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段碼液晶顯示屏驅動原理 時間:2018-05-05 09:59:01 點擊數:787

一 、概述
 儀器儀表中常用的顯示器有兩種,一是發光二極管(LED),二是液晶顯示器(LCD)。這兩種顯示器成本低廉,配置靈活,與單片機接口方便,而后者驅動電流小,功耗低、壽命長、字形美觀、顯示清晰、視角大、驅動方式靈活、應用廣泛【1】。但在控制上LCD較復雜,因為LCD電極之間的相對電壓直流平均值必須為0【2】,否則易引起LCD氧化,因此LCD不能簡單地用電平信號控制,而要用一定波形的方波序列來控制。LCD顯示有靜態和時分割兩種方
式,前者簡單,但是需要較多的口線;后者復雜,但所需口線較少,這兩種方式由電極引線的選擇方式確定。下面以電子表的液晶顯示為例,其顯示面板如圖(1)所示,小時的高位同時滅或亮,分鐘的高位在顯示數碼1~5時,其頂部和底部也是同時滅或亮,兩個dot點也是同時亮或滅,其驅動方式是偏置比為1/2的時分割驅動,共有11個段電極和兩個公共電極。

圖(1)
二 、LCD的顯示原理
一般物質可分為氣體,液體及固體。但有些物質的特性不屬于這3種,液晶就是其中的一種,它不是完全的液體,也不是完全的固體。它能像液體般流動,又具有固體狀的結晶。在自然狀態下,液晶分子放置于很細的凹曹內,液晶分子會依照凹槽方向排列【3】。LCD顯示器就是利用液晶的這些性質工作的。在LCD顯示器的上下兩電極間加有液晶材料,液晶分子呈平行排列,具有旋光性,平時呈透明態,當上下電極間加上一定電壓時,液晶分子轉成垂直排列,失去旋光性而呈黑色【4】。為了防止液晶氧化,要求LCD電極之間的相對電壓直流平均值必須為零【1】,因此LCD不能簡單用電平信號驅動,而要用一定的方波序列來驅動。其驅動波形是很講究的,以偏置比為1/2的時分割方式為例。 圖(2)示出了欲使某一筆畫亮或不亮在段極和公共電極上應該產生的波形。從圖(2)中可以看出,B1與COM2的波形方向,所以B1亮;B3與COM1的波形同向,所以B3滅【5】。(其中,B1和B3共用一個SEG端口)

圖(2)
一般COM端口的波形總是固定的,對動態1/2時分割方式,COM1和COM2端的波形是反相的,要控制各筆畫的顯示與熄滅,就必須在相應電極上產生合適的波形。波形的實現有如下特點:1)、兩根公共電極上看出,兩根公共電極有3種電平,它們分別是0V,1.5V和3V三種電壓;2)、兩根公共電極COM1和COM2波形是方向的;3)、公共電極和段碼的驅動波形的周期是相同的,其中公共電極每個周期變化4次,段碼每個周期變化兩次,是方波信號。因為公共電極的驅動波形的特點,在業界,大都采用單片機和相應的軟件來產生公共電極的驅動波形,而對于ASIC的設計來說,如果采用上述方法,就占用了很大的芯片面積,增加了成本。因此,本文將要介紹一種實用的數字和模擬電路作為段碼式LCD的驅動 。
三 、LCD顯示驅動電路設計
1. COM1和COM2波形產生電路
設計要點:正如在顯示原理部分所述,兩個公共電極的波形是固定的,它有3種電平,分別是0V,1.5V,3V,每個周期變化4次,COM1和COM2的波形是方向的。圖(3)給出了解決方案,該電路由NMOS管和3態控制門構成,DA的頻率是d3的2倍,其中NMOS管接1.5V電壓,3態門用3V電壓,這樣就能夠產生每個周期變化4次,有3種電平的固定公共電極波形。為了能夠被人眼識別,d3的頻率采用了10Hz,由該電路產生的HSPICE波形如圖(3-1)所示(用1.5V電源供電,3V的電壓由外圍的倍壓電路產生)。達到這樣的設計要求,圖(3)中,N管的W/L=28uM/4uM,3態門的兩個P管的W/L=8uM/3uM,兩個N管的W/L=4uM/3uM。

圖(3)

圖 (3 -1)
2. SEG口電路和波形
技術要點:11個段極和2個公共電極共同驅動電子表的顯示,段極和公共電極周期要保持相同。其解決方案如圖(4)所示,圖 (4)是段極驅動電路,它是由一個異或門和一個非門電路搭成,為了讓公共電極和段極周期保持一致,輸入信號d3和COM電路中的d3是同一個信號,都是頻率為10Hz的周期方波;D1的信號是由譯碼電路產生,它決定電子表顯示數碼譯碼,產生的結果由三種類型,恒為高電平1,恒為電平0,周期方波(其頻率為d3的2倍,周期為其1/2),圖 (4-1),圖( 4-2),圖( 4-3)分別是上面3種情況對應的verilog_xl產生的波形。SEG口就是用數字電路來實現的,對于晶體管的尺寸沒有要求。

圖(4)

從公共電極和段碼電極的仿真波形可以看出,設計的電路符合液晶顯示原理的要求,公共電極每個周期變化4次和3種不同的電平,公共電極和段極的周期要保持一致,欲使某一筆劃亮或者不亮,則段極(SEG)和(COM)口要滿足一定關系,其關系如下表所示:當SEG口和COM1口反相的時候,對應的段極亮,同相時,對應的段極滅。
四 、總結
   本文介紹的LCD驅動電路完全由硬件實現,而且由很少的晶體管搭建,設計精巧,它可以很好的集成在專用集成電路中,作為LCD的驅動電路LCD,這減少了成本,具有市場競爭優勢。這是和市場上其他由硬件和軟件共同實現LCD驅動不同的地方。我們已將該LCD驅動電路模塊集成在ASIC咖啡壺芯片中,該芯片已經完成了FPAG驗證和布局布線,并在上華進行MPW。

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