（电路与系统专业论文）拼接式等离子显示器VGA接口电路与驱动控制电路的研究与实现[电路与系统专业优秀论文].pdf

摘要 摘要 等离子体显示板( p l a s m ad i s p l a yp a n e l ，简称p d p ) 以其固有的平面大屏幕、宽 视角、超薄型等特点，被认为是2 1 世纪实现大屏幕高清晰度壁挂式电视的首选 器件。在众多的p d p 生产与研究机构中，浙江大学研制的模块拼接式等离子显 示器凭借其无缝拼接的独特技术优势，在囡内乃至世界等离子显示板的研制中独 树一帜。这种模块拼接式p d p 拼接而成的大屏幕等离子显示墙( t i t l es c r e e np d p ， 简称t s p d p ) 具有显示面积扩展方便，显示信息完整的特点，成为最有前途的 大屏幕显示设备之一。 在整个大屏幕系统中，与拼接式等离子显示板配套的图像显示电路起到了至 关重要的作用。图像显示电路系统可分为视频接口电路，图像处理电路以及驱动 控制电路等几大部分。其中接口电路与驱动电路分别位于视频信号处理的最前端 和最后端，这两部分的性能将直接影响到显示图像的质量。因此对于这两部分电 路的研究和设计对于整个系统的实现具有重要的意义，同时也对推动具有我国自 主知识产权的彩色p d p 技术的发展具有现实意义。 论文分别对模块拼接式大屏幕p d p 电路系统中的v g a 接口电路与驱动控制 电路的设计和实现做了详细的分析和论述。成功研制了针对拼接式p d p 显示板 的计算机v g a 图形接口的信号识别、转换与传输电路，以及针对二电极对向放 电式p d p 显示板的驱动控制电路，并且完成了在整机电路系统中的联合调试。 所设计的电路已经应用到一台象元数为1 5 6 2 5 6 3 的t s p d p 的样机上，工作 稳定，并且取得了良好的显示效果。另外，对于电路设计和调试中遇到的问题以 及解决的方法也作了相应的归纳和总结。 关键词：等离子显示板，模块拼接式p d p ，v g a 接口，控制和驱动 论文类型：应用研究 a b s t r a c t a b s t r a c t p l a s m ad i s p l a yp a n e l ( p d p ) i sb e l i e v e dt ob et h ep r o m i s i n gc a n d i d a t ef o rt h e w a l l h a n g i n gl a r g e s c r e e nt va n dh d t vi n2 1 s t c e n t u r y a m o n ga l l t h ep d p p r o d u c t s ，t h ea c p d pw i t hm o d u l a rs t r u c t u r ed e v e l o p e db yz h e j i a n gu n i v e r s i t yi s c o n s i d e r e da so n eo ft h eb e s tl a r g e - s c r e e nd i s p l a ye q u i p m e n ti nf u t u r e d u et ot h e s p e c i a lf e a t u r e ss u c ha sh i g hd e n s i t yp i x e l sa n de d g e l e s st e c h n o l o g ；t h i st y p eo fp d p s c r e e nc a nb ee a s i l ye x p a n d e dt oa n ys j z et om e e tt h ed i s p l a yr e q u i r e m e n tw i t hn o p e r c e i v a b l el o s so fd i s p l a yi n f o r m a t i o n t h ew h o l es y s t e mo fl a r g e s c r e e nt s p d p 仃es c r e e np d p ) c a nb ed i v i d e di n t ot w o p a r t s t h ed i s p l a yp a n e la n d t h ec i r c u l t s y s t e m c i r c u i ts y s t e m 。sd e s i g n a n d f u n c f i o n sp l a yi m p o r t a n tr o l e si nt h ep e r f o r m a n c eo ft h ew h o l es y s t e m i nt h ec i r c u i t s y s t e m , 1 er e s e a r c ha n dd e s i g no ft h ei n t e r f a c ec o n v e r t i n gc i r c u i t ，t h ed v i n ga n d c o n t r o l l i n gc i r c u i t sw h o s ep e r f o r m a n c ew i l ld i r e c t l yi n f l u e a a c et h ed i s p l a yi m a g e q u a l i t yo ft s p d ps h o u l db es e r i o u s l yc o n s i d e r e d ， i n t h i sd i s s e r t a f i o i l ，t h er e s e a r c ha n di m p l e m e n t a t i o no ft h ei n t e r f a c ec i r c u i t ( v g a g r a p h i cc o n v e r t e r ) ，d r i v i n ga n dc o n t r o l l i n gc i r c u i t sw i l lb ea n a l y z e di nd e t a i l t h e s e c i r c u i t s , w h i c hw e r ed e s i g n e dt om e e tt h es p e c i f i ca p p l i c a t i o no ft s p d p , h a v eb e e n a p p l i e d0 na1 5 6 2 5 6 3o v e r l a r g et s p d ps c r e e n a n dp r o v e dt ob es t a b l ea n d w e l l w o r m n g f i n a l l y , a c c o r d i n gt ot h ee x p e r i m e n t a le x p e r i e n c e s ，s o m es o l u t i o n st o s y s t e ml e v e ld e s 堙np r o b l e m sh a v eb e e ns u m m a r i z e d k e yw o r d s ： p l a s m ad i s p l a yp a n e l , t s p d pw i t hm o d u l a rs t r u c t u r e ，v g ag r a p h i cc o n v e r t e r , d r i v i n ga n dc o n t r o l l i n gc i r c u i t s t y p eo ft h e s i s ：a p p l i c a t i o nr e s e a r c h 致谢 致谢 首先，向我的导师沈继忠教授致以衷心的感谢。本论文的选题与 写作以及最终的完成都是在沈继忠老师的悉心指导下完成的。感谢沈 继忠老师为我们的研究工作创造了非常好的环境与平台，并且在研究 生的这两年半的时间里给予了悉心的指导与教诲。我相信，不仅仅是 在学术上和工作上，而且在做人与做事上，我从沈老师这里学到的一 切都将使我受益一生。 也感谢本科四年和研究生两年半时间里，在我成长的道路上曾呕 心沥血培养和教育我的每一位老师。 感谢我的实验室搭档陈伟同学和刘承成同学，在整个项目中给予 了许多无私的帮助；感谢赵武锋老师和倪杰老师在电路设计阶段给了 我很多指导和帮助；特别感谢我的室友潘朝洪、戚巽骏和汪小勇，如 果没有他们，我的研究生阶段的生活会失去很多快乐；也感谢那些在 这七年大学生活里给我快乐和帮助的同学、朋友。 深深感谢我的父母、家人，在我的成长求学生涯中，他们为我付 出了太多太多，他们的爱是我完成学业的动力。 感谢我的女友刘屹在这些年里对我一如既往的爱和鼓励。 最后，我衷心感谢各位教授、专家在百忙之中对本论文的审阅! 彭飞 2 0 0 6 年1 月求是园 绪论 第一章 1 1 引言 绪论 近年来，随着各种信息技术的迅速发展，人们开始进入信息化时代。信息的 获取有多种方式，其中，显示设备作为获取视觉信息的重要手段，无论在个人工 作、生活领域，还是在工业、交通、军事国防、公共信息等领域，都具有不可替 代的重要地位。 目前的超大屏幕显示系统主要有投影设备、拼接式c r t 显示墙、发光二极 管显示三类，但是存在如图像对比度低、画质差、拼接缝明显、色彩失真等诸多 问题。如何在大屏幕显示系统中既能得到大屏幕的显示效果，同时又能适应显 示终端薄型化、高清晰度和高画质的发展趋势? 平板显示技术顺应市场要求脱颖 而出。其中，等离子显示板( p l a s m a d i s p l a y p a n e l ，简称p d p ) 具有易于制作大 屏幕显示设备、便于数字化驱动、彩色显示、大视角、高对比度、厚度薄、分辨 率高、体积小、重量轻、无x 射线辐射等诸多优势 2 】，拼接式p d p ( t i t l es c r e e n p d p ，简称t s p d p ) 大屏幕不但继承了以上众多优点，并且由于其独特的无缝拼 接技术，便于显示面积扩展，成为实现高清晰、超大屏幕显示的最佳选择之一【j j 。 1 2 等离子显示屏的历史和现状 3 , 4 , 5 , 6 , 7 , 7 0 】 1 6 7 5 年，j e a np i c a r d 发现了气体放电现象，等离子显示器的设计原理即可追 溯至此。一般认为现代等离子显示器的雏形出现在1 9 2 7 年，这一年，美国电报 电话公司的贝尔实验室研制成功6 7 c m 7 5 c m ，具有5 0 c m 5 0 c m 个发光单元的 气体放电装置，用来演示直播电视1 7 0 。 煎! 薹萎等离子显示器v g a 接口电路与驱动控制电路的研究与实现 1 9 6 4 年，p d p 技术取得了历史性的突破，美国的伊利诺伊大学的b i z t e r 和 s i o t t o w 等人发现在电极和放电气体之间加层电解质，可以实现电容限流，并同 时获得记忆效果。他们把这种显示器命名为等离子显示器。一般认为这是世界上 第一块等离子显示器，因其利用交流放电，故称之为a c p d p 7 0 1 。两年后直流等 离子显示器( d c p d p ) 研制成功，由于直流p d p 存在亮度不高和寿命短等问题， 因此，a c p d p 一直是市场的主流【砌。 日本、美国、法国等国家的科学家于2 0 世纪7 0 年代中期开始彩色p d p 的 研究，但直到9 0 年代初才突破彩色化、亮度和寿命等关键技术，进入彩色p d p 的实用化阶段。目前，日本和韩国是p d p 技术的代表 2 1 。1 9 9 3 年日本富士通公 司生产了5 3 3 c m ，6 4 0 4 8 0 像素的彩色p d p ，随后日本的三菱、松下、n e c 、 先锋和n h k 等公司都推出了各自研制的彩色p d p 。1 9 9 6 年，富士通公司开发出 了用于高清晰度电视的1 9 2 0 1 0 3 5 像素的彩色p d p 。2 0 0 1 年是等离子体电视发 展的元年，2 1 英寸全彩色p d p 的市场化是p d p 发展史上最重要的里程碑【6 1 。韩 国的l g 、三星、现代，我国台湾地区的一些公司开始大量生产p d p 产品。美国 p l a s m a c o 公司、蘅兰飞利清公司和法国汤姆逊公司等也都开发了各自的p d p 产 品。现在各大公司已进入4 2 英寸的市场，有的已经开发出了超过1 0 0 英寸的p d p 显示器( 如三星公司的1 0 2 时p d p 电视) 7 0 1 。在拼接式p d p 领域，目前有资料 表明，韩国等离子厂商欧立安( o r i o np d p c o ，l t d ) 已经推出大型显示墙应用 技术一3 m m 拼接缝隙等离子幕墙，并进入韩国和中国市场1 7 螂。 我国大陆从事p d p 研究和生产的公司和单位也有多家，彩虹集团于1 9 9 7 年 引进了俄罗斯技术开发了4 2 英寸的彩色p d p ，t c l 、刨维等电视机生产商也丌 始了p d p 的o e m 等方面的工作 5 】。1 9 9 9 年7 月，风华赢科开始从事拼接式p d p 的研发工作，并且建成了一条小规模的实验生产线。南京5 5 所，东南大学，西 安交通大学，浙江大学等科研单位和院校也在p d p 显示羼和相应电路上作了许 多研发工作( 5 】，其中，浙江大学的信息显示研究室从1 9 8 8 年丌始着手研究2 5 6 线米的彩色模块交流等离子显示屏，在1 9 9 3 年与杭州华联现代办公设备公司联 合开发了我国第一代模块拼接式彩色等离子大屏显示设备，并于1 9 9 4 年推出了 第一块1 m 2 的显示设备投入实用( 7 1 0 国际知名调查公司s t a n f o r dr e s o u r c e 曾予2 0 0 2 年四季度公布了等离子显示 绪论 器市场长期预测报告，报告提到，全球的p d p 市场2 0 0 2 年达到2 2 亿美元，产 量8 0 万台，p d p 的市场产值将于2 0 0 7 年达到1 1 2 亿美元。实际上在2 0 0 4 年的 p d p 的总产量已达到约2 8 0 万台，其发展之快远超过0 2 年的预测。根据l g 公 司的预测，世界p d p 显示屏市场在2 0 0 5 将达到4 8 0 万台，市场份额将超过1 0 0 亿美元。由此可见其巨大的市场发展价值【7 ”。 p d p 在我国还处于市场成长的初期，离完全成熟的市场还有相当一段距离。 尽管如此，我国信息产业部管理司预计，随着技术的进步、产业规模化以及成本 的逐步降低，2 0 0 5 年国内p d p 彩电的市场将达到5 0 万台 5 】。作为p d p 发展领 域里的一个重要分支，拼接式p d p 不仅可以显示高品质的图像，而且便于在显 示面积上方便灵活地实现扩展，特别适合在公共信息领域如车站、码头、机场、 商场、宾馆、银行、行政大厅等公众场合开展广告业务或信息显示，另外，在工 业、交通、军事国防等领域中也具有巨大的应用潜力。综上所述，目前在我国的 等离子市场中，基于等离子显示技术的拼接式大屏幕的发展潜力是巨大的。 1 , 3 等离子显示屏的特点 i , 3 , 8 , 9 , 1 0 , 1 1 】 台湾工业银行的i b t 综合研究所曾对等离子显示器的发展做出过详细的分 析，表1 1 ( 见第4 页) 摘自该所的一份报告 。由表1 1 可以直观的看到等离 子显示器的在显示技术、功耗和价格上的优势与劣势。 综合相关文章以及互联网上查找到的资料 7 0 】，笔者分析并得出了以下一些结 论。与其他显示设备相比，等离子显示器具有的突出特点是： ( 1 ) 高亮度、高对比度。 据计算等离子电视具有亮度和高对比度，对比度达到5 0 0 ：l ；亮度达到 3 3 0 8 5 0 尼特( c d m 2 ) ，比普通电视的2 5 0 尼特( c d m 2 ) 高很多，因此，其色彩 还原性非常好，画面更佳逼真。 ( 2 ) 纯平面图像。 根据p d p 的发光原理可知，p d p 的发光象元在显示平面中呈均匀分布，因 此p d p 的图像即使在边缘也不会有扭曲的现象。而在纯平c r t 彩电和显示器中， 由于在边缘的扫描速度不均匀，很难控制到不失真的水平。 拼接式等离子显示器v g a 接口电路与驱动控制电路的研究与实现 表卜1 ，四种电视技术指标的对比1 淤 3 0 时l c dt v3 0 时p d pt v3 2 时c r t背投电视 技术特点高清平面电视 屏幕尺寸o 解析度 o o 灰度等级o 对比度o 7 响应速度 ， 耗电 视角o 7 使用寿命 0o 厚度 价格 o 注：表卜1 中，表示强。o 表示中等，表示弱，? 表示尚无准确对比结果。 ( 3 ) 薄型化设计、视角更宽广。 由于等离子显示原理和制作工艺的特点，使得其整机厚度大大低于传统的 c r t 和投影类设备。这样的显示设备对空间的要求将相对要小很多，更方便摆 放。p d p 视野开阔，而且其表现色彩的能力比l c d 产品要强。 ( 4 ) 良好的防电磁干扰功能。 与传统的c r t 彩电相比，p d p 显示原理不需要借助电磁场，因此来自外界 的电磁干扰对其显示的图像没有影响，不会像c r t 彩电受电磁场的影响会引起 图像变形变色或倾斜。因此这个特点使得p d p 可以适合多种显示场合，特别是 环境各异的公共信息领域以及要求抗干扰能力很强的国防军事领域。 ( 5 ) 本文针对的拼接式p d p 设备，除了具备以上所说的等离子显示屏的特点， 还有无缝拼装设计的自身独特之处。浙江大学研制的无缝拼接式p d p 模块，可 以避免c r t 电视墙出现的明显拼接缝而导致图像信息损失的缺陷，整个画面得 以浑然一体，且便于随着分辨率的提高拓展显示面积。 绪论 尽管等离子具有很多优势，但是目前的彩色p d p ( 包括拼接式p d p 大屏幕) 还存在以下一些问题： ( 1 ) 成本过高。在此以普通p d p 电视为例，根据笔者在家电市场的调查，目 前，一般国外4 2 英寸以上产品的售价接近三万元，国产p d p 电视相对便宜，但 也超过了一万元，对于普通消费者来说，这个价格还是比较高的。对于拼接式 p d p 来说，其总的成本是p d p 模块成本之和，因此其成本也较高。 ( 2 ) 分辨率有待提高。传统结构的p d p 其显示象元受电极尺寸、工作气压、 发光效率等因素的影响，不能做得太小，因此，影响了显示屏的分辨率。目前我 国等离子电视市场上物理分辨率达到1 0 2 4 7 6 8 的显示器的市场份额仍然较小。 ( 3 ) 发光效率有待提高。如果要将p d p 的清晰度提高到h d t v 水平，需要大 幅提高发光效率。在显示屏结构确定的情况f ，发光效率的提高和驱动电路设计 有密切关系，特别是对于刷新型a c p d p ，由于其没有存储特性，因此发光效率 受到制约，相应的电路设计存在一定难度。 ( 4 ) 功耗大。由于p d p 发光的激励电压很高，因此相应的功耗一直也较高， 特别是对于拼接式的p d p ，其拼接模块越多，则其总功耗就越大，这对电源要求 很高，且难以保证稳定性，因此电源设计和功耗问题足拼接式p d p 设计必须要 注意的问题。 1 4 拼接式等离子显示系统关键技术综述 为改善和提高等离子显示器的性能，全世界的各大相关公司、科研机构正在 开展优化工艺结构、提高性能、降低成本、开发新材料、研发新的显示电路等方 面的研究 2 6 , 7 0 。无论是等离子电视还是大屏幕拼接式等离子显示器，整机系统都 可分为两个大的部分：等离子显示屏和与之对应的电路系统。因此，针对这两大 部分，整个显示系统的关键技术可咀概括为以下一些方面。 从等离子屏的角度来说，其关键技术包括j j ： ( 1 ) 显示屏结构的优化设计； ( 2 ) 显示屏的大面积和高精细化设计； ( 3 ) 三基色荧光粉的制备和涂覆； ( 3 ) 三基色荧光粉的制备和涂覆； 拼接式等离子显示器v g a 接口电路与驱动控制电路的研究与实现 ( 4 ) 放电气体的优化组合； ( 5 ) 耐高压电极和驱动电路的制作； ( 6 ) 无缝拼接工艺的实现叽 综上可知，改进制造工艺，采用新型材料，提高产品的成品率是降低等离子 显示屏的制作成本的主要方向。 从电路与系统的角度来说，其关键技术包括： ( i ) 视频接口电路的开发： ( 2 ) 提高显示图像质量的技术研发； ( 3 ) 新型驱动技术和电路的开发： ( 4 ) 图像传输中的抗干扰技术研发。 在电路设计及驱动方法方面，以提高面质、降低电路成本、提高电路稳定性 为主要目的。研究新的驱动方法，一方面要研究在整机电路的各个环节如何提高 电路性能，在不改变显示屏结构的情况下大幅度提高画质，特别是消除a c p d p 显示动态图像时所产生的动态假轮廓( d f c ，d y n a m i cf a l s ec o n t o u r ) 现象；另 一方面要研究如何改进驱动电路，以便降低驱动集成电路( i c ，i n t e g r a t e dc i r c u i t ) 的耐压值，增强电路的稳定性，并且降低驱动电路的成本：研究新型的驱动电路 以降低驱动所需的功耗，从而降低p d p 功耗 1 2 】。 因为本文的主要工作是针对无缝拼接型p d p 模块的电路系统方面的设计， 所以对于等离子屏的结构工艺等内容将做一些分析但不深入讨论，本文的内容将 主要集中在电路系统的分析研究和设计实现上。 1 5 本课题的意义和主要工作 我国拥有多媒体显示和数字电视的庞大市场，毫无疑问，作为大屏幕平板显 示器的佼佼者，p d p 的市场潜力是巨大的。但是，由于我国对于p d p 的研究起 步较晚，p d p 的许多核心技术都掌握在国外的大公司手中。面对来自国外企业的 挑战，如果我们抓住机遇，尽快在拼接式p d p 超大屏幕显示领域取得突破，拥 有自己的核心技术，那么就有望在市场竞争中占据有利地位。因此，进行拼接式 p d p 整机电路系统的研究，掌握其关键技术，具有重要的现实意义。 绪论 本课题作为拼接式p d p 整机电路系统研究的一部分，主要的研究和设计工 作集中在以下几个方面： ( 1 ) 系统的分析并比较了二电极对向放电( c o l u m nd i s c h a r g e ) 和三电极表 面放电( s u r f a c ed i s c h a r g e ) 两种结构的a c p d p 的结构和工作原理，p d p 的多 级灰度显示原理以及拼接式p d p 中图像分割的方法，讨论了电路系统的整体结构 与功能模块的划分和基本的设计思路。 ( 2 ) 设计并实现了基于计算机v g a 接v i 的拼接式p d p 接口电路，该电路是 根据本文针对的拼接式p d p 大屏幕的工作要求而专门设计的，可接收8 0 0 6 0 0 。 6 0 h z 的s v g a 信号，通过微控制器控制专用a d 芯片工作进行模数转换，经现 场可编程门阵列( f i e l dp r o g r a m m a b l eg a t e a r r a y ，简称f p g a ) 处理，成为适合 远距离传输的p d p 数字信号。此外还设计了针对t f t 格式的l c d 液晶显示屏接 口电路，可实现l c d 的测试、远程监视功能。 ( 3 ) 设计并实现了基于p d p 专用集成电路( a p p l i c a t i o ns p e c i f i c i n t e g r a t e d c i r c u i t 。简称a s i c ) 和f p g a 的拼接式p d p 驱动控制电路，该电路可以接收经 前级电路处理的信号，并且通过f p g a 和专用a s i c 的处理后驱动等离子显示屏 显示彩色图像，分析了电路中逻辑控制电路的波形设计以及高压驱动电路的实现 思路，分析了低压差分传输技术( l o wv o l t a g ed i f f e r e n c es i g n a l i n g ，简称l v d s ) 在拼接式p d p 驱动控制电路中的应用，并且通过电路设计解决了图像的串扰问 题，降低了电路功耗。 ( 4 ) 从系统级电路设计的角度出发，分析并总结了在设计和实际调试v g a 接口电路和驱动电路过程碰到的问题与解决的方法，并且对今后的工作以及改进 的思路做了些探讨和展望。 以上这些内容将在本文的第二、第三、第四和第五章作详细的分析和阐述。 1 6 本章小结 本章主要介绍了等离子显示器的历史和发展现状，综合分析了等离子显示器 自身优越的特性和尚待改进之处，并且在分析等离子显示系统的关键技术的基础 上，阐述了本课题的主要工作以及本文的主要内容。 堂超式等离子显示器v g a 接1 2 1 电路与驱动控制电路的研究与实现 第二章 拼接式p d p ( t s p d p ) 的工作原理 2 1a c 。p d p 的分类 彩色p d p 是在定的电场作用下，利用惰性气体放电产生的真空紫外光激发 红、绿、蓝三基色荧光粉实现彩色显示的。根据其结构和工作方式的不同，可分 为交流型( a c p d p ) 和直流型( d c p d p ) 两大类。 直流型p d p 工作原理是在电极之间施加单向脉冲信号，引起气体放电，从而 激发荧光粉发光。它的驱动电路设计较简单，但是亮度较低。而且由于其放电的 电极和惰性气体直接接触，放电时会受到带电粒子的轰击，电极很容易老化，器 件的使用寿命短，因此在p d p 市场上占有的份额非常j x 6 , 1 1 , 1 2 j 3 1 。 交流型p d p 的电极上覆盖有一层介质，电极不与气体直接接触，有效的延长 了器件的使用寿命。同时，交流型p d p 发生气体放电时，产生的正负粒子会在电 场作用下分别向两个电极运动，积累在电介质表面形成壁电荷，从而具有记忆效 应，便于进行维持放电，坨】。由于a c p d p 具有上述的记忆特性和寿命长等优点， 目前世界上大多数研制和生产的p d p 均采用交流型结构1 6 】。 交流型p d p 依照电极的安排区分为二电极对向放电( c o l u m nd i s c h a r g e ) 和 三电极表面放电( s u r f a c ed i s c h a r g e ) 两种结构 6 , 1 1 , 1 2 】。二电极对向放电结构中 a c - p d p 的维持电极呈正交分布在上下两个基板上，气体放电发生在两个基板之 间，因此又被称为对双基板型a c p d p 。三电极表面放电结构的两种维持电极平 行的位于同一块基板上，气体放电就发生在此基板的表面，而荧光粉则涂敷在另 一基板表面，因此又被称为单基板型a c p d p 或表面放电型a c p d p 。这两种结构 各有特点，目前表面放电型a c p d p 是p d p 彩电市场的主流，而我们的大屏幕样 机中，使用的是结构相对简单的双基板型无缝拼接式a c p d p 模块【l ，3 j 。 拼接式p d p ( t s p d p ) - 1 ：作原理 2 2a c - p d p 的结构和发光原理 2 2 1 表面放电型和对向放电型a c p d p 结构分析 前玻璃基板 透明电极 忙流电掇 介质层 氧化镁层 障壁 荧光粉层 寻址电较 后玻璃基板 图2 1 ，表面放电型a c p o p 的结构 图2 - 1 所示为三电极表面放电型a c p d p 显示屏的结构【1 2 】。这种显示屏是由 上下两块绝缘的玻璃基板密封而成的，内充放电气体。在上基板的内壁上有从两 个方向引出并相互平行的电极组，其中一组为x 电极( 维持电极) ，通过公共端 连在一起：另一组为y 电极( t t 描电极) ，相互之间保持独立。x 电极和y 电极 共同组成p d p 所需的维持显示电极，在电极的表面有一层低熔点的玻璃介质层， 还有一层用来对电极进行保护的m 9 0 保护膜。下基板上印刷有彼此平行并且与上 基板上维持显示电极垂直的寻址电极a ，它与正交的x 、y 电极的交叉点即构成 了发光单元。p d p 显示屏正是利用了这些交叉点来形成显示屏上数万个红、绿、 蓝颜色的显示单元【1 2 , 3 1 。 x 屯 图2 - 2 ，模块拼接式双基板a c p o p 的结构 拼接式等离子显示器v g a 接口电路与驱动控制电路的研究与实现 浙江大学研制的双基板型拼接式a c p d p 模块的基本结构如图2 2 所示： 它由两块相隔1 5 0 um ，厚2 m m 的玻璃基板组成，面积为2 0 0m m 2 5 0 哪，四周 气密封接，形成放电空间，内部充以x e 、a r 、h e 混合气体作为工作媒质。两块 玻璃基板内侧置有导电薄膜作激励电极，激励电极制备成栅状，呈空间正交放置， 称为x 电极( 行电极) 和y 电极( 列电极) ，每个电极上覆盖层绝缘介质膜。 在置有y 电极的基板上分别沉积了一层r 、g 、b ( 红、绿、蓝) 三色荧光粉， 按条状排列，同一组上r 、g 、b 三个象元构成一个像素，每个象元的四周制备 具有一定高度的障壁。显示屏的发光点阵数为5 2 ( 行) 6 4 ( 列) 3 r 、g 、 b 三色) 。在工作时，采用交流激励的双基板放电模式，使x 和y 电极交叉点放 电单元内的气体放电，产生真空紫外线，激发荧光粉发光。 这种模块拼接式a c p d p 组成超大屏幕的关键技术是无缝拼装设计，其拼装 结构如图2 3 所示【3 l 。每一块显示屏的边缘非发光区，包括封接框、电极引出宽 度l 小于或等于显示屏像素之间不发光宽度m 的半。这样在拼接时，两块相 邻的显示屏边缘非发光区之和将小于或等于m ( 2 l m ) ，显示图像不会出现如 电视墙等拼接显示设备的“窗框效应”，避免了拼接处图像信息的损失。本文采 用的拼接式a c p d p 模块的像素节距为3 9 1 m m ，r 、g 、b 象元宽度为2 7 1 r a m ， l m 2 = ( 3 9 1 - 2 7 1 ) 2 = 0 6 m m ，满足了上述要求。 采用无缝拼接式p d p 的大屏幕显示设备可以方便的实现显示面积的扩展。 根据应用需要，在大屏幕横向或纵向增加拼接模块数量就可以实现从v g a ( 6 4 0 4 8 0 ) 到u x g a ( 1 6 0 0 1 2 0 0 ) 的各种显示格式，画面不会出现信息损失。 拼接式p d p ( t s p d p ) 工作原理 2 2 2 两种a c p d p 驱动方法的比较 由于结构不同，面放电p d p 和双基板p d p 的驱动方法也不相同。 面放电p d p 的驱动方式基于寻址与显示分离( a d s ) 的驱动机理，属于“存 储型”模式的驱动电路 1 2 , 1 3 】。其发光过程可分为准备期、寻址期和维持期三部分。 准备期的作用是使全屏的所有放电单元达到一致状态，为寻址做好准备；在寻址 期，对全屏进行顺序扫描，为所要点亮的单元积累壁电荷；维持期是在全屏同时 进行，使在寻址期积累了壁电荷的单元进行维持放电发光。 由于充分利用了彩色a c p d p 固有的“存储”特性，面放电的p d p 发光采用写 入擦除脉冲信号，借助较低的维持脉冲电压来完成对彩色显示屏象元的“写入” 和“擦除”操作，实现a c p d p 象元的“着火”和“熄灭”两种状态。这种模式重要的 特点之一，是显示屏的亮度与板内象元数无关，能容易地实现彩色a c p d p 的高 亮度显示。但是其控制电路复杂，特别是对于拼接式的大屏幕p d p 显示设备， 维持脉冲驱动器的负担将会很重，因为它必须在同一时刻承受所有象元的高维持 电流和电压。有研究表明，这不仅增加了维持驱动器的设计和制作难度，而且会 增加驱动电路的无用功耗i 】”。 双基板型拼接式p d p 采用“刷新型”的驱动方法，它不需要设嚣专门的写入 擦除脉冲驱动器和维持脉冲驱动器，而是采用逐行扫描并且显示的方法，即只有 行扫描、列锁存两个信号，当扫描到需要点亮的行时，在要发光的交叉点由行扫 描脉冲和列锁存脉冲信号共同作用，产生交流激励信号，使气体电离发出紫外线 激发荧光粉发光。这种“刷新型”的驱动方法，电路相对设计简单，电源使用效率 高。但是没有发挥彩色a c p d p 的存储特性，其显示亮度受到了扫描线数的制约 【1 4 1 。为了提高显示亮度，驱动电路要在高频、高压下运行。 如上所述，“存储型”驱动电路和“刷新型”驱动电路分别和三电极表面放电 型a c p d p 和两电极对向放电型a c p d p 两种等离子显示屏的物理结构相对应， 因此，需要根据实际应用时采用了哪种结构的等离子显示屏来设计与之对应的驱 动电路。由于本文采用了双基板对向放电型拼接式a c p d p 模块，因此在电路设 计上采用了逐行扫描的刷新型驱动方法。实验结果表明，在一般的工作条件下， 这种“刷新型”的驱动电路结合对向放电型p d p 得到的显示效果是令人满意的。 拼接式等离子显示器v g a 接口电路与驱动控制电路的研究与实现 2 3t s p d p 的彩色图像显示原理 2 3 1a c p d p 的灰度等级显示原理 显示设备不同，则实现灰度的方法不一样。c r t 显示器灰度级的实现主要 靠改变扫描电子束电流的强弱来完成；l c d 显示屏则是采用脉冲宽度调制的方 法。不同于人眼的空间混色效应，a c p d p 的灰度显示利用了“时间混色”效应。 这是因为p d p 的发光亮度是一个两态值，它的每一个显示单元只有“亮”和“熄”， 不易靠调节电压高低和脉冲宽度来改变亮度从而实现灰度等级【l2 1 。 根据人的视觉特征，对有定强度的发光体来说，人眼对它的亮度感觉不仅 仅取决于其发光强度，还与该发光体发光的时间长短有关。视网膜在接收到发光 体发出的光时，并不会在瞬间形成稳定的主观亮度感觉，而是有一个短暂的过渡 过程。随着作用时间延长，主观亮度感觉由小到大，达到最大值后又降低到正常 值。当光消失后，亮度感觉也并不瞬时消失，而是按近似指数函数的规律逐渐减 小。所以对于p d p 的彩色图像显示，可根据人眼的这种视觉暂留效应，使用脉 冲宽度和脉冲个数来区分亮度，在一定的时间间隔内，脉冲宽度越大或脉冲个数 越多，则表明其灰度等级越高。当彩色光或单色光以足够快的速度照射到人眼时， 人眼会由于视觉暂留效应而无法分辨出单独的光色或光强度，实际上感受到的是 它们的混合效果，因此区分出了颜色的深浅、明暗口, t 2 , 1 3 , 1 5 】。 因此本文采用了选址显示分离子场技术实现彩色p d p 图像的灰度等级 3 , 1 2 , 1 3 , 15 1 ，基本原理如下：对某一个象元来说，设它的亮度为i ，该亮度的量化值 为一个字节的数据v ，该字节的每个比特从高到低分别记作v 7 、v 6 、v 5 、v 4 、v 3 、 v 2 、v l 、v 0 。通过下面的公式，可计算出这个象元在一场中显示时间t 为i 】”： 7 + + v 7 2 7 ) t = = ( v ，2 。) t ，- 0 其中t 为单位显示时间，一个象元在一场中的显示时间可以由其在每一个子 场中的显示时间求和得到。按照此公式，量化值v 越大，子场加权时间t 就越大， 给人的感觉就越亮。因此可以通过子场加权技术将图像的亮度差别区分开。通常 拼接式p d p ( t s p d p ) ： ：作原理 对于被显示的场图像，在p d p 大屏幕上最多可被分为8 个子场来显示，显示 时首先显示大屏幕图像数据的第8 b i t ( 第8 子场) ，然后是第7 b i t ( 第7 子场) 直 到第l b i t ( 第l 子场) ，八个子场的图像合成场最多具有2 5 6 级灰度等级的彩 色图像。比如某一象元的灰度级为1 8 6 ，转换成二进制数就是1 0 1 1 1 0 1 0 ，所以应 使它的vj 、v 3 、v 4 、v 5 、v 7 子场被点亮，每个子场的发光时间为2 t 、8 t 、1 6 t 、 3 2 t 、1 2 8 t ，这一象元在这一场中的总的发光时间为1 8 6 t ，这就代表了它在这一 场中的灰度等级。这种对分离子场进行单位时间加权，从而实现灰度等级的方法 也可由图2 - 4 来说明【1 2 。 图2 - 4 ，a c p d p 的2 5 6 级灰度的子场示意图 注：其中s f i 到s 9 8 分别代表8 个子场，1 到1 2 8 分别代表对应子场的显示时间 有研究表明，采用子场技术尽管彩色p d p 在显示静态图像时性能优良，但 在显示运动图像时却可能出现灰度紊乱问题。运动图像的边缘会依据不同的图像 运动速度而呈现出异常色彩，影响了色彩重现【i “。这个问题在面放电结构的p d p 上尤其明显。由于这种颜色混乱在图像轮廓的边缘比较明显，因此被称为伪轮廓 现象。这是由于人眼的视觉残留图像与瞬时图像相叠加而造成的。为了克服这种 现象，可将将子场显示顺序重新划分，将时间较长的子场再次分割，并把显示时 间较长的子场放在每场时间段的中间来显示，减小图像移动时相邻两场的视觉暂 留的叠加问题。相关的研究方向还包括将运动补偿机制与驱动电路设计结合，将 数字信号处理算法引入驱动电路模块等等，因非本文的主要研究内容，在此不作 深入探讨。 拼接式等离子显示器v g a 摧口电路与驱动控制电路的研究与实现 2 3 2t s p d p 图像的分割与重组原理 对于拼接式的大屏幕来说，图像在拼接式模块上的分割与重组是拼接式p d p 大屏幕能否正确还原被显示图像的关键因素。对于本文研究的无缝拼接式p d p 来说，由于其每一拼接模块只显示整体彩色图像的一部分，因此在把一场图像分 成若干子场后，一个重要的步骤是要将子场的图像按照纵向分区的数目进行分 割。如对8 0 0 6 0 0 的图像，对应6 4 x5 2 的模块拼接式a c p d p ，需要分割成6 0 0 5 2 共计1 1 个分区( 舍弃部分图像) ，分割后的数据分配到相应的纵向分区上，即在 大屏幕的第一个分区里包括从第l 行到第5 2 行的数据，在第二个分区中包括第 5 3 行到第1 0 4 行的数据依次类推。 在每一个分区中，都有若干拼接式p d p 模块，它们之间互相连接，分区里 每一行的红、绿、蓝像素信号通过移位串行传输的方式在p d p 模块之间传输。 分割后的图像要实现子场图像的同步扫描，这样才能在拼接的大屏幕上还原 出每一子场。同步扫描的策略是首先同步扫描每一个分区的第一行，即子场图像 的第1 行、第5 3 行、第1 0 5 行，然后同步扫描每一分区的第二行，也就是 子场图像的第2 行、第5 4 行、第1 0 6 行，直至最终扫描到每一分区的最后 一行，即可完成对所有行的扫描，形成一个完整的予场。对不同子场按照其时间 加权进行对应时间长度的扫描，即可以在拼接的屏幕上还原出- - 鬲r j 具有灰度等级 的图像。在分割和重组的过程中，需要注意行、场、点时钟等信号的同步处理， 否则可能导致还原图像紊乱。图2 5 以一个有三个分区，每个分区有4 块p d p 模块的大屏幕为例表示了拼接式p d p 分区图像还原为一幅完整图像的过程。 m 分博 l - 5 2 i _ i 1 莉钾陋 5 3 1 1 ) 4 行 蒴：甜i ：； ： u s 1 5 6 图2 - 5 ，t s p d p 的分区图像还原完整图像的过程 il-丫lliv i_-丫 一 堑鳖茎! 里! 塑! ! 里! ! ! ：堡堡堡 2 4t s p d p 整机电路系统研究 基于以上的拼接式p d p 大屏幕图像显示原理，结合本文针对的双基板型对 向放电式p d p 所设计的拼接式p d p 整机系统框图如图2 - 6 所示： i+ + 图信 p 1 ip 1 2p 1 3p 1 4 接像号 口 分分 p 2 1p 2 2 p 2 3p 2 4 电 割配 路 电电 路路 p 3 1p 3 2p 3 3p 3 4 - i - + + + + 一i 列驱：由电路 图2 - 6 ，拼接式p d p 大屏幕系统的组成 泪1 拼接式p d p 整机由拼接的若干p d p 模块和与之对应的电路系统构成。图2 - 6 中，p 。代表了第i 个分区的第j 个p d p 模块。用于实验的p d p 大屏幕样机由1 2 块拼接式模块组成，每四块构成个横向的分区，共有p i ，p 2 ，p 3 三个分区。每 个分区由四块显示屏通过横向串接构成( 如p i l ，p 1 2 ，p mp 1 4 四块显示屏组成 p 1 分区) ，总面积为0 6 m 2 ，发光点阵数为1 5 6 2 5 6 3 。如2 2 1 节所述，此样 机也可以通过增加拼接模块方便的实现显示面积的扩展。 与拼接式p d p 大屏幕对应的电路系统可划分为如下五个部分： ( 1 ) 接口电路。 由于p d p 是一种数字显示设备，只能接受特定格式的数字视频信号，因此 拼接式p d p 的电路系统中，接口电路的作用是处理多种模拟视频信号( 如复合 广播电视信号、v g a 信号) 和数字视频信号( 如d v i 视频信号) 等等，将其进 行解码和数字化，成为适合p d p 使用的信号格式，并提供如行、场同步，消隐， 像素同步时钟，r 、g 、b 数据等信号。本文接口电路处理的是8 0 0 6 0 0 ，6 0 h z 的s v g a 图像格式。 ( 2 ) 图像转换分割电路。 图像转换分割电路主要是将接口电路传来的信号作分离子场处理，并进行图 拼接式等离子显示器v g a 接口电路与驱动控制电路的研究与实现 像分割和子场的重组，进行时间上的加权处理，并且将处理后的数据送到驱动控 制电路的接口。其工作过程可以用“乒乓互斥机制”完成f 15 , 1 7 ，简单描述如下： 接口电路的连续数据通过具有缓存整理功能的子场产生电路，按照权重将一场数 据信号重新进行归类成子场数据，并受分时读写机制的控制将连续两场的重组数 据交替写入两组r a m 中；读出数据时，也采用