LCD - 液晶显示原理（一）

1. 显示器介绍

​ 显示器属于计算机的I/O设备，即输入输出设备。它是一种将特定电子信息输出到屏幕上再反射到人眼的显示工具。常见的有CRT显示器、液晶显示器、 LED点阵显示器及OLED显示器。

• 液晶显示器，简称LCD(Liquid Crystal Display)，相对于上一代CRT显示器(阴极射线管显示器),功耗低、体积小、承载
  的信息量大及不伤眼的优点 。

  

  • 液晶是一种介于固体和液体之间的特殊物质，它是一种有机化合物，常态下呈液态，但是它的分子排列却和固体晶体一样非常规则，因此取名液晶。如果给液晶施加电场，会改变它的分子排列，从而改变光线的传播方向，配合偏振光片，它就具有控制光线透过率的作用，再配合彩色滤光片，改变加给液晶电压大小，就能改变某一颜色透光量的多少。
  • 利用液晶控制的原理，做出可控红、绿、蓝光输出强度的显示结构，把三种显示结构组成一个显示单位，通过控制红绿蓝的强度，可以使该单位混合输出不同的色彩，这样的一个显示单位被称为像素。
  • 注意液晶本身是不发光的，所以需要有一个背光灯提供光源，光线经过一系列处理过程才到输出，所以输出的光线强度是要比光源的强度低很多的，比较浪费能源 ，显示方向比较窄 ，输出的色彩变换时，液晶分子转动也需要消耗一定的时间，导致屏幕的响应速度低。

• LED显示器

  • LED点阵彩色显示器的单个像素点内包含红绿蓝三色LED灯，显示原理类似实验板上的LED彩灯，通过控制红绿蓝颜色的强度进行混色，实现全彩颜色输出，多个像素点构成一个屏幕。由于每个像素点都是LED灯自发光的，所以在户外白天也显示得非常清晰，但由于LED灯体积较大，导致屏幕的像素密度低，所以它一般只适合用于广场上的巨型显示器。相对来说，单色的LED点阵显示器应用得更广泛，如公交车上的信息展示牌、店招等。

• OLED显示器

  • 新一代的OLED显示器与LED点阵彩色显示器的原理类似，但由于它采用的像素单元是“有机发光二极管” (Organic Light Emitting Diode)，所以像素密度比普通LED点阵显示器高得多
  • OLED显示器不需要背光源、对比度高、轻薄、视角广及响应速度快等优点。

2. 显示器的基本参数

• 显示器尺寸
  • 显示器的大小一般以英寸表示，如5英寸、 21英寸、 24英寸等，这个长度是指屏幕对角线的长度， 通过显示器的对角线长度及长宽比可确定显示器的实际长宽尺寸。
• 点距
  • 点距指两个相邻像素点之间的距离，它会影响画质的细腻度及观看距离，相同尺寸的屏幕，若分辨率越高，则点距越小，画质越细腻。如现在有些手机的屏幕分辨率比电脑显示器的还大，这是手机屏幕点距小的原因； LED点阵显示屏的点距一般都比较大，所以适合远距离观看。
• 像素
  • 像素是组成图像的最基本单元要素，显示器的像素指它成像最小的点，即前面讲解液晶原理中提到的一个显示单元。
• 分辨率
  • 一些嵌入式设备的显示器常常以“行像素值x列像素值”表示屏幕的分辨率。如分辨率800x480表示该显示器的每一行有800个像素点，每一列有480个像素点，也可理解为有800列， 480行。
• 色彩深度
  • 色彩深度指显示器的每个像素点能表示多少种颜色，一般用“位” (bit)来表示。如单色屏的每个像素点能表示亮或灭两种状态(即实际上能显示2种颜色)，用1个数据位就可以表示像素点的所有状态，所以它的色彩深度为1bit，其它常见的显示屏色深为16bit、 24bit。

3. 液晶面板的控制信号

• RGB信号线
  • RGB信号线各有8根，分别用于表示液晶屏一个像素点的红、绿、蓝颜色分量。使用红绿蓝颜色分量来表示颜色是一种通用的做法，打开Windows系统自带的画板调色工具，可看到颜色的红绿蓝分量值，常见的颜色表示会在“RGB”后面附带各个颜色分量值的数据位数，如RGB565表示红绿蓝的数据线数分别为5、 6、 5根，一共为16个数据位，可表示216种颜色；而这个液晶屏的种颜色分量的数据线都有8根，所以它支持RGB888格式，一共24位数据线，可表示的颜色为224种。
• 同步时钟信号CLK
  • 液晶屏与外部使用同步通讯方式，以CLK信号作为同步时钟，在同步时钟的驱动下，每个时钟传输一个像素点数据。
• 水平同步信号HSYNC
  • 水平同步信号HSYNC(Horizontal Sync)用于表示液晶屏一行像素数据的传输结束，每传输完成液晶屏的一行像素数据时， HSYNC会发生电平跳变，如分辨率为800x480的显示屏(800列， 480行)，传输一帧的图像HSYNC的电平会跳变480次。
• 垂直同步信号VSYNC
  • 垂直同步信号VSYNC(Vertical Sync)用于表示液晶屏一帧像素数据的传输结束，每传输完成一帧像素数据时， VSYNC会发生电平跳变。其中“帧”是图像的单位，一幅图像称为一帧，在液晶屏中，一帧指一个完整屏液晶像素点。人们常常用“帧/秒”来表示液晶屏的刷新特性，即液晶屏每秒可以显示多少帧图像，如液晶屏以60帧/秒的速率运行时， VSYNC每秒钟电平会跳变60次。
• 数据使能信号DE
  • 数据使能信号DE(Data Enable)用于表示数据的有效性，当DE信号线为高电平时， RGB信号线表示的数据有效。

4. 液晶数据传输时序

​ 向液晶屏传输一帧图像数据的时序：

​ 液晶屏显示的图像可看作一个矩形， 液晶屏有一个显示指针，它指向将要显示的像素。显示指针的扫描方向方向从左到右、从上到下，一个像素点一个像素点地描绘图形。这些像素点的数据通过RGB数据线传输至液晶屏，它们在同步时钟CLK的驱动下一个一个地传输到液晶屏中，交给显示指针，传输完成一行时，水平同步信号HSYNC电平跳变一次，而传
输完一帧时VSYNC电平跳变一次。

​ 液晶显示指针在行与行之间，帧与帧之间切换时需要延时，而且HSYNC及VSYNC信号本身也有宽度，这些时间参数说明见下表：

​ 在这些时间参数控制的区域，数据使能信号线“DE”都为低电平， RGB数据线的信号无效，当“DE”为高电平时，表示的数据有效，传输的数据会直接影响液晶屏的显示区域。

5. 显存

​ 液晶屏中的每个像素点都是数据，在实际应用中需要把每个像素点的数据缓存起来，再传输给液晶屏，这种存储显示数据的存储器被称为显存。显存一般至少要能存储液晶屏的一帧显示数据，如分辨率为800x480的液晶屏，使用RGB888格式显示，它的一帧显示数据大小为：3 x 800 x 480=1152000字节；若使用RGB565格式显示，一帧显示数据大小为：2 x 800 x 480=768000字节。