【计算机系统导论】5.2 输入与输出设备

前面我们了解了人机交互的历史,本节我们详细来了解下最常见的输入与输出设备。


主要介绍原理,历史已经在前面介绍过了。有各式各样的设备,这里只介绍比较有代表性的,因为原理基本上都是物理量的转变,以此完成从模拟到数字的过程。

这里可以再说一次模拟和数字的内在含义,连续与离散等等。

5.2.1 输入设备

键盘

20世纪中叶,键盘又增加一个用武之地——作为电脑的基本输入设备。

键盘的排列方式有很多种。之所以有不同的键盘排列是因为不同的人使用不同的语言,需要对他们来说最简单的方式来使用键盘。

最常见的键盘是机械打字机时代的QWERTY键盘或者近似的设计。当时打字机的键安装在摇杆上,使用频率高的键不能放得太近,以防止摇杆互相碰撞而卡住。QWERTY键盘和它的兄弟们就沿用了打字机键盘的设计,从而也为之后的电子键盘所采用。由于当时技术条件的限制,这种键盘设计在人体工学方面考虑得很少。随着现代电子学的发展,这些限制就不存在了。也有很多新的键盘设计涌现,如德沃夏克键盘,但是没有被广泛使用。

键盘上的键的数量最初标准是101个,Windows键盘是104个,Apple键盘是79个,后来又发展到130个甚至更多。越来越多的功能键增加到键盘上,如打开一个网页浏览器或邮件客户端。在1990年代后期,美国曾经销售过一种“因特网键盘”,将功能键设置为预定义的因特网快捷键,按下这些快捷键就可以打开浏览器进入到指定的网站。

键盘连接到电脑的方式有很多种。其中包括标准的DIN连接器,通常在80486之前的主板都是这种设计,后来被PS/2连接器替换。现在应用更广的是USB连接器,但在部分应用如电子游戏上,USB无法完全替换PS/2,主因是USB键盘最多只能同时输入6个键加2个功能键,而部分PS/2键盘就可以同时输入十多键甚至所有键(一般称为N-key rollover或NKRO)。早期的苹果电脑使用苹果电脑总线(ADB)作为键盘连接器。

一个标准的键盘从体积上来说是比较大的,因为所有的键的尺寸必须让手指能方便敲击。也有一些缩小键盘的尺寸的设想被提出来,比如Chord键盘,通过同时按下一组键来代表一个字符,从而减少键的数量。而GKOS键盘则应用在无线设备上。另外还有一些游戏控制杆,可以输入数据和字符,也是键盘的一种变化。

一种新型的键盘叫做虚拟激光投影键盘,将键盘的图像投射在一个表面上,投影仪的传感器确认哪个键被“按下”,之后转化成相应信号给电脑或PDA设备。

根据switch(开关)设计分类

  • 机械式(Mechanical)每一个按键都有一个独立的机械触点开关(switch),利用柱型弹簧提供按键的回弹力,用金属接触触点来控制按键的触发。
  • 薄膜式(Membrane)键盘中有一整张双层胶膜,通过胶膜提供按键的回弹力,利用薄膜被按下时按键处碳心于线路的接触来控制按键触发。这种键盘的成本十分低,市面上绝大部分键盘都是薄膜式键盘。
  • 导电橡胶式(Conductive Rubber)
  • 无接点静电容量式(Capacitives)

根据键帽印字方法分类

  • 无刻印
  • 油墨印刷
  • 激光印刷
  • 二色成型
  • 热升华印刷

目前市场上各种新型电脑键盘琳琅满目,您很难相信它们竟然起源于根本不通电的机械式打字机。现在,您可以买到人体工程学键盘,这些键盘与带有普通方形按键的扁平矩形键盘完全不同。有些造型时尚的键盘可以发光、卷起或折叠,有些键盘则会向您提供为自己需要的命令和快捷键设定程序的功能。

但是,无论外观如何花哨,大部分键盘采用的技术都相似,它们使用开关和电路将用户的击键动作转换为计算机可以理解的信号。在本文中,我们将探讨键盘技术以及不同的键盘布局、选项和设计。

键盘的主要功能是用作输入设备。通过键盘,人们可以键入文档、使用击键快捷方式、访问菜单、玩游戏和执行各种其他任务。键盘上布置的按键将会因以下因素而不同:制造商、设计针对的操作系统以及键盘是连接到台式机还是作为笔记本电脑的一部分。不过,对于大部分键盘,这些按键(也称作键帽)的大小和形状都是相同的,而且不管这些按键表示何种语言或字母,键距和布局也都类似。
大部分键盘拥有80到110个按键,包括:
输入键
数字小键盘
功能键
控制键
输入键包括字母表的各个字母,通常与打字机的键盘布局相同。据说,这种QWERTY布局(因其前六个字母而得名)有助于避免人们使用机械式打字机输入时造成金属臂碰撞和卡住。虽然有人对此传言表示质疑,但是无论这个传言是否属实,QWERTY布局自从计算机键盘问世以来的很长时间一直都是键盘的标准布局。

键盘还可以有各种其他的输入键排列方式。最广为人知的是以发明者奥格斯特·多冉柯(August Dvorak)命名的Dvorak键盘。Dvorak存局将所有的元音安排于键盘的左侧,而将常见的辅音安排于键盘的右侧。所有最常用的字母都分布在基准行上,基准行是您开始键入字母时放置手指的主要行。喜欢使用Dvorak布局的人们认为,这种布局能够提高他们的打字速度并减少疲劳。其他键盘布局还包括ABCDE、XPeRT、QWERTZ和AZERTY。每种布局都是由键盘的前几个字母来命名的。其中,QWERTZ 和AZERTY键盘排列方式在欧洲应用广泛。
数字小键盘是最近几年才添加到计算机键盘中的。随着计算机在商务环境中的应用日益增加,人们对快速数据录入的需要也随之增加。由于大部分数据都是数字,因此在键盘上增加了一组与加法机和计算器上的布置相同的17个键。

1986年,IBM公司对基本键盘进行了扩展,增加了功能键和控制键。应用程序和操作系统可以向功能键指定特定的命令,控制键还可以提供光标和屏幕控制。四个箭头键呈倒T型分布在输入键和数字小键盘的中间,可用来在屏幕上小幅移动光标。

键盘很像一台微缩的计算机,它拥有自己的处理器和在该处理器之间传输数据的电路,这个电路的很大一部分组成了键矩阵

键矩阵是位于键下方的一种电路网格。在所有的键盘(除了电容式键盘,我们将在下一节讨论这种键盘)中,每个电路在每个按键所处的位置点下均处于断开状态。当您按下某个键时,此按键将按下了开关,从而闭合电路,使得少量电流可以通过。开关的机械作用会导致某种振动(称作回弹),处理器可以过滤掉这种振动。如果您按下某键并保持住,则处理器认为您是在反复按下该键。
一旦处理器发现某处电路闭合,它就将该电路在键矩阵上的位置与其只读存储器(ROM)内的字符映射表进行对比。字符映射表的基本功能就是比较图或查询表。它会告诉处理器每个键在矩阵中的位置,以及每次击键或者击键组合所代表的含义。例如,字符映射表会告诉处理器单独按下a键对应于小写字母“a”,而同时按下Shift键和a键对应于大写字母“A”。

计算机也可以使用不同的字符映射表取代键盘中原来使用的映射表。当人们键入的语言使用的字母与键盘上的英文字母表示不同的含义时,这项技术就非常有用。即使人们使用的键盘实际上采用的是QWERTY布局,也可以将计算机设置为按照Dvorak布局来解释他们的键击。另外,操作系统和应用程序还可以进行键盘辅助功能设置,使人们可以更改键盘的特性来克服自身在使用键盘方面的某些障碍。

键盘应用了很多开关技术。电容式开关由于不需要像大多数其他键盘技术那样在物理上形成一个闭合电路,因此可看作是非机械开关。相反,电流会持续通过所有键矩阵部分。每个按键都带有一个弹簧,并且在底部装有一个小底盘。当您按下某个键时,其底盘就会向下方的底盘逐渐靠拢。当两个底盘十分靠近时,通过矩阵的电流量就会发生变化。处理器将检测到这一变化,并将其解释为按下了相应位置的按键。使用电容式开关的键盘虽然有些贵,但是它比任何其他键盘都具有更长的寿命。另外,由于两个表面并不会实际接触,因此也不会出现回弹问题。
键盘中使用的所有其他类型的开关本质上都是机械式的。每种键盘都提供不同级别的听觉和触觉响应,即击键时所产生的声音和感觉。机械式按键开关包括:
橡胶垫圈
薄膜
金属触点
泡沫元件

橡胶垫圈开关的应用非常普遍。它们采用小型的弹性橡胶垫圈,中间为硬碳芯。当您按下某个键时,键底部的柱塞将按压橡胶垫圈,橡胶垫圈的碳芯又按压键矩阵下的坚硬平面。只要您按住该键,碳芯就会闭合电路;当您松开该键时,橡胶垫圈弹回原来的形状,迫使键也回复到原来不受压的位置。使用橡胶垫圈开关的键盘价格便宜,触感良好,另外,由于键矩阵覆盖了一层橡胶,因此还具有相当的抗溅洒和抗腐蚀能力。
薄膜键盘并没有在每个键上设置开关,而是采用了从一端伸展到另一端的连续薄膜。当您按某个键时,薄膜上印制的图案就会闭合电路。一些薄膜键盘甚至使用一个印有代表每个键的图案的平面代替了键帽。薄膜键盘的触感不好,而且由于没有装配其他机械组件,也无法发出有些人喜欢在键入时听到的击键声。不过,这种键盘的造价通常不低。
金属触点和泡沫元件键盘现在越来越少见。金属触点式开关具有一个装有弹簧的按键,而按键柱塞的底部有一个金属片。当按下某个键时,该金属片就会连通电路的两部分。泡沫元件开关的设计原理与此基本相同,只不过在柱塞底部和金属片之间加了一层泡沫塑料,改善了触感。这两种技术都能产生很好的触感和好听的击键声,而且造价便宜。但问题是,其中的触点相对于使用其他技术的键盘更容易磨损或腐蚀。另外,也缺少能够防止尘土或液体直接接触键矩阵电路的屏障。
很多不同的制造商都采用了这些标准技术,但有少数制造商开发了各式各样的非传统键盘。我们将在下一节了解一些非传统键盘。

针对传统键盘设计的很多改进都是为了使键盘更安全或更易于使用。例如,许多人认为长期使用键盘会导致类似腕管综合症的重复性应激损伤,尽管科学研究证明并非如此。人体工程学键盘的设计旨在使人的双手在打字时能保持更为自然的姿势,从而避免损伤。尽管这类键盘可以防止人们的双手处于“螳螂爪式”的姿势,但是科学研究并不认为这样就可以有效地避免损伤。

当您键入时,键盘内的处理器会对键矩阵进行分析,确定应将哪些字符发送到计算机。它先将这些字符保存在自己的存储器缓冲区内,然后再发送这些数据。

许多键盘都是通过带有PS/2或 USB(通用串行总线)接头的电缆连接到计算机的,笔记本电脑则采用内部接头。无论使用何种类型的接头,电缆都必须能够向键盘输电,同时还必须将信号从键盘传回计算机。
无线键盘则是通过红外(IR)、射频(RF)或者蓝牙连接与计算机相连。红外和射频连接与遥控器的原理相同。无论使用何种信号,无线键盘都需要一个接收器(内置或者插入到USB端口)来与计算机通信。由于无线键盘与计算机没有物理连接,因此需要连接交流电源或者使用电池作为电源。

无论是通过缆线连接还是无线连接,来自键盘的信号都由计算机的键盘控制器进行监视。这是一种集成电路(IC),不仅可以处理所有来自键盘的数据,并且还会将这些数据转发给操作系统。当操作系统(OS)获得通知键盘有数据输入时,它会查看这些键盘数据是否为系统命令。Windows计算机中的Ctrl-Alt-Delete组合键(用于重启系统)就是一个极好的系统命令的例子。然后,操作系统将键盘数据传送给当前的应用程序。
应用程序确定键盘数据是否为一条命令,例如Alt-f组合键将在Windows程序中打开“文件”菜单。如果数据不是一条命令,应用程序则将这些数据当作内容来接受,它们可以是从输入文件、输入URL到执行运算的任何操作的内容。如果当前的应用程序不接受键盘数据,它将直接忽略这些信息。从击键到将内容输入到应用程序的整个过程几乎可以在瞬间完成。

鼠标

鼠标的光电传感器灵敏度使用DPI(Dots Per Inch,点每英寸)或CPI(Counts Per Inch,每英寸测量数)量度,测量频率使用FPS(Flashes Per Second,每秒刷新次数)量度。

依据移动感应技术的分类如下:
机械鼠标
早期光电鼠标(需要印有特定条纹的鼠标垫)
光电机械鼠标(鼠标内有一颗滚球, 现今已少见)
光电鼠标(现代的主流,无需特定条纹的鼠标垫)
激光鼠标
蓝光鼠标
蓝影鼠标
按键数量[编辑]

苹果电脑的鼠标只有一个按键,最左边的为1984年麦金塔电脑所配备的鼠标
单键鼠标:单一按键,苹果公司从早期的Mac系统使用至今,仅加入触控来代替多按键,其目的是单一按键不会按错,与当时一般PC上的双键或三键鼠标有别。
双键鼠标:双按键,早年PC上曾广泛使用,现已极少出现;早期的Mac系统目前有部分使用。
三键鼠标:左右键加中键,早年PC上曾广泛使用,现已甚少出现。
三键滚轮鼠标:左右键加上下滚动的滚轮,含整合中键功能的后期滚轮,Windows 95出现以后的主流鼠标。
五键滚轮鼠标:新增第四键及第五键——主要功能为左/右方向滚动,多在生产力职业上工作。
多键滚轮鼠标:五键以上鼠标,为某些特定功能、游戏比赛或环境设计,可以用驱动程式进行功能编辑。

有线传送方式鼠标[编辑]
USB
PS/2接口
RS232

无线传送方式鼠标[编辑]
红外线
27MHz射频(无线电频率)
40/49MHz射频(无线电频率)
315/433MHz射频(无线电频率)
2.4GHz射频(无线电频率)

一只蓝牙鼠标。
蓝牙(Bluetooth)

光学鼠标和激光鼠标工作原理及区别

1963年,全世界第一个鼠标原型诞生于美国加州斯坦福大学研究所,它的原型由Douglas Englebart博士创造,并由他的首席工程师Bill English发展成为世界上第一款鼠标。Englebart博士设计鼠标的初衷就是为了让它来代替键盘烦琐的指令,使计算机的操作变得更为方便和快捷,为未来电脑的普及铺下了第一块基石。

  1971年,(施乐公司)帕洛阿尔托研究中心与斯坦福大学研究所签署了一份使用协议,允许施乐公司使用该项鼠标技术,自此,鼠标技术开始逐步发展起来,他们在1972年推出世界上首款的机械滚轮鼠标名为“Alto Mouse”,现今的机械滚轮技术,很大程度上来自于施乐公司帕洛阿尔托研究中心的贡献。

  随着技术的发展与市场的需求,帕洛阿尔托研究中心在1985年推出了首款光学鼠标,不过这款光学鼠标需要在特殊的有栅格的鼠标垫上才能正常使用,因此它只能说是光学鼠标的雏形。

  终于在1999年,安捷伦公司推出了一款具有革命性意义的光学定位传感器,它通过鼠标在移动过程中对接触界面的不断“拍照”,对比前后图像,得出鼠标的具体位移和速度。最重要的一点就是,它可以在绝大多数的物体表面上运作,成为真正意义上的光学鼠标。

  鼠标,作为GUI电脑操作系统中最简单,最常见的电脑基本输入设备,经过了四十多年的发展与积累,走过了机械时代、传统光学时代,发展到目前的激光时代。现在就让我们一起来着重的回顾光学鼠标的相关技术原理吧。

传统光学鼠标的工作原理

传统光学鼠标工作原理示意图

光学跟踪引擎部分横界面示意图

  光学鼠标主要由四部分的核心组件构成,分别是发光二极管、透镜组件、光学引擎(Optical Engine)以及控制芯片组成。

  光学鼠标通过底部的LED灯,灯光以30度角射向桌面,照射出粗糙的表面所产生的阴影,然后再通过平面的折射透过另外一块透镜反馈到传感器上。

  当鼠标移动的时候,成像传感器录得连续的图案,然后通过“数字信号处理器”(DSP)对每张图片的前后对比分析处理,以判断鼠标移动的方向以及位移,从而得出鼠标x, y方向的移动数值。再通过SPI传给鼠标的微型控制单元(Micro Controller Unit)。鼠标的处理器对这些数值处理之后,传给电脑主机。传统的光电鼠标采样频率约为3000 Frames/sec(帧/秒),也就是说它在一秒钟内只能采集和处理3000张图像。

  根据上面所讲述的光学鼠标工作原理,我们可以了解到,影响鼠标性能的主要因素有哪些。

  第一,成像传感器。成像的质量高低,直接影响下面的数据的进一步加工处理。

  第二,DSP处理器。DSP处理器输出的x,y轴数据流,影响鼠标的移动和定位性能。

  第三,SPI于MCU之间的配合。数据的传输具有一定的时间周期性(称为数据回报率),而且它们之间的周期也有所不同,SPI主要有四种工作模式,另外鼠标采用不同的MCU,与电脑之间的传输频率也会有所不同,例如125MHZ、8毫秒;500MHz,2毫秒,我们可以简单的认为MCU可以每8毫秒向电脑发送一次数据,目前已经有三家厂商(罗技、Razer、Laview)使用了2毫秒的MCU,全速USB设计,因此数据从SPI传送到MCU,以及从MCU传输到主机电脑,传输时间上的配合尤为重要。

什么是激光鼠标?

  激光鼠标其实也是光电鼠标,只不过是用激光代替了普通的LED光.好处是可以通过更多的表面,因为激光是 Coherent Light(相干光),几乎单一的波长,即使经过长距离的传播依然能保持其强度和波形;而LED 光则是Incoherent Light(非相干光)。

  激光鼠标传感器获得影像的过程是根据,激光照射在物体表面所产生的干涉条纹而形成的光斑点反射到传感器上获得的,而传统的光学鼠标是通过照射粗糙的表面所产生的阴影来获得。因此激光能对表面的图像产生更大的反差,从而使得“CMOS成像传感器”得到的图像更容易辨别,提高鼠标的定位精准性。

什么是鼠标的全速USB技术?

  全速USB技术是指USB Full Speed, 相对于传统的Low Speed的每秒1.5Mb传输速度,它的传输速率为可达12Mb每秒。因为两者都以6500fps为原始数据,游戏过程中发生的大量的鼠标移动,传统鼠标所使用1.5Mb/s的Low Speed USB接口在特定的环境下有可能成为数据流的瓶颈。因此有必要将接口的全速速度提升到Full Speed,使鼠标的实际移动反映到屏幕光标时更加实时。

触屏

电阻与电容

触控萤幕(英语:Touch panel、Touchscreen、Touch pad),是可以接收触头(包括手指或者胶笔头等)等输入信号的感应式液晶显示或者平板屏幕设备。当接触了屏幕上的图形按钮时,屏幕上的触觉反馈系统可根据预先编程的程序驱动各种链接设备,可用以替换机械式的按钮面板,并借由显示画面制造出生动的影音效果。 触摸屏的用途非常广泛,从常见的提款机、PDA、到工业用的触控电脑,因为触摸屏为亲切且生动的人机界面。2007年以后,愈来愈多智能手机也采用了触摸屏,典型的例子如iPhone。

通常是在半反射式液晶面板上覆盖一层压力板,其对压力有高敏感度,当物体施压于其上时会有电流信号产生以定出压力源位置,并可动态追踪。 现亦有In cell Touch触控组件集成于显示面板之内,使面板本身就具有触控功能,不需另外进行与触控面板的贴合与组装即可达到触控的效果与应用。
按传感器工作原理,触摸屏大致上可分为︰
电容式
电阻式
红外线式
声波式


感应模式分为电阻式和电容式。

1、手机与平板电脑的触摸屏,目前主力是电容屏,少部分还是电阻屏。手持的红外线触摸屏的边框做不薄,且功耗较大;超声波触摸屏也有同样的问题,且更贵些,因此在移动终端中几乎没有人采用;

2、对于电阻屏,可以理解为在手机LED/LCD显示屏外,黏上了一块含夹奶油的海绵蛋糕。蛋糕夹奶油的上下两面,各布满了细细密密的导线。当有外力向下压蛋糕,奶油挤开,上下两面的导线就会接触到一起,电流导通了,从而可以测量出这个触点的X坐标和Y坐标的电压。工程上,除了读取压下去的偏置电压,还兼读取弹回去的电压变化,以便于减少误判,增加准确率。做个比方,整个触摸屏,就像一层能透光的、密布按键键位的微缩键盘,虽然你肉眼看不见,可你手指夹的压力、或者手写笔的压力,可以触动一系列“隐形”的开关。
电阻触摸屏的缺点也很明显,夹层多、奶油厚,因此手机屏幕透光率比较低,功耗也比较大。

3、我们目前所接触的,多为电容屏。原理是在显示屏外,敷设上一张透明的蜘蛛网——静电场网,手指触碰上去会吸取大量电荷,触摸屏四角的传感器就如同趴在角落的四只蜘蛛,通过电荷的流失量与流失速度,获得手指到四个点的大致距离,从而获得触摸的具体位置。手指触摸这个动作,类似于高频脉冲点亮氪、氙、氖惰性气体的等离子体放电球(大误,这个是高压放电,将人体作为电流的回路)。

(戴着手套玩ipad,会觉得不便操作,是因为多数的手套的材料是绝缘体,没有或缺少电荷的流动,电容式触摸屏就不灵敏了。 可以试一下含铜镍镀层的平纹布,剪一小块下来缝在手套食指、拇指、中指的外层;或者戴上露指手套嘛。)

电容屏的优点也就是电阻屏的缺点,但电容屏的专用触摸笔通常比较贵,丢掉一根,需要花费数倍于电阻屏触摸笔的银子。

4、不论什么样的触摸屏,都可以视为一组传感器,最终会通过串口、并行口,I2C总线等方式,转换为一组包含屏幕二维坐标信息的数据信号,占用掉一个外设中断资源,通知操作系统,以便为更上层的应用服务。(见下图,触摸是从左往右的流程。从右往左的流程是应用程序在显示屏上的反馈,即你看到的显示图案。下中那个“触觉感应控制器”在目前体现为显示芯片控制下的背光、偏光、点阵等显示过程,当然,未来可能会集成温度、电压等交互方式)

麦克风

种类

指向

原理

不同类型的麦克风工作原理分别是什么样的?分别适合哪种场合?

5.2.2 输出设备

显示器

液晶显示器的每个像素由以下几个部分构成:悬浮于两个透明电极(氧化铟锡)间的一列液晶分子层,两边外侧有两个偏振方向互相垂直的偏振过滤片。如果没有电极间的液晶,光通过其中一个偏振过滤片其偏振方向将和第二个偏振片完全垂直,因此被完全阻挡了。但是如果通过一个偏振过滤片的光线偏振方向被液晶旋转,那么它就可以通过另一个偏振过滤片。液晶对光线偏振方向的旋转可以通过静电场控制,从而实现对光的控制。
液晶分子极易受外加电场的影响而产生感应电荷。将少量的电荷加到每个像素或者子像素的透明电极产生静电场,则液晶的分子将被此静电场诱发感应电荷并产生静电扭力,而使液晶分子原本的旋转排列产生变化,因此也改变通过光线的旋转幅度。改变一定的角度,从而能够通过偏振过滤片。
在将电荷加到透明电极之前,液晶分子的排列被电极表面的排列决定,电极的化学物质表面可作为晶体的晶种。在最常见的TN液晶中,液晶上下两个电极垂直排列。液晶分子螺旋排列,通过一个偏振过滤片的光线在通过液芯片后偏振方向发生旋转,从而能够通过另一个偏振片。在此过程中一小部分光线被偏振片阻挡,从外面看上去是灰色。将电荷加到透明电极上后,液晶分子将几乎完全顺着电场方向平行排列,因此透过一个偏振过滤片的光线偏振方向没有旋转,因此光线被完全阻挡了。此时像素看上去是黑色。通过控制电压,可以控制液晶分子排列的扭曲程度,从而达到不同的灰度。
有些液晶显示器在交流电作用下变黑,交流电破坏了液晶的螺旋效应,而关闭电流后,液晶显示器会变亮或者透明,这类液晶显示器常见于笔记本电脑与平价液晶显示器上。另一类常应用于高清液晶显示器或大型液晶电视上的液晶显示器则是在关闭电源时,液晶显示器为不透光的状态。
为了省电,液晶显示器采用复用的方法,在复用模式下,一端的电极分组连接在一起,每一组电极连接到一个电源,另一端的电极也分组连接,每一组连接到电源另一端,分组设计保证每个像素由一个独立的电源控制,电子设备或者驱动电子设备的软件通过控制电源的开/关序列,从而控制像素的显示。
检验液晶显示器的指标包括以下几个重要方面:显示大小、反应时间(同步速率)、阵列类型(主动和被动)、视角、所支持的颜色、亮度和对比度、分辨率和屏幕高宽比、以及输入接口(例如视觉接口和视频显示阵列)。

在不加电压下,光线会沿着液晶分子的间隙前进而转折90度,所以光可通过。但加入电压后,光顺着液晶分子的间隙直线前进,因此光被滤光板所阻隔。
液晶是具有流动特性的物质,所以只需外加很微小的力量即可使液晶分子运动,以最常见普遍的向列型液晶为例,液晶分子可轻易的借着电场作用使得液晶分子转向,由于液晶的光轴与其分子轴相当一致,故可借此产生光学效果,而当加于液晶的电场移除消失时,液晶将借着其本身的弹性及黏性,液晶分子将十分迅速的恢复原来未加电场前的状态。

液晶显示器可透射显示,也可反射显示,决定于它的光源放哪里。
透射型液晶显示器由一个屏幕背后的光源照亮,而观看则在屏幕另一边(前面)。这种类型的LCD多用在需高亮度显示的应用中,例如电脑显示器、PDA和手机中。用于照亮液晶显示器的照明设备的功耗往往高于液晶显示器本身。
反射型液晶显示器,常见于电子钟表和计算器中,(有时候)由后面的散射的反射面将外部的光反射回来照亮屏幕。这种类型的液晶显示器具有较高的对比度,因为光线要经过液晶两次,所以被削减了两次。不使用照明设备明显降低了功耗,因此使用电池的设备电池使用更久。因为小型的反射型液晶显示器功耗非常低,以至于光电池就足以给它供电,因此常用于袖珍型计算器。
半穿透反射式液晶显示器既可以当作透射型使用,也可当作反射型使用。当外部光线很足的时候,该液晶显示器按照反射型工作,而当外部光线不足的时候,它又能当作透射型使用。

液晶显示器技术也是根据电压的大小来改变亮度,每个液晶显示器的子图元显示的颜色取决于色彩筛检程序。由于液晶本身没有颜色,所以用滤色片产生各种颜色,而不是子图元,子图元只能通过控制光线的通过强度来调节灰阶,只有少数主动矩阵显示采用类比信号控制,大多数则采用数字信号控制技术。大部分数字控制的液晶显示器都采用了八位控制器,可以产生256级灰阶。每个子图元能够表现256级,那么你就能够得到2563种色彩,每个图元能够表现16,777,216种成色。因为人的眼睛对亮度的感觉并不是线性变化的,人眼对低亮度的变化更加敏感,所以这种24位的色度并不能完全达到理想要求,工程师们利用脉冲电压调节的方法以使色彩变化看起来更加统一。
彩色液晶显示器中,每个像素分成三个单元,或称子像素,附加的滤光片分别标记红色,绿色和蓝色。三个子像素可独立进行控制,对应的像素便产生了成千上万甚至上百万种颜色。老式的CRT采用同样的方法显示颜色。根据需要,颜色组件按照不同的像素几何原理进行排列。

常见于电子表及口袋型计算机的以少量片段构成之液晶显示器,其各片段均具有单一电极接点。一个外部专用电路提供电荷到每一个控制单元,这种显示结构在有较多显示单位(如液体显示屏)时会显得笨重。小型单色显示器,例如PDA上的或旧型笔记本电脑屏幕的被动数组液晶显示器,即应用超扭转向列(STN)或双层超扭转向列(DSTN)技术(DSTN修正STN的色彩偏差问题)。
显示器上的每一行或列都有一个独立的电路,每一个像素的位置也要一个行和列同时指定,这类显示方式称为“被动数组”,因为每一个像素也要在更新前记着各自的状态,此时每像素也是没有稳定的电荷供应。当像数增加时,相对的行和列数目也会增加,这种显示方式变得更难使用,以被动数组所制造的液晶显示器特性为非常慢的反应时间及低对比度。
现行高分辨率彩色显示器,例如电脑屏幕或电视,皆为主动数组。薄膜晶体管液晶显示器会被添加到偏光板与色彩滤镜上。每个像素都有自己的晶体管,允许操控单一像素。当一条列线路被打开时,所有行线路会连接到一整列(row)的像素,而每条行线会有正确的电压驱动,这条列线路会关掉而另一列(row)被打开。在一次完整的画面更新运作中,所有列线路会依照时间序列被打开。同等大小的主动数组显示器比起被动数组显示器会显得更亮更锐利,而且有短的反应时间。

打印机

喷墨打印机的原理

激光打印机的原理

3D 打印

3D 打印

耳机与音响

圈铁耳机技术原理介绍

耳機發聲的原理

耳機發聲的基本原理就是將電能轉換為機械能,再由機械能轉換成聲波,當耳機接收到電訊號後,將傳遞進來的電訊號送到驅動單體或者說換能器(Transducer),然後再藉由換能器將電能轉化為機械能來帶動驅動單體振膜。由於聲音是藉由物體震動帶動周邊空氣壓縮而產生,所以藉著驅動單體振膜的震動就能發出聲音,整個過程也常被稱為電聲轉換,而耳機的驅動單體就是一種電聲轉換器(electro-acoustic transducer)。

動鐵式驅動單體 (moving iron driver)

西元1910出現的Baldwin耳機,算是第一款正式採用頭戴式設計的耳機產品,但是早期的耳機驅動單體,和現在常見的驅動單體卻有著很大的不同。Baldwin耳機並非使用現在大多數耳機搭載的動圈單體,而是使用當時喇叭中常見的動鐵單體(moving iron driver),就Baldwin自己的信中寫道,Baldwin耳機為了配合美國海軍通訊設備使用,其阻抗大約為2,000歐姆。

動鐵單體除了應用在最早的頭戴式耳機中外,此種單體類型也是最早的喇叭單體之一,拜爾 (Bell)在1870年代所發明的電話聽筒也是使用此技術。動鐵單體由一個和振膜連結的銜鐵(Armature),搭配上永磁鐵和絕緣線圈組成,在永磁場中的線圈圍繞著銜鐵形成一個電磁閥,當音訊訊號傳遞入線圈時,導入的電流讓線圈產生磁場變化而牽動銜鐵產生擺動,再藉由銜鐵將震動傳導到振膜來產生聲波。
動鐵單體由於必須驅動銜鐵來發聲,在大尺寸動鐵驅動單體中,銜鐵過於堅硬而無法擁有足夠的移動範圍來表達低頻率聲音,並且銜鐵的的重量也嚴重影響到震動的最高頻率,而無法成功再生高頻率範圍,這使得動鐵單體在1925年後,廣泛的被Edward Kellogg和Chester Rice發明的動圈 (Moving-coil) 驅動單體所替代。

▲左圖動鐵區動單體工作示意圖,右圖動鐵區動單體內部構造示意圖。

動圈式驅動單體 (Moving coil driver)

從西元1937年,由Eugen Beyer設計的第一款動圈式耳機Beyerdynamic DT48面市以來,動圈式耳機驅動單體由於技術成熟且生產成本較低,使得目前市面上絕大多數耳機都屬於這個類型。

動圈式(Moving-coil)的英文更常被寫做為Dynamic,其發聲原理一如其名,一個處於永磁場中的纏繞圓柱狀線圈連結在耳機的振膜上,當線圈中的電流發生改變時,環形線圈就會產生磁場來和永磁場發生交互作用。如同佛萊明左手定則(Fleming’s left hand rule,又稱電動機定則)所示,在磁場中的線圈會受力產生位移進而帶動振膜震動,而震動的振膜再驅動周邊空氣產生聲音。

耳機中的永磁場一般由鐵氧體磁鐵或是釹磁鐵,搭配周圍金屬組成磁氣迴路來提供,振膜則常由質輕且高硬度質量比的材質組成,從塑膠聚合物(如PE、PEI等等)、複合纖維(木質纖維、化學纖維、生物纖維)到碳纖維等材質等均有。由於部分材質如塑膠聚合物的剛性較差,使得大多數塑膠聚合物振膜上,有摺痕來增加振膜的剛性。

在耳機中,振膜邊緣往往直接固定在驅動單體的框架上,由振膜本身材質的伸縮能力和摺痕的變化來提供力順。但在少部分耳機,如Denon的D2000、D5000和D7000等,則具備如同喇叭振膜懸邊的彈性介質,由彈性介質提供振動系統的力順。

一如所有類型的驅動單體,動圈式耳機驅動單體振膜的材質、形狀和折痕都影響著最後的發聲品質,磁氣迴路在其中也扮演著重要的腳色。由於動圈式驅動單體的技術已經非常成熟,所以目前的改良方式大多集中在增加磁場密度,和改善振膜的物理特性為主。

上圖動圈耳機單體爆炸圖(圖片來源:Sony官方網頁),下圖動圈驅動單體內部構造示意圖。

立體聲耳機 (Stereo headphones)

到第一款動圈耳機Beyerdynamic DT48出現的時候,耳機已經有超過25年的歷史,但是由於技術力的限制,當時市面上的耳機都還是以單聲道(mono)形式存在。主要也是因為當時的錄音也大多是單聲道錄音,而且DT48設計初衷和現在耳機用來聆聽音樂的目的不同,代號中的DT是Dynamic Telephone縮寫,主要是電話接線員和專業工作使用,所以當時生產耳機的目的並不是用來重現高品質音訊。

直到西元1957年,美國Audio Fidelity Records公司第一次將立體聲導入商業唱片領域後,雙聲道立體聲才漸漸成為聆聽音樂的主流規格。而在次年,耳機被發明將近快50年後,立體聲耳機才正式出現在市面上,John C. Koss和Martin Lange利用了一項突破性的設計將耳機市場完全改變,製造出第一款立體聲頭戴式耳機Koss SP-3。

接下來的後繼耳機也自然地採用這立體聲設計,不過由於當時的擴大器和重播裝置都非常的笨重,當時的耳機基本上還無法像現代耳機,擁有隨處使用的輕便性。

靜電式驅動單體 (Electrostatic driver)

到了1959年,日本東京Stax公司設計出了全世界第一款靜電耳機STAX SR-1,由於早期靜電耳機不易保養,目前還能夠運作的SR-1應該是屈指可數。隨著STAX推出電式耳機後,各大品牌如Beyerdynamic、Sennheiser、Sony、松下、先鋒、Koss等,也都推出了自家品牌的靜電耳機產品。

但由於研發經費和生產成本較高昂,靜電耳機的市場漸漸被技術成熟且價格低廉的動圈耳機所壓縮,最後各大品牌逐漸放棄靜電耳機的研發和生產,目前市場上只剩下漫步者(Edifier,漫步者在2011年以現金方式收購STAX所有股權),和Koss還在生產靜電耳機產品。

靜電式驅動單體的發聲原理和靜電喇叭一樣,振膜一般來說是由一片鍍上高阻抗導電材質的 boPET(biaxially-oriented polyethylene terephthalate)薄膜組成,為了達到最佳的工作效率,靜電耳機的振膜往往只有幾個微米厚度,將薄膜懸掛在兩片多孔的導電板(electrodes)之間並充電維持固定電荷。兩片導電板則透過變壓器與音訊裝置連接,當音訊訊號輸入導電板時兩片導電板間就會產生電場,而振膜則會依電場的極性產生前後移動,帶動經由導電板上孔洞進出的空氣來產生聲波。

由於靜電耳機的振膜極端輕薄,在運作的時候幾乎可以無視振膜重量所帶來影響,使得靜電耳機通常能夠輕易將頻率延伸超過人耳聆聽的極限 (約20kHz)。並且由於質均且平面的振膜構造,且振膜在電場中平均受力,靜電耳機也不會如同動圈耳機運作時產生切割失真,擁有高線性且低失真的優勢,使得設計良好的靜電耳機能夠傳遞出優於其他類型耳機的聲音品質。

靜電耳機必須搭配特殊的擴大機使用,來獲得足夠驅動振膜移動的電勢,一般來說約需要100到1000伏特的電勢。雖然使用較高的電壓,但由於靜電耳機並不使用非常大的電流,所以理論上不會對配戴者產生任何觸電的危害。

左圖靜電耳機內部構造示意圖,右圖靜電驅動單體振膜和導電板排列示意圖。

駐極式驅動單體 (Electret Driver)

提到靜電驅動單體就不得不提一下駐極式驅動單體,駐極式耳機大約在西元1970年代出現,最早的技術是由駐極式電容麥克風轉變而來,駐極式驅動單體基本上算是靜電驅動單體的一種。他們的差異就在於駐極式驅動單體的振膜,一般是由Teflon類材質極化而成,駐極式振膜帶有磁性,不須外在充電來具備電荷,有效地降低驅動振膜的電勢需求。並且降低振膜製造的成本,使得少部分駐極式耳機產品,能夠使用一般的耳機擴大機來驅動。

駐極式驅動單體一般是設計給入門級產品使用,所以不論在技術層面或是聲音再生的能力上,往往都落後給靜電耳機,但也並非所有駐極式耳機都沒有好的聲音表現。此外,雖然不斷有駐極式耳機中的駐極體漸漸失去磁性這流言,但據報告少部分超過30年的駐極式耳機目前也還能正常的運作。目前市面上已經沒有知名品牌還在生產駐極式耳機,最後一款駐極式耳機STAX SR-80MX,已是20幾年前的產品。

場極式驅動單體 (Orthodynamic Driver)

為了獲得更好的聲音表現,耳機技術改進巨輪是不會停止前進,而耳機驅動單體的技術往往都是由喇叭那邊演化而來。Yamaha於西元1976年將在喇叭上名為場極式(Planar Magnetic) 的技術使用在耳機上,推出HP-1 Orthodynamic耳機。叫做Orthodynamic(以前翻譯等磁式)而非Planar Magnetic,是因為Planar Magnetic已經在1969年由喇叭大廠Magnepan所註冊,所以Yamaha使用Ortho(直接)dynamic(動圈)這個方式來命名自己的平面振膜發聲技術。

場極式耳機(或稱平板耳機)內部配置方式同靜電式耳機相似,使用一片相對大張的平面振膜,懸掛在兩片磁極相對永磁鐵陣列中。和靜電驅動單體運作原理上的差別就在於,場極式驅動單體是藉由改變振膜上的平面電路的磁場來驅動振膜,而非改變兩片多孔的導電板的磁場,導電板在場極式耳機中被永磁鐵所取代,所以整個工作原理看起來更接近動圈驅動單體而非靜電驅動單體。

場極式驅動單體的電路一般是平均分布在振膜上,這使得平板耳機振膜如同靜電耳機的振膜般,在一致性磁場中能夠平整的移動,這使得平板耳機同樣沒有切割失真的干擾。並且由於更大面積的振膜和移動範圍,平板耳機往往能夠提供更加優異的低音,一般來說,平板耳機被認為能夠提供非常高水準的音質表現。


左圖場極式耳機內部構造示意圖,右圖Hifiman HE-6場極式驅動單體(圖片來源:Hifiman 官方網站)。

然而,平板耳機使用的兩面磁鐵陣列讓整體重量一直無法減輕下來,直到最近出現單面磁極的技術才有部分改善,但整體來說還是比大多數同體積的動圈和靜電耳機來得重。再來就是振膜的厚度問題,由於耳機的平面電路是直接黏貼或是印刷在振膜表面上,振膜的厚度和重量也往往無法如其他耳機輕薄。這也使得振膜的高頻響應較差,外加當時平板耳機的生產成本過高,間接導致在70年代後平板耳機無法大量流行。

好在隨著近幾年技術上的改良,上述問題都有顯著的改善,也讓平板耳機越來越受廠商和音樂愛好者的關注,現在已經有HIFIMAN、Audez’e等品牌在生產平板耳機,並且一度代工和生產多數平板耳機的日本Fostex,也重新回到平板耳機的懷抱。

主動抗噪耳機 (Active noise cancellation headphones)

西元1989年,雖然不是新驅動單體技術被應用在耳機上的一年,但Amar Bose – 美國音響品牌Bose的創造者,為在飛機或汽車上無法安靜享受音樂的消費者帶來了一份大禮 - 主動抗噪耳機,目前市面上可見的主動抗噪耳機就是在這年誕生。

主動抗噪耳機的核心概念是利用相位相反的聲波來抵銷外界噪音,利用一組麥克風、放大電路來將反向的聲波訊號送入耳機驅動單體中,主動抗噪大約能夠提供20dB的降噪效果,但降噪效果主要是集中在反覆的低頻音,而非人聲和較高頻的噪音。

平衡電樞 (Balanced armature)

西元1991年Etymotic發表了兩款入耳式耳機 - ER•4B和ER•4S,這兩款耳機可能是最初使用微型平衡電樞單體的耳機,平衡電樞單體的電聲轉化原理和古早的動鐵單體相當類似,但體積縮小到不到一個硬幣的大小,也由於體積的縮小,內部銜鐵的重量問題也獲得改善,再搭配上內部阻尼和結構上的改良,平衡電樞比早期動鐵驅動單體有更好的音質表現。

雖然在體積和內部構造上有了很大程度的改變,但平衡電樞單體還是一定程度地繼承響應頻率範圍較小和低音輸出較弱的缺點,不過極輕量化體積的使其在入耳式耳機中擁有可以使用多單體優勢,藉由被動分頻電路將不同頻率範圍的導入各自負責的單體,來減低頻率範圍較窄和低音輸出音壓較低的問題。

左圖平衡電樞單體內部構造示意圖,右圖平衡電樞單體外觀及大小示意圖(圖片來源:上,樓式電子、下,Sony官方網頁)。

目前平衡電樞單體常被使用在助聽器和入耳式耳機中,單價較高的入耳式耳機常使用多個平衡電樞單體搭配分頻電路,少部分入耳式耳機使用平衡電樞單體搭配微動圈來增強低音的表現。

另外順道提一下,西元1995年Van Halen樂隊的音響工程師Jerry Harvey設計了第一款專為音樂表演者設計的雙單體客製化入耳式監聽耳機 (In-Ear Monitors),優良的隔音能力和舒適的配戴感,讓入耳式監聽耳機成為現今舞台表演者的必備工具。

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