（微电子学与固体电子学专业论文）彩色pdp显示控制电路设计.pdf

东南大学硕士学位论文 摘要 p d p ( 等离子显示平板) 是目前处在迅速发展和应用之中的新型平板显示器之一。它具有大尺 寸、宽视角，厚度薄、固有的数字化显示方式等优点，非常适合应用于高清晰数字电视和公共场合 大屏幕显示。本文工作得到国家8 6 3 计划“高压驱动电路模块”课题的支持，为研究开发彩色p d p 电路系统和其中的显示控制电路创造了良好的条件。 彩色p d p 显示控制电路是p d p 电路系统的关键电路之一，负责产生高压驱动电路的控制信号并 处理图像数据。本文立足于p d p 驱动芯片的应用，研究彩色p d p 显示控制电路的设计和实现。 首先，本文介绍了p d p 的发展历史、前景及开展本课题的意义，概述了彩色p d p 的工作原理及 驱动方法。然后，本文阐述了实验屏电路系统的框架结构，逐一介绍了其中各部分电路的功能与设 计，并分析探讨了p d p 驱动芯片的功能结构和技术发展趋势。 在此基础上，本文描述了实验屏p d p 显示控制电路的器件方案，设计并制造了p c b 。显示控制 电路的逻辑功能是通过f p g a 来实现的。通过对设计要求进行分析。f p g a 的总体逻辑被划分为各 个子逻辑，设计并仿真了各部分子逻辑的功能。然后，将这些逻辑功能集成到一起，下载到实验屏 显示控制电路的硬件中。在调试过程中，又依次加入了彩色棋盘格逻辑以及读f l a s h 的逻辑。最 后，通过烧写f l a s h 以及滚屏读取图像，实现了动态显示。 基于本文介绍的p d p 显示控制电路，实验用彩色p d p 电路系统成功实现了动态图像显示，图像 清楚明亮，电路工作稳定。从而为p d p 驱动芯片的系统测试验证提供了较好的平台，同时也为p d p 电路系统的深入研究打下了一定的基础。 关键词：彩色p d p ，p d p 驱动芯片，p d p 显示控制电路，动态图像显示 东南大学硕士学位论文 a b s t r a c t p d pf p l a s m ad i s p l a yp a n e l ) j so n eo ft h el a t e s tf l a tp a n e ld i s p l a yd e v i c e su n d e rm p i dd e v e l o p m e n t a n da p p l i c a t i o n ，w h i c hi sp r a i s e df o rl a r g es c r e e r ls i z e ，w i d ev i e w i n ga n g l e ，t h l n n e s s ，h i g hc o n t r a s t ，i n h e r e n t d l g i t a ld i s p l a ym e t h o d e t c i ti sv e r ys u i t a b l ef o rh i 曲r e s o l u t i o nd i g i t a lt va n dp u b l i cd i s p l a ya p p l i c a t i o n t h ew o r ko f t h i sp a p e r a c q u i r e st h es u p p o r to f n a t i o n a l8 6 3p r o j e c t h i g h - v o l t a g ed r i v e rm o d u l e ”w h i c h p r o v i d e ss u 币c i e n tw o r kc o n d i t i o n sf o rt h es t u d ya n dd e s i g no f p d pd r i v i n gs y s t e m c o l o rp d pd i s p l a yc o n t r o lc w c u i ti so n eo f p d pd n v m gs y s t e m sk e yc i r c u i t s w h i c hg e n e r a t e sc o n t r o l s i g n a l sf o rh i g h v o l t a g ec i r c u i t sa n dp r o c e s s e sj m a g es i g n a l s f o rt h ea p p l i c a t i o no fp d pd r i v ei c s i ti s i n v e s t i g a t e di nt h i sp a p e rt h a th o wc o l o rp d pd i s p l a yc o n t r o lc i r c u i ti sd e s i g n e da n dr e a l i z e d f i r s t l yt h ep d pd e v e l o p m e n th i s t o r ya n di 协b e a u t i f u l 如t u r ea r ei n t r o d u c e d a n dt h e ni ti si n t r o d u c e d t l l a tt h ep u r p o s eo ft h i sw o r ka n dt h eb r i e fo p e r a t i o np r i n o p l eo fc o l o rp d ps e c o n d l yt h es t r u c t u r eo f e x p e r i m e n t a lp d pd r i v i n gc i r c m ts y s t e mj si n t r o d u c e d a n di ti sp r o p o s e dt h ef u n c t i o na n dd e s i g no f e v e r y c i r c u i ta sap a r to f e x p e r i m e n t a lp d pd r i v i n gc i r c u i ts y s t e m t h es t r u c t u r ea n dd e v e l o p i n gt e n d e n c yo f p d p d r i v e r1 c sa r ea l s oi n l r o d u c e d 1 l lt h eb a m so f i n t r o d u c t i o nt oe x p e r i m e n t a ld r i v i n gs y s t e m t h eh a r d w a r eo f t h ed i s p l a yc o n t r o lc i r c u i t i si n t r o d u c e di nd e t a i l s a n dp r i n t e dc l r c u i tb o a r dj sd e s i g n e da n dm a n u f a c t u r e d t h el o g i cf u n c t i o ni s r e a l i z e db vf p g a a c c o r d i n gt or e q u i r e m e n t so ft h ed e s i g n j t sf p g al o g i ci sd i v i d e di n t os c v e r a l s u b 1 0 9 i c sw h i c ha r ed e s l g n e da n ds i m u l a t e d t h e l lt h e s el o g i c sa r ed o w n l o a d e dt o g e t h e r w h i l cd e b u g g i n g i ti si n t r o d u c e dt h ec h r o m a t i cc h e s s b o a r dl o g i ca n dt h ec o n f i g u r a t i o no fak i n do fn a s hm e m o r y t h e a n a l y s i so f d y n a m i ci m a g ee f f e c ti sa l s op r o p o s e d t h ew o r ko ft h ep a p e ri sa p p l i e di ne x p e r i m e n t a lp d pd r i v i n gc i r c u i ts y s t e m a n dd y n a m i ci m a g e d i s p l a yi sr e a l i z e ds u c c e s s f u l l y , w h i l et h ec i r c u i tw o r k ss t e a d i l y i tm e a n sas a t l s f y i n gt e s tp l a t f o r mf o rp d p d r i v el c si sa c q u i r e d w h i c hi sa l s ot h eb a s i so f t h ef o l l o w i n gp d pd r i v i n gc i r c u i tr e s e a r c h k e yw o r d s ：c o l o rp d p ，p d pd r i v e c s ，p d pd i s p l a yc o n t r o lc i r c u i t ，d y n a m i ci m a g ed i s p l a y 东南大学硕士学位论文 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发 表或撰写过的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构的学位或证书而使用 过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明 并表示了谢意。 研究生签名：至叠日期：血少至堡日期：血少 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的 复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内 容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可 以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权东南大学研 究生院办理。 研究生签名：垂盛导师签名：玉曲粒日期- d q - 午 东南大学硕士学位论文 1p d p 的历史和前途 绪言 作为一种显示器，p d p 这个名词如今可谓家喻户晓，它是英文p l a s m ad i s p l a yp a n e l 的缩写，中 文名称是等离子体显示器。它的发明可以追溯到2 0 世纪5 0 年代初，美国的g u r r o u g h s 公司开发出一种 直流气体发电管，用于数码显示。但其最具历史性的突破发生在1 9 6 4 年，美国i l l i n o i s 大学的教授 b i t z e r 和s l o t t o w f s j 作出具有存储特性的单色p d p 。基于这项发明的单色p d p 在此后的十几年中不断发 展，至 j 8 0 年代初，曾经成为占据主导地位的大面积平板显示器件】【6 】。 在彩色液晶显示的应用不断扩大并带动了平板显示技术的发展的同时，单色p d p 的生产和研制 陷入了低谷。同时，在日趋临近的数字化电视广播和高清晰电视h d t v 的强烈刺激下，彩色p d p 的技术迅速得到突破并获得很大的发展。在军用p d p 开发方面，美国p h o t o n i e si m a g i n g 公司研制成 功3 0 英寸的1 0 2 4 7 6 8 彩色象素对向放电式全彩色p d p ，法国t h o m s o nc s f 公司研制了2 1 英寸， 1 9 英寸系列的高分辨率对向放电式全彩色a c - p d p 。真正具有重大意义的技术突破，是1 9 9 3 年日本 富士通公司率先实现了表面放电反射式结构，寻址和显示分离的2 l 英寸彩色a c - p d p 的批量化生产。 这种结构的p d p 具有亮度高，寿命长，易于全彩色显示，适用大生产等优点，成为以后各大公司研 制和开发的样板p j 。 p d p 作为平板显示器件，和其他显示器件相比较，具有以下特点： 1 易于实现薄型大屏幕 由于p d p 放电单元很小，屏自身厚度不到i c m ，组成等离子显示器的主要厚度和重量的是屏和 驱动电路。p d p 的厚度一般小于1 2 c m ，重量只有几十公斤。p d p 的面积可以做的很大，不存在原理 上的限制，主要受制作工艺和设备的限制。目前韩国l g 公司最大的等离子电视已达到1 0 7 英寸。 2 具有高速响应特性 p d p 显示器以气体放电为基本物理过程，其开关时间在微秒晕级，特别适合做大屏幕显示，同 时可以快速刷新图像，对实现高质蹙动态图像显示有良好的物理基础。 3 可实现全彩色显示，视角宽广 通过使用紫外线激发荧光粉发出红绿蓝可见光，采用时间调制灰度技术，可以实现2 5 6 级灰度 和1 6 7 7 万种色彩，具有良好的彩色再现能力。同时由于放电单元的特点，观看p d p 显示时在水平 方向和垂直方向8 0 度范围内，亮度没有明显变化。 4 伏安特性非线性强，具有储存功能 由于气体放电的伏安特性具有很强的非线性，因此p d p 工作时非寻址显示单元几乎不发光，对 比度可以做得很高。无论a c - p d p 还是d c - p d p 在采用脉冲驱动时都具有存储功能，在扫描线很高 时亮度也不会显著下降。 5 无图像畸变，不受磁场干扰 在c r t 技术中，采用电磁场对电子束进行偏转和聚焦，在屏边角会产生图像畸变而且容易受电 磁场干扰。p d p 靠一个个精细放电单元发光显示图像，各单元位置精确确定，不会产生畸变，更不 易受外界干扰。 6 工作于全数字化模式 p d p 的显示驱动电路采用了数字技术控制驱动，提高了图像的稳定性，并满足数字化电视，高 清晰度电视，多媒体终端的需要。 7 应用环境范围广，具有长寿命 p d p 结构整体性能好，抗震能力强，且可在很宽的温度和湿度环境下以及电磁干扰，冲击等恶 劣环境下工作。 东南大学硕士学位论文 正因为其上述优点，p d p 在3 0 英寸以上的高分辨率显示领域具有广阔的市场【7 j 。同时，以p d p ， l c d 为代表的平板电视取代c r t 电视进入千家万户已经成为行业发展的大趋势p j 1 9 o 据研究显示， 2 0 0 1 年至2 0 0 5 年，p d p 显示器的销量每年都在成倍增长，而每年将降低2 6 的成本，国际市场上 2 0 0 5 年的p d p 显示器的平均价格已经降至8 0 美元，英寸，而国内相关厂商面向国内市场推出的相关 p d p 电视机产品的价格甚至更低，目前在国内p d p 整机的价格已经跌至一万五左右，逐步为普通家 庭用户所接受。中国国内p d p 市场增长迅猛，2 0 0 4 年中国p d p 销售超过3 0 万台，至1 j 2 0 0 6 年，预计这个 数字将是1 0 0 万台。而2 0 0 4 年全球p d p 的销量将达n 4 0 0 万台以上，2 0 0 6 年销量会远超8 0 0 万台【l6 j 。 2 本课题的研究内容和意义 本课题是东南大学国家专用芯片系统工程研究中, l , ( a s i c 中心) 承接的国家8 6 3 研究项目p d p 驱动专用芯片设计研究后开展的研究工作之一。a s l c 中心在承接该项目后开展了一系列研究工作， 已经成功完成了基于高压c m o s 工艺的p d p 寻址驱动芯片设计、流片和系统测试，并顺利通过了专 家组的项目验收。中心随后启动了p d p 扫描驱动芯片的设计工作，并获得了关键性的突破。目前， 中心在p d p 显示专用高压驱动芯片设计方面已处于国内领先的地位，同时开始启动芯片的产业化进 程。 同时，随着国内外p d p 显示驱动技术的不断发展，对p d p 驱动芯片的要求也在不断变化。为跟 上系统研究的步伐，了解掌握p d p 电路系统对驱动芯片的最新要求，也为了更深入地了解p d p 驱动 技术并指导驱动芯片的设计工作，有必要开展对p d p 驱动技术的跟踪研究。同时，通过系统研究， 可以适时测试和验证p d p 驱动芯片的性能，提供芯片的系统试验平台，对于提高设计质量，减少设 计测试周期等都具有非常重要的作用。此外，开展系统研究还可以在今后的芯片的产业化过程中为 芯片的推广提供技术上的支持。 本设计是在已有的单色p d p 电路系统的基础之上更进一步，搭建4 2 英寸彩色p d p 电路系统韵 工作的一部分。本文首先从p d p 显示原理和电路驱动原理的入手，研究分析了p d p 显示驱动的电路 实现技术。作为工作的重点，本文结合课题试验用的4 2 英寸彩色p d p 屏，实现了p d p 显示控制电 路的逻辑设计和基于f p g a 的综合实现，应崩于彩色p d p 屏驱动电路中，成功地实现了图像的显示。 2 东南大学硕士学位论文 第一章p d p 基本工作原理 本章以表面放电式交流彩色p d p 为重点，介绍p d p 的基本工作原理。 1 1 气体放电原理 顾名思义，p d p 是利用等离子体的发光来显示的。等离子体是指一种电离气体，是由离子、电 子和中性粒子所组成的集合体，整体显中性，它是一种由带电粒子组成的电离状态，称为物质的第 四状态【8 】。要获得等离子体必须使中性粒子电离，而使中性粒子电离的方法有多种，以下列出了其 中的三种方法： 1 、低气压气体放电获得等离子体。 2 、利用高能粒子的方法。如核聚变。 3 、利用电磁波能量的方法。如用x 射线、y 射线。 p d p 利用第一种方法，在两电极加一定的电压，使两电极之间的气体放电发光。在此对气体放 屯机理作一个简要介绍。 l - 图1 1 气体放电的伏安特性 图1 1 给出了一个典型的两平板电极充气元件的伏安特性曲线。l l i i ” 当电源从零开始增加，起始阶段测得的放电电流极微弱，其电流是由空间存在的自然辐射照射 阴极引起的电子发射和体积电离所产生的带电粒子的漂移而形成的。在0 a 段，极间电压很低，空 间带电粒子浓度保持不变，电流正比于粒子的迁移速度，因而正比于场强和电压。随着极间电压的 增加，极间产生的所有带电粒子，在复合前都被电极收集到，因为产生电子和离子的速率保持常数， 所以进入了饱和电流区域，是a b 段。此处的三条实线表示在不同照明条件下的饱和电流不同。 b 点以后，如果极问电压进一步增加，则由于电子从电场中获得了足够的能量，开始出现电子碰 撞电离，电流便随电压的增大而增大，如b c 段。该段称为非自持赔放电或汤生放电。 当极间电压增大到c 点时，放电电流迅速增大，伴有微弱的光辐射，放电由非自持转为自持，c 点电压v s 称为击穿电压或着火电压，c d 段称为自持暗放电。 如果回路里限流电阻r 不大，则电压达到c 点后可迅速过渡到e f 段，同时放电电流急剧增大， 3 东南大学硕士学位论文 极间电压急剧下降，并伴有较强的辉光辐射，该段称为正常辉光放电区域。d e 段是很不稳定的过渡 区域。辉光放电以后，继续增加极间电压，则电流继续增大，可观察到辉光布满整个阴极表面，放 电进入反常辉光放电区域，如f g 段。此时电流密度远远大于正常辉光放电时，阴极还会出现显著 的溅射现象。 当电流增大到g 点时，如果减小限流电阻，则放电电流急剧增大，电压急剧减小。进入弧光放 电阶段( i 点以后) ，此时可观察到耀眼的光辐射，阴极发射集中为点状，通常称为弧点。 由上可以看出，气体稳定放电的区域由三个：正常辉光放电区域、反常辉光放电区域和弧光放 电区域。由于弧光放电产生的大电流容易烧毁显示器，而且在其辐射光谱中，常常含有阴极材料蒸 气的光谱，所以p d p 总是选择工作在正常辉光和反常辉光放电区域。此区域放电电流小、功耗低， 而且可以的到足够的亮度川。 1 2p o p 的基本结构和分类 同。 尽管p d p 都是利用内部气体放电发光来达到显示目的，不同种类的p d p 之间仍存在着相当的不 ( i ) d c - p 1 ) p0 埘自放毫型a c - p o e ( c ) 轰血放电星a c - p d p 图1 2p d p 的结构分类 按显示效果来分，p d p 可以分为单色p d p 和彩色p d p 。单色p d p 通常直接利用气体放电时发 出的可见光来实现单色显示，其放电气体一般选择纯氖气( n e ) 或氖氧混合气体( n e a t ) 。彩色p d p 则通过气体放电发射的真空紫外线照射红、绿、蓝三基色荧光粉，使荧光粉发光来实现彩色显示， 其放电气体一般选择含氙气的混合稀有气体，如氖氙混合、氦氤混合或氦氖氙混合等【l 】。 图1 3 三电极表面放电式a c - p d p 制作结构图 按工作方式来分，p d p 主要分为电极和气体接触的直流型( d c - p d p ) 和电极用介质层与气体隔 4 一 东南大学硕十学位论文 离的交流型( a c - p d p ) 。而交流型p d p 又根据电极结构不同，分为对向放电犁和表面放电犁两种l l 删。 它们的基本结构如图1 2 所示。还有一种交直流混合型p d p ，它是通过阳极和阴极之间的直流放电 来寻址，通过一对存储片电极间的交流放电来提供存储特性和获得高亮度，但它现在仍处于实验阶 段n a c - p d p 和d c - p d p 最大区别是电极表面覆盖了一层介质层，其作用一方面是把电极和放电等 离子分开，限制电流的无限制增长，保护电极。另一方面是使气体放电产生的空间电荷存储在介质 壁上。这些壁电荷的建立使a c _ p d p 工作在储存模式，并有利于降低维持电压。由于a c - p d p 结构 简单，亮度和发光效率高，目前世界上各p d p 制造公司大多采用a c - p d p 结构。典型的三电极表面 放电式a c p d p 制作结构如图1 3 所示h ： 如图所示，p d p 屏由前基板和后基板两块玻璃板组成，p d p 发出的光线从前基板透射出来。在 前基板上印刷制作了透明的维持电极( x 电极) 和扫描电极( y 电极) ，x y 电极间隔排列，每对x ， y 电极构成一行显示象素。金属电极用来弥补透明电极的电阻率大的缺点。黑色的介质条用于提高 显示对比度；最上层是用于降低工作电压和对介质进步保护的氧化镁( m g o ) 层。 在后基板上，最下层是寻址电极( a 电极) ，a 电极和x y 电极正交排列构成了一个个的显示放 电单元。在寻址电极上是白色介质层。两条电极之间制作的是用于防止单元之间光串扰和控制基板 阃隙的障壁。在障壁的底部和侧面涂覆的是真空紫外光致荧光粉。 前后玻璃基板分别制作完毕后，将它们叠合密封在一起，再充入由n e 、x e 等惰性气体构成的 潘宁工作气体。这样，在各电极上施加驱动脉冲，组织屏上各单元的放电发光组成图像。 国内东南大学显示技术研究中心采用c r t 中使用的金属阴罩替代上图中的壁障。开发了具有自 动知识产权的阴罩式表面放电p d p 新型结构。采用金属阴罩可以避免表面放电式结构中工艺复杂、 造价昂贵的壁障制作工艺，还具有响应频率快、亮度高、着火电压低的特点嘲1 2 4 】。 1 3p d p 的灰度显示原理 对人眼视觉特性的研究是电视发展的基础之一，与高质量传递图像有着密切关系。p d p 的显示 原理，与人眼的视觉机制密切相关。 人眼识别外界物体，依靠的是外物发射或反射的可见光。一束可见光包含的信息无非决定于不 同波长的光的功率及混合情况。由此产生了对彩色光描述的三个参量：亮度、色调和色饱和度。 亮度描述光刺激人眼引起的明暗程度，它取决于光辐射的功率大小。但是人眼的明暗感觉是相 对的。人眼在观察实际事物时，亮度感觉不仅与观察物的亮度有关，还与其背景的亮度有关。所以 说，人眼的亮度感觉差别决定于相对亮度变化。当重现图像时，无需恢复客观景物的绝对亮度，只 要保持相对亮度不变，即保持相同的灰度l l j 。 表1 1 光的颜色与波长范围的对应关系 光紫蓝青绿黄绿黄橙红 的颜色 波3 9 0 4 3 0 4 7 0 5 0 0 5 3 0 5 6 0 5 9 0 6 2 0 长范围4 3 04 7 05 0 05 3 05 6 05 9 06 2 07 6 0 ( n m ) 色调是颜色的类别，不同波长范围的光呈现不同的颜色，象素的色调取决于它发出的光中哪一 种波长的光占优势。色饱和度是指颜色的鲜明程度，是指颜色色调的表现程度。光的波长范围越窄， 光的纯度越高，则色饱和度越高。光谱色的色饱和度为百分之百，而白光由于混杂所有波长的光， 色饱和度为零。 色调和色饱和度统称为色度。色度的显示利用了三基色原理，在这里对三基色原理作简单介绍。 由于人眼的辨色机制，某一单色光的彩色视觉，可以由不同颜色的光的组合获得。如果合适地 5 。 东南大学硕 学位论文 选择三种基本颜色，使它们按不同比例组合，可以重现各种彩色。这三种颜色通常选择为红、绿、 蓝。混合色的亮度由三基色的亮度之和确定，色度由三基色分量的比例确定。对于如何混合，显示 技术中有两种方法：一种是利用人眼空间分辨率的有限，将象素分为紧密排列的三个单元，分别对 应三种基色，使人在一定距离观看时，看到的是三个单元单色光的混合；一种利用人跟时问分辨率 的有限，将三基色光轮流显示，当重复频率足够高时，人眼就感觉到三者的混合。 为显示一幅图像，通常的办法是将整个画面分解成许多小的单元，这种小单元称为象素。象索 具有固定的位置和相同的形状，只具有亮度和色度的信息。当象素足够小或者距离足够远，以至人 眼无法察觉时，象素的组合在人眼看来就是一幅连续的图像。只要象素能够正确显示亮度和色度的 信息，图像就能被正确显示。 p d p 的象素就是它的充气放电单元。如前所述，表面放电式彩色p d p 相邻的三个充气放电单元 分别涂有红、绿、蓝三种荧光粉，对应红、绿、蓝三个子象素，它们合在一起构成p d p 的一个象素。 象素的色度和亮度信息分解到三个子象素来表示，正是前面讲的混色方法之一。 对于彩色a c p d p 而言，在显示图像时，每个单元的状态只有点亮和不点亮两种，而且每次放 电都在瞬间完成。考虑到其维持脉冲的频率通常在几十到几千赫兹的范围【1 3 埘】，而且每次维持放电 的强度都相同，一次放电就会产生一个发光脉冲，所以在彩色a c - p d p 中利用调节维持脉冲个数的 方法来实现多灰度级显示。 对于表面放电型彩色a c p d p ，通常采用寻址与显示分离( a d s ) 的子场驱动方法。按照这种 方法，在显示一幅图像时，在一场时间内顺序扫描寻址各显示行，然后整屏所有显示单元同时维持 显示。下面以a d s 的子场驱动方法为例，介绍p d p 的多灰度级显示。 每个象素的亮度和色度信息经量化后对应各个子象素的n 位数据，对显示数据按位进行显示， 每位显示期的维持放电时间长度，即发光脉冲个数和该位的权重相关联，权重越大，该显示期的发 光脉冲个数越多，反之，则发光脉冲个数越少。这样，各位显示的亮度就不同，一位的显示时间称 为一个子场。每个子场包括准备期、寻址期和维持显示期。准备期使全屏所有显示单元状态一致， 为寻址作好准备；在寻址期，顺序扫描各显示行，完成对所有单元的寻址；在维持期，寻址期积累 了壁电荷的单元进行维持显示。 1 r s f l s f 2s f 3 s f 4 s f 5 s f 6 jl - jl 1r nn|鬟|。霾|缓|曩 i l 摊持显示期s f l ：s f 2 ：s f 3 ：s f 4 ：s f 5 ：s f 6 图1 4 寻址与显示分离的子场驱动 图1 4 中一场分为6 个子场，每个子场都分为准备期、寻址期和维持显示期。如以显示数据量 化为8 位为例，将1 场时间分为8 个子场，8 个子场主要的分别在于其维持期的时间不同( 即维持 脉冲个数不同) ，例如1 8 子场分别对应显示从图像数据的疑低位至最高位，则8 个子场的维持期 的时间成1 ：2 ：4 ：8 ：1 6 ：3 2 ：6 4 ：1 2 8 的关系。由于准备期和维持期产生的光很弱，不同子场积累的光亮度 近似正比于维持期时间。通过选择这8 个子场的点亮的组合，就有2 8 = 2 5 6 级的灰度显示。对于彩 色a c - p d p ，红、绿、蓝三种基色每种可以显示2 5 6 级灰度，这样可以组合出1 6 7 7 7 2 1 6 ( 2 2 4 ) 种颜 6 东南大学硕士学位论文 色。 1 4 三电极表面放电型p d p 的a d s 子场驱动方法 本节具体介绍三电极表面放电型p d p 在a d s 子场驱动下的工作情况。 彩色a c - p d p 要实现| 鳘| 像的显示，首先必须对显示屏上的单元根据显示数据进行选择，即寻址。 寻址的目的是选择所要点亮的单元或不点亮的单元，即选择在要点亮的单元中形成或保留壁电荷到 维持期，使得维持放电得以进行。在维持期，积累了壁电荷的单元就会发生维持放电。实现图像的 显示。以三电极表面放电型彩色a c - p d p 为例，维持显示放电在维持电极( x 电极) 和扫描一维持 电极( y 电极，简称扫描电极) 之间进行，寻址放电发生在寻址电极( a 电极) 和y 电极之间。我 们称一个有擘电荷( 其壁电压与维持电压的绝对值之和大于单元的着火电压) 的显示单元处于点亮 状态，否则称该单元处于熄灭状态。显示单元在点亮状态和熄灭状态之间转换有多种方法 3 j 。 1 i2i 3 。，儿 x d k 一 t o 际 t il 一竹 l0 v2 讥 30 v 圃盛直蜀匠五司曲匠啬盂 图1 5 利用寻址电极使单元转到点亮状态 要使单元由熄灭状态转入点亮状态，即在单元内积累壁电荷，只需先加一个外加电压v w r ，使 v w r v f ，在单元内发生放电，积累壁电荷，由壁电荷产生的壁电压与v w r 反向；然后再加方向相反 的维持电压v s ，则维持电压与壁电压卺加，单元又发生放电，最后的壁电压约等于- v s 。这样单元 就处于稳定的点亮状态。另外一种方法是利用寻址电极的作用，如图1 5 所示，使寻址电极和扫描 电极间发生放电，积累维持放电所需的壁电荷，使单元处于点亮状态。 图1 6 利用寻址电极使单元转到熄灭状态 要使一个单元由点亮状态回到稳定的熄灭状态，即擦除单元中的壁电荷，有以下几种方法。一 是可以加一个远大于着火电压的电压脉冲v f ，使放电结束后单元内的瞳电压还大于着火电压，然后 在脉冲下降后，使单元中各电极的外加电压相同，这样，壁电荷本身形成的壁电压使单元内发生放 电，由于此时外电路并不提供电流，放电使擘电荷基本中和，单元圃到熄灭状态；二是利用a 电极 和扫描电极放电，维持a 电极和扫描电极之间的放电同时进行，在单元内积累额外的壁电荷，使壁 电荷的电压超过着火电压，引起单元内放电，后面的放电进行时外电路不提供电流，则壁电荷因该 放电而被中和，其工作过程如图1 6 所示；三是利用窄脉冲( 脉冲宽度约为l u s 左右) 的擦除作用， - 东南大学硕十学位论文 窄脉冲的要求是只引起放电，而且要在放电未结束时使脉冲结束，放电造成肇电荷中和，如图1 7 所 示；四是可以片j 缓慢上升的脉冲( 最高电压为维持电压) ，使单元刚达到着火电压时，就进行一次放 电，因为放电强度小，壁电荷被中和掉一部分，电压再上升，重复以上过程，最终擦除掉大多数壁 电荷，时单元回到熄灭状态，如图1 8 所示。 y 0 7 图】7 窄脉冲的擦除效果 1ur - - 一 0 v40 y 图1 8 指数型脉冲的擦除效果 通过上述的分析可知，如果加上合适的电压脉冲序列，就可以实现a c p d p 显示单元中壁电荷 的建立、擦除以及维持显示等操作。 上文介绍多灰度级显示方法时，提到了寻址与显示分离( a d s ) 的驱动方法。它是彩色a c - p d p 最典型的应用最广泛的驱动方法。该方法将每个子场分为准备期、寻址期和维持显示期。 a 电极0 电极0 y 电极0 图1 9a d s 子场驱动波形 每个子场一开始都是准备期，对所有的单元在任何子场都做同样的放电，确保它们处于同样的 状态：或者都积累有壁电荷，或者都无。然后在寻址期，根据图像数据确定任一单元是否需要点亮。 8 回霄茼零聊 蕾竺印 型 i 东南大学硕士学位论文 以准备期后不积累避电荷为例，让要点亮的单元寻址放电，积累了壁电荷，有壁电压v b 。那么在维 持期，通过设定维持电压v d ，使得v d v 。( v ；见图1 1 ) ，则积累了壁电荷的单元能够 进行维持放电，不积累的无法维持放电。这样就将图像的灰度数据对应到了子场的点亮组合上。 根据寻址方式的不同，可以将a d s 驱动方法分为写寻廿驱动方法和擦除寻址驱动方法。擦除寻 址就是在准备期将所有单元积累甓电荷，转入可点亮状态；然后在寻址期选择擦除掉不要点亮的单 元中积累的壁电荷，使之转入熄灭状态 最后在维持期，只有未擦除的单元放光。写寻址时，在准 备期将所有单元转入熄灭状态；然后在寻址期，使要点亮的单元积累壁电荷而转入点亮状态；虽后 在维持期，只有要点亮的单元放光。 如图1 9 ，准备期开始时，三个电极电压都为零。由于上一子场的最后一个维持脉冲的极性是y 电极为正脉冲，所以维持放电的单元在y 电极积累负电荷，在x 电极积累正电荷。因此现在全屏x 电极加幅度远大于击穿电压的写脉冲，使x 、y 电极强放电。在写脉冲的下降沿，由于强放电产生 的壁电压也大于击穿电压，x 、y 电极再次放电( 自擦除放电) ，中和掉强放电产生的壁电荷。由于 此时三电极电压都降为零，放电能基本中和掉壁电荷。而此过程中，a 电极( 寻址电极) 加v a w ， 使对正负电荷吸引力相同，不在其上积累电荷。 由于p d p 屏制作中的缺陷，一些异常的单元可能没有自擦除放电，上述过程后仍积累有壁电荷。 故此在写脉冲后又附加了几个脉冲。首先，y 电极的正脉冲只使未自擦除放电的单元强制放电。随 后的负脉冲使全屏所有单元中的壁电荷分布一致后，在y 电极加缓慢上升的指数型脉冲。这样，即 使各放电单元着火电压不同，由于脉冲电压缓慢上升，单元一达到击穿电压即进行一次放电，可以 在不发生强放电的基础上擦除绝大部分壁电荷。 经过上述过程，即使仍残留少量壁电荷，也与寻址脉冲极性相反，可以减少误寻址的发生。 寻址期开始，在x 电极加v x a ；按行顺序扫描y 电极。使扫描到的电压更负；同时该行对应的 a 电极在要点亮的单元加、，a 。于是a 和y 间放电，由于x 电极电压此时与a 相同，则a 和x 积累 了负电荷，y 积累了正电荷。 接着维持期开始。y 电极加维持脉冲，x 电极为零，那些寻址放电过的单元便会维持放电，同 时两电极积累的壁电荷极性反转。接着，y 加零，x 加维持脉冲，再次维持放电，同时壁电荷极性 反转。如此反复，便能持续的放电发光。 9 东南大学硕士学位论文 第二章实验屏电路系统 p d p 显示屏由电路系统驱动才可以正常工作，两者是密不可分的整体。驱动电路系统的设计在 很大程度上依赖于显示屏放电单元的结构、显示电极的引出方式、放电单元的着火电压以及驱动方 法等，电路系统的设计在很大程度上也决定了显示圈像的质量。下面结合本文所用的实验屏及其驱 动电路系统，作进一步介绍。 2 1实验屏电路系统架构 本实验所用屏是一块4 2 英寸的交流彩色p d p ，采用的是三电极表面放电型结构。该p d p 的驱 动电路框图如图2 1 所示。 j 酚 图2 1 实验p d p 驱动电路框图 图2 i 中，接口电路是p d p 显示屏和有关输入信号的衔接部件，它的作用是将各种模拟的视频 输入信号进行解码和数字化，并进行必要的格式变换等预处理工作，为p d p 的驱动显示控制电路提 供分辨率于显示屏相同的，刷新率固定的数字i 璺i 像信号，以及必要的同步，消隐，时钟等信号【l 】【”】。 对于商业化应用，这一部分非常重要，但是对于如本设计一类的实验平台，这一部分并非必不可少。 故此，在本设计中不使用接口电路，而是由数据显示控制电路内部产生图像信号，具体的方案将在 第三章予以介绍。 显示控制电路是p d p 电路系统的主要控制部分，也是本文设计的主要电路。在本设计中，它的 主要功能是将图像数据按照显示屏的结构和a d s 分子场驱动技术韵要求进行转换、存储利处理，向 驱动电路传送显示数据，并提供显示所需的驱动电路和芯片的控制信号。 迎 辟 冲 控 制 开 关 图2 2 高压驱动电路的基本形式 上述的两个电路都是工作在5 v 以下的低压电路，图2 1 中显示的其它电路均为高压电路，包括脉冲 产生电路( 图2 ，1 中的y 电极驱动电路、x 电极维持驱动电路) 和p d p 电极高压驱动芯片( y 电极 扫描驱动芯片和a 电极寻址驱动芯片) 等。整个高压驱动电路的基本形式如 i o j船 豆示屏电撮一 鲥h h 删 高压驱动m 丁 开关驱动嚣一 触 东南大学硕士学位论文 图2 2 所示。 图2 2 中，开关驱动器和脉冲控制开关组成脉冲产生电路。脉冲产生电路主要通过使用合理的 高压开关和开关驱动器件，使脉冲电路按照逻辑控制波形的控制下导通和关闭，输出所需的高压脉 冲驱动波形( 见图1 5 ) 。由于激发气体放电所需的电压很高，且要求有很快的开关速度，目前普遍 采用功率场效应晶体管( p o w e rm o s f e t ) 及其栅极驱动i c 的解决技术。 电极驱动芯片包括寻址电极驱动芯片和扫描电极驱动芯片，实现低压逻辑信号到高压大电流驱 动脉冲的转变。采用芯片形式是因为寻址电极和扫描电极的数据量大，集成化有利于降低成本。驱 动芯片本身也有相当的数量，实际使用己将之模块化，目的是进一步提高驱动密度，满足高密度的 电极驱动需求。 此外，完整的p d p 电路系统还包括d c d c 电路转换模块，用以满足p d p 驱动时需要的不同电 压要求。 在本设计的驱动电路系统中，除了低压显示控制电路，脉冲产生电路也是自行设计的，开关电 源和电路高压驱动芯片则是利用了现有的产品。下面分别对之加以介绍。 2 2接口电路概述 接口电路是p d p 电路系统的一大组成部分，尽管本设计没有用到，在此仍做一个简单介绍。接 口电路的功能框图如图2 3 所示( 3 1 。 图2 3p d p 接口电路功能框图 对计算机显卡过来的视频的信号，包括模拟的图像信号( 红、绿、蓝) 和行、场同步信号，接 口电路的控制器首先根据行场同步信号的频率和极性判断图像的分辨率和刷新率等信息，控制锁相 时钟恢复电路恢复出时钟信号，并用该时钟作为a d 转换的采样时钟。再经过三路a d 转换电路， 输出8 位数字形式的r g b 信号。同时根据图像分辨率，由逻辑电路生成消隐信号。 对电视图像信号，先由高频接收电路进行解码，得到的r g b 三基色信号共用上述三路a d 电 路进行数字化，也可以使用独立的复合数字解码芯片直接输出数字化信号。解码电路同时产生行场 同步信号，消隐信号和时钟信号。 由于接收的计算机、电视等图像信号有多种分辨率和刷新率，而p d p 显示的是固定分辨率的画 面，而且由于驱动技术的复杂性，希望那个图像的刷新频率是固定不变的。因此经过数字化的数字 图像信号还不能直接供给p d p 使用。图像缩放技术和帧缓存技术是解决这一问题的好办法。例像缩 放技术利用行内插和场内插的方法，将不同分辨率的图像平滑地变化到p d p 的物理分辨率上。采用 东南大学硕十学位论文 先进的算法来保证图像分辨率变化后的显示质鼙。刷新率的变换一般和图像缩放同时进行，利用两 个帧图像缓冲存储器，将a d 转换后的数字图像写入一个帧缓存，同时以同定的速度从另一个帧缓 存读取数据，控制数据读写的速度，就实现了刷新频率的变换，这里由于写入和读出速度不同，必 须保证不发生读写尾追。 经过以上处理的数字视频信号还必须经过色彩校正。主要作用有两点：一，对图像信号进行反 r 校正。因为现有的图像信号了弥补c r t 电一光转换的非线性，在传输前都预先进行了r 校正。而 p d p 与c r t 发光机理不同，无需r 校正，所以要调整过来。第二，基于p d p 发光色域，需要通过校 正电路进行基于p d p 发光的调整以提高显示图像的色彩效果。色彩校正电路实现时，一般可采用查 表的方式。具体做法是，分别将对应于r 、g 、b 三种颜色数据0 2 5 5 的校正结果存储在r o m 中， 将上面处理后的数据作为r o m 的地址，该地址中所存放数据作为图像信号送往输出缓冲器i l 】1 3 。 对电视信号，由于它是隔行扫描的，还必须利用缓存电路将隔行图像信号变成逐行图像信号； 解码输出的行场同步，复合消隐等信号也要进行倍频处理。 实用的接口电路中，还必须提供友好的人机界面，如o s d 菜单显示，提供亮度，色度，对比度， 图像位置的调整，遥控等功能。 2 3脉冲产生电路设计 脉冲产生电路在数字逻辑信号的控制下，产生符合p d p 显示所要求的一系列驱动脉冲波形，是 p d p 实现图像显示的基础。所以脉冲产生电路是p d p 驱动电路中的基本电路之一。本节分析脉冲产 生电路的设计思路和主要框图。 p d p 显示时需要高频高压脉冲驱动气体放电，其对脉冲的幅值和频率都提出了很高的要求。而 且，p d p 的驱动方法不端推陈出新，驱动波形也一直在变化，所以也需要有灵活的解决方案。功率 场效应晶体管( m o s f e t ) 具有导通电阻小，电流驱动能力大，同时具有良好的开关转换速度 l o i ， 因而成为目前p d p 驱动电路中进行脉冲波