韓 東，韓楊飛

(1.國(guó)家廣播電視產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心，北京 100015;2.武警通信總站，北京 100089)

液晶顯示器的響應(yīng)時(shí)間的典型測(cè)量是在黑白和白黑之間切換的時(shí)間。然而這種情況下的響應(yīng)時(shí)間并非最長(zhǎng)的響應(yīng)時(shí)間，灰階之間切換的響應(yīng)時(shí)間可能是黑白之間響應(yīng)時(shí)間的數(shù)倍之長(zhǎng)。測(cè)量灰階時(shí)間響應(yīng)和測(cè)量黑白變換的時(shí)間響應(yīng)的主要區(qū)別是，灰階響應(yīng)時(shí)間測(cè)量要求測(cè)量非常小的亮度變化(尤其在測(cè)量一個(gè)或兩個(gè)灰度級(jí)變化的響應(yīng)時(shí)間時(shí))，而且這些亮度變化伴隨著大量的噪聲，所以正確的測(cè)量方法和濾波技術(shù)變得尤為重要。而由于測(cè)量方法和濾波等信號(hào)處理技術(shù)而帶來(lái)的對(duì)測(cè)量結(jié)果可靠程度的影響是必須考慮的問(wèn)題［1］。

1 測(cè)量方法簡(jiǎn)述

灰階響應(yīng)時(shí)間在測(cè)量小亮度變化范圍時(shí)，對(duì)測(cè)量方法和設(shè)備的要求比測(cè)量黑白響應(yīng)時(shí)間更高。正確測(cè)量灰階響應(yīng)時(shí)間需要適當(dāng)?shù)男盘?hào)發(fā)生器和測(cè)量裝置，以及適當(dāng)?shù)臏y(cè)量技術(shù)及自動(dòng)化的數(shù)據(jù)處理方法。

如圖1所示，視頻信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生在兩個(gè)灰階之間變換的信號(hào)，來(lái)驅(qū)動(dòng)被測(cè)的顯示設(shè)備?？焖俚臏y(cè)光裝置把顯示器發(fā)出的光轉(zhuǎn)換成模擬電壓信號(hào)來(lái)表示被測(cè)設(shè)備的響應(yīng)時(shí)間變化。一個(gè)數(shù)據(jù)采集卡采集時(shí)間變化信號(hào)并將其數(shù)字化，響應(yīng)時(shí)間的定義是信號(hào)在兩個(gè)閾值電壓之間變化所用的時(shí)間。典型的閾值電壓是信號(hào)幅度的10%和90%，當(dāng)然閾值是可以改變的。確定響應(yīng)時(shí)間首先用軟件確認(rèn)脈沖的基線和頂線(即脈沖幅度的0%和100%)，然后根據(jù)這個(gè)值來(lái)確定響應(yīng)時(shí)間的閾值，進(jìn)而計(jì)算出兩個(gè)閾值之間的變化時(shí)間，并用上升時(shí)間和下降時(shí)間表示。

圖1 灰階響應(yīng)時(shí)間測(cè)量框圖

2 測(cè)量不確定度的來(lái)源

1)噪聲。在進(jìn)行灰階響應(yīng)時(shí)間測(cè)量時(shí)一個(gè)主要的問(wèn)題就是如何處理好噪聲對(duì)測(cè)量的影響，灰階響應(yīng)時(shí)間要求測(cè)量出存在于大量噪聲之中的亮度的微小變化。被測(cè)量的信號(hào)常常存在于噪聲電平的下方。在LCD顯示器的測(cè)量中有兩種典型的噪聲存在。一種是隨機(jī)噪聲，主要由亮度閃爍噪聲和熱暗噪聲組成。另一種是顯示器的閃爍，這是一種由于顯示器自動(dòng)刷新引起的周期性波動(dòng)。隨機(jī)性的噪聲可以通過(guò)波形的多次平均或低通濾波器或二者的結(jié)合進(jìn)行濾除。

2)亮度測(cè)量裝置的響應(yīng)時(shí)間。亮度測(cè)量裝置里的一個(gè)重要元器件是光電轉(zhuǎn)換管，它的響應(yīng)時(shí)間直接影響測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性。筆者曾看到過(guò)一款國(guó)外生產(chǎn)的灰階響應(yīng)時(shí)間測(cè)量系統(tǒng)，其本身的光電轉(zhuǎn)換時(shí)間大概在40 μs。這對(duì)典型的灰階響應(yīng)時(shí)間來(lái)說(shuō)，基本可以忽略。當(dāng)然也有針對(duì)更小的毫秒級(jí)的響應(yīng)時(shí)間測(cè)量的光電轉(zhuǎn)換器。

3)脈沖信號(hào)底值和頂值的測(cè)量不確定度。如圖2所示，測(cè)量亮度變化引起的脈沖信號(hào)的上升時(shí)間首先要確定信號(hào)的底部和頂部的準(zhǔn)確值，然后才能確定最大幅度值的10%和90%點(diǎn)的位置，進(jìn)而讀出兩點(diǎn)間的時(shí)間差。顯然，整個(gè)信號(hào)的底值和頂值測(cè)量存在不確定度，該不確定度必然傳遞到閾值，使得10%到90%之間的變化時(shí)間有所偏差。

圖2 脈沖信號(hào)波形

3 測(cè)量不確定度評(píng)定

1)用濾波器對(duì)噪聲處理過(guò)程中導(dǎo)致的波形失真引入的不確定度?，F(xiàn)有灰階響應(yīng)時(shí)間測(cè)量系統(tǒng)中都選用了一種濾波技術(shù)，很好地修正了濾波引起的響應(yīng)時(shí)間測(cè)量失真，而且顯著改進(jìn)了響應(yīng)時(shí)間小于1/2濾波寬度時(shí)的測(cè)量不確定度。再結(jié)合重復(fù)測(cè)量，使得濾波過(guò)程對(duì)響應(yīng)時(shí)間測(cè)量的不確定度影響可以忽略。

3)脈沖信號(hào)底值和頂值的測(cè)量不準(zhǔn)引入的不確定度u2

［3］。如圖2所示，假設(shè)xL和xH分別代表最大值的10%和90%，則(tH－tL)就是上升時(shí)間，xT和xB分別代表脈沖信號(hào)的最小值和最大值

由xL在階躍波形曲線上以線性插值法找到相對(duì)應(yīng)的時(shí)刻tL，由xH在階躍波形曲線上以線性插值法找到相對(duì)應(yīng)的時(shí)刻tH。則階躍信號(hào)上升時(shí)間為

可以認(rèn)為xT和xB的測(cè)量誤差在區(qū)間［－0.5Δx，0.5Δx］內(nèi)服從均勻分布，則xT和xB的測(cè)量不確定度為

xT與xB做不相關(guān)處理，則由式(1)、(2)可得

其不確定度為

其實(shí)驗(yàn)方差為

其協(xié)方差為

其相關(guān)系數(shù)為

由 dx=x'(t)dt，得

不確定度為

實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)偏差為為

實(shí)驗(yàn)協(xié)方差為

相關(guān)系數(shù)為

實(shí)際上，上升波形曲線在區(qū)間［tL，tH］內(nèi)可以近似認(rèn)為是一條直線，則有

最后可得

4)合成不確定度uc

各個(gè)不確定度分量按不相關(guān)考慮，其中uA是根據(jù)實(shí)際措辭測(cè)量數(shù)據(jù)用貝塞爾法或其他統(tǒng)計(jì)方法計(jì)算得到的，具體方法和公式JJF1059.1—2012“測(cè)量不確定度評(píng)定與表示”中詳細(xì)規(guī)定，此處不再贅述。

4 實(shí)驗(yàn)舉例

結(jié)合一臺(tái)灰階響應(yīng)專用測(cè)試系統(tǒng)測(cè)量某LCD顯示器的灰階響應(yīng)時(shí)間的測(cè)量，對(duì)測(cè)量結(jié)果的不確定度進(jìn)行評(píng)定。

4.1 測(cè)量不確定度的A類評(píng)定

如表1所示，進(jìn)行10次重復(fù)測(cè)量，應(yīng)用貝塞爾法求出重復(fù)性測(cè)量引入的實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)偏差。

表1 測(cè)量不確定度A類不確定度

平均值:=16.65 ms。

用貝塞爾公式計(jì)算單次測(cè)量的實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)偏差［2］為

平均值的實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)偏差［2］為

A類不確定度為

4.2 測(cè)量不確定度的B類評(píng)定

1)亮度測(cè)量裝置響應(yīng)時(shí)間引入的不確定度u1。由儀器技術(shù)資料得該測(cè)量?jī)x器的廣電轉(zhuǎn)換時(shí)間為40 μs，由此引入的不確定度按均勻分布考慮，則2)脈沖信號(hào)底值和頂值的測(cè)量不準(zhǔn)引入的不確定度u2。由式(19)得

3)合成不確定度

4)擴(kuò)展不確定度

5 總結(jié)

本文通過(guò)對(duì)灰階響應(yīng)時(shí)間的測(cè)量過(guò)程的過(guò)程描述和測(cè)量?jī)x器的性能分析，研究了顯示器的灰階響應(yīng)時(shí)間的測(cè)量不確定度的主要來(lái)源和評(píng)定方法，并結(jié)合一個(gè)實(shí)例進(jìn)一步闡述了灰階響應(yīng)時(shí)間測(cè)量不確定度的評(píng)定步驟。當(dāng)然，在實(shí)踐應(yīng)用中應(yīng)該根據(jù)所使用的測(cè)試條件和儀器的實(shí)際情況和測(cè)量方法具體分析不確定度的來(lái)源。

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［1］溫娜，張谷一.灰階響應(yīng)時(shí)間測(cè)量［J］.電視技術(shù)，2009，33(12):112－114.

［2］中華人民共和國(guó)國(guó)家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局.JJF1059.1—2012測(cè)量不確定度評(píng)定與表示［M］.北京:中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2013.

［3］梁志國(guó).方波上升時(shí)間的測(cè)量不確定度［J］.計(jì)測(cè)技術(shù)，2006(3):43－45.