TFT—LCD液晶響應(yīng)時(shí)間測(cè)量系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

徐潔

(濉溪縣城鄉(xiāng)居民合作醫(yī)療管理中心，安徽 濉溪235100)

摘要：針對(duì)ARM控制ILI9320型號(hào)的TFT-LCD液晶，設(shè)計(jì)了TFT—LCD液晶響應(yīng)時(shí)間的測(cè)量系統(tǒng)。并對(duì)液晶的工作原理、響應(yīng)時(shí)間、光電檢測(cè)電路工作原理和設(shè)計(jì)作了詳細(xì)介紹。通過ARM對(duì)液晶的控制顯示出黑白變化的小矩陣，再將光電檢測(cè)電路檢測(cè)到的信號(hào)送入示波器觀察，從而實(shí)現(xiàn)測(cè)量液晶的響應(yīng)時(shí)間，具有簡(jiǎn)單、精確等優(yōu)點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：TFT—LCD；FET；ARM；光電檢測(cè)電路

收稿日期：2015-05-18

作者簡(jiǎn)介：徐潔(1983-)，女，安徽淮北人，濉溪縣城鄉(xiāng)居民合作醫(yī)療管理中心助理工程師，研究方向?yàn)橛?jì)算機(jī)信息管理。

中圖分類號(hào)：TN873.93文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

0引言

TFT，即薄膜場(chǎng)效應(yīng)晶體管，是指液晶顯示器上的每一個(gè)液晶像素點(diǎn)都是由集成在其后的薄膜晶體管來驅(qū)動(dòng)。這種場(chǎng)效應(yīng)管制作在液晶顯示器件的玻璃上。每個(gè)場(chǎng)效應(yīng)管獨(dú)立驅(qū)動(dòng)一個(gè)像素，從而實(shí)現(xiàn)高速、高亮度、高對(duì)比度的顯示效果。

液晶顯示器的響應(yīng)時(shí)間一直都是衡量液晶性能的一個(gè)重要指標(biāo)，所以尋找一種準(zhǔn)確快速測(cè)量液晶的響應(yīng)時(shí)間是很有現(xiàn)實(shí)意義的。

1TFT液晶響應(yīng)時(shí)間產(chǎn)生原理

1.1TFT液晶顯示結(jié)構(gòu)

TFT液晶顯示器件結(jié)構(gòu)如圖1所示。TFT液晶顯示器件的后玻璃上有薄薄的一層硅膠，在硅層內(nèi)光刻有許多場(chǎng)效應(yīng)管。

圖1　TFT液晶顯示陣列

由于一般TFT-LCD的點(diǎn)陣畫面的數(shù)據(jù)比較大，所以發(fā)送圖像數(shù)據(jù)時(shí)間按照時(shí)間分解。當(dāng)柵極驅(qū)動(dòng)器掃描到某一行時(shí)，掃描脈沖電壓將該行上的所有TFT導(dǎo)通，同時(shí)源極驅(qū)動(dòng)器將每個(gè)像素顯示的信號(hào)送入到液晶的像素上，并且對(duì)Cs電容進(jìn)行充電，然后選通下一行像素點(diǎn)，傳送下一次像素信號(hào)。依次執(zhí)行，從第一行起到最后一行，就完成一幀圖像的傳送。所有像素電壓都要保持一段時(shí)間，即一幀的時(shí)間。

當(dāng)響應(yīng)時(shí)間達(dá)到一定要求時(shí)，觀察者在觀察動(dòng)態(tài)畫面時(shí)就不會(huì)有尾影拖曳的感覺。響應(yīng)時(shí)間表現(xiàn)為上升時(shí)間(Rise time)和下降時(shí)間(Fall time)。

1.2TFT驅(qū)動(dòng)電路

TFT驅(qū)動(dòng)電路如圖2所示。

圖2　TFT驅(qū)動(dòng)電路

由圖2可知，TFT液晶每個(gè)像素是由一個(gè)FET管來驅(qū)動(dòng)，[1]88-91通過行掃描選通柵極信號(hào)SEL SIGNAL信號(hào)使FET管導(dǎo)通，列信號(hào)VGMA1-1選通D/A通過FET驅(qū)動(dòng)液晶。該D/A轉(zhuǎn)換器的輸入是該像素的顯示數(shù)據(jù)，這樣就組成一個(gè)像素點(diǎn)驅(qū)動(dòng)。

分析具體工作原理[2]719-722可以得知液晶的響應(yīng)時(shí)間由來。

(1)當(dāng)場(chǎng)效應(yīng)管的柵極加上導(dǎo)通電壓Ug時(shí)，場(chǎng)效應(yīng)管進(jìn)入導(dǎo)通狀態(tài)，此時(shí)FET導(dǎo)通了，導(dǎo)通電阻為Ron。同時(shí)顯示數(shù)據(jù)通過D/A轉(zhuǎn)換器產(chǎn)生的模擬電壓Us給源極，此時(shí)場(chǎng)效應(yīng)管的導(dǎo)通電阻Ron與容性負(fù)載的液晶材料CLc形成比較小的充電時(shí)間常數(shù)T=Ron*CLc，在像素上迅速建立電壓Ud，并且Ud接近Us的值，達(dá)到預(yù)期的顯示效果。

(2)當(dāng)場(chǎng)效應(yīng)管的柵極不加電壓時(shí)，場(chǎng)效應(yīng)管進(jìn)入關(guān)斷狀態(tài)，F(xiàn)ET關(guān)斷電阻為Roff。源極S上的電壓Us變化不影響漏極D上的電壓Ud，由于場(chǎng)效應(yīng)管關(guān)斷電阻Roff與容性負(fù)載的液晶CLc形成比較大的放電時(shí)間常數(shù)T=Roff*CLc，使得該像素點(diǎn)顯示效果可以保持一段時(shí)間。

通過分析可知液晶的響應(yīng)時(shí)間主要有由T=Ron*CLc來確定。

1.3液晶響應(yīng)時(shí)間

響應(yīng)時(shí)間[3]是指LCD上的各個(gè)像素點(diǎn)對(duì)輸入激勵(lì)信號(hào)的反應(yīng)速度，即激勵(lì)信號(hào)使像素點(diǎn)由暗轉(zhuǎn)亮或由亮轉(zhuǎn)暗所需要的時(shí)間。

圖3　激勵(lì)信號(hào)與亮度響應(yīng)時(shí)間關(guān)系

由圖3可以知道上升時(shí)間是指亮度響應(yīng)曲線t1至t2的時(shí)間，也就是亮度的響應(yīng)幅度從10%上升到90%所對(duì)應(yīng)的時(shí)間；因此稱t2-t1為上升時(shí)間。

在t4至t5期間，亮度很快下降，當(dāng)達(dá)到較低亮度值，此時(shí)的亮度值僅為亮態(tài)的10%，已與暗態(tài)相差無幾，因此t5-t4稱為下降時(shí)間。[4]52-58

我們定義的響應(yīng)時(shí)間[5]6-80(Response Time)，是上升時(shí)間和下降時(shí)間之和，即TResponse=(t2-t1)+(t5-t4)，而把亮延遲時(shí)間與上升時(shí)間之和，即Ton= t2-t0稱為開啟時(shí)間，把暗延遲時(shí)間與下降時(shí)間之和，即Toff= t5-t3稱為關(guān)斷時(shí)間。

2TFT液晶響應(yīng)時(shí)間的測(cè)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)

該設(shè)計(jì)采用ILI9320型號(hào)液晶，通過ARM對(duì)其控制，[6]227-281讓液晶產(chǎn)生中間部分產(chǎn)生很小的(幾個(gè)像素)黑白變化的矩陣。光電檢測(cè)器檢測(cè)到的黑白變化的信號(hào)通過放大電路送至示波器顯示。原理框圖如圖4所示。

圖4　液晶響應(yīng)時(shí)間測(cè)量框圖

2.1軟件部分設(shè)計(jì)

讓液晶產(chǎn)生黑白變化的小矩陣，可以通過ARM對(duì)LCD進(jìn)行控制，[7]由驅(qū)動(dòng)程序改變LCD的顯示。[8][9]如圖5是這個(gè)系統(tǒng)接口。

圖5　系統(tǒng)接口

由于篇幅原因只給出主要程序設(shè)計(jì)(如果讀者需要全部程序，請(qǐng)與作者聯(lián)系)。

int main ()

{LCD_Init();

LCD_Clear_Screen(Black);

while(1)

{ LCD_RectangleFill(100,100,115,115,Black);

Delay(80);

LCD_RectangleFill(100,100,115,115,White);

Delay(80); } }

在此只給出主函數(shù)本分，下面對(duì)程序做簡(jiǎn)單分析：

LCD_Init()：主要是初始化LCD和ARM部分，

設(shè)置好ILI9320和ARM的寄存器使它們到工作狀態(tài)。[10]

LCD_Clear_Screen(Black)：清屏顯示，讓液晶全屏顯示黑色。

LCD_RectangleFill(100,100,115,115,Black)：在液晶中間顯示黑色。

LCD_RectangleFill(100,100,115,115,White)：在液晶中間顯示白色。

Delay(80)：延時(shí)函數(shù)。

通過上面程序可以分析得知，液晶產(chǎn)生黑白變化的小矩陣，然后通過光電檢測(cè)器檢測(cè)到的信號(hào)就是高低電平變換的方波。但是我們關(guān)注的是這個(gè)方波的上升沿和下降沿。

2.2光電檢測(cè)電路設(shè)計(jì)

光電檢測(cè)電路設(shè)計(jì)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的性能非常重要的，光電二極管和放大電路的響應(yīng)速度直接影響液晶響應(yīng)時(shí)間的測(cè)量，在設(shè)計(jì)中我們采用高速光電二極管。[11]1088-1091為了驗(yàn)證高速光電二極管的響應(yīng)速度，做了一個(gè)小實(shí)驗(yàn)：將信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生10K的正弦波點(diǎn)亮綠色波長為560 nm的發(fā)光二極管，讓其照射過高速光電檢測(cè)二極管通過示波器觀察，接收到的信號(hào)和示波器產(chǎn)生的正弦波信號(hào)波形匹配，只是幅度上小一些。這就驗(yàn)證光電二極管的響應(yīng)速度是在100μs級(jí)別。完全滿足液晶上升沿ms級(jí)別要求。

由于光電二極管接收過來的信號(hào)是非常微弱的，所以需要通過放大器來放大此信號(hào)。本設(shè)計(jì)采用TI公司的VCA822放大器，可以達(dá)到要求。其原理圖[12]413-422如圖6所示。

圖6　光電檢測(cè)電路

分析放大器的頻率響應(yīng)和響應(yīng)時(shí)間是復(fù)雜的，不在本文討論之內(nèi)，但是可依據(jù)下面經(jīng)驗(yàn)公式：[13]1

Tr=0.35/fh

可以近似求解出放大電路的允許的上升沿時(shí)間?？梢灾繴CA822的帶寬為150MH，所以放大器的帶寬也在MH級(jí)別。根據(jù)公式可以求的上升沿時(shí)間Tr是在μs級(jí)別，完全滿足要求。讀者也可以通過測(cè)試光電二極管的方法測(cè)試此電路，通過10K的正弦波觀察輸出信號(hào)是否失真，就可知道是否滿足要求。

圖7　系統(tǒng)檢測(cè)的液晶響應(yīng)時(shí)間

完成上述電路的設(shè)計(jì)，就可以把檢測(cè)到的信號(hào)送入示波器觀察，圖7是示波器觀察的信號(hào)。通過示波器可以讀出上升沿和下降沿的值。

3結(jié)束語

本設(shè)計(jì)通過ARM控制ILI9320液晶，使LCD顯示黑白變化的圖像，通過光電檢測(cè)電路檢測(cè)變化的信號(hào)進(jìn)行放大處理后輸入示波器觀察結(jié)果。還給出了程序的原理設(shè)計(jì)和檢測(cè)電路的設(shè)計(jì)，并且得到預(yù)期效果。實(shí)踐結(jié)果表明，該系統(tǒng)具有設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、運(yùn)行穩(wěn)定可靠、易讀取、實(shí)用性強(qiáng)等特點(diǎn)。

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責(zé)任編輯：陳靜