TFT—LCD液晶响应时间测量系统的设计

2016-01-15徐洁

淮北职业技术学院学报 2015年3期

徐洁

(濉溪县城乡居民合作医疗管理中心，安徽濉溪235100)

摘要：针对ARM控制ILI9320型号的TFT-LCD液晶，设计了TFT—LCD液晶响应时间的测量系统。并对液晶的工作原理、响应时间、光电检测电路工作原理和设计作了详细介绍。通过ARM对液晶的控制显示出黑白变化的小矩阵，再将光电检测电路检测到的信号送入示波器观察，从而实现测量液晶的响应时间，具有简单、精确等优点。

关键词：TFT—LCD；FET；ARM；光电检测电路

收稿日期：2015-05-18

作者简介：徐洁(1983-)，女，安徽淮北人，濉溪县城乡居民合作医疗管理中心助理工程师，研究方向为计算机信息管理。

中图分类号：TN873.93文献标识码：A

0引言

TFT，即薄膜场效应晶体管，是指液晶显示器上的每一个液晶像素点都是由集成在其后的薄膜晶体管来驱动。这种场效应管制作在液晶显示器件的玻璃上。每个场效应管独立驱动一个像素，从而实现高速、高亮度、高对比度的显示效果。

液晶显示器的响应时间一直都是衡量液晶性能的一个重要指标，所以寻找一种准确快速测量液晶的响应时间是很有现实意义的。

1TFT液晶响应时间产生原理

1.1TFT液晶显示结构

TFT液晶显示器件结构如图1所示。TFT液晶显示器件的后玻璃上有薄薄的一层硅胶，在硅层内光刻有许多场效应管。

图1　TFT液晶显示阵列

由于一般TFT-LCD的点阵画面的数据比较大，所以发送图像数据时间按照时间分解。当栅极驱动器扫描到某一行时，扫描脉冲电压将该行上的所有TFT导通，同时源极驱动器将每个像素显示的信号送入到液晶的像素上，并且对Cs电容进行充电，然后选通下一行像素点，传送下一次像素信号。依次执行，从第一行起到最后一行，就完成一帧图像的传送。所有像素电压都要保持一段时间，即一帧的时间。

当响应时间达到一定要求时，观察者在观察动态画面时就不会有尾影拖曳的感觉。响应时间表现为上升时间(Rise time)和下降时间(Fall time)。

1.2TFT驱动电路

TFT驱动电路如图2所示。

图2　TFT驱动电路

由图2可知，TFT液晶每个像素是由一个FET管来驱动，[1]88-91通过行扫描选通栅极信号SEL SIGNAL信号使FET管导通，列信号VGMA1-1选通D/A通过FET驱动液晶。该D/A转换器的输入是该像素的显示数据，这样就组成一个像素点驱动。

分析具体工作原理[2]719-722可以得知液晶的响应时间由来。

(1)当场效应管的栅极加上导通电压Ug时，场效应管进入导通状态，此时FET导通了，导通电阻为Ron。同时显示数据通过D/A转换器产生的模拟电压Us给源极，此时场效应管的导通电阻Ron与容性负载的液晶材料CLc形成比较小的充电时间常数T=Ron*CLc，在像素上迅速建立电压Ud，并且Ud接近Us的值，达到预期的显示效果。

(2)当场效应管的栅极不加电压时，场效应管进入关断状态，FET关断电阻为Roff。源极S上的电压Us变化不影响漏极D上的电压Ud，由于场效应管关断电阻Roff与容性负载的液晶CLc形成比较大的放电时间常数T=Roff*CLc，使得该像素点显示效果可以保持一段时间。

通过分析可知液晶的响应时间主要有由T=Ron*CLc来确定。

1.3液晶响应时间

响应时间[3]是指LCD上的各个像素点对输入激励信号的反应速度，即激励信号使像素点由暗转亮或由亮转暗所需要的时间。

图3　激励信号与亮度响应时间关系

由图3可以知道上升时间是指亮度响应曲线t1至t2的时间，也就是亮度的响应幅度从10%上升到90%所对应的时间；因此称t2-t1为上升时间。

在t4至t5期间，亮度很快下降，当达到较低亮度值，此时的亮度值仅为亮态的10%，已与暗态相差无几，因此t5-t4称为下降时间。[4]52-58

我们定义的响应时间[5]6-80(Response Time)，是上升时间和下降时间之和，即TResponse=(t2-t1)+(t5-t4)，而把亮延迟时间与上升时间之和，即Ton= t2-t0称为开启时间，把暗延迟时间与下降时间之和，即Toff= t5-t3称为关断时间。

2TFT液晶响应时间的测量系统设计

该设计采用ILI9320型号液晶，通过ARM对其控制，[6]227-281让液晶产生中间部分产生很小的(几个像素)黑白变化的矩阵。光电检测器检测到的黑白变化的信号通过放大电路送至示波器显示。原理框图如图4所示。

图4　液晶响应时间测量框图

2.1软件部分设计

让液晶产生黑白变化的小矩阵，可以通过ARM对LCD进行控制，[7]由驱动程序改变LCD的显示。[8][9]如图5是这个系统接口。

图5　系统接口

由于篇幅原因只给出主要程序设计(如果读者需要全部程序，请与作者联系)。

int main ()

{LCD_Init();

LCD_Clear_Screen(Black);

while(1)

{ LCD_RectangleFill(100,100,115,115,Black);

Delay(80);

LCD_RectangleFill(100,100,115,115,White);

Delay(80); } }

在此只给出主函数本分，下面对程序做简单分析：

LCD_Init()：主要是初始化LCD和ARM部分，

设置好ILI9320和ARM的寄存器使它们到工作状态。[10]

LCD_Clear_Screen(Black)：清屏显示，让液晶全屏显示黑色。

LCD_RectangleFill(100,100,115,115,Black)：在液晶中间显示黑色。

LCD_RectangleFill(100,100,115,115,White)：在液晶中间显示白色。

Delay(80)：延时函数。

通过上面程序可以分析得知，液晶产生黑白变化的小矩阵，然后通过光电检测器检测到的信号就是高低电平变换的方波。但是我们关注的是这个方波的上升沿和下降沿。

2.2光电检测电路设计

光电检测电路设计对整个系统的性能非常重要的，光电二极管和放大电路的响应速度直接影响液晶响应时间的测量，在设计中我们采用高速光电二极管。[11]1088-1091为了验证高速光电二极管的响应速度，做了一个小实验：将信号发生器产生10K的正弦波点亮绿色波长为560 nm的发光二极管，让其照射过高速光电检测二极管通过示波器观察，接收到的信号和示波器产生的正弦波信号波形匹配，只是幅度上小一些。这就验证光电二极管的响应速度是在100μs级别。完全满足液晶上升沿ms级别要求。

由于光电二极管接收过来的信号是非常微弱的，所以需要通过放大器来放大此信号。本设计采用TI公司的VCA822放大器，可以达到要求。其原理图[12]413-422如图6所示。