液晶显示屏及其驱动原理

 

 

 

　　一、液晶显示屏

　　1. 液晶显示屏的背部结构在液晶显示器中，液晶显示屏一般是作为一个整体而存在的。这是因为液晶器件的特殊性以及连接和装配需要专用的工具，再加上操作技术的难度很大等原因，生产厂家把液晶显示屏幕、连接件、驱动电路的PCB电路板、背光灯等元器件用钢板封闭起来，只留有背光灯插头和驱动信号输人插座。这种组件被称为 L C DMODUEL(即LCM)，也叫液晶显示模块。可见，这种组件的方式既增加了工作的可靠性，又能防止用户因随意拆卸造成的不必要的意外损失。液晶显示器的生产厂家只需把背光灯的插头和驱动信号插排与外部电路板连接起来即可，使整机的生产工艺也变得简单多了。液晶显示屏的背部结构如下图所示。从照片中我们可以看出，P1和P2是通往背光高压板的插头，背光灯的控制信号和工作电压从背光板电路发出后从这里送往背光灯，图中已示出背光灯所在的位置。对于液晶显示屏来说，根据屏幕尺寸的大小以及对显示要求的不同，背光灯的数量是不同的。例如早期的液晶显示屏使用一只灯管，一般位于屏幕的上方；后来逐渐发展为两个灯管，上下各一个，现在的笔记本电脑显示屏和大部分台式机的液晶屏较多地采用这种方式。

　　当前，较大一些的液晶屏采用4个灯管已经很常见；高踹的大屏幕的显示器则使用了6灯管、8灯管甚至更多。采用4灯管的液晶屏，其背光灯的位置也因设计而有所不同，一种是液晶屏的上下左右各有一个，一种是4个灯管从上到下横向均匀摆放，更多的则是上面两个、下面两个。还有一种是把两个“U”形灯管开口相对，在上下各放置一个，形成4个灯的效果，但从其工作方式上讲，仍然属于2灯管结构。背光灯的数量与摆放决定着屏幕的最大亮度和亮度的均匀性。P3和p4是液晶屏的信号输入插排，该插排连接着主板电路的信号输出踹，另一端连接液晶屏的屏控板。屏控板在上图的上边和右边的盖板之下。屏控板是一块PCB板，上有多片IC和其他元件，液晶屏的驱动信号从这个电路板上经其处理后形成分离出的行驱动信号和列驱动信号，再分别送到液晶屏的行、列电极 (即行、列驱动信号输入踹)。行、列电极的实物照片左见图。注意：不要试图拆卸或者修理液晶屏的行列电极的输出和输入接口，包括脾控板在内，在目前对维修人员来讲是无法维修的。

　　上图中的P3、P4插排接口属于TTL接口  (30 + 45标准接口)，另外还有普通 TTL接口和LVDS接口。关于这些接口的不同特别是LVDS接口的特点，在后面将另有介绍。

　　2. 液晶屏的主要技术指标液晶屏的技术指标直接决定着显示质量的好坏，目前市场上的液晶显示设备的价格与采用的液晶屏有着直接的关系。

　　(1)像素间距液晶显示器的像素间距 (pixelpitch)与CRT的点距(dot pitch)含义相同。大家知道，CRT(阴极射线管)显示器的点距是指相邻两个像素之间的距离，但由于在不同的分辨模式下和不同的场刷新率下，实际显示的图像的点距有所不同，所以CRT显示器一般标出点距指标是指最小点距。液晶显示器则不同，它的像素数是固定的，没有最大和最小之分，因此标出的像素间距就是它本身固有的点距。

　　这个点距决定了液晶屏的最佳分辨率，也就是说只有在与该点距对应的分辨率下才会显示出最好的图像，低于或者高于最佳分辨率时，要对其进行模式转换电路处理后，输出与液晶屏最佳分辨率一致的驱动信号送到液晶屏显示，因此显示的图像不如没经处理的图像好。在相同的屏幕尺寸下，液晶屏的分辨率越高，那么它的像素间距就越小，反之则越大。可以看出，像素间距确实是一个能够影响图像细腻度的指标，对于CRT显示器来说，当然是越小越好，但对于液晶显示器来说，由于其显示图像的原理是依靠透光来实现的，所以其像素间距的大小取决于这种显示方式所能达到的最大可能，故不可以像追求CRT的点距那样追求液晶显示器的像素间距。实际上，只要屏幕尺寸和分辨率相同，液晶屏的像素间距是基本一样的，附表给出了一些常见尺寸液晶屏的像素间距。

　　(2)响应时间

　　由于液晶材料的粘滞性特点，会对显示造成延迟。响应时间是反映各像素点的发光对输人信号的反映速度的一个技术指标，这个指标值越小越好。响应时间由两个部分构成，一个是像素点由亮转睛时对输入信号的延迟时间Tr(又称为上升时间)，另一个是像素点由暗转亮时对输入信号的延迟时间(又称为下降时间)，这两个时间的和，就是液晶显示器的响应时间，其计量单位为ms(毫秒)。

　　早期液晶显示器的响应时间通常都在50ms以上，所以存在拖影的缺点。因为1秒(s)等于1000毫秒(ms)，所以针对50ms的响应时间而言，最多可以在1秒之内连续显示1000÷50=20张画面，而看电影画面要顺畅的标准是每秒24张画面，所以20张画面的速度自然会产生拖影(也叫拖尾)现象，很显然不适合显示高速运动的附录：常见尺寸液晶屏的像素间距

液晶屏实际尺寸（英寸）		分辨率	间距(mm)
14.1	1024x768		0.279
14.1	1400x1050		0.204
15	104x768		0.297
15	1400x1050		0.2111
15	1600x1200		0.lo0
17	1280x1024		0.264
17宽屏	1280x768		0.2985
17.4	1280x1024		0.27
19	1280x1024		0.294
19	1600x1200		0.242
19宽屏	1680x1050		0.243
20宽屏	1680x1050		0.258
20.1	1600x1200		0.255
20.1	2560x2048		0.207
21.3	1600x1200		0.27
21.3	2048x1536		0.21
23宽屏	1920x1200		0.258

画面。新一代的液晶显示器响应时间普遍缩短，如果是以电视机的显示规格每秒30张画面为标准，换算成液晶显示器需要的响应时间为1000÷3033ms(由此推算30ms的响应时间适合于每秒33张、20ms的响应时间适合于每秒50张，计算过程见前，此处从略)，而现今的技术已经可以达到10ms左右甚至更小(高端机种，l0ms的响应时间适合于每秒100张)。由于各家厂商对.于响应时间的算法有差异和争议存在，故液晶显示器的响应时间就其实用性来说，最好越在l6ms以内，越小越好。响应时间槛小，显示高速运动画瞬的质越高。

　　(3)对比度

　　液晶自身不能发光，它依赖背面光照亮屏豁。灰暗的显示脾不代表没有背而光，那是光线没有穿过液晶层而没有显禾出像素。对比度是指液晶显示器的透光等级，也就挂解幕上同一点最亮时(白色)与，廉瞄时(黑色)的亮度的比值，高的对比度意味着相对较高的亮度和呈现颜色的艳丽程度。品质优异的液晶显示器面板和优秀的背光源亮度，两者合理配合就能获得色彩饱满明亮清晰的画ii。目前大多数桌上型液晶示器的对比度多为200：1～500：1。就表现优异的画面质量来讲，对比度越高越好。拥有高对比度的液晶显示器，其色彩的层次效果会更加明显，颜色的表现就会更加丰富活泼。

　　(4)亮度

　　亮度是指画面的明亮程度，也就是背光光源所能产生的最大亮度，单位是cd/平方米。一般液晶显示器都有显示200cd/平方米的亮度能力，现在主流的液晶显示器甚至达300cd/平方米或以上，其作用就在于适应不同的操作环境。如果操作环境的光线较亮，液晶显示器的亮度不调大一点就容易看不清楚，所以亮度越大，所能适应的环境范围更大。目前提高亮度的方法有两称一种是提高液晶面板的光通过率；另一种就是增加背景灯光的亮度，即增加灯管数量。在液晶亮度的授术研究方面，NEC已经研发出500cd/平方米的彩色TFT液晶显示屏模块；松下也开发出称为ABI(AdaptiveBrightnessIntonsifier)技术，做成专用IC，可以有效地将亮度提高达350cd/平方米～400cd/平方米对于液晶显示器整机来讲，亮度这个指标并非越大越好。过高的亮度会影响对比度和色彩的表现，而且目前解决这个问题的难度较大。所以提醒要购买亮度规格超过400cd/平方米以上的朋友，请注意要对不同的品牌型号进行对比，选择出高亮模式下对比度和色彩饱和腱受影响小的产品。

　　(5)可视角度

　　它是指用户可以在多大的角度内能够清晰地观察屏幕上所有内容的一个指标。由于液晶显示器显示的光源经折射和反射后输出时已有一定的方向性，在超出这一范围观看就不能看到正常的图像。右图给出了水平可视角度和垂直可视角度的示意固。从图中可以看出，水平可视角度表示以显示器的垂直法线(即显示器量三中间的垂直假想线)为准，在垂直于法线左：方或右方一定角度的位置上仍然能够：正常的看见显示图像，这个角度范闱就是液晶显示器的水平可视角度。同样如果以水平法线为准，上下的可视角度就称为垂直可视角度。

　　目前市场上出售的液晶显示器的可视角度都是左右对称的。由于液晶屏自身的特点，通常水平可视角度大于垂直可视角度。液晶屏标注的可视角度的指标参数，如元说明，一般是指水平可视角度。可视角度越大，观看的角度范围越宽，液晶显示器的适用性也就越好。

　　由于每个人的视力不同，因此我们以对比度为参照标准，在最大可视角度时所看到的图像对比度越大就越好。目前市场上大多数产品的可视角度在120度以上，相当一部分产品达到了140度，甚至160度以上，主流液晶屏的可视角度目前都在140度以上。

　　二、液晶屏动态驱动的基本原理

　　大家知道，CRT显示器的图像是通过行场扫描电路对行场偏转线圈的电流进行调制进而影响电子束的偏转来实现的。液晶显示器虽然在显示原理上与CRT完全不同，但在图像的形戚与驱动上也有行和列之分。液晶显示屏与屏控板相连的的那些排线就是行电极和列电极的输入信号线，从图2的照片中我们可以清晰地看出这些排线把屏控板的输出和液晶屏幕直接联系在了一起。

　　液晶分子的扭转，使背光灯的光被调制从而产生明、暗、遮、透、变色等显示效果。要实现这个目的，必须有两个基本条件：一是要有足够的电信号作用于液晶分子，来改变液晶分子的初始排列；二是每个电信号要在一段时间内作用于一个或者多个液晶像素单元，使像嘉形成为人眼所能接受和认识的视觉效果，也就是显示出与 CRT显示器一样的静态或者动态的画面。通过把主机显卡送来的RGB信号进行模拟 /数字转换等一系列的处理，并对其进行电压、相位、频率、峰值、有效值、时序等参数和特性的控制，使其成为能够驱动液晶分子扭转并按照输入信号变化规律变化的驱动信号，加到液晶像素的TFT薄膜晶体管上，达到显示图像的目的。这就是液晶屏动态驱动的基本原理。

　　把液晶显示屏的水平(X)一组的显示像素的背电极(TFT薄膜晶体管的栅极)连在一起引出，称为行电极，该电极上通常施加的是扫描驱动信号。把纵向 (Y)一组的显示像素的段电极 (TFT薄膜晶体管的源极)连起来一起引出的，被称为列电极，该电极上通常施加的是数据驱动信号。显示屏上的每一个像素的扭转和状态都是行电极和列电极交叉汇合控制的结果，这样通过行信号和列信号的不同组合，就可对每个像素进行控制，进而控制特定像素的扭转。其等效电路如右图所示。在驱动方式上 采用了类似于CRT的光栅扫描方式，通过循环地给行电极施加选择脉冲，同时为有显示数据的所有列电极给出相应的选挥或非选择的驱动脉冲，从而实现某行所有显示像素的显示功能。这种行扫描是逐行顺序进行的，循环周期很短 (高达几十kHz)，使屏幕上能够显示稳定的图像。这里简要说明一下驱动信号的形成和驱动的过程，请参照下图所示的流程图。

　　RGB图像信号和行场同步信号从主机的显卡输出后送到液晶显示器的主板，在主板上经以主控制芯片为核心的主板电路进行模拟 /数字转换，使之成为 8bit的数字信号，再经主芯片内部的控制电路，把输入的不同模式的信号转换为液晶屏所固有的分辨模式上。锁相环电路配合主芯片实现对像素时钟信号的锁相作用，使液晶屏的像素时钟信号与标准信号的时钟频率、相位完全一致。这些信号加上数据时钟脉冲、数据场同步、数据行同步、数据控制使能控制等信号一起从TTL或者LVDS接口输出，在CPU和存储器数据的控制下，送到屏控板上，在屏控板上生成行 (扫描)驱动信号和列 (数据) 驱动信号，进而通过液晶屏的接口加到像素电极。这样，主机输出的RGB信号的内容就能通过改变液晶屏各个像素的状态来显示在屏幕上了。限于篇幅，以上只是简单的概括，详细内容将在下面的“液晶显示器主板电路”文中说明。