第2章第3节液晶显示器.ppt

上一张上一张章首章首下一张下一张结束结束节首节首目录目录2021/9/211第二章电光信息转换上一张上一张章首章首下一张下一张结束结束节首节首目录目录2021/9/212第二章电光信息转换上一张上一张章首章首下一张下一张结束结束节首节首目录目录2021/9/213第二章电光信息转换上一张上一张章首章首下一张下一张结束结束节首节首目录目录2021/9/214第二章电光信息转换上一张上一张章首章首下一张下一张结束结束节首节首目录目录2021/9/215第二章电光信息转换上一张上一张章首章首下一张下一张结束结束节首节首目录目录2021/9/216第二章电光信息转换 2.3液晶显示器液晶显示器 2.3.1 液晶显示器原理液晶显示器原理 2.3.2 液晶显示器的构造液晶显示器的构造 2.3.3 液晶显示器的驱动液晶显示器的驱动 2.3.4 液晶显示器的特点及应用液晶显示器的特点及应用2021/9/217第二章电光信息转换一、液晶（一、液晶（Liquid crystal)液晶液晶是指在某一温度范围内，从外观看属是指在某一温度范围内，从外观看属于具有流动性的液体，但同时又是具有光学双于具有流动性的液体，但同时又是具有光学双折射性的晶体。折射性的晶体。通常物质在熔融温度从固体转为透明的液体，通常物质在熔融温度从固体转为透明的液体，而液晶物质在熔融温度首先转为不透明的液体，而液晶物质在熔融温度首先转为不透明的液体，进一步升温才转为透明的液体。进一步升温才转为透明的液体。“液晶液晶”包含两种含义，一是指处于固体相与包含两种含义，一是指处于固体相与液体相中间状态的液晶相，二是指具有上述液液体相中间状态的液晶相，二是指具有上述液晶相的物质。晶相的物质。2.3.1液晶显示器原理液晶显示器原理2021/9/218第二章电光信息转换上一张上一张章首章首下一张下一张结束结束节首节首目录目录 液晶（液晶（Liquid Crystal）：是一种介于固）：是一种介于固态和液态之间的具有规则性分子排列，及晶体态和液态之间的具有规则性分子排列，及晶体的光学各向异性的有机化合物，液晶在受热到的光学各向异性的有机化合物，液晶在受热到一定温度的时候会呈现透明状的液体状态，而一定温度的时候会呈现透明状的液体状态，而冷却则会出现结晶颗粒的混浊固体状态，因为冷却则会出现结晶颗粒的混浊固体状态，因为物理上具有液体与晶体的特性，故称之为物理上具有液体与晶体的特性，故称之为“液液晶晶”。液晶显示器。液晶显示器LCD（Liquid Crystal Display）：是新型平板显示器件。）：是新型平板显示器件。2.3.1液晶显示器原理液晶显示器原理2021/9/219第二章电光信息转换上一张上一张章首章首下一张下一张结束结束节首节首目录目录(a)层列(smectic)液晶(b)向列(nematic)液晶(c)胆甾相(cholesteric)液晶三种液晶相的分子排列结构三种液晶相的分子排列结构液晶物质大多数为有机化合物。按分子排列状态；液晶物质大多数为有机化合物。按分子排列状态；粘连度高粘连度小液晶成螺旋2021/9/2110第二章电光信息转换上一张上一张章首章首下一张下一张结束结束节首节首目录目录 层列液晶中的棒状分子排列成层状层列液晶中的棒状分子排列成层状结构，构成分子相互平行排列，与层结构，构成分子相互平行排列，与层面近似垂直。这种分子层的结合较弱，面近似垂直。这种分子层的结合较弱，层与层之间易于相互滑动。其显示出层与层之间易于相互滑动。其显示出二维液体的性质，粘连度高。二维液体的性质，粘连度高。向列液晶的棒状分子都以相同的向列液晶的棒状分子都以相同的方式平行排列，每个分子在长轴方向方式平行排列，每个分子在长轴方向可以比较自由地移动。因此，富于流可以比较自由地移动。因此，富于流动性粘度较小。动性粘度较小。三种液晶相的分子排列结构三种液晶相的分子排列结构液晶物质大多数为有机化合物。按分子排列状态；液晶物质大多数为有机化合物。按分子排列状态；2021/9/2111第二章电光信息转换上一张上一张章首章首下一张下一张结束结束节首节首目录目录 显示器中的液晶体并不发光，而是控显示器中的液晶体并不发光，而是控制外部光的通过量。当外部光线通过液制外部光的通过量。当外部光线通过液晶分子时，液晶分子的排列扭曲状态不晶分子时，液晶分子的排列扭曲状态不同，使光线通过的多少就不同，实现了同，使光线通过的多少就不同，实现了亮暗变化，可重现图像。液晶分子扭曲亮暗变化，可重现图像。液晶分子扭曲的大小由加在液晶分子两边的电压差的的大小由加在液晶分子两边的电压差的大小决定。因而可以实现电到光的转换。大小决定。因而可以实现电到光的转换。即用电压的高低控制光的通过量，从而即用电压的高低控制光的通过量，从而把电信号转换成光像。把电信号转换成光像。2.3.1液晶显示器原理液晶显示器原理2021/9/2112第二章电光信息转换上一张上一张章首章首下一张下一张结束结束节首节首目录目录2021/9/2113第二章电光信息转换上一张上一张章首章首下一张下一张结束结束节首节首目录目录 液晶的物理特性是：当通电时导通，排列变的有秩序，使光线容易通过；不通电时排列混乱，阻止光线通过。让液晶如闸门般地阻隔或让光线穿透。从技术上简单地说，液晶面板包含了两片相当精致的无钠玻璃素材，称为Substrates，中间夹著一层液晶。当光束通过这层液晶时，液晶本身会排排站立或扭转呈不规则状，因而阻隔或使光束顺利通过。大多数液晶都属于有机复合物，由长棒状的分子构成。在自然状态下，这些棒状分子的长轴大致平行。将液晶倒入一个经精良加工的开槽平面，液晶分子会顺着槽排列，所以假如那些槽非常平行，则各分子也是完全平行的。（一）液晶的物理特性（一）液晶的物理特性2021/9/2114第二章电光信息转换上一张上一张章首章首下一张下一张结束结束节首节首目录目录 LCD技术是把液晶灌入两个列有细槽的平面之间。这两个平面上的槽互相垂直(相交成90度)。也就是说，若一个平面上的分子南北向排列，则另一平面上的分子东西向排列，而位于两个平面之间的分子被强迫进入一种90度扭转的状态。由于光线顺着分子的排列方向传播，所以光线经过液晶时也被扭转90度。但当液晶上加一个电压时，分子便会重新垂直排列，使光线能直射出去，而不发生任何扭转。LCD是依赖极化滤光器(片)和光线本身。自然光线是朝四面八方随机发散的。极化滤光器实际是一系列越来越细的平行线。这些线形成一张网，阻断不与这些线平行的所有光线。极化滤光器的线正好与第一个垂直，所以能完全阻断那些已经极化的光线。只有两个滤光器的线完全平行，或者光线本身已扭转到与第二个极化滤光器相匹配，光线才得以穿透。（如图1）（二）单色液晶显示器的原理（二）单色液晶显示器的原理2021/9/2115第二章电光信息转换上一张上一张章首章首下一张下一张结束结束节首节首目录目录2021/9/2116第二章电光信息转换上一张上一张章首章首下一张下一张结束结束节首节首目录目录2021/9/2117第二章电光信息转换上一张上一张章首章首下一张下一张结束结束节首节首目录目录 LCD正是由这样两个相互垂直的极化滤光器构成，所以在正常情况下应该阻断所有试图穿透的光线。但是，由于两个滤光器之间充满了扭曲液晶，所以在光线穿出第一个滤光器后，会被液晶分子扭转90度，最后从第二个滤光器中穿出。另一方面，若为液晶加一个电压，分子又会重新排列并完全平行，使光线不再扭转，所以正好被第二个滤光器挡住。总之，加电将光线阻断，不加电则使光线射出。（如图2）（二）单色液晶显示器的原理（二）单色液晶显示器的原理2021/9/2118第二章电光信息转换上一张上一张章首章首下一张下一张结束结束节首节首目录目录2021/9/2119第二章电光信息转换上一张上一张章首章首下一张下一张结束结束节首节首目录目录 然而，可以改变LCD中的液晶排列，使光线在加电时射出，而不加电时被阻断。但由于计算机屏幕几乎总是亮着的，所以只有“加电将光线阻断”的方案才能达到最省电的目的。从液晶显示器的结构来看，无论是笔记本电脑还是桌面系统，采用的LCD显示屏都是由不同部分组成的分层结构。LCD由两块玻璃板构成，厚约1mm，其间由包含有液晶(LC)材料的5m均匀间隔隔开。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，而在液晶显示屏背面有一块背光板（或称匀光板）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。（二）单色液晶显示器的原理（二）单色液晶显示器的原理2021/9/2120第二章电光信息转换上一张上一张章首章首下一张下一张结束结束节首节首目录目录 背光板发出的光线在穿过第一层偏振过滤层之后进入包背光板发出的光线在穿过第一层偏振过滤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。在玻璃板与液晶材料之间是透明的电极，电极分一个像素。在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为行和列，在行与列的交叉点上，通过改变电压而改变液晶的旋光状态，液晶材料的作用类似于一个个小的光阀。在液的旋光状态，液晶材料的作用类似于一个个小的光阀。在液晶材料周边是控制电路部分和驱动电路部分。当晶材料周边是控制电路部分和驱动电路部分。当LCD中的电中的电极产生电场时，液晶分子就会产生扭曲，从而将穿越其中的极产生电场时，液晶分子就会产生扭曲，从而将穿越其中的光线进行有规则的折射，然后经过第二层过滤层的过滤在屏光线进行有规则的折射，然后经过第二层过滤层的过滤在屏幕上显示出来。幕上显示出来。（二）单色液晶显示器的原理（二）单色液晶显示器的原理2021/9/2121第二章电光信息转换上一张上一张章首章首下一张下一张结束结束节首节首目录目录 (三)彩色LCD显示器的工作原理 对于笔记本电脑或者桌面型的LCD显示器需要采用的更加复杂的彩色显示器而言，还要具备专门处理彩色显示的色彩过滤层。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，其中每一个单元格前面都分别有红色，绿色，或蓝色的过滤器。这样，通过不同单元格的光线就可以在屏幕上显示出不同的颜色。LCD克服了CRT体积庞大、耗电和闪烁的缺点，但也同时带来了造价过高、视角不广以及彩色显示不理想等问题。CRT显示可选择一系列分辨率，而且能按屏幕要求加以调整，但LCD屏只含有固定数量的液晶单元，只能在全屏幕使用一种分辨率显示(每个单元就是一个像素)。2021/9/2122第二章电光信息转换上一张上一张章首章首下一张下一张结束结束节首节首目录目录 (三)彩色LCD显示器的工作原理CRT通常有三个电子枪，射出的电子流必须精确聚集，否则就得不到清晰的图像显示。但LCD不存在聚焦问题，因为每个液晶单元都是单独开关的。这正是同样一幅图在LCD屏幕上为什么如此清晰的原因。LCD也不必关心刷新频率和闪烁，液晶单元要么开，要么关，所以在4060Hz这样的低刷新频率下显示的图像不会比75Hz下显示的图像更闪烁。不过，LCD屏的液晶单元会很容易出现暇疵。对1024768的屏幕来说，每个像素都由三个单元构成，分别负责红、绿和蓝色的显示一所以总共约需240万个单元(102476832359296)。很难保证所有这些单元都完好无损。最有可能的是，其中一部分己经短路(出现“亮点”)，或者断路(出现“黑点”)。所以说，并不是如此高昂的显示产品并不会出现瑕疵。2021/9/2123第二章电光信息转换上一张上一张章首章首下一张下一张结束结束节首节首目录目录2021/9/2124第二章电光信息转换上一张上一张章首章首下一张下一张结束结束节首节首目录目录2021/9/2125第二章电光信息转换上一张上一张章首章首下一张下一张结束结束节首节首目录目录2021/9/2126第二章电光信息转换上一张上一张章首章首下一张下一张结束结束节首节首目录目录2021/9/2127第二章电光信息转换上一张上一张章首章首下一张下一张结束结束节首节首目录目录 扭曲向列型液晶显示器”（Twisted Nematic Liquid crystal display）,简称“TN型液晶显示器”。如图所示。向列型液晶夹在两片玻璃中间。这种玻璃的表面上先镀有一层透明而导电的薄膜以作电极之用。这种薄膜通常是一种铟和锡的氧化物简称ito。然后再在有ito的玻璃上镀表面配向剂，以使液晶顺着一个特定且平行于玻璃表面之方向排列。）中左边玻璃使液晶排成上下的方向，右边玻璃则使液晶排成垂直于图面之方向。此组件中之液晶的自然状态具有从左到右共的扭曲,这也是为什么被称为扭曲型液晶显示器的原因。利用电场可使液晶旋转的原理，在两电极上加上电压则会使得液晶偏振化方向转向与电场方向平行。因为液态晶的折射率随液晶的方向而改变，其结果是光经过TN型液晶盒以后其偏振性会发生变化。1.扭曲向列型液晶显示器扭曲向列型液晶显示器2021/9/2128第二章电光信息转换上一张上一张章首章首下一张下一张结束结束节首节首目录目录 我们可以选择适当的厚度使光的偏振化方向刚好改变。那么，我们就可利用两个平行偏振片使得光完全不能通过。若外加足够大的电压使得液晶方向转成与电场方向平行，光的偏振性就不会改变。因此光可顺利通过第二个偏光器。于是，我们可利用电的开关达到控制光的明暗。这样会形成透光时为白、不透光时为黑，字符就可以显示在屏幕上了。2021/9/2129第二章电光信息转换上一张上一张章首章首下一张下一张结束结束节首节首目录目录2021/9/2130第二章电光信息转换上一张上一张章首章首下一张下一张结束结束节首节首目录目录2021/9/2131第二章电光信息转换上一张上一张章首章首下一张下一张结束结束节首节首目录目录2.TFT型液晶显示器的原理型液晶显示器的原理 采用两夹层间填充液晶分子的设计。只是把左边夹层的电极改为了FET晶体管，而右边夹层的电极改为了共通电极。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液晶那样的从左至右，而是从右向左，这样的作法是在液晶的背部设置了类似日光灯的光管。光源照射时先通过右偏振片向左透出，借助液晶分子来传导光线。由于左右夹层的电极改成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为止。相对而言，TN就没有这个特性，液晶分子一旦没有被施压，立刻就返回原始状态，这是TFT液晶和TN液晶显示原理的最大不同。2021/9/2132第二章电光信息转换上一张上一张章首章首下一张下一张结束结束节首节首目录目录 （Polymer dispersed liquid crystal liquid crystal display），简称“PDLC型液晶显示器”。这种显示器的液晶组件构造如图所示。高分子的单体(monomer)与液晶混合后夹在两片玻璃中间，做成一液晶盒。这种玻璃与上面所用的相同，是表面上先镀有一层透明而导电的薄膜作电极。但是不需要在玻璃上镀表面配向剂。此时将液晶盒放在紫外灯下照射使个单体连结成高分子聚合物。在高分子形成的同时，液晶与高分子分开而形成许多液晶小颗粒。这些小颗粒被高分子聚合物固定住。当光照射在此液晶盒上，因折射率不同，而在颗粒表面处产生折射及反射。经过多次反射与折射，就产生了散射。此液晶盒就像牛奶一样呈现出不透明的乳白色。3.高分子散布型液晶显示器高分子散布型液晶显示器2021/9/2133第二章电光信息转换上一张上一张章首章首下一张下一张结束结束节首节首目录目录2021/9/2134第二章电光信息转换上一张上一张章首章首下一张下一张结束结束节首节首目录目录 足够大电压加在液晶盒两侧的玻璃上液晶顺着电场方向排列，而使每颗液晶的排列均相同。对正面入射光而言，这些液晶有着相同的折射率n。如果我们可以选用的高分子材料的折射率与n相同，对光而言这些液晶颗粒与高分子材料是相同的；因而在液晶盒内部没有任何折射或反射的现象产生。此时的液晶盒就像透明的清水一样。外界光线对液晶显示屏幕具有非常大的干扰，一些LCD显示屏，在外界光线比较强的时候，因为它表面的玻璃板产生反射，而干扰到它的正常显示。因此在室外一些明亮的公共场所使用时其性能和可观性会大大降低。目前很多LCD显示器即使分辨率再高，其反射技术没处理好，由此对实际工作中的应用都是不实用的。单凭一些纯粹的数据，其实是一种有偏差的去引导用户的行为。而新款的LCD显示器就采用的“低反射液晶显示屏幕”技术就是在液晶显示屏的最外层施以反射防止涂装技术（AR coat），有了这一层涂料，液晶显示屏幕所发出的光泽感、液晶显示屏幕本身的透光率、液晶显示屏幕的分辨率、防止反射等这四个方面都但到了更好的改善。2021/9/2135第二章电光信息转换上一张上一张章首章首下一张下一张结束结束节首节首目录目录LCD控制驱动器的设计与开发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。2021/9/2136第二章电光信息转换上一张上一张章首章首下一张下一张结束结束节首节首目录目录液晶显示器的驱动 一、各种驱动电极的结构一、各种驱动电极的结构 液晶显示器驱动用电极结构及其用途：液晶显示器驱动用电极结构及其用途：1、段电极，主要用于数字显示、模拟图形显示；、段电极，主要用于数字显示、模拟图形显示；2、固定图案电极，用于符号显示、图案显示；、固定图案电极，用于符号显示、图案显示；3、矩阵电极，字符显示、图形显示、电视画面显示。、矩阵电极，字符显示、图形显示、电视画面显示。2021/9/2137第二章电光信息转换上一张上一张章首章首下一张下一张结束结束节首节首目录目录 在各种段电极中，典型的是图2.3.3-1所示的7段 图2.3.3-1段电极的结构 段电极公共电极图2.3.3-2为矩阵电极结构示意图，利用这种电极可以显示任意图案。图2.3.3-2矩阵电极结构示意图Y1Y2Y3Y4Y5Ym信号（列）电极X1X2X3X4X5Xn扫描（行）电极2021/9/2138第二章电光信息转换上一张上一张章首章首下一张下一张结束结束节首节首目录目录LCD控制驱动器的设计与开发控制驱动器的设计与开发 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。2021/9/2139第二章电光信息转换上一张上一张章首章首下一张下一张结束结束节首节首目录目录2021/9/2140第二章电光信息转换上一张上一张章首章首下一张下一张结束结束节首节首目录目录2021/9/2141第二章电光信息转换上一张上一张章首章首下一张下一张结束结束节首节首目录目录 根據此電信號，筆段波形不是與公用波形同相就是反相。同根據此電信號，筆段波形不是與公用波形同相就是反相。同相時液晶上無電場，相時液晶上無電場，LCD處於非選通狀態。反相時，液晶上施處於非選通狀態。反相時，液晶上施加了一矩形波。當矩形波的電壓比液晶閾值高很多時，加了一矩形波。當矩形波的電壓比液晶閾值高很多時，LCD處處於選通狀態。於選通狀態。圖圖 3.靜態波形靜態波形2021/9/2142第二章电光信息转换上一张上一张章首章首下一张下一张结束结束节首节首目录目录2、多路传输驱动、多路传输驱动在多路数字显示等场合，需采用多路传输驱动方式，这种驱动方式适合于比较多的段电极的情况，为分时驱动或动态驱动。根据数字位数，将公用电极分成12份，并且与顺序排列的12个分时驱动的定时器相配合。同时全体段电极按7组连线。只要对各个需要显示的段电极进行选择性的驱动。位 电 极(Xi)段 电 极(Yj)Y1Y2Y3Y4Y5Y6Y7X1X2X3X122021/9/2143第二章电光信息转换上一张上一张章首章首下一张下一张结束结束节首节首目录目录3、矩阵寻址驱动、矩阵寻址驱动把液晶显示器上下基板上的电极做成条状图形，并相互正交构成简单的矩阵型液晶。行列电极交叉点为显示单元，称为象素。按时间顺序逐一给各行电极施加选通电压即扫描电压，选到某一行时各列电极同时施加相应于该行的信号电压，行电极选通一遍就显示出一帧信息。Y1Y2Y3Y4Y5Ym信号（列）电极X1X2X3X4X5Xn扫描（行）电极设行电极数为N，每一行选通的时间只有一帧时间的1/N，称1/N为该矩阵寻址的占空比。2021/9/2144第二章电光信息转换上一张上一张章首章首下一张下一张结束结束节首节首目录目录4、有源矩阵驱动、有源矩阵驱动同步电路扫描电路Y1Y2Y3 YmX1X2X3Xm漏极母线栅极母线电容器液晶FET信号有源矩阵驱动LCD的工作原理每个象素上都串入了一个三端器件(MOS场效应管)。其栅极G接扫描电压，漏极D接信号电压，源极S接象素电极，与液晶象素串联。液晶象素可以等效为一个电阻和一个电容并联。1）当扫描电压加到G上时，D-S导通，信号电压产生大的通态电流对电容充电2）当扫描电压移到下一行，D-S断开，电容电压通过电阻缓慢放电，只要选择电阻率很高的液晶材料，可维持此后的一帧时间里电容上的电压始终大于Vth2021/9/2145第二章电光信息转换上一张上一张章首章首下一张下一张结束结束节首节首目录目录LCDLCD上实现灰度上实现灰度 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。2021/9/2146第二章电光信息转换上一张上一张章首章首下一张下一张结束结束节首节首目录目录LCDLCD上实现灰度上实现灰度 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。2021/9/2147第二章电光信息转换上一张上一张章首章首下一张下一张结束结束节首节首目录目录LCDLCD上实现灰度上实现灰度 一般对于4级以上的灰度，是采用PWMFRC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16x320 x60=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PWMFRC，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2021/9/2148第二章电光信息转换上一张上一张章首章首下一张下一张结束结束节首节首目录目录2021/9/2149第二章电光信息转换上一张上一张章首章首下一张下一张结束结束节首节首目录目录2021/9/2150第二章电光信息转换上一张上一张章首章首下一张下一张结束结束节首节首目录目录2.3.4液晶显示器的特点及应用 LCD的优点有：由由于于低低功功耗耗（几几微微瓦瓦几几十十微微瓦瓦/平平方方厘厘米米），利利用用电电池池即即可可长长时时间间运运行，为节能型显示器。行，为节能型显示器。低电压运行（几十伏），可由低电压运行（几十伏），可由IC直接驱动，驱动电路小型、简单。直接驱动，驱动电路小型、简单。元元件件为为薄薄型型（几几毫毫米米），而而且且从从大大型型显显示示（对对角角线线长长几几十十厘厘米米）到到小小型型显示（对角线长几毫米）都可满足，特别适用于便携式装置。显示（对角线长几毫米）都可满足，特别适用于便携式装置。属于非主动发光型显示，即使在明亮的环境，显示也是鲜明的。属于非主动发光型显示，即使在明亮的环境，显示也是鲜明的。容易实现彩色显示，因此便于显示功能的扩大及显示的多样化。容易实现彩色显示，因此便于显示功能的扩大及显示的多样化。可可以以进进行行投投影影显显示示及及组组合合显显示示，因因此此容容易易实实现现大大画画面面（对对角角线线为为数数米米）显示。显示。2021/9/2151第二章电光信息转换上一张上一张章首章首下一张下一张结束结束节首节首目录目录LCD的缺点：由于属于非主动发光型，在采用反射方式时，在比较暗的场所，显示不够鲜明。在需要鲜明的显示及彩色显示的场合，需要背景光。显示对比度与观察方向有关，视角受到限制。响应时间与环境温度有关，低温（-30-40）时工作不能充分保证2021/9/2152第二章电光信息转换(a)层列(smectic)液晶(b)向列(nematic)液晶(c)胆甾相(cholesteric)液晶1.三种液晶相的分子排列结构三种液晶相的分子排列结构2.液晶物质大多数为有机化合物。按分子排列状态；液晶物质大多数为有机化合物。按分子排列状态；粘连度高粘连度小液晶成螺旋2021/9/2153第二章电光信息转换上一张上一张章首章首下一张下一张结束结束节首节首目录目录 层列液晶中的棒状分子排列成层状层列液晶中的棒状分子排列成层状结构，构成分子相互平行排列，与层结构，构成分子相互平行排列，与层面近似垂直。这种分子层的结合较弱，面近似垂直。这种分子层的结合较弱，层与层之间易于相互滑动。其显示出层与层之间易于相互滑动。其显示出二维液体的性质，粘连度高。二维液体的性质，粘连度高。向列液晶的棒状分子都以相同的向列液晶的棒状分子都以相同的方式平行排列，每个分子在长轴方向方式平行排列，每个分子在长轴方向可以比较自由地移动。因此，富于流可以比较自由地移动。因此，富于流动性粘度较小。动性粘度较小。1.三种液晶相的分子排列结构三种液晶相的分子排列结构2.液晶物质大多数为有机化合物。按分子排列状态；液晶物质大多数为有机化合物。按分子排列状态；2021/9/2154第二章电光信息转换上一张上一张章首章首下一张下一张结束结束节首节首目录目录(c)胆甾相液晶胆甾相液晶与层列液晶一样形成胆甾相液晶与层列液晶一样形成层状结构，分子长轴在层面内与向层状结构，分子长轴在层面内与向列液晶相似成平行排列。但相邻层列液晶相似成平行排列。但相邻层面间分子长轴的取向方位多少有些面间分子长轴的取向方位多少有些差别，整个液晶形成螺旋结构。而差别，整个液晶形成螺旋结构。而液晶的各种光学性质如旋光性等等液晶的各种光学性质如旋光性等等都是基于这种螺旋结构。都是基于这种螺旋结构。2021/9/2155第二章电光信息转换上一张上一张章首章首下一张下一张结束结束节首节首目录目录3、液晶与显示、液晶与显示液晶分子的排列结构并不象晶体结构那样坚固，因此在液晶分子的排列结构并不象晶体结构那样坚固，因此在电场、磁场、温度、应力等外部刺激的影响下，其分子容易电场、磁场、温度、应力等外部刺激的影响下，其分子容易发生再排列。由此液晶的各种光学性质发生变化。液晶所具发生再排列。由此液晶的各种光学性质发生变化。液晶所具有的这种柔软的分子排列正是其用于显示器件、光电器件、有的这种柔软的分子排列正是其用于显示器件、光电器件、传感器等的基础。传感器等的基础。在用于液晶显示的情况下，液晶的特定的初始分子排列在用于液晶显示的情况下，液晶的特定的初始分子排列在电压以及热的作用下，其分子排列发生变化。伴随这种分在电压以及热的作用下，其分子排列发生变化。伴随这种分子排列的变化，液晶盒的双折射性、旋光性、光散射性等各子排列的变化，液晶盒的双折射性、旋光性、光散射性等各种光学性质的变化可以转变为视觉变化，即液晶显示是利用种光学性质的变化可以转变为视觉变化，即液晶显示是利用液晶盒的光变换进行显示，属于非主动发光型（受光型）显液晶盒的光变换进行显示，属于非主动发光型（受光型）显示。示。2021/9/2156第二章电光信息转换上一张上一张章首章首下一张下一张结束结束节首节首目录目录二、液晶的物理性能二、液晶的物理性能液晶物质的折射率，介电常数，磁化率，电导率，粘度等各种物理性质，在液晶分子的长轴方向（）和与其垂直的方向（）有很大的不同，即存在各向异性。液晶分子的排列的有序程度直接决定其各向异性（，）。液晶分子xyazon2.3.1-2液晶方向与分子取向的空间关系参照图2.3.1-2（图中n为着眼于全体液晶分子时，分子长轴的择优取向方向的单位矢量），液晶分子排列的有序程度，由下式所定义的分子排列的有序化参数来表征2021/9/2157第二章电光信息转换上一张上一张章首章首下一张下一张结束结束节首节首目录目录2、折射率的各向异性、折射率的各向异性液晶具有与光学单轴性晶体同样的各向异性折射率，显示出双折射性。单轴性晶体具有两个不相同的主折射率no和ne。对于向列液晶和层列液晶，液晶取向n的方向相当于单轴晶体的光轴，因此，对于与取向n分别呈垂直和呈平行关系的振动光的折射率取，而且，其折射率的各向异性可由下式给出nne=n/no=n光轴(a)层列液晶和向列液晶(光学正液晶)这两种液晶三维空间的折射率如图所示。向列液晶和层列液晶称为光学正液晶光学正液晶。2021/9/2158第二章电光信息转换上一张上一张章首章首下一张下一张结束结束节首节首目录目录在胆甾相液晶的情况下，与取向n垂直的螺旋轴相当于光轴，其主折射率no，ne可由下式给出胆甾相液晶称为光学负液晶。对于通常光和异常光，其折射率大小的空间分布如图所示。螺旋轴ne=n光轴(b)胆甾相液晶(光学负液晶)2021/9/2159第二章电光信息转换上一张上一张章首章首下一张下一张结束结束节首节首目录目录(1)光的行进方向会偏向取向（分子长轴）的方向；3、各种光学性、各种光学性质质基于折射率的各向异性，液晶具有以下光学性质，这些性质是LCD工作原理的基础。(2)偏光的状态及偏光的振动方向会发生变化；(3)根据入射偏光的左、右旋光性，可使其反射或透射。nne=n/no=n光轴解释：光速v=c/nv=c/n而nnvv2021/9/2160第二章电光信息转换上一张上一张章首章首下一张下一张结束结束节首节首目录目录入射直线入射直线偏光偏光xyzn液晶液晶偏光方向偏光方向=0=/4=/2图2.3.1-4入射直线偏光在液晶中偏光状态及偏光方向的变化偏光的状态及偏光的振动方向的变化2021/9/2161第二章电光信息转换上一张上一张章首章首下一张下一张结束结束节首节首目录目录三、三、扭曲向列型显示原理扭曲向列型显示原理在透明电极基板间充入10um厚的列向液晶，构成三明治结构，使液晶分子的长轴在基板间发生90度的连续扭曲，制成扭曲列向(TN)排列的液晶盒。这种液晶盒具有使平行偏振间的光遮断光遮断，而使垂直偏振片间的光透过光透过的功能。当对这种排列液晶施加电压时，使90度的旋光消失。与没有加电的情况相反。液晶盒具有使平行偏振间的光透过光透过，而使垂直偏振片间的光遮断光遮断的功能。2021/9/2162第二章电光信息转换上一张上一张章首章首下一张下一张结束结束节首节首目录目录三、三、扭曲向列型显示原理扭曲向列型显示原理1）图表示在垂直偏振片间设置TN排列液晶盒的场合，基于电气光学效应，TN型显示方式的原理。在这种情况下，不施加电压时使光透过，而施加电压时使光遮断。在平行偏振片间，这种光的透过或遮断关系是可逆的。目前广泛普及的LCD的一种就是基于这种TN方式，在白的背景下可以显示黑，在黑的背景下可以显示白。(a)未施加电压时入射光偏振片偏振片光透过TN排列盒入射光偏振片偏振片光遮断TN排列盒(b)施加电压时2021/9/2163第二章电光信息转换 2.3.2液晶显示器的构造液晶显示器的构造 图2.3.2-1为用于仪表数字显示的反射式TN型LCD的端面结构。图2.3.2-1反射式TN型LCD的端面结构 玻璃基板透明电极外周封接剂分子取向层偏振片偏振片分子取向层液晶透明电极玻璃基板反射板2021/9/2164第二章电光信息转换透透射射型型LCD需需要要附附加加背背面面照照明明光光源源。而而且且，对对于于彩彩色色显显示示LCD，一般要在透明电极与玻璃基板之间增设多色滤波器层。一般要在透明电极与玻璃基板之间增设多色滤波器层。透透明明电电极极基基板板可可以以采采用用涂涂覆覆有有氧氧化化铟铟及及氧氧化化锡锡透透明明导导电电膜膜的的玻玻璃璃板板、塑塑料料片片或或塑塑料料膜膜。一一般般要要求求其其透透光光率率在在90%以以上上，表表面面电电阻阻从从10到到数数百百欧欧姆姆。封封接接材材料料一一般般使使用用热热硬硬化化性性环环氧氧树树脂脂封封接接剂剂，但但对对可可靠靠性性要要求求特特别别高高的的场场合合，也也有有时时采采用用玻玻璃璃封封接接剂剂等等。大大部部分分LCD所所必必需需的的偏偏振振片片，是是用用碘碘及及二二色色性性染染料料染染色色的的延延伸伸聚聚乙乙烯烯醇醇膜膜与与醋醋酸酸纤纤维维素素保保护护膜膜做做成成的的夹夹层层结结构构，且且多多为为片片状状，其其透透光光率率为为40%50%，偏偏光光度度一一般般为为98%左左右右。而且，光反射板与偏振片往往做成一体结构。而且，光反射板与偏振片往往做成一体结构。2021/9/2165第二章电光信息转换2.3.3液晶显示器的驱动 一、各种驱动电极的结构一、各种驱动电极的结构 液晶显示器驱动用电极结构及其用途：液晶显示器驱动用电极结构及其用途：1、段电极，主要用于数字显示、模拟图形显示；、段电极，主要用于数字显示、模拟图形显示；2、固定图案电极，用于符号显示、图案显示；、固定图案电极