【計算機組成原理教程】外部設(shè)備簡介

主講：李悅芳

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長江師范學(xué)院應(yīng)用技術(shù)學(xué)院

第9章外部設(shè)備簡介

■主機系統(tǒng)指的是CPU和主存儲器組成的系

統(tǒng)，輸入/輸出設(shè)備位于主機之外。輸入/輸

出設(shè)備（也稱為外部設(shè)備或I/O設(shè)備）是計

算機主機系統(tǒng)與外界交換信息的設(shè)備。

■本章將對常用的輸入輸出設(shè)備作一個簡要

的介紹，包括：概述、鍵盤、鼠標(biāo)、外部

存儲器、顯示器、打印機。

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9」概述

■輸入和輸出都是相對于主機而言，向主機送入數(shù)

據(jù)稱為輸入，由主機向外送出數(shù)據(jù)稱為輸出。

■I/O設(shè)備分為輸入設(shè)備和輸出設(shè)備。

■常用的輸入設(shè)備有鼠標(biāo)、鍵盤等。

■常用的輸出設(shè)備有顯示器、打印機等。

■有些設(shè)備既是輸入設(shè)備又是輸出設(shè)備，如磁盤等。

■I/O設(shè)備種類繁多，其工作原理涉及到許多領(lǐng)域的

知識，如機械、電子、電磁理論、光學(xué)、控制理

論與技術(shù)等基本知識。

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9.2鍵盤

■鍵盤是一種常用的輸入設(shè)備，可以用來錄

入文字和字符等信息。本節(jié)主要介紹鍵的

結(jié)構(gòu)、鍵盤的組織以及它們的工作原理。

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9.2.1鍵及其工作原理

■從結(jié)構(gòu)上可以分為接觸式和非接觸式兩大

類。

■從按鍵操作方式上又可分為機械動作式和

觸摸式兩類。

■從邏輯上講，凡能將擊鍵與釋放狀態(tài)轉(zhuǎn)換

為兩種電信號的機制都可用于構(gòu)成鍵。

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9.2.1鍵及其工作原理

■1.接觸式鍵

■接觸式鍵有一對觸點，按觸點的導(dǎo)通與斷

開方式又可分為直接作用式和間接作用式

兩類。圖9」(a)、圖9.1(b)、圖9」

(c)分別示出直接作用式機械鍵、采用干

簧管的間接作用式鍵，以及薄膜式短行程

觸摸鍵的構(gòu)成。

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9.2.1鍵及其工作原理

■圖9.1(a)中，鍵帽被按下時，兩個觸點被接通;

當(dāng)釋放時，彈簧恢復(fù)原來觸點斷開狀態(tài)。

■這種鍵結(jié)構(gòu)簡單、成本低，使用最廣泛。但觸點易氧

化，壽命較短，多用于要求不高的場合。

■圖9」(b)中，觸點由密封的干簧管組成，按鍵

動作帶動磁鐵，使觸點閉合或斷開。

■由于觸點密封，不易受環(huán)境影響，壽命長，接觸可靠。

但成本較高，多用于特殊場合。

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9.2.1鍵及其工作原理

■圖9.1(c)所示是一種接觸式短行程觸摸鍵，它

由一層彈性很好的聚酯薄膜和底板構(gòu)成，在薄膜

下面和底板上面都涂布有一層導(dǎo)電金屬膜。平時

在聚酯薄膜彈力作用下保持絕緣，但距離很近。

當(dāng)鍵膜被輕輕按下時，兩層導(dǎo)電膜接觸，鍵閉合

導(dǎo)通。

■這種鍵屬于密封結(jié)構(gòu)，觸點壽命長，不易氧化，常用

于惡劣環(huán)境；但長期使用后薄膜將會老化而逐漸失去

彈性，擊鍵手感也較差。

8

9.2.1鍵及其工作原理

■2.非接觸式鍵

■非接觸式鍵將擊鍵動作引起的某些物理量的變化轉(zhuǎn)化為電

信號，以避免接觸式鍵存在的觸點導(dǎo)通的可靠性和機械磨

損問題。

■電容式鍵的工作原理如下。電容式鍵按下時觸點并不接觸,

由一個絕緣層隔開，但是其電容值發(fā)生了變化。未按鍵時,

由于極間電容值小，電信號無法通過，相當(dāng)于“斷開”狀

態(tài)；按鍵時，極間電容值變大，電信號可以通過，相當(dāng)于

“導(dǎo)通”狀態(tài)，產(chǎn)生一個按鍵信號。

■電容式鍵的結(jié)構(gòu)很簡單，性能穩(wěn)定，壽命長，但電信號的產(chǎn)生較

為復(fù)雜。

9

9.2.1鍵及其工作原理

■感應(yīng)式鍵的工作原理如下。靜電感應(yīng)式鍵有一個

裸露的金屬板，當(dāng)手指接觸鍵時，人體所帶的靜

電或感應(yīng)所產(chǎn)生的交流電信號傳送給放大電路，

放大電路將信號放大，產(chǎn)生按鍵信號。

■這種鍵容易受電磁場干擾，成本較高，一般只應(yīng)用在

一些特殊場合。常見的有靜電感應(yīng)式、壓感式、光遮

斷式等。

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9.2.1鍵及其工作原理

■3.去抖動處理

■當(dāng)鍵按下時或釋放（抬鍵）時，觸點間會產(chǎn)生機

械抖動，即在接通和斷開之間快速交替，使蒯出

信號也產(chǎn)生抖動，輸出一串0、1快速交替變化的

沖。

■這種M動可能長達數(shù)十毫秒（與鍵的質(zhì)量有關(guān)），

如果不加以處理，在讀鍵時就有可能誤判為多次

重復(fù)按鍵。

■為解決抖動造成的問題，常采用延時方式以避開

信號的抖動區(qū)，即在發(fā)現(xiàn)某鍵接通或釋放時，延

時數(shù)十毫秒后再進行讀鍵。

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922鍵盤的組織與工作原理

■一個鍵盤由多個鍵排列而成，這些鍵是如

何組織的？其信號是如何送入計算機呢？

本小節(jié)將回答這一問題。

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922鍵盤的組織與工作原理

■i.矩陣掃描式鍵盤

■矩陣掃面式鍵盤是應(yīng)用最多的鍵盤方式。在矩陣

掃面式鍵盤（簡稱為掃描時鍵盤）方式中，將各

鍵排列成一個矩陣，即分成川行X〃列，各鍵分別

連接于某個行線與某個列線之間。

■圖9.2給出了一種4行X4列的矩陣掃描式鍵盤的示

意圖。通過硬件掃描邏輯或軟件掃描程序，可判

明按鍵位置，再轉(zhuǎn)換為按鍵編碼。

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922鍵盤的組織與工作原理

■鍵盤時常采用逐行掃描法。

■逐行掃描法的工作原理：通過行驅(qū)動電路,

使各行線L。?Lm依次為0（每次僅一個行

線為0）,每當(dāng)某行為0時就讀回各列線狀

態(tài)Co?4，判斷出各鍵的通斷狀態(tài)。若當(dāng)

L=0時Cj=O,則說明位于第1行、第洌的鍵

被按下，獲得該鍵的位置碼為（i,j）o

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922鍵盤的組織與工作原理

■2.非掃描式鍵盤

■直接連接式鍵盤：直接將各鍵的輸出送往

鍵盤接口的各輸入寄存器，CPU讀回這些

輸入寄存器的內(nèi)容，判斷各位的狀態(tài)，即

知道按下了哪個鍵，程序結(jié)構(gòu)非常簡單。

圖9.3給出一種非掃描式鍵盤及其中斷接口

的邏輯框圖。

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922鍵盤的組織與工作原理

■直接連接式鍵盤的工作原理如下：當(dāng)無任何鍵被

按下式，所有輸入線均為1,當(dāng)按下某鍵時，其

對應(yīng)輸入線變?yōu)?,通過與非門產(chǎn)生中斷請求IRQ。

CPU響應(yīng)后，在中斷處理程序中將各輸入寄存器

的內(nèi)容取回，判斷是哪個鍵或那幾個鍵被按下。

如圖9.3所示。

■非掃描式鍵盤的結(jié)構(gòu)比較簡單，速度快，但當(dāng)鍵數(shù)較

多時，硬件代價高。因此這種方式適用于鍵數(shù)較少的

場合。

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922鍵盤的組織與工作原理

■直接編碼式鍵盤：各鍵的輸出直接送往硬

件編碼電路，編碼器輸出為按鍵的對應(yīng)編

碼。

■這種方式硬件成本較高，編碼固定因而不靈活,

已較少使用。

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9.3鼠標(biāo)

■鼠標(biāo)是很常用的輸入設(shè)備。在個人計算機

中是一個標(biāo)準(zhǔn)配置設(shè)備。這一節(jié)介紹鼠標(biāo)

的工作原理和常用的光學(xué)式鼠標(biāo)、光電鼠

標(biāo)和機械式鼠標(biāo)。

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9.3.1鼠標(biāo)的工作原理

■鼠標(biāo)在移動一個最小位移單位后，都將向計算機

發(fā)送一個字節(jié)串。一般情況下，這個字節(jié)串通過

串行線進入計算機，一次傳送一位。

■第一個字節(jié)是一個有符號整數(shù)，表示鼠標(biāo)在最后的

100ms中在x方向上的位移。

■第二個字節(jié)與其類似，表示的是鼠標(biāo)在最后的100ms中

在y方向的位移。

■第三個字節(jié)描述鼠標(biāo)當(dāng)前鍵的狀態(tài)。有時，兩個坐標(biāo)

方向的位移各需要用兩個字節(jié)表示。

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9.3.1鼠標(biāo)的工作原理

■當(dāng)這些字節(jié)送到計算機中后，計算機的底層軟件

接收這些信息，并將相對位移轉(zhuǎn)換成鼠標(biāo)的絕對

位置，然后在屏幕上對應(yīng)位置顯示一個箭頭（或

其他符號，通?？梢杂捎脩暨x擇）來表示鼠標(biāo)的

當(dāng)前位置。

■鼠標(biāo)有單鍵、雙鍵和三鍵三種，其中雙鍵鼠標(biāo)使用得

比較普遍。鼠標(biāo)供用戶選擇菜單項，當(dāng)箭頭指向正確

的菜單項時，如果用戶正確按下鼠標(biāo)上的鍵，計算機

就可以從箭頭在屏幕上的位置計算出哪個菜單項已被

用戶選擇，然后完成用戶所希望的工作。

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9.3.2光學(xué)式鼠標(biāo)

■光學(xué)式鼠標(biāo)是由一個發(fā)光二極管(LED,

LightEmittingDiode)和一個光檢測器代

替。光學(xué)鼠標(biāo)下面必須是一個特制的塑料

墊，塑料墊上是間隔很小的線條組成的矩

形格。隨著鼠標(biāo)在墊子上移動，光檢測器

根據(jù)從LED反射回的光線總量的變化來感

知鼠標(biāo)越過了線條。鼠標(biāo)內(nèi)部的邏輯電路

可以計算出每個方向上移動的格數(shù)，由此

即可計算鼠標(biāo)的位移。

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9.3.3光電式鼠標(biāo)

■光電式鼠標(biāo)和新式的機械式鼠標(biāo)類似，底

部是一個可以繞互相垂直的兩個軸旋轉(zhuǎn)的

小球。兩個軸上連有譯碼器，上面有光線

可以通過的小裂縫。鼠標(biāo)移動時，帶動軸

旋轉(zhuǎn)。當(dāng)裂縫正好位于LED和檢測器之間

時，檢測器可以感知到一個光脈沖。脈沖

數(shù)和鼠標(biāo)的位移成正比，對脈沖計數(shù)后就

可以得到鼠標(biāo)的位移。

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9.3.4機械式鼠標(biāo)

■機械式鼠標(biāo)底部有兩個軸互相垂直的橡膠

輪。當(dāng)鼠標(biāo)向與其主軸平行的方向移動時,

一個輪子會轉(zhuǎn)動；當(dāng)向與其主軸垂直的方

向移動時，另一個輪一子轉(zhuǎn)動。每個輪子

各驅(qū)動一個可變電阻（電位器）。通過測

量電阻值的變化，就可以得到鼠標(biāo)在每個

方向上的位移。如圖9.4所示。

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9.4顯示器

■顯示器是一種重要的輸出設(shè)備，這里簡要

介紹了液晶顯示器和陰極射線管顯示器的

結(jié)構(gòu)和工作原理。

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9.4.1液晶顯示器的結(jié)構(gòu)和工作原理

■液晶是一種膠狀的有機分子，可以像液體一樣流

動,并在20世紀(jì)60年代被首次用來做顯示器（如

用在計算器、手表上）。

■目前應(yīng)用最廣泛色越是液晶顯示器（LiquidCrystal

Display,LCD顯示器）。

■當(dāng)液晶的所有分子都朝一個方向排列時，它的光

學(xué)性質(zhì)將取決于光進入的方向和光的偏振性。使

用特定的電場，可將液晶分子重新排列，也就可

以改變其光學(xué)性質(zhì)。更為獨特的是，用光照射液

晶，透射光的強度可以用電場控制。

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941液晶顯示器的結(jié)構(gòu)和工作原理

■LCD顯示器的屏幕由兩塊平行的玻璃中間夾著一

層密封的液晶組成，兩塊玻璃分別連著透明的電

極。后面那塊玻璃之后有一束光線（自然光或人

造光）照射到屏幕上，連在玻璃上的透明電極用

來在液晶中產(chǎn)生電場，用不同的電壓加在屏幕不

同的位置，控制顯示的圖形，粘在前后兩塊玻璃

板上的是人造偏光板，因為液晶顯示技術(shù)要求使

用偏振光。圖9.5給出了LCD的一般構(gòu)造。

26

9.4.1液晶顯示器的結(jié)構(gòu)和工作原理

■下面以絞合向列型(TwistedNematic,TN

型)顯示器為例來說明LCD顯示器的工作

原理。這種類型的顯示器后玻璃板上有許

多微小的水平槽，前玻璃板上有一些微小

的垂直槽，如圖9.6所示。沒有電場存在時,

液晶分子將順著槽排列。由于前后玻璃板

的槽互相垂直，液晶分子(同時導(dǎo)致晶體

結(jié)構(gòu))從后到前將從水平到垂直變化。

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9.4.1液晶顯示器的結(jié)構(gòu)和工作原理

■顯示器后面是一塊水平偏振板，只允許水平偏振光通過。

顯示器前面是垂直偏振板，只允許垂直偏振光通過。見圖

9.6o

■如果中間沒有液晶的話，從后面進來的水平偏振光將被前

面的垂直偏振板完全阻礙，使屏幕一片漆黑。但是，如果

有處于中間的液晶分子進行引導(dǎo)，光線將轉(zhuǎn)變其極性，完

全成為垂直偏振光。這樣，如果沒有電場控制，LCD顯

示器上也將是一片光亮。見圖9.6。

■通過在選定的位置加上一定的電壓，液晶的結(jié)構(gòu)將被破壞,

阻礙那個位置的光線通過，并使該位置變黑。見圖9.6。

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9.4.1液晶顯示器的結(jié)構(gòu)和工作原理

■一般有兩種方式提供電壓。

■在被動式矩陣顯示器上，兩個電極上都是平行的

導(dǎo)線。

■例如，在640X480的顯示器上，后面的電極上可能是

640根垂直的導(dǎo)線，前面也許是480根水平的。通過在

某根垂直導(dǎo)線上加上電壓后，再在某根水平導(dǎo)線上來

一個脈沖，兩根導(dǎo)線交叉點的電壓將被改變，使該點

短暫變黑。在下個點和下下個點上重復(fù)這個脈沖，一

條黑線就畫出來了。正常情況下，整個屏幕將在1秒鐘

內(nèi)重畫60次，使眼睛覺得屏幕上有一個固定的圖形。

29

941液晶顯示器的結(jié)構(gòu)和工作原理

■另一種廣泛使用的方式是主動式矩陣顯示

器。它相對來說昂貴一些，但成像質(zhì)量也

要好一些。

■它不但有兩組互相垂直的導(dǎo)線，在其中的一個

電極的每個像素位置上還有一個微型開關(guān)。通

過打開或關(guān)閉這些開關(guān)，可以在屏幕上產(chǎn)生躍

變電壓，也就在屏幕上產(chǎn)生躍變點陣。

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942CRT顯視器的結(jié)構(gòu)和工作原理

■陰極射線管(CathodeRayTube,CRT)

顯視器由陰極射線管及其電源組成。CRT

內(nèi)有電子槍，陰極發(fā)射的電子，通過高電

壓場的作用，可將電子束射到射線管前的

熒光屏上，如圖9.7所示(彩色射線管有三

支電子槍，分別對應(yīng)紅、綠、藍三原色)。

31

942CRT顯視器的結(jié)構(gòu)和工作原理

■水平掃描過程中，在屏幕上留下一條幾乎

水平的痕跡。然后，再通過回掃過程回到

屏幕的最左邊，準(zhǔn)備進行下次掃描。以這

種方式在屏幕上逐行掃出圖像的設(shè)備叫做

光柵掃描設(shè)備。

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942CRT顯視器的結(jié)構(gòu)和工作原理

■水平掃描由置于電子槍左右兩端的水平偏移電極

控制，將電極的電壓線性增加，電子束就從左到

右移動，垂直方向的移動是通過置于電子槍上方

和下方的垂直偏移電極控制。掃描若干線后，水

平和垂直偏移電極的電壓同時迅速復(fù)原，使電子

束回到屏幕左上角。

■一屏完整的圖像通常要在一秒內(nèi)重掃30?60次。電

子束的運動軌跡如圖9.8所示。

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942CRT顯視器的結(jié)構(gòu)和工作原理

■為在屏幕上產(chǎn)生點陣，CRT內(nèi)還有一個加速柵格。

當(dāng)柵格上加上正電壓時，電子束被加速，打到熒

光屏上，出現(xiàn)一個短暫的亮點；而加上負電壓時,

則對電子束產(chǎn)生阻力，使其不能通過柵格，熒光

屏上也就產(chǎn)生不了亮點。也就是說，柵格上的電

壓可以引起屏幕上對應(yīng)的點是否發(fā)亮。通過這種

機制，可以將二進制的電信號轉(zhuǎn)換成由亮點和喑

點組成的可視信號。

■由于CRT顯視器其體積大、笨重，在個人機領(lǐng)域已經(jīng)

逐漸被LCD顯示器取代。

34

943字符顯示

■個人計算機有兩種常用的屏幕輸出方式：

字符方式和位圖方式。圖9.9給出的是用字

符方式在顯視器上輸出的示意圖。顯示通

信卡（簡稱為顯示卡或顯卡）上有一組存

儲器（稱為視頻存儲器或視頻RAM）,還

有另外一些訪問總線和生成視頻信號的線

路。

35

943字符顯示

■要顯示字符，CPU首先將它們以兩個字節(jié)為單位

拷貝到視頻存儲器中，每個字符字節(jié)都有一個屬

性字節(jié)，用來描述字符的顯示屬性，即字符的顏

色、兄度、是否顯示等。見圖9.9。

■例如，假設(shè)每一屏幕顯示25X80個字符，則需要4000

字節(jié)容量的視頻存儲器，其中2000字節(jié)存放要顯示的

字符，另外2000字節(jié)存的是這些字符的顯示屬性。

■大多數(shù)顯卡上都有能存放若干屏容量的視頻存儲

器。以字符為顯示單位的終端稱為字符終端。

36

943字符顯示

■顯卡的任務(wù)是從視頻RAM中不斷地取出字

符，并產(chǎn)生驅(qū)動顯視器的必要信號。字符

以行為單位取出，以便計算出一次行掃描

的結(jié)果。這個信號是高頻模擬信號，控制

電子束在屏幕上畫出要顯示的字符。

■由于顯卡輸出的是視頻信號，為防止字符

扭曲，顯視器和計算機主機系統(tǒng)的距離將

被限制在一定的范圍之內(nèi)。

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9.4.4位圖顯示

■另外一種輸出方式將屏幕看成由像素組成的數(shù)組。

它和前面提到的25X80個字符的數(shù)組不同，而是

被看成由像素組成的數(shù)組。每個像素可以是顯示,

也可以不顯示，它代表一位信息。

■以像素為顯示單位的終端稱為位圖終端。

■目前，幾乎所有的顯卡都能在軟件的控制下，分

別以字符終端或位圖終端的方式工作。

■對于彩色顯示器，每個像素可以是8、16或24位。

38

9.4.4位圖顯示

■位圖終端在支持多窗口的應(yīng)用中廣泛使用。

■窗口是由一個程序使用的屏幕區(qū)域。

■有了多窗口后，同時運行幾個程序成為可

能，每個程序可以在自己的窗口內(nèi)獨立顯

示自己的運行結(jié)果。

39

9.4.4位圖顯示

■位圖終端具有高度的靈活性，但它們也同時具有

兩個主要的不足之處。

■第一，位圖終端顯然需要有大容量的視頻RAM。

■例如：每個像素的三原色還各需8位來描述，也就是每像素3

字節(jié)。這樣，對于分辨率為1024X768的顯示器，就需要2.3

MB的視頻RAM。

■第二，性能受到影響。

■例如：要顯示一個1024X768的全屏幕、全顏色的圖像就需要

每幀拷貝2.3MB的數(shù)據(jù)到視頻RAM中。為使圖像不致于閃爍,

每秒至少需要25幀，也就是需要57.6MB/S的傳輸速率。

9.5打印機

■打印機也是一種常見的輸出設(shè)備。打印機

能將計算機的處理結(jié)果以字符或圖形的形

式打印到紙上，便于人們閱讀和保存。由

于輸出結(jié)果能永久性保留，常稱為硬拷貝

輸出設(shè)備。

■本節(jié)介紹幾種常用的單色（即黑白）打印

機和彩色打印機。

41

9.5.1單色打印機

■L激光打印機

■激光打印機是激光技術(shù)與半導(dǎo)體電子照相技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)

物。

■圖9.10是激光打印機的原理圖。其核心部件是可精確定位

的硒鼓（在某些高檔打印機中是一條帶子）。激光打印機

的工作過程如下。見.圖5.10。

■硒鼓被加上1000V左右的電壓，并覆蓋上一層感光材料。

見圖以io。

■一束激光沿鼓的橫向掃過硒鼓。用一面八角鏡來控制激光

束。調(diào)制后的激光光束可以產(chǎn)生亮點和黑點的圖案。激光

束照在硒鼓表面，被激光照射到的點的電壓就被釋放。見

S9.10o

42

9.5.1單色打印機

■準(zhǔn)備好一條打印線后，磁鼓旋轉(zhuǎn)一個角度，開始準(zhǔn)備下一

條打印線。見圖9.10。

■第一條打印線上的點遇到了碳粉盒，里面放著可被靜電吸

附的碳粉。碳粉被還保留靜電的點吸附，在硒鼓表面“顯

示”出要打印的結(jié)果。見圖9.10。

■吸附了碳粉的硒鼓遇到了打印紙，并將吸附的碳粉傳給打

印紙。見囪9.10。

■打印紙通過高溫滾筒的烘烤，碳粉被永久固化在紙面上，

形成最后的打印結(jié)果。見向9.10。

■硒鼓被放電，上面剩余的碳粉被清掃干凈，以備下一次打

印時重復(fù)上述過程。見.圖9.10。

43

9.5.1單色打印機

■2.點陣打印機

■點陣打印機速度不高，噪音較大，而且圖

形打印效果很差。但由于點陣打印機價格

低廉（尤其是考慮耗材后），功能可靠，

所以在一些場合仍然廣泛使用。

44

9.5.1單色打印機

■點陣打印機，其打印頭有個7?24電磁驅(qū)動

的打印針，從左到右移動一次可打印一行。

■低檔打印機一般是7根針，可在一行上打印80

個字符，每個字符由5X7的點陣組成。實際上,

每個打印行都由7條水平線組成，每條水平線

是5X80=400個點。根據(jù)被打印的字符來決定

是否打印這些點。圖9.Ua是用5X7點陣打印的

字符“A”。

45

9.5.1單色打印機

■打印頭是針式打印機的關(guān)鍵部件，它由打

印針、電磁鐵、彈簧、導(dǎo)向機構(gòu)等組成，

如圖9.12所示。當(dāng)需要打出某根針時，相應(yīng)

的電磁鐵線圈中通過打印脈沖電流，電磁

鐵磁力驅(qū)動該針擊出。當(dāng)脈沖電流消失后，

打印針在復(fù)位彈簧作用下縮回，準(zhǔn)備下次

擊出。

46

9.5.1單色打印機

時

籃

討

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以TE

3.機

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墨

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作

出

中

并

噴

用

，

由

胃

制

速

外

轉(zhuǎn)

電

形

成

控

紙

方

盒

案

場

上