me数字10第4章电子显示器

1、第4章 电子显示器 4.1 发光二极管（LED）4.2 阴极射线管（CRT）4.3 液晶显示器（LCD） 引 言在飞机上，必须把飞机、发动机以及其它系统测量出来的参数显示出来，以便飞行员能及时了解它们，从而使飞行员准确、安全地驾驶飞机，完成飞行任务。目前，飞机上大多采用发光二极管（LED）、彩色阴极射线管（CRT）和液晶显示屏（LCD）。现代先进民用客机上都采用了液晶显示器。如我国现有的B737-700/800、B777客机上使用的就是液晶显示器。4.1 发光二极管（LED）发光二极管LED（Light-Emitting Diode）是由电能转换为光能的一种半导体器件。自由电子与空穴复合时，产

2、生光的辐射，不同的半导体材料，其辐射光的颜色也不同。 例如，磷砷化镓（GaAsP）发红光，磷化镓（GaP）发绿光，氮化镓（GaN）发蓝光，而砷化镓（GaAs）发出不可见的红外线光等。发光二极管的辐射功率近似与导通电流成正比,并且随半导体结温的上升而下降。发光二极管在正向偏置电压下工作。图4.1-2 辐射光与材料的关系1LED工作原理在电压作用下，电子空穴与复合，并释放出能量，向外辐射光能。不同的发光二极管，其导通门限电压也不同，约在1.352.5V之间。发光二极管的反向击穿电压约在36V之间。为了限制发光二极管的工作电流，可以串联一个限流电阻。2LED显示器发光二极管可以用作光源发生器、显示器

3、，或信号灯和刻度显示。多个LED相互组合起来，可以组成一个显示区域，按不同的控制，各LED可分别发光以显示出不同的符号（字母、数字、特殊符号等）。图中是一块57的LED显示器，图中显示的是字母“A”。如果只需要显示数字，则可以采用分段显示器，常用的分段显示器为7段数码显示器。图中7段数码显示器显示的是“3” 。LED显示器具有使用寿命长、读出角度大（约为150）、体积小、辉度高和视差小等优点，广泛应用于指示灯、显示器、光源等场合。 4.2 阴极射线管（CRT） 显像管是实现电光转换、形成光学图像的一种电真空器件。它靠管内电子枪所形成的聚焦电子束轰击荧光屏而形成明亮可见的图像。 显像管由电子枪将

4、阴极所发射的电子流聚焦成射线状的电子束，因此常称为阴极射线管，英文缩写用CRT（Cathode Ray Tube）来表示。由于其管内电子是聚焦成束的，所以又称为电子束管。阴极射线管出现至今已有约百年的历史，在雷达、电视等波形显示方面得到了广泛应用。4.2.1 显像管的基本结构CRT的结构和电路符号显像管由管壳、电子枪、荧光屏和偏转系统等几个基本组成部分。 显像管的管壳用玻璃制成，包括管底（屏面）、锥体、管颈和芯柱四部分。整个管壳是密封、真空的,具有足够的强度和抗爆性。屏面玻璃具有良好的透明度。目前使用的显像管屏面多为矩形或方形，其尺寸按需要而定。管锥的内侧涂覆着石墨层，与管锥外侧壁上的阳极柱相

5、连接，以引入阳极电压。管锥外表面也涂有石墨层,通过卡箍和拉伸弹簧接地（与显示器的机壳连通），以防止静电荷的积累。1.管壳 电子枪用以发射并形成电子束，并对电子束的聚焦和加速。电子束的强度由控制信号（视频信号)控制。经加速后的高速电子束具有足够的动能，轰击荧光屏上的荧光物质发出辉光，将电子束的动能转化为荧光质所发出的光能。不同类型的显像管组成电子枪的电极数量及结构可能不同。 2.电子枪 电子枪 偏转部分 荧光屏上所敷涂的荧光质，能将电子束的动能转换为光能。荧光质是一种发光物质，在受到电子束的轰击时，便放出一定的光量子能。显像管的偏转系统用以控制管内聚焦电子束的偏转，以使电子束轰击荧光屏上的不同位

6、置。偏转系统由偏转电路供给偏转信号分别对电子束在垂直方向和水平方向的偏转进行控制，因此，偏转系统总是包括垂直偏转和水平偏转两部分。3.荧光屏实现电子束的偏转方式有磁偏式和电偏式两类。飞机上的显示器与电视接收机相同，采用磁偏式的显像管。4.偏转系统 彩色显像管能够形成色彩分明、高亮度、不闪烁的图像，即使在阳光直射下的驾驶舱内，也可提供清晰明亮的显示画面。(如气象信息的显示)4.2.2 彩色显像管概述 机载显示器所应用的彩色显像管称为荫罩管，它的电子枪可以形成三条聚焦的电子束，分别轰击所对应的红、绿、蓝三种荧光质。 荫罩管有三枪三束管、单枪三束管和自会聚管三种，目前广泛应用的是自会聚管。形成彩色图

7、像的基本方法自会聚彩色显像管4.2.3 自会聚彩色显像管4.2.4 三基色原理人眼所能感受到的可见光的频谱范围，其波长是780380纳米（1纳米10-9米），人眼所感觉的颜色依次为红、橙、黄、绿、青、蓝、紫，即通常所说的七色光。三基色原理:适当选择三种互相独立的基色，将它们按不同的比例合成，就可以引起各种不同的彩色感觉；合成彩色的亮度由三个基色的亮度之和决定，而色度则取决于三个基色的比例。这就是色度学中的三基色原理。目前在彩色电视机、雷达显示器中所采用的三基色为红色、绿色和蓝色。利用红、绿、蓝三基色，几乎可以合成自然界中所能观察到的绝大多数彩色光。 相加混色法: 雷达显示器形成彩色图像的方法，

8、与彩色电视机相同，称为相加混色法. 红色光绿色光 黄色光红色光蓝色光 品红色光（紫色光）绿色光蓝色光 青色光红色光绿色光蓝色光 白色光图4.2-5 相加混色法 图4.2-6 相减混色法 由于人眼对距离的分辨力有限，所以当在一个平面上相互邻近的三点处产生三基色光时，只要这三个光点靠近得使人眼无法分辨，就可以使人眼产生三种基色光相混合的彩色感觉。 彩色显像管正是利用这种空间混色的效果来形成彩色图像的。 在彩色印刷、绘画等方面所采用的混色方法称为相减混色法，它与电视、雷达显像管中所采用的相加混色法是不同的。 4.2.5电子束的聚焦4.2.5电子束的偏转 为了在荧光屏上形成平面位置图像，必须使电子束按

9、一定的规律扫遍整个荧光屏的屏面。 气象雷达显示器中电子束的扫描方式，有X-Y扫描和-扫描两种方式。 1. X-Y光栅扫描 X-Y光栅扫描又可称为直角坐标光栅扫描。由于它与一般电视机中的扫描方式相同，所以也可称为电视光栅扫描。4.2.7 电子束的扫描 X-Y光栅扫描是指电子束在荧光屏上一行一行地从左向右扫描，扫到右端时迅速返回左端，进行下一行的扫描，从而从上到下进行屏面上的各行扫描，形成一帧完整的扫描光栅。 在电子束完成一帧光栅的扫描，到达屏面右下角的C点时，又迅速返回左上角的A点，重新进行第二帧的扫描。 这种扫描方式称为逐行扫描。1. X-Y光栅扫描(1) 行扫描与行频电子束端点在荧光屏上形成

10、一行扫描线的过程称为行扫描。通常把行扫描从扫描起点（图4.2-10a所示画面左侧的A点等）向扫描终点（图中画面右侧的B点等）的扫描称为行正程，而把从右侧返回左侧的过程称为行回程（行逆程）。 行正程中电子束在荧光屏上的扫描轨迹是一条基本上水平的直线，如图4.2-10（a）中的实线所示，所以又把行扫描称为水平扫描，把行扫描信号称为水平偏转信号。1. X-Y光栅扫描(2) 帧扫描与帧频 在电子束由水平偏转信号控制从左向右进行扫描的同时，还在垂直偏转信号的控制下，以较慢的速度由上而下扫描，电子束由上而下的扫描称为帧扫描。帧扫描信号（垂直偏转信号）也是具有良好线性的周期性锯齿波，见图（b）。当电子束在垂

11、直偏转信号的控制下从上而下完成所有各行的扫描时，即形成了一帧完整的画面，这就是帧扫描的正程。在帧回程中，电子束迅速回到画面左上角的A点，以在下一帧中重新开始第二帧画面的扫描。 1. X-Y光栅扫描1. X-Y光栅扫描 为了不使图像混乱，在行扫描回程中利用行消隐信号使显像管不发射电子束。行消隐信号为周期性的方波，其周期与行扫描信号相同且准确同步，如图4.2-10（b）所示。同理，在帧扫回程中，帧消隐信号也使显像管停止发射电子束。帧消隐信号是与帧扫描信号同周期且准确同步的方波信号，见图4.2-10（b）。(3) WXI-711的光栅结构 在数字式WXI-711显示器中，每帧光栅由256行行扫描线组

12、成，其每一行扫描又等分为256个单元。这样，每帧光栅包括25625665536个显示单元，可表示65536个不同的平面位置单元。通常把荧光屏的一个显示单元称为像素。 显然，屏上的显示像素越多，所能显示的图像分辨率越高，图像越逼真。1. X-Y光栅扫描 液晶显示器是一种无源的光电变换器。液晶显示是一种被动的显示，它不能发光，液晶显示需要外来光源。它一般作为电子仪器的终端显示设备。由于它的功耗小，寿命长，液晶数码管正在取代着发光二极管。 4.3 液晶显示器（LCD）液晶材料的物理特性: 液晶材料是一种处于固体相和液体相中间状态的液晶相。 液晶材料一方面是液态的，具有液体的流动性、粘度、形变等机械性

13、质；另一方面在分子的几何排列上又是固态晶体结构，具有晶体的热（热效应）、光（光学各向异性）、电（电光效应）、磁（磁光效应）等物理性质。 4.3.1 液晶材料液晶材料的物理特性: 液晶分子容易因受外力作用而流动，且具有类似单轴晶体的异向特性，也就是材料的光折射率、介电常数、磁化率、及黏度等特性会随着方向的不同而有所差异。 因此，在许多应用上，均是利用液晶分子受外界刺激后，分子的配列将发生变化，导致其光学或电气特性也跟着变化，而将此材料应用于显示器、光电组件、及传感器等组件上。 根据分子的排列方式，液晶可以分成: 层列相、向列相和胆甾相三种。 其中，向列相和胆甾相是具有光学特性的液晶，在电子显示器

14、中应用最多。 液晶材料的分类 结构:这种液晶中的分子呈棒状，排列非常象一把筷子.所有棒状分子长轴会与指向矢平行排列，但并不分层。 特性:这种液晶材料富于流动性，粘度较小。 1.向列相液晶(或线型液晶)把一群区域性液晶分子的平均指向定为指向矢（director） 胆甾（zai）相液晶中的许多分子是分层排列的，逐层迭合，每层中分子长轴互相平行，且与层面平行。 相邻两层间分子长轴逐层依次沿一定方向有一个微小的扭角（约15），因此各层分子长轴的排列方向就逐渐扭转成螺纹形。 图4.3-3 胆甾相液晶层间分子长轴旋转示意图2.胆甾相液晶实用中，可以用这类胆甾液晶制作感温变色的测温元件。胆甾液晶由于其本身所

15、具有的螺旋排布结构，因此在液晶显示技术中十分有用。它大量用于向列液晶的添加剂。可以引导液晶在液晶盒内形成沿面180、270等扭曲排布，做成超扭曲显示器等。图4.3-3 胆甾相液晶层间分子长轴旋转示意图向列相液晶在电流或电场的作用下其光学性质随之发生变化。因此目前一般都采用向列相液晶以及在其基础上的改型向列相液晶，例如扭曲（TN）型向列相液晶和超扭曲（STN）型向列相液晶作成显示器。电流使液晶中发生动态光散射，电场使液晶发生介质极化。1.动态光散射向列相液晶在不加电流时，液晶分子与在固体情况时一样有规则地排列，液体是透明（光）的。在加上交变电流后，破坏了原来液晶分子的有规则排列，产生了局部涡流区

16、，它引起入射光线发生散射，使液体变成不透明（光） 。这种现象称为动态光散射。在交变电场断开后，液晶分子又恢复到有规则的排列，液体又重新变得透明了。4.3.2 LCD的工作原理扭曲（TN）型向列相液晶是最常见的一种液晶显示器。它的基本结构是：在透明电极基板间充入10m左右的一层向列相液晶材料。四周进行密封，形成一个厚度仅为数微米的扁平液晶盒。 由于在玻璃内表面涂有一层定向层膜（沟槽），并进行了定向处理，因此在盒内液晶分子沿玻璃表面平行排列（长棒状的液晶沿沟槽的方向排列）。但由于两片玻璃内表面定向层定向处理的方向互相垂直，因此液晶分子在两片玻璃之间呈90扭曲这就是扭曲向列相液晶显示器件名称的由来。

17、 2.介质极化垂直于电极基板入射的自然光将随液晶分子的扭曲发生90旋光。见图4.3-5。而偏振片不允许光线中与偏振片吸光轴平行的偏振光通过，只允许光线中与吸光轴垂直的偏振光通过。 因此，这种液晶盒可以使平行于偏振片间的光遮断，而使垂直于偏振片间的光透过。图4.3-5扭曲型液晶分子排布与透光示意图当对这种排列的液晶盒施加电压时，从某一阈值电压起，液晶分子的长轴开始向电场方向倾斜。当施加电压达到2倍的阈值电压后，大部分分子的长轴沿电场方向重新排列，90的旋光性消失。这种现象称为介质极化。图4.3-5扭曲型液晶分子排布与透光示意图液晶分子分布当施加电压达到2倍的阈值电压后，大部分分子的长轴沿电场方向

18、重新排列，90的旋光性消失。如果两个偏振片的吸光轴方向相互垂直，那么光穿过第一个偏振片后，进入液晶层，光不再被扭转任何角度，因此不能通过第二个偏振片，从而产生黑点；反之，如果两个偏振片的吸光轴方向相互平行，则光通过第二个偏振片产生亮点。 4.3.2 LCD的工作原理介质极化图4.3-5扭曲型液晶分子排布与透光示意图液晶分子分布结构：它由两块玻璃片组成，在前玻璃片的内表面有真空蒸发二氧化锡或氧化铟的透光电极，可以构成所希望的字符形状。后玻璃片的内表面有一层公共电极。在两块玻璃片之间有一层厚度约为10m的液晶层。在以介质极化方式工作的器件上，两块玻璃片的外侧还各贴有一层偏振片。 4.3.3 液晶数码管工作原理：当数码管的某一段加上交流电信号时，电场