LCD基础知识

LCD 工作原理揭秘

了解液晶

　　顾名思义,液晶显示器(Liquid Crystal Display,简称 LCD)就是使用了“液晶”(Liquid Crystal)作为材料的显示器,那什么是液晶呢?其实,液晶是一种介于固态和液态之间的物质,当被加热时,它会呈现透明的液态,而冷却的时候又会结晶成混乱的固态,液晶是具有规则性分子排列的有机化合物。液晶按照分子结构排列的不同分为三种:类似粘土状的 Smectic 液晶、类似细火柴棒的 Nematic液晶、类似胆固醇状的 Cholestic 液晶。这三种液晶的物理特性都不尽相同,用于液晶显示器的是第二类的 Semitic 液晶,分子都是长棒状的,在自然状态下,这些长棒状的分子的长轴大致平行。
　　随着研究的深入,人们开始掌握液晶的许多其他性质:当向液晶通电时,液晶体分子排列得井然有序,可以使光线容易通过;而不通电时,液晶分子排列混乱,阻止光线通过。通电与不通电就可以让液晶像闸门般地阻隔或让光线穿过。这种可以控制光线的两种状态是液晶显示器形成图像的前提条件,当然,还需要配合一定的结构才可以实现光线向图像转换,我们先来看看最原始的单色液晶显示器。

液晶通光原理
液晶显示器有很多种不同的结构,但从原理来看,基本上是相似的,现在我们就举例说明一下。
TN(扭曲向列型)单色液晶显示器的液晶面板包含了两片相当精致的无钠玻璃素材,称为 Substrates,中间夹着一层液晶,结构就好像一块“三明治”。我们重点来看一下中间层,也就是液晶层,液晶并不是简单地灌入其中,而是灌入两个内部有沟槽的夹层,这两个有沟槽的夹层主要是让液晶分子可以整齐地排列好,因为如果排列不整齐的话,光线是不能顺利地通过液晶部分的。为了达到整齐排列的效果,这些槽制作得非常精细,液晶分子会顺着槽排列,槽非常平行,所以各分子也是完全平行的。
这两个夹层我们通常称为上下夹层,上下夹层中都是排列整齐的液晶分子,只是排列方向有所不同,上部夹层的液晶分子按照上部沟槽的方向来排列,而下部夹层的液晶分子按照下部沟槽的方向排列。在生产过程中,上下沟槽呈十字交错(垂直 90 度),即上层的液晶分子的排列是横向的,下层的液晶分子排列是纵向的,这样就造成了位于上下夹层之间的液晶分子接近上层的就呈横向排列,接近下层的则呈纵向排列。如果从整体来看,液晶分子的排列就像螺旋形的扭转排列,而扭转的关键地方正是夹层之间的分子。而夹层中设置了一个关键的设备,叫做极化滤光片,这两块滤光片的排列和透光角度与上下夹层的沟槽排列相同,假设在正常情况下光线从上向下照射时,通只有一个角度的光线能够穿透下来,通过上滤光片导入上部夹层的沟槽中,再通过液晶分子扭转排列的通路从下滤光片穿出,形成一个完整的光线穿透途径。而一旦通过电极给这些液晶分子加电之后,由于受到外界电压的影响液晶分子不再按照正常的方式排列,而变成竖立的状态,这样光线就无法通过,结果在显示屏上出现黑色。这样会形成透光时(即不加电时)为白、不透光时(加电时)为黑,字符就可以显示在屏幕上了,这便是最简单的显示原理。
看到这里,可能大家会问,为什么加电时设置为不透光呢?因为在通常状态下显示器都是亮着的,所以设置加电时不透光更节约能源。

液晶显示器是如何工作的
1.普通液晶显示器工作原理
现在,我们知道了液晶的通光原理,但光是从哪里来的呢?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,同时在液晶显示屏背面有一块背光板和反光膜,背光板是由荧光物质组成的,可以发射光线,其作用主要是提供均匀的背景光源。在这里,背光板发出的光线在穿过偏振过滤层(也就是上文中提到的夹层)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,而这些像素可以是亮的,也可以是不亮的,大量排列整齐的像素中亮与不亮便形成了单色的图像。

那怎样可以控制好这大量像素中的点是亮还是不亮呢?这主要是由控制电路来控制,在无钠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,通过改变电压而改变液晶体的是否通光状态,在这个时候,液晶材料的作用类似于一个个小的光阀,控制光的通过与不通过。在液晶材料周边还有控制电路部分和驱动电路部分,这样就可以用信号来控制单色图像的生成了。

2.TFT 液晶显示器原理
刚才我们提到的是最基本的液晶显示器的原理,目前液晶显示技术已经经过飞速的发展,TFT(薄膜晶体管)液晶显示器已成为主流,我们有必要了解一下这种液晶显示器的工作原理。其实新型的 TFT 液晶显示器的工作原理也是建立在 TN 液晶显示器原理的基础上的。两者的结构亦基本上相同,同样采用两夹层间填充液晶分子的设计,只不过把 TN 上部夹层的电极改为 FET 晶体管,而下层改为共同电极。但两者的工作原理还是有一定的差别。在光源设计上,TFT 的显示采用“背透式”照射方式,即假想的光源路径不是像 TN 液晶那样的从上至下,而是从下向上,这样的作法是在液晶的背部设置类似日光灯的光管。光源照射时先通过下偏光板向上透出,它也借助液晶原理来传导光线,由于上下夹层的电极改成 FET 电极和共通电极。在 FET 电极导通时,液晶分子的表现如 TN 液晶的排列状态一样会发生改变,也通过遮光和透光来达到显示的目的。

但不同的是,由于 FET 晶体管具有电容效应,能够保持电位状态,先前透光的液晶分子会一直保持这种状态,直到 FET 电极下一次再加电改变其排列方式。相对而言,TN 就没有这个特性,液晶分子一旦没有施压,立刻就返回原始状态,这是 TFT 液晶和 TN 液晶显示的最大不同之处,也是 TFT 液晶的优越之处。

综上所述,液晶显示器是通过 DVI 接口接收来自电脑显示卡的数字信号,这些信号通过数据线传递到控制电路,控制电路调节液晶显示器的薄膜晶体管和透明显示电板,实现液晶的通光与不通光特性。这样,背景光源通过偏光镜和光线过滤层,最终实现显示效果。

彩色液晶显示器如何形成颜色
刚才我们只是提到单色的液晶显示器,那么彩色的液晶显示器又是怎样形成色彩的呢?通常,在彩色 LCD 面板中,每一个像素都是由三个液晶单元格构成的,其中每一个单元格前面都分别有红色、绿色或蓝色的过滤片。看到这里相信大家也知道了,光线经过过滤片的处理照射到每个像素中不同色彩的液晶单元格之上,利用三原色的原理组合出不同的色彩。LCD 控制驱动器的设计与开发对于液晶显示屏,它通常包括玻璃基板、ITO(Indium Tin Oxide)膜、配向膜、偏光板等制成的夹板,上下共有两层。每个夹层都包含电极和配向膜上形成的沟槽,上下玻璃基板配向为 90 度。上下夹层中放置液晶,液晶将按照沟槽方向配向。整体看起来,液晶分子的排列就像螺旋形的扭转排列。当玻璃基板加入电场时,液晶分子配列产生变化,变成竖立状态。当液晶分子竖立时光线无法通过,结果在显示屏上出现黑色。液晶显示器(LCD)将根据电压的有无,控制液晶分子配列方向,使面板达到显示效果。
对 LCD 的分类,有各种分类方法。通常可按照其显示方式分为段式、点字符式、点阵式等。除了黑白显示外,还有多灰度和彩色显示等。在 LCD 驱动时,需在段电极和公共电极上施加交流电压。若只在电极上施加 DC 电压时,液晶本身发生劣化。液晶驱动方式包括静态驱动、动态驱动等驱动方式。
(1)静态驱动
所有的段都有独立的驱动电路,表示段电极与公共电极之间连续施加电压。它适合于简单控制的 LCD。
(2)多路驱动方式
构成矩阵电极,公共端数为 n,按照 1/n 的时序分别依次驱动公共端,与该驱动时序相对应,对所有的段信号电极作选择驱动。这种方式适合于比较复杂控制的 LCD。在多路驱动方式中,像素可分为选择点、半选择点和非选择点。为了提高显示的对比度和降低串扰,应合理选择占空比(duty)和偏压(bias)。施加在 LCD 上所表示的 ON 和 OFF 时的电压有效值与占空比和偏压的关系
如下:
Vo:LCD 驱动电压
N:占空比(1/N)
a:偏压(1/a)
多路驱动方式可分为点反转驱动和帧反转驱动。
点反转驱动适合于低占空比
应用,它在各段数据输出时,将数据反转。帧反转驱动适合于高占空比应用,它
在各帧输出时,将数据反转。
对于多灰度和彩色显示的控制方法,通常采用帧频控制(FRC)和脉宽调制(PWM)方法。帧频控制是通过减少帧输出次数,控制输出信号的有效值,来实现多灰度和彩色控制。而脉宽调制是通过改变段输出信号脉宽,控制输出信号的有效值,来实现多灰度和彩色控制。显示方式从简单的段式、点字符式到复杂的点阵式、阶调式的变化。显示颜色从黑白逐步变化到彩色。显示屏从小到大,响应时间逐步缩短,目前 STN 显示器在成本及消费电流方面有优势。TFT 显示器在对比度和动画对应速度方面有优势。

大家知道,液晶的显示效果,是由加在液晶上的有效电压决定的。灰度(彩色)的实现有两种方式,即 PWM(脉宽调制)和 FRC(帧率控制)。PWM 是在一次扫描时间内分成若干个时间片,如 16 级灰度,就分成 16 个时间片,如果显示 5/16 灰度,那么只有 5/16 的时间内是有驱动电压的(对同一个点而言),最后的等效电压就只有全黑的 5/16 了;FRC 跟 PWM 类似,只是每个时间片变成了一帧,如显示 16 级灰度,那么就要用 16 帧,显示 5/16 的灰度,在 16 帧里只有 5 帧有驱动电压(对同一个点而言),最后的等效电压就只有全黑的 5/16 了。

PWM 能产生最高的色彩表现度,由于切换频率较高,故须耗用更多的电力。FRC 耗用的电力较低,但在某些特殊画面下却会产生肉眼可见的抖动,让使用者产生不适的感觉。
FRC 是以数帧画面为一个时间单元,控制显示像素选通的帧数来实现灰度控制。它是把若干帧合并为一个大单位,但这种方法会引起灰度级别的闪烁,要解决这个问题必须提高帧频率,而液晶的响应速度不会很高,因而用这种灰度调制方式不能显示较高级别的灰度和较快的活动图像。PWM模式是在数据脉冲中划出一个灰度调制脉冲,这个脉宽的宽度可以划分为多个级别,不同的脉宽代表不同的灰度信息,从而使被选通的像素实现不同的灰度级别。由于液晶对过窄脉冲不能响应,所以一般不能用来产生较高的灰度级别。
从上面的分析可以看出这两种方法单独使用都不能产生较高的灰度级别,所以在整个芯片的灰度实现时采用两者相结合的方式。
一般对于 4 级以上的灰度,
是采用 PWM+FRC 结合的方式。因为灰度越高,采用 PWM 需要的频率就越高,如 16 级灰度,320 行,刷新率 60HZ,需要16x320x60=307200Hz。频率越高,IC 的结构越复杂,而稳定性越差,功耗也越
大;而采用 FRC,灰度级越多,一个周期需要的帧数越多,如 16 级灰度需要 16帧,刷新率 60Hz 时每秒钟不到 4 个周期,这样看起来就会有闪烁,所以就得提高刷新率,这同样要提高频率,增加功耗,同时还要提高液晶的反应速度,而液晶的反应速度总是有限的,且提高速度会大大增加液晶的成本。如果采用 PWM+FRC,可以用 2-bit (即 4 级)PWM 和 2-bit(4 帧)FRC 或者 3-bit(8 级)PWM 和 1-bit(2 帧)FRC,这样就就能很好解决这些问题,弥补各自的不足。至于彩色,跟灰度是一样的,只是三基色的调配而已,如 3-3-2 方式的 256色,只是 RGB 三个颜色的灰度分别是 8,8,4 而已

大家知道,现代显示器件的显示方式,基本上都是采用动态扫描的方法实现整幅画面的显示。比如电视机的显像管(CRT,阴极射线管),通过帧同步信号和行同步信号的控制,电子枪的电子束逐行逐点的扫描,将电子打在荧光点上,使之发光,通过视觉暂留的作用,我们看到的就是一副完整的画面。LCD 与 CRT 类似,也是动态的扫描。但 CRT 是模拟方式的,通过电路控制,电子束可以任意移动,而 LCD 是数字方式的,只有位置固定的电流通路,所以只能通过电路矩阵逐行扫描,而不能到逐点,即一行上所有的点同时工作。
为了简单起见,这里仍以单色为例,灰度参考【讲座之一】便明白.既然是一行同时工作,而要显示图像,肯定会有的点亮,有的点是不亮的,那么也就是说每个点上的电压是不同的(讲到这里,我简单提一下液晶方面的基本知识,液晶有个阈值电压 Vth,当加在它上面的电压大于它时就有显示,否则没有显示;由于是动态扫描,加在点上的电压是变换的,所以液晶的驱动电压并不等于 Vth,通常是数倍于 Vth,我们叫它 Vop,或者 Vlcd 。这样一来,列上的电压应该是有好两种,另外,由于列上有电压,要让不在扫描周期上的行不工作,它也应该有个对应的电压,所以行也应该有两种电压。而液晶不能长时间的工作在同一个状态下,否则会缩短寿命,所以我们每隔一段时间,会将电压反相,所以行列一共会有 8 种电压,其中,正反向的最大电压(准确的说是电位)是共用的,最后便有 6 种电压,称作 VL1,VL2,VL3,VL4,VL5,VL6,其中,假设 VL1=GND,那么VL6 便是 VLCD 了,而 VL2~VL5 和行数有关,根据最佳偏压法,偏压比
1/b=1+sqrt(行数),那么:
VL2=VL6/b
VL3=2*VL6/b
VL4=(b-2)*VL6/b
VL5=(b-1)*VL6/b
至于偏压比怎么得来的,大家可以看相关书籍,也可以由下图的波形自己去推算(提示,绝对对比度最大时 b 的值,即在一帧中,亮点的有效电压与不亮点的有效电压比值达到最大)
此主题相关图片如下:

图中,VL1 即 Vss,M 是极性翻转信号,图中为每帧翻转一次,实际可能会不一
样,当 M 翻转时,行和列上的电压也会翻转(相当于以 VL6/2 为地),如第一
帧,
行的电压为 VL5,Vss,
列的电压为 VL4,
VL6,
而第二帧时,
行为 VL2,
VL6,
列为 VL3,Vss。
另外,提一下这个常见的相关名词-duty,实际上就是占空比的意思,因为
一帧中一行只扫描一次,所以 duty=1/行数。

前面讲到了 LCD 的一些基本原理,相信大家已经对 LCD 有了一些了解。这回我再讲讲从 MCU 到 LCD 之间是怎样一个控制流程,即我们的位图数据是怎样显示到 LCD 上的。前面我们了解到 LCD 显示是用动态扫描的方式来实现的,每次显示一整行,在一帧里每行一次扫描一遍,这样要有电路来控制行和列上的输出电压,这种电路就是 LCD 驱动器;而驱动器的输出又跟图像及 LCD 的工作方式是相关的,驱动器需要接受从图像转换来的控制信号,从而改变行/列上的输出电压,将工作方式及图像位图转换成控制信号的电路就是控制器。控制器从 MCU 接收位图数据,然后把它转换成控制信号提供给驱动器。对于小分辨率的 LCD,驱动器和控制器通常是直接集成在一个 IC 上的,而大尺寸的 LCD,驱动器和控制器则是分开的,并且一般行驱动器和列驱动器也是分开的。那么控制器和驱动器之间到底是怎样连接的呢?我们来看看下图:

此主题相关图片如下:

YD 是帧同步信号,LP 是行同步信号,DATA 是列驱动的数据总线,用来传送列上的输出数据(0 或 1),XCLK 是移位时钟,每跳变一次时 DATA 上传送一次数据,DOFF#是关闭输出信号。以 640x480 的单色屏为例,640 个列输出,对应 640 个位的输出, 80 字节,即也就是每行扫描,列上需要的数据为 80 字节。假设列驱动器使用 8 位数据线,那么 80 字节需要 80 个 XCLK 时钟。这些信号,均由控制器驱动,仍以 640x480 的单色显示为例,驱动器为 8 位总线,则每帧开始时控制器连续输出 80 个 XCLK,并将第一行的数据输出,列控制器在每个 XCLK 时将数据锁存,然后控制器在 YD 上输出一个脉冲,行驱动器复位,准备从第一行输出,控制器在 LP 上输出一个脉冲,列驱动器复位,将刚才锁存的数据输出,同时行驱动器也从第一行输出,于是第一行便显示了,接着控制器再输出第二行的数据,然后再输出一个 LP,于是第二行便显示,依次类推,直到第 480 行后又输出一个 YD 回到第一行,即开始了第二帧的扫描。由此可见,驱动器的输出,完全由控制器的时序和数据决定。对于控制器和驱动器分离的系统,驱动器无法得知当前的显示特性,如单色还是灰度或者彩色,颜色深度是多少等等,所以在这样的系统上,灰度/彩色只能用 FRC 的方式来实现,因此一般单独的通用控制器,工作频率都相当高。达到几十兆,对于像电脑显示屏这样的大尺寸,甚至达到几百兆。

本来,OLED 不属于 LCD,但由于应用范围跟 LCD 类似,而有的朋友也问起来这个,所以就顺便讲讲OLED,全称是 Organic Light-Emitting Diode,即有机物发光二极管,1987年由美国柯达公司的一个研究小组发明,目前属于柯达公司的专利。简单来说,它的发光原理有点类似 LED,可以看做一个电容和一个 LED 并联。下图是 OLED 的一般结构此主题相关图片如下:正面是空穴注入层,反面是电子传输层,中间是有机物发光材料,当在两层之间施加电压时,就会产生电流,从而会发光,光线经过正面的玻璃透射出来。
OLED 相对于 STN LCD 来说,有很多优点:
1. 主动发光,视觉效果好,亮度高
2. 高对比度,可达 200:1,而 STN 只能到 50:1
3. 反应速度快,1ms 以下,适合做视频
4. 大视角,可达 160 度,而 STN<60,TFT<120
5. 相比于 LCD+背光,耗电要小
6. 可以做得很薄,可以应用在比较特殊的场合
但任何事物都有两面,OLED 也有缺点:
1. 目前工艺尚不十分成熟,成品率比较低,尤其是彩色 OLED,所以价格十分
昂贵
2. 受本身特点所限制,尺寸(点阵)不能做到很大,一般在 160 行以下
3. 目前材料属于柯达公司的专利,不利于推广
4. 受材料的限制,目前寿命不高,最高的绿色也只有 10000 小时左右

前面的讲座里讲到灰度的实现有两种方式:FRC 和 PWM。它们属于基本的灰度实现方法,即输出的数据(波形)完全是按照各个象素自己的内容输出的,跟其它的点没有任何关系。而通常在高级的专用控制器中,会采用一些数学算法来实现用低灰度输出的电路来实现高灰度等级的输出,如原本只能输出 16 级灰度,通过某些数学运算之后,可以实现 64 级灰度,这个方法就是“抖动”(dithering)
。
为了说明抖动的理论依据,我们可以回想一下,有时候我们远看某个物体,看见的是一种颜色,而走进一看,才发现是有多种颜色交错的,这说明,人视觉看的某点的颜色,会受旁边点的颜色的影响。抖动正是利用了这个效应。至于实现高色彩为什么要用抖动而不完全用 PWM 和 FRC,原因前面有提到过,要实现高灰度等级,PWM 和 FRC 都需要比较高的工作频率,电路就会比较复杂,成本会增加,而且耗电量也会增加。而对于一般小尺寸的便携式 LCD,成本和耗电量是两个及其重要的参数,因此抖动是一种比较好的选择。下面解释一下抖动的实现,如图
此主题相关图片如下:

上面的小方块表示灰度级,下面的大方块表示 4 个象素用黑白来实现灰度。通过这种方法,对每个点采取同样的运算,就可以用黑白实现 4 级灰度,如果用更多的点,则可以实现更多的灰度,但是由于周围的点要做运算,要添加额外的运算电路,另外,经过运算之后,由于相邻的点相互左右,相当于部分的降低了分辨率,因而实际的应用系统中,一般都是 2-bit 即 4 个点的抖动。所以单独的控制器,一般 64 级灰度是由 16 级 FRC 加 4 个点的抖动。同样是抖动,有静态抖动和动态抖动之分。所谓静态抖动,实际上就是跟周围的点采用固定的运算,如上图中的,每种灰度跟周围点只有一种运算方法。而动态抖动,是每一帧中,对相同的灰度,对周围的点采用不同的运算方法,如上
图中的灰度,也可以用下图的运算来实现:
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大家可以想到,还有其它的运算也是可以的。动态抖动的好处是,可以最大限度的减小由于抖动带来的分辨率降低。
目前市面上的控制器,大部分都是用的静态抖动(如 EPSON 的 SED13XX 系列产品)小部分用动态抖动(如 SOLOMON SYSTECH 的 SSD19XX 系列)