（光学工程专业论文）光电信息处理系统中lcd和ccd的控制和同步研究.pdf

摘要 摘要 光电网化并行处理系统是结合光学和电子各自的优点对大容量信息进行快 速并行处理的光电混合系统。本文对系统中的关键器件c c d 摄像机和l c d 空间光调制器进行了研究。论文主要内容包括： 1 研究了c c d 和l c d 的工作原理和时序特性。 2 基于薄膜晶体管液晶显示器( t f t l c d ) 的工作原理，提出了一种小型 黑白视频液晶显示器的电路设计方案。进行了电路的分析、调试和最 后的制板装配。r 通过实验证实，该方案简单可行，能够得到稳定的同 步信号( h s y n ，v s y n ) 、时序控制信号( f p ) 以及正反相视频信号( v i d e o ) ， 在l c d 的小型化、低成本、调节灵活和高质量整体方面得到了满意的 效果：) 7 ” 3 研究了c c d 和l c d 在光电系统中共同运转时的时序问题。( 在理论分 析和实验测试的基础上，对两者不同步时所出现的现象进行了讨论， 并利用软硬件相结合，提出了一种能保障系统正确、快速运转的时序 同步方案。p 一一一。 4 对本文研究工作做了结论和展望。 关键词：电子耦合器件( c c d ) ，液晶显示器( l c d ) ，空间光调制器( s l m ) ，光 电信息处理，并行处理，电路设计，视频信号，计算机图形 垒璺型 a b s t r a c t a no p t o e l e c t r o n i cp a r a l l e l p r o c e s s i n gn e t w o r kt a k e st h ea d v a n t a g eo fb o t h o p t i c sa n de l e c t r o n i c s t h e r e f o r e ，i tc a l lp r o c e s sl a r g ev o l u m e i n f o r m a t i o nw i t hh i g h s p e e d t h e c r i t i c a ld e v i c e s 一- c c dc a m e r aa n dl c ds p a t i a ll i g h tm o d u l a t o r ，a r e s t u d i e di nt h i st h e s i s t h ew o r k si nt h et h e s i sa r ea sf o l l o w i n g ： 1 t h eo p e r a t i o n a lp r i n c i p l e sa n dt i m i n gs e q u e n c eo fc c d a n dl c dh a v e b e e ns t u d i e d 2 b a s e do nt h eo p e r a t i o n a lp r i n c i p l eo f t f t l c d ，ak i n do f c i r c u i td e s i g ni s p r o p o s e df o ras m a l l - s c a l el c d t h a td i s p l a y sw h i t e b l a c kv i d e oi m a g e t h ea n a l y s i s ，d e b u g g i n ga n da s s e m b l i n go ft h ec i r c u i t sa r ep e r f o r m e d h a v i n gb e e nv e r i f i e db ye x p e r i m e n t s ，t h ep r o p o s e dd e s i g ni s b o t hs i m p l e a n da p p l i c a b l e i tc a ng i v es t a b l es i g n a l ss u c ha ss y n c h r o n i z i n gs i g n a l ， t i m i n gs e q u e n c ec o n t r o ls i g n a la n d v i d e os i g n a l t h u s ，as m a l lv i d e ol c d h a sb e e n a c c o m p l i s h e da n d t h eo v e r a l la d v a n t a g e so f p o r t a b i l i t y , l o wc o s t ， f l e x i b l ea d j u s t m e n ta n d h i g hq u a l i t yo fi m a g e sa r ea c h i e v e d 3 t i m i n gs e q u e n c eh a sb e e ns t u d i e dw h e nc c d a n dl c d o p e r a t et o g e t h e r i nt h e o p t o - e l e c t r o n i cs y s t e m b a s e d o nt h e o r e t i c a l a n a l y s i s a n d e x p e r i m e n t a lr e s u l t s ，t h ep r o b l e m sp r o d u c e db yo u t - o f - s y n c h r o n i s m a r e d i s c u s s e d c o m b i n i n g s o f t w a r ea n dh a r d w a r em e t h o d s ，as y n c h r o n i s m s o l u t i o ni sp r o p o s e dt o g u a r a n t e et h e c o r r e c ta n df a s to p e r a t i o no ft h e s y s t e m 4 a sac o n c l u s i o n ，t h em e r i t sa n dl i m i t a t i o n so ft h ew o r k si nt h et h e s i sa r e s u m m a r i z e d k e yw o r d s ：c h a r g e - c o u p l e dd e v i c e ( c c d ) ，l i q u i dc r y s t a ld i s p l a y ( l c d ) ，s p a t i a l l i g h tm o d u l a t o r ( s l m ) ，o p t o e l e c t r o n i c i n f o r m a t i o n p r o c e s s i n g ， p a r a l l e lp r o c e s s i n g ，c i r c u i td e s i g n ，v i d e os i g n a l ，c o m p u t e ri m a g e 1 1 第一章引言 第一章引言 伴随着人类社会进入信息时代，人们对信息容量和处理速度的要求在不 断提高。发展成熟的电子技术具有精确、稳定、集成度高和灵活等优点，在信 息处理方面发挥了举足轻重的作用，但在满足更大信息容量和更快信息处理速 度上已经遇到了一些困难，如受导线不能交叉、电路中引线靠近会发生耦合和 电流在导线中传输的延时等因素的限制。而光学却在这方面占有明显的优势， 而且不同于发展已经很成熟的电子技术，光学的许多潜能还未得到充分的发挥 和应用，因此更加受到人们的重视并在迅速的发展。总体看来，光学具有以下 优点忆 光学具有强大的互连能力。光束可以相互交叉而不干扰，同时可以在自由 空间传播，所以光学拥有强大的立体互连能力，在光计算和光神经网络方 面有重要的应用前景o l 。 并行处理能力。能够实现多达1 0 6 以上个通道的并行处理。 光学为信息的携带和处理提供了振幅、相位、波长和偏振等多种资源。 光速是目前知道的最快的速度。 但光学同时也有集成困难、精确性差和不易发生相互作用的缺点。因此 利用光电各自的优点，采用光电网化并行处理的方法是目前对大容量信息进行 快速处理的较好途径。因此光电器件自然就成为光电网化并行处理系统中的关 键器件，其中作为光电探测的电子耦合器件( c c d ) 和作为空间光调制器 ( s l m ) 的液晶显示器件( l c d ) 得到了广泛的研究和应用【3 】【4 i 。 c c d ( c h a r g ec o u p l e dd e v i c e s ) 器件是7 0 年代初迅速发展起来的新型半 导体器件【5 1 。它由美国贝尔实验室的w s b o y l e 和g e s m i t h 在1 9 7 0 年首先提 出。从产生至今，c c d 的研究取得了惊人的进展并得到了广泛的应用，已成 为光电检测和图象处理等领域内最活跃的器件之。液晶由奥地利植物学家 f r e i n e t z e r 在】8 8 8 年作加热胆甾醇苯甲酸脂结晶实验时首次发现，然而当时 第一章引言 并未给人类带来多少利益【6 1 。直到6 0 年代才被几个年轻学者打破了沉寂。1 9 6 1 年在美国r c a 公司普林斯顿实验室年轻的电子学者h e i l i r n e i r 作了在外电场作 用下向列液晶分子取向变化的研究。他将染料与向列液晶混合，夹在两片透明 导电玻璃基板之间，发现只加几伏电压液晶盒就由红色变成了透明态。这一发 现引起了研究小组的极大兴趣，随后相继发现了一系列的电光效应，并研制了 数字、字符液晶显示器件。公司将这些列为企业重大秘密，直到1 9 6 8 年刁向 世界宣布，从此引起了世界科技和工业界的极大重视。7 0 年代中期，液晶显 示已形成强大的独立产业。 c c d 和液晶显示器件的迅速发展，使得它们在光电信息处理中得到广泛 的研究和应用。c c d 被用作光电测量和图象处理及传感等方面卧i 3 】，如j e r o m e a z a d n i k 和j a m e sw b e l e t i c 研究了c c d 应用于天文图象时的读出噪声【】4 】； 液晶器件主要被用作空间光调制器【1 5 】1 ”l ，如d a g r e g o r y 等人把液晶电视 ( l c t v ) 应用于实时模式识别中的光学相关器i l8 1 ，j u l i oa c o y 等人研究了作 为可编程空间光调制器的液晶电视的特性【1 ”。然而对于c c d 和l c d 这两种 器件在光电信息处理中协调同步运转的时序问题的专门研究，在国内外还很少 有报道。本文所作的工作是在光电网化并行处理系统的背景下提出的，对系统 内c c d 和l c d 器件的同步时序问题进行了研究和探讨并给出了解决同步问 题的可行方案。光电网化并行处理系统是一种光电混合系统，我们在该系统中 主要利用了c c d 摄像机和l c d 空间光调制器来完成光电检测和电光调制， 从而既利用了光学来做光互连和并行处理，又通过电子和计算机技术进行预处 理、后期处理和实现可编程性，因此可以应用于模式识别、光计算以及人工神 经网络口”等大容量信息的高速处理中。 本文工作的意义及主要内容如下 ( 1 )对光电网化并行处理系统中的关键器件c c d 和l c d 的工作原理和 特性进行了深入学习研究。 ( 2 )自行设计了一种小型的透射式黑白液晶显示器的实现方案。完成了 电路原理的设计、分析、电路板的制作和最后整体的调试工作。实 现了小型化、低成本、低功耗、调试简单灵活、图象稳定无闪烁和 可实时显示的优点。可应用于模拟视频显示、计算机图形显示和光 第一章引言 信息处理中的空间光调制器。 ( 3 )c c d 和l c d 之间协调同步工作是保证光电计算系统正常运转的关 键，目前国内外在这方面的研究报道并不多见。本文对光电网化计 算系统中c c d 和l c d 动态工作时序问题进行了分析和探讨。 ( 4 )提出了同步c c d 和l c d 工作时序的解决方案。该方案结合软件和 硬件控制，使c c d 和l c d 在系统中能够准确协调的工作，并以尽 快的速度进行反复连续的操作。这对于许多情况下需要进行快速迭 代处理的问题具有实际意义，如人工神经网络中输入与权重的多次 迭代运算及权重的训练修改和模式识别中对快速运动瞬间过程的不 断捕获和处理等问题。 下面介绍本文的内容安排。第二章介绍了c c d 和l c d 器件的工作原理， 并扼要的举例说明了它们在光电系统中的应用。第三章详细介绍了小型黑白液 晶显示器的设计方案和电路分析及制作。在第四章里对光电信息处理中c c d 和l c d 时序问题进行了深入分析和探讨，并提出了同步时序的解决方案。第 五章是对全文的结论和展望。 蔓三童兰曼里塑堕曼里重量笪壁基垄堂皇堡垦竺堡主堕! 里旦 第二章c c d 和液晶显示器件及其在光电信息处理中的应用 目前c c d 器件作为光电转换传感器在许多领域里得到了广泛的使用。被检 测对象的光信息通过光学系统，在c c d 的光敏面上形成光学图象，c c d 器件把 光敏面上的光信息转换成与光强成比例的电荷量。用一定频率的时钟脉冲对 c c d 进行驱动，在c c d 的输出端可获得被测对象的视频信号。视频信号中每一 个离散电压信号的大小对应着该光敏单元所接收光强的强弱，而信号输出的时 序则对应c c d 光敏元位置的顺序，c c d 完成了信息从空间域到时间域的变换。 2 1c c d 原理及其工作方式 c h a r g ec o u p l e dd e v i c e s ( c c d ) 有多种应用，但最重要的应用是捕获图象， 其基本的功能是作为传感器把光转换为电心“，不同于其它大多数器件，c c d 器 件是以电荷作为工作信号，而不是以电流或电压作为工作信号的。因此c c d 的 基本功能和工作方式都与电荷有密切的关系，主要包括电荷的注入、存储、转 移和检测。 一、电荷的注入和存储5 1 电荷的注入方式有光注入和电注入等多种方式。c c d 最广泛的应用是c c d 摄像器件，完成把二维光学图象信号转变为一维视频信号输出。每个c c d 像素 完成两个功能：把图象转化为光电子( 积分期间) 和把转化的光电子以电信号 的形式转移输出( 读出期间) 。其光敏单元为光注入方式。因此我们主要讨论 光注入方式。构成c c d 的基本单元是m o s ( 金属一氧化物一半导体) 结构。如图 2 一l ( a ) 所示。 栅极电压为零时，p 型半导体中的空穴( 多数载流子) 的分布是均匀的。 当栅极施加正偏置电压u 。后，空穴被排斥，产生耗尽区，如图2 - 1 ( b ) 所示。 随着u 。的增加，耗尽区将进一步向半导体体内延伸。当u 。 u 。( u 。为p 型半导 d 第二章c c d 和液晶显示器件及其在光电信息处理中的应川 体的阈值电压) 时，半导体与绝缘体界面上的电势( 常称作表面势，用中。表 示) 变得如此之高，以至于将半导体体内的电子( 少数载流子) 吸引到表面， 形成一层极薄的( 约1 0 。m ) 但电荷浓度很高的反型层，如图2 - l ( c ) 所示。 反型层电荷的存在表明了m o s 结构存储电荷的功能。这种现象可以用半导体物 理中的“势井”概念来描述。势井的深度反映了容纳电荷的能力。随着反型层 p 型半导体 ( a ) 耗尽区 ( b ) 反型层 ( c ) 图2 - 1 单个c c d 栅极电压对耗尽区的影响 ( a ) 栅极电压为零( b ) 栅极电压小于阈值电压( c ) 栅极电压大于阈值电压 电荷的增加，表面势会下降，耗尽区收缩。当反型层电荷足够多，使势井被添 满时，表面势不再束缚多余的电子，电子将产生“益出”现象。这样，表面势 可作为势井深度的量度，而表面势r - qm o s 电容容量c 。和栅极电压u 。有关。 若势井的截面积为a ，则m o s 存储信号电荷的容量为： q 2 c o x u g a ( 2 1 ) 当光照射到c c d 硅片上时，在栅极附近的半导体内产生空穴一电子对，空 穴被栅极电压排开，电子则被收集在势井中形成信号电荷。光注入电荷q 可表 示为 q = 御v s t ( 2 2 ) 其中，7 7 为材料的量子效率，g 为电子电荷量，v 为入射光的光子流速率 s 为光敏单元的受光面积，r 为光注入时间。 第二章c c d 和液晶显示器件及其在光电信息处理中的应_ i j 二、电荷的转移m 】 通常每个c c d 像素由两个、三个、或四个平行的部分组成，称作时钟相。 加在时钟相上的高电压和低电压分别对应着这个相的存储电荷和隔离电荷的状 态。在积分期间内，每个像素中的一个时钟相为隔离状态，其余的时钟相为存 储状态，这些存储状态对应着势井的存在。每个像素区域的光电子产生时就落 入势井，同时隔离相把相邻两个像素的势井隔开，防止相邻像素间光电子的混 合。当电荷进行转移时光电子后边的时钟相变为隔离态，前边的时钟相变为存 储态。图2 2 描述了包含三个时钟相的像素电荷的转移。积分期间内，时钟相 3 ( o 。) 为隔离态，时钟相1 ( o 。) 和时钟相2 ( m ：) 为存储态。积分期 ( a ) 结束时，所有的光电子都落入o 。和西：内。电荷进行转移时，巾，首先变 为隔离态( b ) 使得所有的电荷都处于。中。接着中，变为存储态( c ) ，这时存储 在o ：中的电荷延伸到中。中，然后中。变为隔离态( d ) ，所有电荷存储在巾，中。 m m 2 中3 a l i ： ab cdefg ，o ，中。m ，m ， b r r 一 m l中2 m 3 m i中， 中3 c d 旦皇l 誓r 旦鱼、od 1 _ 厂一1 摹_ 中l中2al o 2中3 口广1 _ _ _ i 广_ - - _ _ _ 一。 垂i m 23m l o 2 o 3 f 厂_ - _ _ 厂一 nm l2 3 o l 中2 o 3 ” ： ：厂1 _ _ - l r 一 图2 - 2 三相阵列中转移一个像素电荷的示例 一6 第二鼙c c d 翱液晶显塔器件及其在光电信息处理中的应 这耪时糖翅状态豹转化继续进雩亍( 图2 - 2 中的e ，f ，g 从两完成了一个像素值 的转移。骥复以上过程就可以完成整个阵列( 像索) 的转移。 三、电荷的检测 电萤瓣检测就是把毫旖转化为相应的电信号，如电压、电漉等。l n 捞的检 测有多种方式，都是通过信号电简对输出耦合器件( 如偏置二极管和mos 晶 体管) 的埝出进行控制来实现的。这样麟把输入舀勺光信号最终转化为电信号输 出。 瑟、赣转移匿阵c c d 摄像器律 c c d 摄像器件把二维光学图象信号转变为一维视频信号输出，按工作方式 的不同可分为线阵c c d ，筒阵c c d ，线转移c c d 和帧转移c c d 替。现在使用的 大多数是帧转移灏阵c c d ，本文所用的也是这釉类型。 图2 - 3 三相帧转移面阵c c d 结构图 - 7 第二章c c d 和液晶显示器件及其在光电信息处理中的麻州 图2 3 为三相面阵帧转移c c d 摄像器的结构图。它由成像区( 光敏区) 、 暂存区和水平读出寄存器三部分组成。成像区由并行排列的若干电荷耦合沟道 组成( 图中虚线方框) ，各沟道之间用沟阻隔开，水平电极横贯各沟道。假定 有m 个转移沟道，每个沟道有n 个成像单元，整个成像区有m x n 个单元。 暂存区的结构和单元数都和成像区相同。暂存区与水平读出寄存器均被遮蔽。 其工作过程如下：图象经物镜成像到光敏区，当光敏区的某一相电极( 如 i 巾，) 加有适当的偏压时，光生电荷将被收集到这些电极下方的势井里，这样 就将被摄光学图象变成了光积分电极下的电荷包图象。 当光积分周期结束时，加到成像区和存储区电极上的时钟脉冲使所收集到 的信号电荷迅速转移到存储区中。然后，依靠加在存储区和水平读出寄存器上 的适当脉冲，并由它经输出级输出一帧信息。当第一帧读出的同时，第二帧信 息通过光积分又收集到势井中。一旦第一场信息被全部读出，第二场信息马上 就传送给寄存器，使之连续读出。 2 2 视频信号与计算机接口 一般c c d 输出的为标准电视视频信号，是模拟信号，可以直接作为电视系 统的输入信号。但要把这种模拟视频信号输入到计算机以便利用计算机对所获 得的图象信号进行处理，必须经过相应的模拟一数字转化，这种转化在硬件上 是通过图象采集卡来实现的。图2 4 是我们在实验中所用到的c a m p e 一1 0 0 0 图 象采集卡的系统硬件原理框图。 第二章c c d 和液晶显示器件及其在光电信息处理中的廛型 阳总线 图2 _ 4c a - m p e - 1 0 0 0 系统结构 由图可以看出，c a m p e 一1 0 0 0 是基于p c i 总线的黑白图象采集卡，将模拟 信号滤波后，a d 转换为8 b i t 数字信号，通过p c i 总线传送到p c 系统内存。 g e nl o c k ( 锁相) 电路保证采集所得图象点阵位置对应于原视频图象各点位置。 由于采用了以采集为主的总线控制技术，图象传送速度高达2 5 m b s ，可实现c c d 摄象机图象到计算机内存的可靠的实时传送，连续采集相邻帧的图象，精确到 帧。由于c a m p e 一1 0 0 0 将图象直接传送到主机的内存，视主机的内存大小可连 续存储相邻的多帧图象，带来了两个好处： 1 我们可从连续图象中获取更多的图象信息。 2 图象处理在主机内存中执行，有利于提高处理速度，充分发挥了c p u 的性能，便于编程。 实验中，我们还使用了与高速c c d ( c a d 6 型) 配套的p i x c i 图象采集 卡，其基本工作原理相同，只是数据传输率非常快，高速c c d 帧率可达到9 5 5 帧秒。 9 第二章c c d 靼液晶显示器件及其在光电信息；! 罂中的摩趔 2 。3 液晶显示器件及其显零琢理 液晶是介予液体和豳体之阙的萃孛物质形悫，箕分子一般跫棒妖，长宽跣 大予5 ，它的枕辕特瞧鞫对称性都量牵阕耨韵特煮i ”，。一方嚣，滚黥分子或多 璇少都舆吝象液体样熬运动囊壶凄( 低弹瞧鬻数) ，因丽它辩外界条件的变 纯卡分敏盛，奄场、磁筠、瀑痰、压力、边爨条馋、掺杂等闲索都能蟛哟滚晶 分子憋撵列。另一方聪，液燕分子象液螽祥其裔絮； 孛程度的长程礴序瞧。分 子鹃排列( 长辅方淘、成心袋爨等) 有定嫒则，遮决定了它象晶体样熬鸯 光学鑫岛异瞧，大郝分酌液晶，献港学上毳，褶警予一个单辘箍体，其双褥越 率撮离，n 。一n 。霹达0 。2 以上。所有这些褥瞧决定了液晶成为一种十分理想的 必调铡李孝艇。液晶器 警成尚光计算、光学信息处理和必学章枣经鄹终研究中不可 缺少豹环，光学实时输入输出器傍、光学处瑗单元阵列、并行必学歌闽器件、 高速开关阵列等等都胃以用液晶器传来完成裾”。 常觅的液鼎类型裔囱魏桴( n e m a t i c ) ，又稔丝状；避菇鞠( s m e t i c ) ，又称 层姨；秘照淄姻( c h o l e s t e r i c ) ，又称螺旋状。这种分类是根据在编光爨微镜 下鼹察到故液晶光学图案聪命名的j 。向剐壁渡晶楚使臻最广泛的一稀液晶， 其特点楚分子长轴方尚基本致，分子重心继鼍岛国，使怒箕糯蒗小，濂韵褴 强，在秘场律翅下，分予取向将越辩场交纯。强2 - 5 绘密了凡种液晶蒺型嬲分 子撵列状态。 ( a ) 向判穗( 近潞相 翱2 - 5 滚黼鹩尼种势子捧列 - 1 0 一 jff、ol，| 川矽 小p0“ 心脊 ；l杉“矗n 箜三童璺竺里塑堕曼星重量壁星基垄堂皇笪! 垦竺堡! 堕! 里旦 t e f t # t t 竞 阔2 - 6t n 型液晶盒结构图2 7t n 型液晶盒工作原理 液晶的各向异性和低弹性常数等特异性使得液晶具有丰富多彩的有趣电光 效应。液晶显示器就是利用了液晶电光效应来达到显示的目的。电光效应是指 在电的作用下，液晶分子的初始排列改变为其它的排列形式，从而使液晶盒的 光学性质发生变化。也就是说，以“电”通过液晶对“光”进行了调制。图2 - 6 和图2 7 分别扭曲向y u ( t n ) 型液晶盒的结构图和工作原理图。 在t n 型液晶盒中，上下基板的定向方向呈9 0 。分子的取向从上表面到 下表面形成一个连续扭曲螺旋，其光学性质相当于一个9 0 度旋光片。当施加 外场时，大部分分子( 除了紧靠基片的分子层) 的取向将转到电力线的方向上 来，这样就破坏了材料整体上的扭曲螺旋结构，透射光的偏振方向将不被旋转。 这样，液晶盒被夹在一对正交的偏振片之间，就能够产生对光的电调制。 液晶显示是由于在显示像素上施加了电场的缘故，而这个电场则由显示像 素前后电极( 背电极与信号电极) 上的电位信号合成产生。液晶显示像素可分 为段形( s e g m e n t ) ； u 点阵形( m a t r i x ) 两大类，点阵形又分为无源矩阵和有源矩阵。 段形液晶显示器的每个显示段的电极都单独引出，与要显示的电信号直接连 接，因而其驱动能力和显示规模非常有限，一般只能显示数字及字符1 2 ”，应用 于简单的显示系统，如电子表、仪器仪表显示等。本文主要研究点阵形液晶显 示器。 点阵形显示器的电极排列采取矩阵形结构，即把水平一行像素的背电极都 连在一起，称之为行电极，把纵向一列像素的信号电极都连在一起，称之为列 电极。这样在液晶显示器上每一个像素都由其所在的列与行的位置唯一确定。 第二章c c d 和液晶显示器件及其在光电信息处理中的麻i i 在驱动方式上采取了扫描的方法，循环的给行电极施加选择脉冲，同时把被选 择行像素的显示数据加在列电极上，从而实现像素的显示，这种行扫描是逐行 顺序进行的，从第一行扫描开始到最后一行扫描结束为一帧，然后开始下一帧 的扫描，因而液晶的显示呈动态扫描过程。这种显示方式可以满足大信息容量 显示的要求，特别是有源矩阵显示器件由于在每个显示像素上加了场效应开关 管，完全独立的驱动每一个像素，减少了像素间窜扰( 如无源矩阵) 同时大大 增加了驱动能力，适合于实时显示活动的图象。图2 8 给出了段形、无源矩阵 和有源矩阵液晶显示像素排列的结构示意图。 烯c o r n 孝箨 ( a ) 段型( b ) 无源矩阵( b ) 有源矩阵 图2 - 8 几种液晶显示方式 2 4 空间光调制器与计算机接口 空间光调制器( s l m ) 是一种可对某光波的波前的某些性质进行调制的器 件。例如通过吸收调制其振幅或强度，通过折射率对相位进行调制或通过旋转 对偏振进行调制等瞳。它可以用于光学处理系统的输入、输出器件，也可以 用于光电转换的界面，波长转换器等等，空间光调制器已成为光学处理系统中 的关键器件。根据s l m 携带的信息载体类型来分，s l m 有两种主要的类型：电 寻址空间光调制器和光寻址空间光调制器。前者直接以电信号的方式通过s l m 1 2 第二章c c d 和液晶显示器件及其在光电信息处理中的应_ l _ j 来对输出光进行调制，后者是先通过s l m 把输入的光信号转换为电场分布，再 由产生的电场分布通过s l m 对输出光调制。 由于电寻址方式利用了成熟的电子技术，从而能发挥光、电各自的优势， 已得到了广泛的应用。其中液晶显示屏( l c d ) 成为电寻址方式的空间光调制器 的主流，它可以方便的完成光、电及计算机的接口，实现实时可编程的处理系 统。因此人们对液晶显示屏( l c d ) ，如液晶电视( l c t v ) ，作了大量的研究工作 并将其应用于光学相关、实时模式识别、全息等信息处理系统中。 我们设计了一种直接与黑白视频信号接口的小型液晶电视，可以进行实时 显示和调制，通过v g a - t v 转换卡还可以与计算机接口，实现编程控制显示和 调制( 见第三章) 。实验系统中我们还使用了直接与计算机v g a 适配器接口的 空间光调制器，主要由高分辨率( 6 4 0 4 8 0 ) 的黑白l c d 和p c b 接口板组成 ( 图2 9 ) ，实时显示的帧率为6 0 h z 。 v 1 3 a 适配器 输出信号 图2 - 9 与计算机v ( 认卡接口的搁功倒貅4 器 经计算机v g a 显示适配器输出的信号包括红、绿、兰三个通道的信号和行、 场同步信号。信号通道选择可以选择红、绿、兰中的一个通道来进行黑白显示。 第二章c c d 和液晶显示器件及其在光电信息处理中的应州 信号放大部分对输入信号放大并调节亮度和对比度。由于v g a 输出的是模拟信 号，所以必须经过采样、保持电路才能获取液晶各个像素所需的数据。时序发 生电路把输入的行、场同步转换为液晶显示所需的各种时序脉冲信号，控制采 样、保持和液晶驱动器。最终l c d 在时序信号控制下，接收数据信号，完成动 态扫描显示。 2 5 具有空间旋转不变性模式识别的光电混合系统 光学系统具有巨大的时间和空间带宽积，快速并行性和巨大的互连能力。 而电子系统具有灵活精确，发展成熟和可编程处理等优点。因此结合光学和电 子学各自的优点，采用光电混合系统进行大容量信息处理是一种较好的方法。 我们设计的种用于空间旋转不变性模式识别的光电系统就是采用的这种处理 方法。系统结构如图2 - 1 0 。 图2 1 0 空间旋转不变性模式识别光电系统 该系统是基于级联神经网络模型啪3 设计的，待识别目标( o b j e c t ) 可随圆 1 4 第二章c c d 和液晶显示器件及其在光电信息处理中的席_ l 盘( c ) 作空间内的移动和旋转，c c d l 实时捕获目标的图象并送入计算机，在计 算机内进行图象和数据的予处理，然后把处理后的目标数据和权重( 网络模型 参数) 数据送到空间光调制器l c d 上，进行光并行计算。计算后的结果由c c d 2 捕获并反馈到计算机，在计算机内进行判断后采取下一步的操作，如继续迭代 运算或给出结果等。可以看出空间光调制器( l c d ) 和c c d 是该系统的核心器件。 由于l c d 是以动态扫描显示方式工作的，而c c d 的工作也有时序问题，所以对 两者之间时序关系的研究和控制对保证系统的准确和快速有效性是很重要的。 本文第四章论述了对该问题的研究。 第三章直接与视频信号接口的小型黑白液晶显示器丛旦皇堕塑塑生 第三章直接与视频信号接口的小型黑 白液晶显示器外围电路的设计 尽管液晶显示器件( l c d ) 的发展历史并不算长，但其发展的速度却颇为 令人瞩目。1 9 6 8 年美国r c a 公司研制了动态散射型( d s m ) 液晶显示器，1 9 7 1 年一1 9 7 2 年制出采用d s m 液晶的手表，标志着l c d 技术进入实用化阶段 2 ；1 9 7 1 年瑞士人发明了扭曲向列型( t n ) 液晶显示器，广泛用于笔段式和字符型小信息 容量显示，引起了世界的极大关注，使l c d 在显示器件领域地位仅次于阴极射 线管( c r t ) 显示器；1 9 8 5 年后，由于超扭曲( 8 t n ) 液晶显示器的发明及非晶硅 薄膜晶体管( a s it f t ) 液晶显示技术的突破，l c d 技术发展进入了大显示容量 化的新阶段；进入9 0 年代后，有源矩阵( a m ) 液晶显示器获得了飞速发展，实 现了视频图象显示，液晶电视 2 9 - s 2 成为研究的热题。本文提出了一种简单易 行的液晶电视外围电路的设计方法并完成了电路制作，取得了满意的性能价格 比及显示效果。 3 1 用于视频显示的l c d 整体设计 视频信号( 电视信号) 主要是用于电视显示系统的电信号，如c c d 摄象 机输出的标准视频信号可以作为传统的c r t 电视机的视频输入信号，从而在 电视机屏幕上重现图象。要想让这种视频信号所对应的图象在液晶显示器( l c d ) 上得到重现，必须把视频信号进行相应的处理和转换，变为l c d 所需要的信 号，才能完成视频显示功能。 视频信号不仅包含携带图象信息的图象信号，而且还有保证电视系统正常 运转的“辅助信号”，它们有机地组成“全电视信号”。主要的辅助信号是消隐 信号与同步信号i ”l 。图3 1 是一标准的黑白视频信号波形。 1 6 第三章直接与视频信号接口的小型黑白液晶显示器外围电路的塑计 t e k r “”：2 _ 5 0 m “卜s s a m p l e 。 0 - 0 鞲隧磷 0 0 0 0 ：i _ 图3 1 黑白视频信号 1s c 1 6 2 f s r e k q h z 5 删 c 1m a x 2 1 sv c 1m i n 1 0 1v 5 m a y 2 0 0 0 1 1 ：4 2 ：2 6 可以看出黑白视频信号主要包括三部分信号：同步信号，消隐信号和图象 信号。图象上不同明暗的空间像素分布变成了按时间顺序排列的强弱不同的电 信号，其电平的大小与像素的亮度成比例，如图中c 时间段对应的空间像素 为暗，d 时间段对应的空间像素为亮。同步信号( a ) 使得扫描返回起始点重新 开始扫描，同时在扫描返回( 回扫) 的过程中，施加消隐电平( b ) ，消隐电平 是黑电平，从而保证了回扫线不被显示。消隐电平结束，开始顺序扫描某一行 的各点，同时各点的亮度值以电平的形式顺序施加( 从c 时间段到d 时间段) 。 同步信号有行同步( 水平同步) 信号和场同步( 垂直同步) 信号。每扫描完一行， 在行同步的控制下，开始扫描下一行：当扫描完一场时，在场同步的控制下， 重新开始下一场的扫描。这样周期重复的扫描过程就完成了图象的动态显示( 在 显示屏幕上由左白右，由上自下的逐点显示) 。 1 7 。 第三章直接与视频信号接1 3 的小型黑白液晶显示器外围电路的设计 液晶电视通常采用有源矩阵l c d ，其最佳寻址方式是在每一个象素上连 接一个开关，开关之间彼此独立。这个开关可由薄膜晶体管( t f t ) 来担当，t f t 的工作状态就决定了其对应象素的显示状态。t f t 的工作状态由栅极( g a t e ) 的 扫描信号和源极( s o u r c e ) 的数据信号来控制，因此要用l c d 显示普通视频信 号，必须把视频信号变换为适合于l c d 的扫描信号和数据信号，这部分功能 由l c d 外围电路( 驱动电路和控制电路) 来实现。驱动电路直接与l c d 相连并 控制其显示状态。控制电路完成视频信号的转化和提供各种重要时钟信号， 以实现输入信号与驱动液晶之间的接v i ，是我f 1 设计的重点。整机工作原理 图如图3 2 。 图3 - 2 液晶电视驱动控制框图 视频信号送至控制电路部分，由同步分离器生成行同步脉冲( h s y n ) 和场同 步脉冲( v s y n ) 。在每场开始时产生v s y n 脉冲控制扫描驱动器，使之与场时序 同步。h s y n 信号确定每个扫描电极即行扫描的同步。由行同步的二分频信号 1 8 第三章直接与视频信号接口g j , j , 型黑白液晶显示器外同电路的设计 控制产生反相视频信号，在图象时钟c p 的控制下，正反相的视频信号被馈入 数据驱动器器，在其中经a d 转换和移位寄存器，信号被采样、保持和移位 锁存，从而完成了串行模拟视频信号的数字并行化，并作为显示数据加在液晶 上，得到要显示的图象。 我们自行设计和制作了控制电路及电源部分并配以驱动电路和a s it f t l c d ，实现了透射式的小型黑白液晶显示器。 3 2 电源 电源部分提供液晶显示器控制电路和驱动电路所需的电压。本系统所需电 压有+ 1 3 v 、+ 5 v 、一2 l v 、一1 3 v 和一8 v ，均为直流电压。主要采用集成稳压器件 l m l l 7 、l m 7 8 0 5 、l m l 3 7 和l m 7 9 0 8 来获得稳定的输出直流电压。由于控制电路 和驱动电路中大都采用低功耗半导体器件，l m 系列的稳压器输出电流可为几 百毫安到1 5 安培，能满足电路电流的要求，而且这些稳压器件内含过流保护 和过热截止等保护电路，输出电压稳定。 电源电路原理图如图3 3 。交流2 2 0 v 电压经变压器后为低压交流电，经 过桥式整流电路和大电容滤波后成为直流电压，作为l m 系列稳压器的输入， 最后经稳压得到相应的稳定的直流输出。电路设计中应保证l m 稳压器的输入 比输出高，一般为5 v 左右。l m 7 8 0 5 和l m 7 9 0 8 的输出电压由内部固定，前者 是输出正电压，后者输出负电压。1 1 7 和l m l 3 7 输出电压可通过两个附加电 阻在1 2 v 至3 7 v 内调节，如图3 3 中l 1 ( l m l l 7 k ) 的输出电压可表示为 乩z # ( 即 l m l l 7 输出为正电压，l m l 3 7 输出为负电压。 - 1 9 ( 3 1 ) 第三章直接与视频信号接口的小型黑白液晶显示器外围电路的设计 图3 - 3电源部分原理图 - 2 0 - 第三章直接与视频信号接口的小型黑白液晶显示墨丛圃鱼堕盟塑生 3 3 控制电路 接口控制电路的优劣对整机的性能有重要的影响，是整个系统的核心，因 而也是我们设计的重点。由于液晶材料在长时间的直流驱动下会发生极化现 象，使得显示质量下降，因此必须加以交流驱动，即交替地施加f 相视频信号 和反相视频信号，因此在这部分对输入的视频信号进行处理，以获得反相的视 频信号。同时提取和产生重要的时序脉冲信号以提供给驱动电路。系统框图如 图3 - 4 。 系统驱动部分的输入视频信号是模拟信号，在其内部完成数字并行化的处 理，因而省去了在控制部分设计a e ) 转换。 视频信号的反相方式可以是逐场反相、逐行反相和逐点反相。逐场反相是 交替的改变相邻场视频信号的极性，而每场内信号极性保持不变；逐行反相 为相邻行的信号改变极性，同行内信号极性一致；逐点反相则为每相邻像素 第三章直接与视频信号接v i 的小型黑白液晶显示器外围电路的设计 点的信号极性都改变。逐点反相工作方式要不断的改变每点信号的极性，因 此所需的驱动功率较大，实现起来也较困难。逐场反相工作方式每场图象的 信号极性全样，容易产生各点信号之间的影响( 交叉干扰) ，降低显尔质量。 因此我们采用对视频信号逐行反相来生成反相信号。由于行与行之问的信 号相位相反，不仅防止了液晶材料的极化，还减小了行与行之间的交叉干扰， 使图象的对比度和清晰度都有提高。但这种反相方式比逐场反相所需驱动功 率也较大，因而需加功率驱动。信号的反相由行同步h s y n 的二分频脉冲( f p l 控制，反相的时刻需得到精确的控制，因此设计f p 的前沿可调。由于l c d 的电光特性曲线不是完全对称的，我们使视频信号的正相和反相部分的幅度、 电平在整体调节的基础上还能进行独立的调节，以获得最佳的显示效果。 另外还要保证各类时钟的稳定性和时序性。各信号时序关系如图3 - 5 。 v i d e o s i g n a l h 。y n008i v s y n f p 图3 - 5 信号时序图 各信号的频率和脉宽如下： h s y n ：频率1 5 6 k h z ；脉宽1 0 “s v s y n ：频率5 0 h z ；脉宽6 4 us f p ：频率7 8 k h z ：脉宽6 4 | ls 下面是我们设计的几个主要的电路。 2 2 第三章直接与视频信号接口的小型黑白液晶显示器外围电路的设生 一、 同步分离电路 要正确的重现图象，同步信号的提取至关重要。同步信号是加在消隐电平 上的脉冲信号( 见图3 一1 ) ，消隐电平是黑电平，同步信号以黑电平为界与图缘 信号分歼，因此可以用幅度分离电路将复合同步信号分离出来。在复合同步信 号中，行同步与场同步脉冲宽度不同，因此利用微分电路和积分电路可近一步 将行同步和场同步分离出来。我们利用晶体三极管【3 4 1 【3 5 i 的饱和导通和截止特性 来对复合同步进行幅度分离，实现电路如图3 6 。 图3 - 6 同步分离电路 r 。和c 。构成一个杂波限幅电路，其作用在后面进行讨论。晶体三极管p 为p n p 型，当发射极e 与基极b 间的电压差( v 。) 大于一定阈值电压时，p 刊 饱和导通，集电极c 输出电压。适当的选取电阻r ：，r 3 ，r 4 ，r 5 的值，利用 同步信号和图象信号的幅度不同，使得只有当同步信号到来时，v 。大于闽值， 从而p 饱和导通，输出电压则由电阻和饱和电流i 。决定，即： v o r = ，r 5 ( 3 2 ) 同步信号没到来时，p 截止，电流为零，因而输出电压亦为零。这样就将 同步信号从图象信号中分离出来了。 2 3 第三章直接与视频信号接口的小型黑自液晶显示器外围电路的设计 当同步分离级输入信号中混有大幅度窄脉冲( 干扰多为窄脉冲信号) 时， 会破坏同步分离过程，造成同步不稳定。若没有r 。一c 。电路，在大幅二二扰脉冲 作用下，在同步分离级输入端电容c ：上会充有很高的电压。干扰脉冲消失后， 这个电压要经过较长的时间才能恢复正常电平，在此期间晶体三极管p 因基 极为高电压而一直处于截止状态，这样就会使该期间内的同步脉冲分离不出 来。在同步分离级串入c l ，使c l c 2 ，r 1 r 2 ，因r , - c l 和r 2 一c 2 的时间常数 t ，t ，可分别表示为： f l = r c f 2 = r 2 c 2 r 33 ) ( 3 4 ) 所以t ， t 2 ，即r 。c 。的充电、放电时间比r 。c 。的充、放电时间长的多。 当大幅度窄脉冲出现时，