spanne der gängigsten: 13² – 19² (30 – 50 cm)

Standardbenutzer: 14/15²
1.2.2.3 Blickwinkel (Grad °)

Gibt den Blickwinkel horizontal/vertikal und unten/oben an.

Spanne der gängigsten (h/v): ± 45° – ± 100°

Spanne der gängigsten (u/o): ± 20° – ± 80°

Standardbenutzer (h/v): ± 60°

Standardbenutzer (u/o): ± 50°
1.2.2.4 Maximale Auflösung (Pixelanzahl)

Gibt die Pixelanzahl Spalten mal Zeilen an.

Spanne der gängigsten: 800×600 – 1280×1024

Standardbenutzer: 1024×768
1.2.2.5 Anzahl Farben

Gibt die Anzahl der Farben an.

Standardbenutzer: (fast alle) 16,7 Mio.
1.2.2.6 Gewicht (Kilogramm kg)

Gibt das Gewicht des Monitors (meist inklusive des Netzteils) an.

Spanne der gängigsten: 4 –10 kg

Standardbenutzer: ca. 5 – 6 kg
1.2.2.7 Weitere Kriterien sind:

Maße (HxBxT)

Stromverbrauch (normal / Powersave)

Besonderheiten (OnScreen – Menü / Lautsprecher / Garantie…)


2 Grafikkarten
2.1 Zusammenspiel Grafikkarte und Monitor

Für den Bildaufbau wird im CRT- Monitor ein Elektronenstrahl erzeugt, der mit einer Frequenz horizontal und vertikal über die Bildfläche abgelenkt wird. Für die Synchronisation der Frequenzen sendet die Grafikkarte entsprechende Impulse an den Monitor. Da die meisten Grafikkarten jedoch nur bestimmte Vertikal- und Horizontalfrequenzen unterstützen, kann nicht jede Grafikkarte mit jedem Monitor kombiniert werden. Die heute angebotenen Bildschirme sind sogenannte Multifrequenz- Monitore, bei denen die Zeilenfrequenz nicht fest vorgegeben ist, sondern sich in gewissen Grenzen nach dem jeweiligen Eingangssignal richtet. Daher ist man beim Einsatz eines solchen Monitors in der Auswahl einer Grafikkarte weniger eingeschränkt als bei Festfrequenzmonitoren. Die Entscheidung für eine bestimmte Grafikkarte sollte immer im Zusammenhang mit der für einen Monitor getroffen werden. Hierbei sind Kriterien wie Auflösung, Bildwiederhol- und Zeilenfrequenz zu beachten.


Völlig andere Probleme lauern bei LC- Displays in der Ansteuerung. Grafikkarten erzeugen aus dem digitalen Bildspeicher analoge Signale, die zum Display geschickt werden. Zur Darstellung werden diese dort wieder digitalisiert – ein überflüssiger Schritt. Damit die Rückdigitalisierung nur wenig Qualität kostet, muß die Elektronik genau auf Takt und Phasenlage eingestellt werden. Manche Hersteller erleitern dem Anwender dieses durch eine Einstellautomatik. Ist die Anpassung nicht fein genug, produziert das Display Bildflimmern.
2.1.1 Kriterien
2.1.1.1 Auflösung

Dieser Wert, der in x mal y Pixel (Bildpunkten) angegeben wird, besagt, wie viele Bildpunkte in einer Bildschirmzeile und wie viele Zeilen auf dem Schirm dargestellt werden können.

Von der Höhe dieser Auflösung hängt es ab, wie detailliert ein Bild auf dem Monitor dargestellt wird. Eine niedrige Bildschirmauflösung bringt größere Bildpunkte mit sich. Die Bilder sehen dann wie eine Sammlung von kleinen Vierecken aus.
2.1.1.2 Farbtiefe

Dieser Wert gibt an, wie viele Farben in einem Bild gleichzeitig verwendet werden können. So kann man mit einer Grafikkarte, die nur 16 Farben abbilden kann, kaum ein Bild realitätsgetreu abbilden, da nicht genügend Farben zur Verfügung stehen. Kann eine Karte mehr oder weniger alle Naturfarben abbilden, spricht man von einer TrueColor- Karte(Echtfarbengrafikkarte).

Technisch gesehen hängt die Anzahl der gleichzeitig einsetzbaren Farben davon ab, wie viele Bits die Grafikkarte zum Speichern eines Bildpunktes zur Verfügung stellt. Steht nur ein Bit zur Speicherung zur Verfügung, läßt sich nur schwarzweiß darstellen, mit 8 Bits 256 Farben etc.

Die Bezeichnung HiColor sagt aus, daß eine Grafikkarte bis zu 32.768 Farben darstellen kann.

Von TrueColor redet man meist, wenn eine Grafikkarte 24 Bits pro Bildpunkt speichern kann. Damit lassen sich theoretisch 16,7 Millionen Farben darstellen.

Bei einer Grafikkarte ist die Farbtiefe wichtiger als die Auflösung. Das Bild lebt mehr von seinen Farben als von der Auflösung.
2.1.1.3 Bildwiederholfrequenz

Im Zusammenspiel mit dem Monitor ist die Bildwiederholfrequenz wichtig. Je höher diese Frequenz liegt, desto flimmerfreier und ruhiger wird das Bild. Eine hohe Bildwiederholfrequenz ist somit ein wichtiger Faktor dafür, wie lange man ermüdungsfrei am PC arbeiten kann und wie sehr die Augen belastet und (auf längere Zeit gesehen) geschädigt werden. Grob gesagt, sollte man sich nie auf eine Bildwiederholfrequenz unter 70 Hz einlassen, denn ab diesem Wert werden die Augen geschont.

2.1.1.4 Zeilenfrequenz

Dieser Wert steht für die Zeit, die für den Aufbau einer Bildschirmzeile benötigt wird. Sie errechnet sich aus der Bildwiederholfrequenz und der Zeilenzahl des dargestellten Videomodus und wird in kHz angegeben. Sie ist also abhängig von der Auflösung und der Bildwiederholfrequenz eines Monitors.
2.1.1.5 Anschlußart

Um den Monitor mit der Grafikkarte zu verbinden, werden bei qualitativ hochwertigen Monitoren vermehrt BNC- Kabel eingesetzt. Dies sind Hochfrequenzkabel mit separaten, abgeschirmten Leitungen für die Grundfarben Rot, Grün und Blau (RGB) Da hierbei Signalüberlagerungen verhindert werden ist eine bessere Bildqualität möglich.

3 Liste der kontaktierten Firmen

IBM

Manfred Litzlbauer

IBM PSG Marketing – Contry Web Editor

Telefon +43 (0)1 1706 – 6958

Telefax +43 (0)1 1706 – 3102

[email protected]

www.pc.ibm.com/at


Acer

Regina Bock

Kornkamp 4

22926 Ahrensburg/Hamburg

Telefon 0 41 02/488-0

Telefax 0 41 02/488-101


Hottiline

Tobias Keller

Firma Hottiline

[email protected]

4 Literaturverzeichnis

1) Informatik und Mikroelektronik; 1. Jahrgang
2) TRANSTEC Gesamtkatalog; August 1998
3) Chip – Das Computer Magazin; Dezember 1998
4) AUTOCAD Magazin; April 1995
5) www.compaq.com
6) www.interest.de/online/pclexicon
7) www.monitor.co.at