LCD液晶显示器原理分析毕业论文.doc

引言由于计算技术的发展和对图像清晰度、保真度的要求越来越高，液晶显示器作为一种比较时尚的产品备受人们的青睐。TFT-LCD是集大规模半导体集成电路技术、驱动IC技术和平板光源技术于一体的高新技术产业，其科技含量、经济效益和社会效益都很突出，是现代通信和计算机等信息产业最重要的基础之一。美国和西欧国家没有形成TFT-LCD的规模产业，不是因为TFT-LCD产业不好，而是西方国家在这一领域产业战略的失误，丧失了技术优势。日本早期果敢地对TFT-LCD进行了大规模的投资，以生产为目标解决了技术与工艺问题，把量产化作为基础研究来进行。虽然美国和欧洲在LCD方面也做了大量的工作，但由于投资力度不够，终于未成气候，许多研究成果倒被日本人所利用。他们所做的一切工作都迅速地为日本人营造的规模效应所吸收，变成了投资者的财富。对于东亚的韩国和我国大陆和台湾地区，情况却不同，这一地区整体的技术水平都比较低，而TFT-LCD已经是一个成熟的产业，可以把整个生产设备和生产技术买进来，利用后发优势进行改造和再创新，以最快的方式获取科学技术的最新成果，抢入市场。TFT技术的引进和消化吸收将带动我国光电子产业的设备制造技术、生产技术的迅速发展，带动我国信息产业的大步前进，预计“十五”期间我国将建立5-7条3.5代以上的非晶硅TFT-LCD生产线。在最近的十年内我国大陆将成为世界上液晶平板显示器的重要生产基地之一。可以明确地说，在未来10年左右的时间内，不可能有在性能上优于 TFT-LCD的商品显示器问世，而TFT-LCD却会越来越成熟。所谓的平面显示器时代，实际上就是液晶平面显示器时代。预计2005年LCD应用的构成比为液晶监视器占31%，Mobil29%，PC10%，大型AV及其它30%。如果把2005年LCD的需求换算成面积则为1998年的7倍，产值将超过5OO亿美元。液晶平面显示器具有很大优势：（1）液晶平面显示器大规模批量生产的特性非常好，生产规模大，成品率高，自动化程度高；（2）液晶平面显示器的集成化程度高，可靠性强。控制电路和驱动电路可以集成到玻璃基板上，大幅度降低生产成本和维修成本；（3）液晶平面显示器原材料来源丰富，价格低廉；（4）液晶平面显示器采用新工艺，新技术，新材料的能力强。随着材料科学、光源技术和半导体工艺技术的同步发展，为降低成本留下了广阔的空间。根据现在的生产技术和生产规模测算，到20O5年30英寸以上的家用多功能数字液晶平面终端显示器（不是单一功能的大屏幕电视）的价格将不到90美元。十年以后，液晶平面显示器的价格肯定比现在的CRT还要低。LCD产品技术为传统电子产业产品带来诸多变革，日本、韩国与中国台湾厂商已形成三强纷争的局面。对于未来桌面PC的显示设备，大屏幕CRT甚至纯平面CRT都无法与LCD相竞争，谁抢占先机谁就拥有更大的市场。不过，最终的市场的扩展速度，还要决定于CRT显示器与LCD之间价差的进一步缩小以及各大厂商的推广力度，LCD市场的形成只是一个时间问题。十年后，液晶平面显示器将无所不在，成为人类生活中最重要，也是最常用的生活必需品。液晶平面显示器将改变整个人类的生活方式，开创人类文明新纪元。 本课题就是要对目前广泛使用TFT-LCD的工作原理进行研究，以期对TFT-LCD有较深的了解。目录引言 3第一章 LCD显示架构 5第二章 PANEL部分工作原理 6第一节 什么是液晶6第二节 液晶的电光特性6第三节 液晶显示原理7第四节 液晶显示器件的采光技术9第五节 液晶显示器件的驱动原理10第六节 TFT液晶显示器件的写入机理13第七节 TFT液晶显示器件的驱动方法14第八节 液晶显示驱动器原理 15第九节 液晶显示驱动系统和液晶显示模块的构成 15第三章 主板部分电路分析 17第四章 Inverter部分电路分析 30第五章 Adapter部分电路分析37总结 45致谢语 45英文摘要46参考文献 47附录148附图1附图2附图3第一章 LCD显示器架构一 LCD构成 LCD主要由以下几个部分构成：1、 主板：用于外部RGB信号的输入处理，并控制PANEL工作。2、 Adapter电源适配器：用于将90240V的交流电压转变为12V的直流电源供给显示器工作。3、 Inverter逆变器：用于将主板或Adapter输出的12V的直流电压转变为PANEL需要的高频的15001800V的高压交流电，用于点亮PANEL的背光灯。4、 PANEL部分：该部分为液晶显示用模块，它是液晶显示器的核心部件，其包含液晶板和驱动电路。二 LCD整机框图 LCD显示器的整体模块图如图1-1。 图1-1 LCD整机框图在以下各章中，将对构成LCD Monitor的各部分的工作原理进行研究。首先对核心部分Panel的工作原理进行介绍，再对其他各部分电路进行分析。第二章 PANEL部分工作原理Panel部分即是液晶显示模块LCM，它是整个液晶显示器的核心部分。它是一种将液晶显示器件、连接件、集成电路、PCB线路板、背光源、结构件配在一起的一体化组件。本章将对液晶显示的基本原理，液晶的驱动以及液晶模块的构成进行简要的介绍。第一节 什么是液晶（Liquid Crystal）液晶显示器是以液晶为基本材料的组件，由于液晶是介于固态和液态之间，不但具有固态晶体光学特性，又具有液态流动特性，所以液晶可以说是处于一个中间相的物质。而要了解液晶的所产生的光电效应，我们必须先来解释液晶的物理特性，包括它的黏性（visco-sity）与弹性（elasticity）和其极化性（polarizalility）。液晶的黏性和弹性从流体力学的观点来看，可说是一个具有排列性质的液体，依照作用力量的不同方向，会有不同的效果。就好像是将一簇细短木棍扔进流动的河水中，短木棍随着河水流着，起初显得凌乱，过了一会儿，所有短木棍的长轴都自然的变成与河水流动的方向一致，达到排列状态，这表示黏性最低的流动方式，也是流动自由能最低的一个物理模型。此外，液晶除了有黏性的特性反应外，还具有弹性的表现，它们都是对于外加的力，呈现出方向性的特点。也因此光线射入液晶物质中，必然会按照液晶分子的排列方式传播行进，产生了自然的偏转现象。至于液晶分子中的电子结构，都具备着很强的电子共轭运动能力，所以，当液晶分子受到外加电场的作用，便很容易的被极化产生感应偶极性（induced dipolar），这也是液晶分子之间互相作用力量的来源。而一般电子产品中所用的液晶显示器，就是利用液晶的光电效应，藉由外部的电压控制，再通过液晶分子的光折射特性，以及对光线的偏转能力来获得亮暗差别（或者称为可视光学的对比），进而达到显像的目的。第二节 液晶的电光特性液晶同固态晶体一样具有特异的光学各向异性。而且这种光学各向异性伴随分子的排列结构不同将呈现不同的光学形态。例如，选择不同的初期分子取向和液晶材料，将分别得到旋光性、双折射性、吸收二色性、光散射性等各种形态的光学特性。一旦使分子取向发生变化，这些光学特性将随之变化，于是在液晶中传输的光就受到调制。由此可见，变更分子的排列状态即可实行光调制。由于液晶是液体，分子排列结构不象固态晶体那样牢固。另一方面液晶又具有显著的介电各向异性和自发偶极子P0。一旦给液晶层施加上电压，则在介电各向异性和自发偶极子P0和电场的相互作用下，分子排列状态很容易发生变化。因此利用外加电场即可改变液晶分子取向，产生调制。这种由电场产生的光调制现象叫做液晶的电光效应（electro-optic effect）。它是液晶显示的基础。这种光学特性可通过表面处理、液晶材料选择、电压及其频率的选择获得。第三节 液晶显示原理1 液晶的物理特性液晶的物理特性是：当通电施加上电场时，液晶排列变得有秩序，使光线容易通过；不通电时排列混乱，阻止光线通过。让液晶如闸门般地阻隔或让光线穿透，从技术上说，液晶面板包含了两片相当精致的无钠玻璃薄板，中间夹着一层液晶。当光束通过这层液晶时，液晶本身会一排排站立或扭转呈不规则状，因而阻隔或使光束顺利通过。大多数液晶都属于有机复合物，由长棒状的分子构成。在自然状态下，这些棒状分子的长轴大致平行。但将液晶倒入一个经精良加工的开槽平面，液晶分子长轴会顺着槽排列。所以，假如那些槽非常平行，则各分子也是完全平行的。2. 液晶显示的主要工作模式由液晶显示的四种基本原理而派生出多种工作模式。主要有：TN模式、STN模式、FLC模和液晶-聚合物模式等。由于液晶显示的众多不同分支，本章只介绍目前应用得最为广泛的TFT-LCD中使用的TN模式。TN模式是在1971年由Schadt等人发表的，它是在液晶显示中最早获得广泛应用的一种模式。由于它具有电压低，功耗小，寿命长以及易于实现多灰度、全彩色显示等特点，使它始终成为液晶显示的主流工作模式。它是利用液晶材料的旋光性，采用电压调光的工作原理。TN模式液晶显示器件的基本构成：在涂有透明电极的两块玻璃之间夹有介电各向异性为正的向列相液晶，液晶厚度约为几微米，电极表面做平行取向处理。为使液晶分子成90扭曲排列，上下基板的取向方向为正交设置，同时，为防止液晶层出现畴区等缺陷，在取向上要设置12的预倾角，并在液晶中掺入能形成单一右旋或左旋的手性材料。盒子外侧的两片偏振片有两种设置方式：一是起偏器光轴和检偏器光轴分别平行（或垂直）于入射侧和出射侧分子取向方向，呈正交状态，称之为常白方式。另一种是起偏器光轴平行（或垂直）于入射侧分子取向方向，而检偏器的光轴垂直（或平行）于出射侧分子取向，两偏振片光轴呈平行状态。称之为常黑模式。3. TN型液晶显示（LCD）原理LCD技术是把液晶灌入两个列有细槽的平面之间。这两个平面上的槽互相垂直(相交成90度)。也就是说，若一个平面上的分子南北向排列，则另一平面上的分子东西向排列，而位于两个平面之间的分子被强迫进入一种90扭转的状态。由于光线顺着分子的排列方向传播，所以光线经过液晶时也被扭转90。但当液晶上加一个电压时，分子便会重新垂直排列，使光线能直射出去，而不发生任何扭转LCD是依赖极化滤光器(片)和光线本身，自然光线是朝四面八方随机发散的。极化滤光器实际是一系列越来越细的平行线。这些线形成一张网，阻断不与这些线平行的所有光线。极化滤光器的线正好与第一个垂直，所以能完全阻断那些已经极化的光线。只有两个滤光器的线完全平行，或者光线本身已扭转到与第二个极化滤光器相匹配，光线才得以穿透。（如图2-1） 图2-1 光线穿透示意图LCD正是由这样两个相互垂直的极化滤光器构成，所以在正常情况下应该阻断所有试图穿透的光线。但是，由于两个滤光器之间充满了扭曲液晶，所以在光线穿出第一个滤光器后，会被液晶分子扭转90度，最后从第二个滤光器中穿出。另一方面，若给液晶加一个电压，分子又会重新排列并完全平行，使光线不再扭转，所以正好被第二个滤光器挡住。总之，加电将光线阻断，不加电则使光线射出。（如图2-2）通常显像面积上亮区域都比黑区域大，所以这种方式有利于省电。 图2-2 光线阻断示意图从液晶显示器的结构来看，无论是笔记本电脑还是桌面系统，采用的LCD显示屏都是由不同部分组成的分层结构。LCD由两块玻璃板构成，厚共约1mm，其间由包含有液晶(LC)材料的5m均匀间隔隔开。因为液晶材料本身并不发光，所以在显示屏两边都设有作为光源的灯管，而在液晶显示屏背面有一块背光板（或称匀光板）和反光膜，背光板是由荧光物质组成的在灯管照射下可以再发射光线，其作用主要是提供均匀的背景光源。背光板发出的光线在穿过第一层偏振过滤层之后进入包含成千上万水晶液滴的液晶层。液晶层中的水晶液滴都被包含在细小的单元格结构中，一个或多个单元格构成屏幕上的一个像素。在玻璃板与液晶材料之间是透明的电极，电极分为行和列，在行与列的交叉点上，通过改变电压进而改变液晶的旋光状态。液晶材料的作用类似于一个个小的光阀。在液晶材料的周边是控制电路部分和驱动电路部分。当LCD中的电极产生电场时，液晶分子就会产生扭曲，从而将穿越其中的光线进行有规则的扭转折射，然后经过第二过滤层的过滤，最后在屏幕上显示出来。4彩色再现：目前对于液晶显示而言，主要采用加法混色法来再现彩色。根据三色学说和颜色混合定律，很容易理解加法混色的工作原理。加法混色（如图2-3所示）采用红（Red）、绿（Green）、蓝（Blue）三基色，简称RGB混色法。混合色的光谱为： 2-1，,分别为对应脚注颜色的光谱， 、分别表示各种颜色强度的系数，是入射光利用率的系数，表示入射光的光谱。 图2-3 加法混色三基色透射光谱彩色液晶显示器一般是通过控制所施加的电压大小，使各K值在01之间变化，从而控制所显示的颜色。第四节 液晶显示器件的采光技术液晶显示器件是被动型显示器件，它本身不会发光，是靠调制外界光实现显示的。外界光是显示器件进行显示的前提条件。因此在液晶显示装配、使用中，要解决采光问题。目前液晶显示的采光技术分为自然光采光技术和外光源设置技术。而外光源设置有背光源，前光源和投影光源三种技术。这里主要介绍TFT-LCD的背光源技术。背光源采光技术的两大任务是：1. 使液晶显示器件在有无外界光的环境下都能够使用；2. 提高背景光亮度，改善显示效果。液晶显示背光源的特点：1 亮度均匀一致，能形成均匀的面光源；2 亮度高，并可调亮度范围；3 平板、薄型，适于装配；4 重量轻；5 光色悦目、基色准确、对液晶显示器件有较好的透过能力；6 功耗低，效率高；在目前的TFT-LCD中采用的是冷阴极荧光灯（CCF）为背光源的。这是一种依靠冷阴极气体放电，激发荧光粉而发光的光源。掺有少量水银的稀薄气体在高电压下会产生电离，被电离的气体的二次电子发射，轰击水银蒸气，使水银蒸气被激发，发射出紫外线，紫外线激发涂布于管壁的荧光粉层，使其发光。由于电致发光的荧光粉品种齐全，转化率高，所以这种光源可制成三基色准确、色温高、亮度高的理想光源。冷阴极荧光灯大都作成管型，所以CCF是管型线光源，用作液晶显示背光源时，必须将其变为面光源。要实现线光源到面光源的转变，需要在液晶显示模块后加背光板，这样可以使光源均匀的通过滤色膜产生RGB三基色，通过液晶材料的光调制就可以实现彩色显示效果。第五节 液晶显示器件的驱动液晶的光学传输特性取决于分子排列状态，改变分子的排列状态就可以改变液晶层光学传输特性，这就是液晶电子学的应用基础。而液晶分子排列的改变可以通过电、磁、热等外部场的作用来实现。我们把这种通过表2-1外场作用来改变分子排列状态的过程称为液晶显示器的驱动。液晶显示器常用的驱动方式分为如表2-1所示的几种类型。目前，在LCD Monitor方面，使用的都是采用TFT（薄膜式晶体管）LCD，它采用的是有源矩阵的驱动方式。因此本节将先对TFT器件进行简要的介绍，再着重介绍有源矩阵的驱动方式。1 薄膜式有源矩阵液晶显示器介绍由于普通的矩阵液晶显示器的电光特性对多路、视频活动图象显示是很难满足要求的，因为每个像素都等效于一个无极电容，显示中会产生串扰。为了改善，又会限制驱动的路数。因此在每个像素上设计一个非线性的有源器件，使每个像素可以被独立驱动，从而克服了串扰，解决了大容量多路显示遇到的困难，提高了画面质量，使多路显示画面成为可能。有源矩阵液晶显示器件根据有源器件的种类可分为如表2-2所列的多种类型。表2-2 有源液晶显示器件分类 图2-3 TFT有源矩阵驱动LCD的基本结构以下将对主流的a-siTFT三端有源矩阵液晶显示器件进行介绍。a-siTFT是一种非晶硅-薄膜晶体管类型的三端有源矩阵液晶显示器件。它制作容易，基板玻璃成本低，导通比大，可靠性高，容易大面积化。因此受到广泛应用。图2-3为其基本结构。同一般液晶显示器件类似，a-SiTFT液晶显示器件也是在两片玻璃之间封入液晶，而且液晶显示器件就是普通的TN型方式。不过，其玻璃基板则与普通液晶显示器件大不相同，在下玻璃板上要配制上扫描线和寻址线（即行、列线），将其组合成一个个矩阵，在其交点上再制作上TFT有源器件和像素电极，如图2-4所示。 图2-4 TFT有源矩阵液晶显示屏的电极排布2. TFT-LCD的驱动原理由于TFT-LCD矩阵结构是由一块带有TFT三端元件阵列和像素电极阵列的基板与另一块带有彩色膜和公共电极的基板，以及由此两基板叠合后夹入的液晶层构成，此外，此方式的扫描线和信号线都设置在同一个三端子元件的基板上。扫描线与该行上所有TFT元件的栅极相连，而信号线与该列上所有的TFT元件的源电极相连。TFT-LCD的等效电路如图2-5所示。在以行顺序驱动方式依次扫描行电极过程中，当某行一旦被选通，则该行上所有的TFT开关元件同时被行脉冲闭合，变成低阻（Ron）导通状态。与行扫同步，各列信号电荷分别通过列电极从保持电路送入与导通元件TFT相连的各相应像素电容，信号电压被记录在像素电容和储存电容上。当行选一结束，TFT开关元件即断开（处于高阻Roff状态），被记录的信号电压将被保持并持续驱动像素液晶，直到下帧扫描到来之前。称此驱动为准静态驱动。由此工作过程可看出，扫描电压只做TFT元件的开关电压之用，而驱动液晶的电压是信号电压通过导通TFT元件对像素电容充电后在像素电极和公共电极之间形成的电位差VLC。VLC大小决定于信号电压Vs。可见，采用TFT元件作有源矩阵驱动，可实现开关电压和驱动电压分开，从而可达到开关元件的开关特性和液晶像素的电光特性的最佳组合，可获得高像质显示。 a TFT-LCD等效电路b 单像素TFT工作原理图2-5 TFT工作原理第六节 TFT液晶显示器件写入机理液晶显示器件写入机理，即液晶显示器件是依靠什么方法将人们所需显示的信息用来作用于器件，使器件达到显示的目的。1. 液晶显示器件写入的条件众所周知，所有液晶显示器件的显示原理是依靠外场（包括电、热、光等）作用于初始排列的液晶分子上。依靠液晶分子的偶极矩和各向异性的特点，使液晶分子的初始排列发生变化，通过液晶器件的外界光被调制，使液晶显示器件发生明、暗、遮、透、变色等效果达到显示目的。但是要想实现某一特性的显示目的，则需要满足以下两个基本条件： 足够强的电（热、光）信号作用于液晶，使其改变其初始排列； 每个电（热、光）信号均可以在一段时内作用于一个或几个像素单元。使像素能够组合成一个视觉信号。由于直流电场将会导致液晶材料的电化学反映和电极劣化、老化，因此只能在像素电极上建立交流电场，而且应该尽可能减少交流电场中的直流成分，实用中应保持直流成分在几十毫伏以下，所施加的交流电场的强弱以其有效值来表示。只有所施加的交流电场有效值大于液晶显示器件的阀值电压时，该像素才能呈显示状态。由于液晶显示器件有类型、规格、型号的不同，对所施加电压的波形、相位、频率、占空比、有效值都有不同的要求。而对于像素控制方面的要求，则包含有以下两层意思：首先，由于器件像素电极连线的排布不同，要求外部必须配置相应的硬件，以提供驱动电压波形。其次，按照一定的指令将若干个显示像素组合成不同的数字、字符、图形或图象。2. 液晶显示器件的写入机理在满足液晶显示器件写入基本条件下，信息信号作用与不同类型的液晶显示器件的机理也不一样。这里只介绍有源矩阵薄膜晶体管（TFT）液晶显示器件的写入机理。对于其他类型液晶显示器件的写入机理将不做介绍。TFT-LCD的写入机理：以行扫描信号和列寻址信号控制作用于被写入像素电极上的薄膜晶体管有源电路，使有源电路产生足够大的通断比（Ron/Roff），从而间接控制像素电极间呈TN型的液晶分子排列，达到显示的目的。该写入的特点就是经TFT有源电路间接控制的TN型器件显示像素，可实现高路数多路显示和视频图象显示。第七节 TFT液晶显示器件的驱动方法依据液晶显示器件写入机理和显示像素电极的排布方式即可确定对其进行驱动的基本条件。液晶显示器件的种类繁多，驱动的方法也不同。但是无论哪种类型的器件，还是使用什么不同的驱动方法都是以调整施加到像素电极上的电压、相位、频率、峰值、有效值、时序、占空比等一系列参数、特性来建立起一定的驱动条件，实现显示。主要的驱动有很多，在此仅介绍TFT-LCD所采用的有源矩阵驱动法。由于有源矩阵液晶显示器件的每个像素点上都有一套有源器件，所以对这种器件的驱动是对每个像素点上的有源器件的驱动。图2-6为TFT液晶显示驱动的时序图。从图中可以看出，外电路不能直接将电压施加到液晶像素上，施加在 图2-6 TFT驱动时序波形图像素上的电压决定于TFT晶体管的特性。当晶体管开、关比达到106以上时，则可以满足液晶功能像素对通断比的要求。晶体管TFT是这样工作的，当TFT栅极G扫描被选通时，VG被接入一个正高脉冲，此时同步输入选址的源极信号是一个围绕一个中心值为VC的永远低于VG选通脉冲幅值的选址数据电压VLD，TFT晶体管被打开。从源极到接通液晶像素的漏极之间呈一通路，电压被加到液晶像素电极和补偿电容电极上。这时即使施加电场撤掉，由于电容作用，其像素上施加的电压也将保持相当时间，直至下次选通的到来。若设置的电容值使其像素选通达半帧时间，同时使下半帧寻址信号以VC进行反相，则可以实现： 如图2-6所示，使加在像素上的驱动波形呈交流态； 驱动路数与TFT晶体管特性有关，而与液晶电光响应特性无关。这将彻底解决液晶多路驱动难题； 从图中波形还可以看出，这种驱动方式没有半选通波形，因此也就没有交叉效应以及对比度下降等缺陷； 此外，这种驱动也不受液晶电光响应速度的影响，可以显示视频活动图象，没有闪烁也没有拖尾。第八节 液晶显示驱动器原理液晶显示器驱动器是为液晶显示器件的像素提供电场的器件。由于液晶显示像素上施加的必须是交流电场，因此要求液晶显示驱动器的驱动输出必须是交流驱动；电场电压有效值在液晶像素的阀值电压附近时，液晶将呈现较弱的电光效应，此态将会影响液晶显示器件的显示对比度。因此液晶显示驱动器要能够控制驱动输出的电压幅值，用以实现对比度控制。液晶显示驱动器通过对其输出到液晶显示器件上的电位信号进行相位、峰值、频率等参数的调制来建立交流电场，以实现显示效果。应用上的液晶显示驱动器有静态驱动器和动态驱动器。点阵式液晶显示器件都是采用动态驱动器。驱动器又有行驱动器和列驱动器之分。第九节 液晶显示驱动系统和液晶显示模块的构成1. 液晶显示驱动系统利用多片液晶驱动器组合成一个点阵液晶显示器件的驱动系统。这个系统包括有行驱动器，列驱动器，偏压电路，驱动电源发生器以及温度补偿电路等。在大规模点阵液晶显示器件的驱动电路中主要的控制时序信号是不变的。行驱动脉冲LCP与列驱动器的锁存脉冲LP是同步的，所以这两个信号是合为一个LP信号的。显示数据的传输方式将根据列驱动器组的数据传输方式而定。常见的有串行数据传输方式和并行数据传输方式。偏压电路：在动态驱动方式中，偏置电压的设置是非常重要的。根据所需的偏置电压系数，把液晶驱动电压均分为不同的电压档，这就是偏压生成电路的功能。偏压生成电路实际上是等分电压电路，常用的有两种方式：电阻分压电路和运放分压电路。温度补偿电路一般是利用电阻、二极管或三极管等元件的温度系数在分压电路中的影响，来补偿液晶材料由于环境温度的影响而使电压阀值电压下降，从而影响显示的对比度。驱动电源（DC-DC）电路：液晶的驱动是建立一定电压的电场来实现的，为了保证驱动器的控制信号能够与控制系统的信号电平兼容，驱动器的逻辑电源都使用了CMOS芯片的逻辑电源。这个电源也作为液晶的驱动电源的一侧。但凭这个电源使点阵液晶显示器件产生显示效果还是不够的，它需要有更大的驱动电压。为了获得这个电压，驱动器还需要一个液晶驱动电源，通常是向负电压方向增加。若控制系统的电源有合适的负电源则直接使用即可。若没有则可以利用现有的DC-DC变换器从逻辑电源转换成负电源。由于液晶可以等效成一个电容，属电压型驱动，耗电流较小，所以DC-DC变换器所需的工作电流比较小，可以直接使用IC驱动。2. 液晶显示模块的构成由于点阵型液晶显示器件的引线众多，而且要将这些引线从玻璃上引到驱动系统的PCB板上，这在工艺上不是普通用户所能掌握的。所以液晶显示器件的制造商们将液晶显示器件产品进一步开发，制作出相应的驱动PCB板和压框，然后用压框和导带或导电橡胶条将液晶显示器件固定在PCB板上。PCB板上含有完整的驱动器系统，电路接口包含了驱动器系统所需要的控制信号和电源。这就叫液晶显示模块（LCM）。液晶显示模块电路中的控制信号是用来接收控制系统发来的数据信号和操作信号的。这些信号有：FLM：帧信号； LP：锁存脉冲信号； CP：移位脉冲信号；M：交流驱动波形； D（i）：显示数据。图2-7为Panel的内部结构框图。 图2-7 LCM内部结构框图第三章 主板部分电路分析由图3-1可知，主板是由PANEL控制逻辑，亮度控制逻辑，DC to DC转换逻辑，传输TTL电平信号到LCD显示模块电路等组成。图3-1 主板框图1、 主板上各主要IC芯片描述： MCU：8051单片机，其主要作用有：电源控制，OSD控制，频率计算，RS232通信等。 GMZAN1：集成ADC、OSD、SCALER，把计算机输入的RGB模拟视频信号转换为数字信号，并通过差补缩放处理，输出至液晶显示器PANEL时序控制电路。 LM2596：直流电源变换器，用于将12V输入转变为5V的直流输出。 AIC1084：也是直流电源变换器，用于将5V输入转变为3.3V的直流输出。 24LC21：1KB EEPROM，用于存储表示显示设备标志的DDC数据，其中包含有：设备的基本参数，制造厂商，产品名称，最大行频，可支持的分辨率等等。 24C04：4KB EEPROM，用于存储Auto Config数据，白平衡数据，POWER KEY状态及POWER ON计数数据等。2、 MCU控制电路MCU控制接口电路如附图1所示。其中U302为8051系列单片机，其ROM的容量为64K，RAM容量为512Bytes。用于计算频率，探测模式切换，RS232通讯，电源控制，屏幕显示菜单控制等，在软件控制下，MCU由P1.6和P1.7脚分别产生一个Backlight_EN和Panel_EN信号用于点亮PANEL上的背光灯和控制PANEL工作。 MCU各主要引脚功能定义如下表3-1：表3-1 MCU引脚功能 PIN名称I/O功能2HDATA0I/O与GMZAN1通信时所用到的四位数据位3MFB7（HDATA1）I/O4MFB8（HDATA2）I/O5MFB9（HDATA3）I/O6HCLKO时钟输出到GMZAN17HFSO允许位，选通GMZAN18BACKLIGHT-ENO控制INVERTER的开关电压 0/3V9PANEL-ENO控制PANEL的电源开关10RSTIMCU复位信号11RXDI/O白平衡通信时，与外部通信用的串行通信总线13TXDI/O14IRQI中断输入15MFB2I/O多功能引脚16SDAI/O与U300 4KB EEPROM通信时用的IIC串行通信总线17SCLI/O18RST1O复位一脚19NGA-CONI判断信号线是否有插上20XTAL1I20MHz时钟输入21XTAL2I22GND接地端 24、25、26IPANEL SELECT端31K/E SELECTI低电平输入按键型高电平输入飞梭型36WPO可写端，高电平允许向24C04写入数据37LED1（ORANGE）O控制按键板上的LED颜色38LED2（GREEN）O39KEY1（AUTO）I按键板上的5个按键控制40KEY2（ENTER）I41KEY3（RIGHT）I42KEY4（LEFT）I43KEY5（POWER）I 44、35I接电源 5V MCU项目定义：运行于微控制器上的GMZAN1控制软件，需要完成以下操作：1） 初始化LCD控制板元件至用户定义的开机设定：a） 把工厂缺省寄存器设定存在ROM中；b） 用户设定存在内部EEPROM；c） 用户设定初始化时设为工厂缺省值。2） 自动检测模式切换，在模式切换时对相应的元件编程。3） 如果视频模式是未知的，则显示错误信息。4） 检测输入视频线的正确连接，如果没有检测到有效连接，则对应输入视频源显示错误信息。其程序响应如下：a) 无连接，显示“无信号，检查输入”信息；b) 错误的输入，显示“不支持的视频模式”信息。5） 响应用户的按键输入。处理器将周期性的调用RTI中断服务子程序，以检查是否按下一个有效的按键，其程序响应如下：a) 在用户输入的基础上显示相应的菜单；b) 根据用户的按键修改寄存器的值；c) 把修改的值存入EEPROM并且写入相应的设备。6） 响应电源键。a) 如果当前是开的，则关闭系统。b) 如果当前是关的，则打开系统。 MCU接口电路：微控制器与GMZAN1通过Pin2-Pin5组成的4-bits串行口进行通信；Pin7为数据传输提供控制信号HFS，在HFS为高电平时，允许通信，HFS为低电平时，Pin2-Pin5不输出；Pin6为输出为时钟信号HCLK，它为串行通信提供同步时钟。该串行口工作时Pin5-Pin2用作HDATA3-HDATA0，在读/写数据的指令下数据的传送顺序为D3-D0，D7-D4，D11-D8；每12位的数据/地址采用3个时钟，而不是用12个时钟进行传输。微控制器MCU的Pin10为复位脚，其外接电路如图3-2所示：如电路图，当显示器开机时开始对电容C103充电，在R105上产生压降，A点电位升高，产生一个上升沿的触发信号，使MCU复位，使得微控制器从程序寄存器的00地址开始执行。微控制器的Pin19为NGA_CON信号输入端，与PC输入直接相连用于判断信号线是否接好以及输入信号的模式是否是合法的。如果无连接或输入不支持模式将会在屏幕上显示相应的信息。图3-2 RST信号输入微控制器MCU的Pin14外部中断INT0与GMZAN1的中断控制器相连，在外部PC输入信号发生改变时，由GMZAN1产生中断信号给MCU，MCU响应该中断，进入输入信号处理子程序，将输入信号转换为与显示器匹配的RGB信号输出。微控制器MCU的Pin11和Pin13的串行通信口RXD和TXD被用于RS232通信，在工厂模式下调整显示器白平衡时与外部的数据传输用。在调整白平衡时，MCU通过串行通信口从外部缓冲区读取白平衡调整数据。再通过Pin16和Pin17输出到U300存储。U300为24C04的4KB EEPROM。8051MCU与U300通信用的Pin16和Pin17被定义为I2C串行总线接口，U300为AT24C系列E2PROM芯片。I2C总线简介以及与AT24C系列E2PROM的接口： I2C总线简介微控制器与U300的通信采用的是I2C总线。它是由MCU的Pin16和Pin17组成。I2C总线是一种串行数据总线，只有两个信号线，一根是数据线SDA，另一根是时钟线SCL。在I2C总线上传送一个数据字节由8位组成。总线对每次传送数据的字节数没有限制，但是每个字节后必须跟一位应答位。数据传送首先传送最高位（MSB），数据传送的格式按下图3-3进行。 图3-3 I2C总线上的数据传送首先由主机发送一个启动信号“S”（SDA在SCL高电平时由高电平跳变为低电平），然后由主机发送一个字节的数据。启动信号后的第一个字节数据具有特殊的含义：高七位是从机的地址，第8位是传送的发向：0表示写，1表示读。被寻址的从机设备按传送的方向位设置为对应的工作方式。标准的IIC总线的设备都有一个7位地址，所有连接在IIC总线上的设备都接收启动信号后的第一个字节，并将接收到的地址与自己的地址进行比较，如果地址相符则为主机要寻址的从机，应在第9位答时钟脉冲向SDA线送出低电平作为应答。除了第一个字节是通过呼叫地址或10位从机地址之外，第二个字节开始即数据字节。数据传送完毕，由主机发出停止信号“P”（SDA在SCL高电平期间由低电平跳变为高电平）。 AT24C系列串行EEPROMAT24C系列串行E2PROM具有I2C总线接口功能，功耗小，宽电源电压(根据不同型号2.5V6.0V)，工作电流约为3mA，静态电流随电源电压不同为30A110A，其存储容量见表1-2。由于I2C总线可挂接多个串行接口器件，在I2C总线中每个器件应有唯一的器件地址，按I2C总线规则，器件地址为7位数据(即一个I2C总线系统中理论上可挂接128个不同地址的器件)，它和1位数据方向位构成一个器件寻址字节，最低位D0为方向位(读/写)。器件寻址字节中的最高4位(D7D4)为器件型号地址，不同的I2C总线接口器件的型号地址是厂家给定的，如AT24C系列E2PROM的型号地址皆为1010，器件地址中的低3位为引脚地址A2A1A0，对应器件寻址字节中的D3、D2、D1位，在硬件设计时由连接的引脚电平给定。而对于那些容量大于256K的EEPROM，由于8位的寻址范围不能满足要求需要采用页面寻址，在AT24C系列中对页面寻址位采取占用器件引脚地址(A2、A1、A0)的办法，凡在系统中引脚地址用作页地址后，该引脚在电路中不得使用，作悬空处理。AT24C系列串行E2PROM的器件地址寻址字节如表3-2所示，表中P0P1P2表示页面寻址位。 表3-2 AT24C系列串行E2PROM参数型号容量器件寻址字节(8位)一次装载字节数AT24C0112881010A2A1A0 R/W4AT24C0225681010A2A1A0 R/W8AT24C0451281010A2A1P0 R/W16AT24C08102481010A2P1P0 R/W16AT24C16204881010P2P1P0 R/W16图3-4为8051单片机与24C04的硬件连接电路图。图中R300，R301，R330为上拉电阻，A0-A2地址引脚接低电平，因此其地址的高7位为1010000。WP端连接MCU的WP，由MCU控制读写。24C04的读写操作：对24C04 E2PROM的读写操作完全遵守I2C总线的主收从发和主发从收的规则。连续写操作连续写操作是对E2PROM连续装载n个字节数据的写入操作，n随型号不同而不同，一次可装载字节数见表3-2。SDA线上连续写操作数据状态如图3.5。 图3-5 SDA线连续写操作数据状态 图3-4 MCU与24C04连接电路图24C04片内地址在接收到每一个数据字节地址后自动加1，故装载一页以内规定数据字节时，只须输入首地址，若装载字节多于规定的最多字节数，数据地址将“上卷”，前面的数据被覆盖。连续读操作连续读操作时为了指定首地址，需要两个伪字节写来给定器件地址和片内地址，重复一次启动信号和器件地址(读)，就可读出该地址的数据。由于字节写中并未执行写操作，地址没有加1。以后每读取一个字节，地址自动加1。 在读操作中接收器接收到最后一个数据字节后不返回肯定应答(保持SDA高电平)随后发停止信号。连续读操作SDA上数据状态如图3-6。图3-6 连续读操作SDA上数据状态微控制器的Pin37-Pin43用于与按键及LED小板相连，Pin37用于当MCU工作于节能状态时使相应的橙色LED指示灯点亮；Pin38用于控制MCU正常工作状态下的绿灯；Pin39-Pin43分别与四个按键相连用于用户调整显示器的设置和开/关机。其具体的实现是通过MCU软件来控制的。8051MCU的Pin8-Pin9在软件的控制下产生BACKLIGHT_EN和 PANEL_EN信号。BACKLIGHT_EN信号输出至INVERTER，用来控制其是否工作，是否产生高压交流电点亮PANEL背光灯；PANEL_EN信号输出至PANEL控制其是否工作。只有这两个信号同时有效才能使显示器正常工作。 GMZAN1控制电路 GMZAN1芯片介绍GMZAN1为SVGA/XGA LCD显示器图形处理器，包括GAMMA矫正，绿色复合同步信号解码电路，增强OSD功能等。 特点：a 内含135MHz 8-bits ADC及预放大电路；b 自适应对比度增强电路；c 片内可编程OSD引擎；d 整和PLL；e 10-bits可编程GAMMA矫正；f 支持24位色；g 1或4个数据位接口。 信号输入格式： 模拟信号RGB输入可达XGA/85Hz；支持复合同步绿色信号输入（Sync On Green）；支持复合同步信号模式； 输出格式 支持8或6-bits的PANEL接口； 单、双象素输出格式； 自动设置/自动调整 相位、图象自动调整； 自动侦测输入格式； 集成OSD显示芯片 片内内建可用户扩展字符RAM、ROM； 可扩充外部OSD支持； 支持字符与位图显示； 字符显示效果有：闪烁、镶嵌、透明等； GMZAN1功能描述图3-7列出了GmZan1的主要功能模块。附录1为GmZan1的引脚功能描述图3-7 GmZan1框图 时钟恢复回路GmZan1有一个内部的时钟恢复回路，这个回路由一个数字时钟合成器和模拟电路PLL组成。它用来产生取样时钟信号，以采集模拟的RGB数据。这个回路锁定于输入的行同步信号，以从MCU的晶振输出的TCLK时钟输入产生的RCLK作为参照时钟。时钟恢复回路用来调整源时钟频率（SCLK）；在每个行同步信号输入的上升沿产生反馈信号。包括第一个和最后一个行同步信号都可以产生60MHz的频率。在工作电压及温度要求的范围内，可以在1ms之内实现。当PANEL的时钟信号与源时钟信号（或一半）不同时，有一个象素时钟用来驱动PANEL。它是由一个和时钟恢复回路一样的回路产生的。它们的区别在于：源时钟信号锁定于行同步输入信号，而目的时钟信号锁定于源时钟信号。 模/数转换器GmZan1内部集成了3个模/数转换器（ADC），每一色一个（R、G、B）。每个ADC都是8-bits输出，用于将输入的模拟RGB信号转换成8-bits的数字信号，分别为R0-R7、G0-G7、B0-B7。信号的连接请参照表3-3。表3-3 Pin Connection for RGB InputGmZan1 Pin Name CRT Signal NameRed+(#95)RedRed- (#94)N/A (Tie to Analog GND for Red on the board)Green+(#91)GreenGreen- (#90)N/A (Tie to Analog GND for Green on the board)Blue+(#87)BlueBlue- (#86)N/A (Tie to Analog GND for Blue on the board)HSYNC/CS (#150)Horizontal SyncVSYNC (#148)Vertical Sync信号支持：GmZan1芯片支持数字分离信号、数字混合信号和模拟混合信号。支持所有的这些信号都不需要额外的外围电路。 源时序产生器（STG）STG模块定义了一个图形抓取窗口，并且发送数据给数据通道模块。图3-8显示了这个窗口的定义。在水平的方向,它被定义在SCLKs(等价的像素计算). (equivalent to a pixel count). 在纵向的方向,它被定义在行.所有以“Source”开头的参数均被定义在GmZan1的寄存器中。请注意场总值只跟输入信号有关。参考点定义如下： 一行的第一像素: 在原时钟信号的上升沿，极性从低的向高的像素。 帧的首行： 在行同步信号的上升沿，极性从低的向高的行。 图3-8 窗口示意图 中断控制器某些输入Timi