液晶平板彩电工作原理和设计.docx

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液晶平板彩电工作原理和设计

液晶平板彩电工作原理和设计

摘　要

关键词：

薄膜晶体管，液晶屏，液晶，平板显示显示技术，显示性能

Inrecentyearsthedevelopmentofdisplaytechnologyisveryfast,flatpaneldisplayhavingacompletelyflat,thin,light,energysavingfeatures,inlinewiththefuturedevelopmenttrendofimagedisplay.Currentlythemainstreamflat-paneldisplaycomprisesaliquidcrystalandplasma.Withthedevelopmentofdisplaytechnology,moreandmorenewproducts,newtechnologyappear,sothattheflatpaneldisplayperformanceoptimization.

AsTFT_LCDtechnologyisdevelopingrapidly,andithasexcellentperformancecharacteristicsoflarge-scaleproduction,highdegreeofautomation,low-costrawmaterialsaswellasmanyotheradvantages,whicharewidelyusedinmanyfields.Inthiscontext,thedrivingcircuitisalsoputforwardhigherrequirements.

KEYWORDS:

thin-flimtransistor,,liqulidcrystalflat，displaytechnology，displayperformance

第一章绪论

20世纪60年代，人们发现给液晶充电会改变它的分子排列，继而造成光线的扭曲或折射，由此引发了人们发明液晶显示设备的念头。

世界上第一台液晶显示设备出现在20世纪70年代初，被称之为TN-LCD（扭曲向列）液晶显示器。

尽管是单色显示，它仍被推广到了电子表、计算器等领域。

作为近几年才突然新兴起的新产品，液晶显示器已经基本取代笨重的CRT显示器成为现在主流的显示设备，在家庭、办公、商场、医院、政府机关单位应用领域的霸主地位，成为各大企业首选的标配产品。

液晶的分子有两项重要的特性；一是对光有很好的透过性；二是对电场非常敏感。

利用了这两项特性，研制出了液晶显示屏。

当一个长棒型的液晶分子由一端射入光线时，由于液晶分子有良好的透光性能，光线可以顺利的由另一端射出，当液晶分子在电场的作用下发生扭曲，则阻碍光线的通过。

此时，可以通过改变电场的强度达到控制液晶分子扭曲的角度，从而达到控制通过光线的强度的目的，也就是达到了在荧光屏上控制像素点亮度的目的。

液晶电视的显示屏是在两片具有导电特性的玻璃板之间充入一层液晶材料，即液晶分子，液晶分子具有加热时为液态，冷却时就结晶为固态的特性，当外界环境变化时，它的分子结构也会发生变化，从而就能实现通过或阻挡光线的目的。

由于被充入的液晶物体内含有超过200万个红、绿、蓝三色液晶光阀，当液晶光阀在低电驱动下激活后，位于液晶屏后的背光灯发出的光束从液晶屏通过，产生1024X768点阵（点距为0．297mm）和分辨率极高的图像。

同时，先进的电子控制技术使液晶光阀产生1677万（256×256×256）种R、G、B颜色变化，还原真实的亮度、色彩度，并再现纯真的图像。

这次设计主要介绍了液晶平板彩电的基本知识，主要研究有关液晶电视的工作原理与接口的用途及应用，并结合老式的CRT彩电的优缺点来引入到液晶电视中来。

并且通过对其原理、结构、组成的了解进一步加深对液晶电视认识，从而达到设计的目的。

由于液晶技术的不断成熟，在许多的方面又有新的技术不断涌现只有通过对现有电视的研究才能更好地理解和应用新的技术。

第2章液晶平板电视的概述

2.1液晶的知识

液晶由于其体积小、耗电省、无辐射、寿命长、防暴等其他类型显示设备无法比拟的特点。

因而是工控仪表、电设备等行业更新换代的理想显示器件。

液晶的物理特性：

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。

2.2液晶显示器的基础知识及发展现状

LCD为英文LiquidCrystalDisplay的缩写，即液晶显示器，是一种显示技术。

早在1888年，奥地利植物学家就发现了液晶，即液态的晶体。

这种物质同时具备了液体的流动性和类似晶体的某种排列特性。

在电场的作用下，液晶分子的排列会产生变化（称光电效应）。

如果对分子的排列加以适当的控制，液晶分子将会允许光线穿越。

利用液晶的电光效应（是指它的干涉、散射、衍射、旋光、吸收等受电场调制的光学现象），英国科学家在20世纪末制造了第一块液晶显示器即LCD。

在液晶板背后添加背光灯，背光在液晶后面发光，然后我们通过电路对液晶施加电场，液晶的分子排列发生相应改变，从液晶投射出的光线的亮度和色彩就会改变，这样就可以得到我们想要见到的图像。

液晶显示的三个特点：

1.液晶在直流电压作用下会发生电解作用，所以必须用交流驱动，并且限定交流成分中直流分量不大于几十毫伏。

2.液晶透光率的改变只与外加电压的有效值有关。

3.液晶单元是容性负载，正电压和负电压作用效果是一样的。

2.2.1LCD的主要技术参数

1对比度

LCD制造时选用的控制IC、滤光片和定向膜等配件，与面板的对比度有关，对一般用户而言，对比度能够达到350:

1就足够了，但在专业领域这样的对比度平还不能满足用户的需求。

相对CRT显示器轻易达到500：

1甚至更高的对比度而言，只有高档液晶显示器才能达到这样如此程度。

市场上三星、华硕、LG等一线品牌如今的LCD显示器均可以达到1000：

1对比度这一级别，但是对比度很难通过仪器准确测量。

2亮度

LCD是一种介于固态与液态之间的物质，本身是不能发光的，需借助要额外的光源才行。

因此，灯管数目关系着液晶显示器亮度。

最早的液晶显示器只有上下两个灯管，发展到现在，普及型的最低也是四灯，高端的是六灯。

四灯管设计分为三种摆放形式：

一种是四个边各有一个灯管，但缺点是中间会出现黑影，解决的方法就是由上到下四个灯管平排列的方式，最后一种是“U”型的摆放形式，其实是两灯变相产生的两根灯管。

六灯管设计实际使用的是三根灯管，厂商将三根灯管都弯成“U”型，然后平行放置，以达到六根灯管的效果。

3信号响应时间

响应时间指的是液晶显示器对于输入信号的反应速度，也就是液晶由暗转亮或由亮转暗的反应时间,通常是以毫秒（ms）为单位。

要说清这一点我们还要从人眼对动态图像的感知谈起。

人眼存在“视觉残留”的现象，高速运动的画面在人脑中会形成短暂的印象。

动画片、电影等一直到现在最新的游戏正是应用了视觉残留的原理，让一系列渐变的图像在人眼前快速连续显示，便形成动态的影像。

人能够接受的画面显示速度一般为每秒24张，这也是电影每秒24帧播放速度的由来，如果显示速度低于这一标准，人就会明显感到画面的停顿和不适。

按照这一指标计算，每张画面显示的时间需要小于40ms。

这样，对于液晶显示器来说，响应时间40ms就成了一道坎，低于40ms的显示器便会出现明显的画面闪烁现象，让人感觉眼花。

要是想让图像画面达到不闪的程度，则就最好要达到每秒60帧的速度。

4可视角度

LCD的可视角度：

当背光源通过偏振片、液晶和取向层之后，输出的光线便具有了方向性。

也就是说大多数光都是从屏幕中垂直射出来的，所以从某一个较大的角度观看液晶显示器时，便不能看到原本的颜色，甚至只能看到全白或全黑。

为了解决这个问题，制造厂商们也着手开发广角技术，到目前为止有三种比较流行的技术，分别是：

TN+FILM、IPS（IN-PLANE-SWITCHING）和MVA（MULTI-DOMAINVERTICALalignMENT）。

2.2.2LCD的分类

2.2.3LCD发展历程

近几年，由于液晶屏的关键技术不断取得突破和价格的不断下滑，液晶电视目前已经完全取代了CRT电视在家庭、办公、商场、医院、政府机关单位应用领域的霸主地位，成为各大企业首选的标配产品。

作为近几年才突然新兴起的新产品，液晶显示器已经全面取代笨重的CRT显示器成为现在主流的显示设备。

2.3液晶平板电视的基础知识

2.3.1平板电视的定义

液晶平板彩电专指外观为平板状可挂在墙上的电视，目前主要有液晶和等离子两种。

2.3.2电视机的发展历程—显示器件的发展

2.3.3电视清晰度的概念

从物理角度讲，清晰度是指图片、影像细节部位及其边界的清晰程度。

电视清晰度，是指电视机重现图像的清晰程度，如果不考虑视频编码传输系统，电视画面清晰度取决于摄像机和电视机。

摄像机一般使用分解力一词来衡量它“分解被摄景物细节”的能力，单位是“电视行（TVLine）”，也称线。

它会随CCD像素数的多少和视频带宽而变化，像素愈多、带宽愈宽，分解力就愈高。

电视机一般使用清晰度一词来衡量它“展现摄像机所记录景物细节”的能力，单位是“电视行（TVLine）”，也称线。

对于电视机来说，在显示屏同等面积情况下，线数越多，图像看起来就越清晰。

电视清晰度取决于显示屏的分辨率和扫描格式，显示屏的分辨率取决于制造材料和技术，扫描格式取决于人眼分辨力和电视信号传输带宽。

2.3.4液晶平板彩电的主要参数

1、液晶平板彩电的分辨率（resolution）：

是关乎面板显示图像格式的的重要指标。

通常我们所指的分辨率是指面板的物理分辨率，即画面显示的点数，是水平和垂直像素值，这个数值决定了液晶屏幕的清晰度。

2、像素：

像素是图像的最基本单位。

越高位的像素，所拥有的色板也就越丰富，越能表达颜色的真实感。

3、亮度：

液晶电视的亮度（Brightness）指的是屏幕亮度，单位是cd/m2或称nits，是液晶电视在白色画面之下可达到的最大明亮程度。

目前提高亮度的方法有两种：

一是提高LCD面板的光通过率，另一种就是增加背灯源的亮度。

4、对比度：

对比度则是屏幕上同一点最亮时（白色）与最暗时（黑色）的亮度比值，高的对比度意味着相对较高的亮度和呈现颜色的艳丽程度。

5、响应时间：

液晶电视的响应时间（responsetime）是液晶电视的一个重要性能指标，也叫响应速度，单位通常为毫秒（ms），指的是液晶电视各像素点对输入信号反应的速度，即像素由暗转亮或由亮转暗所需要的时间。

6、图像拖尾：

运动物体在静止背景下留下的残影，使物体的边界变得模糊，这种现象被称为运动图像的拖尾。

7、液晶电视的色彩数：

液晶电视的色彩数就是液晶电视最多可以显示多少种颜色的总数。

液晶电视的色彩数由两个方面因素决定：

一个是液晶面板可表现的色彩数，这是由面板的先天物理特性决定的，一个则是内部电路可处理的色彩数。

液晶电视的可视角度

8、液晶电视的可视角度（viewangle）也叫作视角范围，包括水平可视角度和垂直可视角度两个指标。

9、液晶电视的动态对比度：

所谓动态对比度，指的是液晶电视/显示器在某些特定情况下测得的对比度数值。

10、液晶电视的屏幕比例（AspectRatio），指的是液晶电视屏幕宽度和高度之比。

11、液晶电视的点距（pixelpitch）：

是指像素间距，即显示屏相邻两个像素点之间的距离。

我们看到的显示画面实际是由许多的点所形成的，而画质的细腻程度就是由点距来决定的，点距的计算方式是以面板尺寸除以像素值所得的数值。

12、液晶电视的屏幕尺寸是指液晶屏幕对角线的长度，单位为英寸。

目前市面常见机型的屏幕尺寸有19英寸、23英寸、26英寸、27英寸、32英寸、37英寸、40英寸、42英寸、46英寸、47英寸、52英寸及65英寸等。

2.4液晶电视的优缺点

5第三章液晶平板电视的工作原理

3.1液晶平板彩电的基本组成及结构3.1.1液晶平板彩电的简单结构

LCD屏是液晶电视的核心，主板（包括模拟信号和数字信号处理）是液晶电视电路的核心。

3.1.2LCD面板主要部件

配向膜：

将光线分配到对应的像素点上。

滤色玻璃：

将白光滤出对应的色彩。

偏光板：

改变光线方向。

导光板：

分散光线，使光线变得均匀。

电晶体：

产生电场。

背光灯：

产生白光。

3.1.3液晶彩电电路的基本组成

液晶彩电基本组成框图。

从可以看出，液晶彩电主要由高、中频处理电路（高频头、中频信号处理电路）、伴音电路（音频处理电路、音频功放电路）、视频处理电路、输入接口电路（AV／S接口、VGA／YPbPr／DVI／HMI接口）、视频解码电路、去隔行处理电路（DeInterlacer）、图像缩放电路（Scaler）、帧存储器、液晶面板接口电路、微控制器电路（MCU、EEPROM数据存储器、FlashROM程序存储器、按

键电路、遥控接收电路等）、电源电路（开关电源和DC-DC变换器）、高压板（逆变电路）以及液晶面板等组成。

1、高、中频处理电路

液晶彩电中，高频头的作用是：

将接收的RF信号转换成中频信号，送到中频信号处理电路，经解调后，输出视频全电视信号（CVBS）和第二伴音中频信号SIF，或直接输出视频全电视信号CVBS和音频信号AUDIO。

2、伴音电路

伴音电路主要由音频处理电路和音频功放电路组成。

其作用是：

将接收到的第二伴音中频信号进行解调、音效处理、功率放大，驱动扬声器发出声音。

3、输入接口电路

液晶彩电一般设有多个接口电路，如：

有线电视接口、AV端子--普通音视频接口、HDMI数字电视直通车、电脑接口，包括VGA---XGA、DVI接口，早期数字电视接口、USB多媒体视频接口、S端子--Y/C分离接口、色差分量接口等。

输入接口是外部设备与液晶彩电信号传输的桥梁。

4、视频解码电路

视频解码电路的作用是：

将接收到的视频全电视信号进行解码，解调出亮度/色度（Y／C信号、亮度／色差分量信号YUV或RGB）信号。

视频解码可分为模拟解码和数字解码两种类型。

少数液晶彩电采用模拟解码芯片（如OM8838、TBl261、TBl274AF、LA76930、TDAl50XX系列等）进行解码，大多数液晶彩电采用数字解码芯片（如SAA711X系列、VCT49XY系列、VPC3230等）进行解码。

5、去隔行处理

去隔行处理（DeIntercaler）电路也称隔行—逐行变换电路。

其作用是：

将隔行扫描的图像信号，变换为逐行扫描的图像信号，送到“Scaler”（图像缩放）电路。

6、图像缩放（Scaler）电路

图像缩放电路也称“Scaler”电路，一般由一块大规模集成电路组成。

用以对去隔行处理电路输出的数字图像信号进行缩放处理、画质增强处理等，再经输出接口电路送至液晶面板。

7、液晶板接口电路

液晶面板与主板接口有：

TTL、LVDS、RSDS、TMDS和TCON五种接口，其中，TTL和LVDS接口比较常用。

TTL接口是一种并行总线接口，用来驱动TTL液晶面板。

LVDS（低压差信号）是一种串行总线接口，用来驱动LVDS液晶面板。

与TTL接口相比，串行接口有更高的传输率，更低的电磁辐射和电磁干扰，并且需要的数据传输线也比并行接口少很多，所以LVDS接口在液晶彩电中应用十分广泛。

8、微控制器电路

微控制器电路主要包括：

MCU（微控制器）、数据存储器（EEPROM）、程序存储器（FlashROM）、按键电路以及遥控接收电路等。

其中，MCU是液晶彩电的控制中心，用来对接收按键信号、遥控信号进行译码，然后再对相关电路进行控制，以完成指定的功能操作。

数据存储器用于存储彩电的设备数据和运行中所需的数据，程序存储器则用来存储整机运行所需的程序。

目前，很多液晶彩电将MCU集成在Scaler芯片中，因此，在这些液晶彩电的主板上，是看不到MCU的。

9、电源电路

液晶彩电的电源电路分为开关电源和DC-DC变换器两部分。

其中，开关电源用于将市电（交流220V）转换成12V、24V、5V等直流电源；DC-DC直流变换器用以将开关电源产生的直流电压（如12V）转换成5V、3.3V、2.5V、1.8V等电压，供给整机小信号处理电路使用。

目前，液晶彩电的开关电源主要有两种安装形式：

一种是采用外部电源适配器（Adapter）。

这样，输入到液晶彩电的电压就是电源适配器输出的直流电压，小屏幕液晶彩电的开关电源常采用电源适配器；另一种是在液晶彩电内部专设一块开关电源板，即所谓的内接方式。

在这种方式下，液晶彩电输入的是交流220V电压，大屏幕液晶彩电一般都采用这种安装方式。

DC-DC变换器也有多种安装方式：

①安装在主板中，这种安装方式比较常见；

②和开关电源部分安装在一起（开关电源采用机内型）；

③分散安装方式，即开关电源板安装一部分DC-DC变换器，主板上安装另一部分DC-DC变换器。

10、高压板电路

高压板电路也称逆变电路或逆变器。

其作用是：

将开关电源输出的低压直流电压（一般为24V或12V）转变为液晶面板（Panel）所需的高频、高压交流电，点亮面板背光灯。

11.液晶面板（Panel）部分

①液晶面板是液晶彩电的核心部件。

②最后需要强调的是：

液晶彩电的电路结构和CRT彩电一样，也经历了多片集成电路→单片集成电路→超级芯片的发展过程。

例如，早期的液晶彩电，视频解码、去隔行处理、Scaler和MCU电路均采用独立的集成电路；现在生产的液晶彩电，则大多将去隔行电路、Scaler电路集成在一起，有的甚至将MCU电路、视频解码等电路也集成进来，成为一片真正的“全功能超级芯片”。

3.2液晶平板电视的工作原理

3.2.1液晶工作原理

LCD电视的原理框图如下图3-2-1所示，主要由以下几个部分组成：

1.普通模拟电视信号处理模块。

该模块与普通电视机中的电视信号处理部分功能相同，其可接受多种输入信号格式，如RF电视射频信号、CVBS复合电视信号、S-Video信号、色差分量信号等。

RF电视射频信号的接收一般使用一体化二合一高频头进行处理，处理后可直接输出复合电视信号和解调的伴音信号。

同时，高频头也可输出第二伴音中频信号SIF提供给带丽音解码的机型使用。

高频头输出的复合电视信号经视频解码IC处理后，输出模拟YUV（或RGB）信号及行场同步信号供数字板进行处理使用。

2.模拟信号/数字信号转换模块。

该模块把三通道模拟YUV（或RGB）信号，通过AD转换器处理后，转变为24路数字YUV（或RGB）信号提供给逐行处理板使用。

3.隔行/逐行转换模块。

该模块把隔行格式的数字YUV（或RGB）信号进行逐行处理后输出一标准逐行格式的数字YUV（或RGB）信号。

4.模拟VGA/数字VGA信号转换模块。

该模块主要用把PC输出的标准模拟VGA视频信号转变成24位的并行数字VGA视频信号。

5.DVI串行/并行转换模块。

这部分的功能主要由DVI接收器来实现。

其接收PC输出的标准串行数字视频DVI信号，然后将其转变为24位（或48位）并行数字视频信号。

6.LCD图像处理模块（SCALER）。

该模块的核心是一个高性能的平板图像处理器，可对前端进来的多种格式数字视频信号进行处理，输出平板显示模块可接受的平板图像显示数据格式。

其主要功能有：

数字色度亮度处理、彩色γ校正、图像大小缩放、画质改善、运动补偿、边缘平滑等。

7.DVI并行/串行转换模块。

这部分的功能主要由DVI发送器来实现。

其接收平板图像处理器输出的24位（或48位）平板图像显示数据，然后将其转变为DVI标准的串行输出数据格式，直接连接带DVI输入接口的LCD显示模块。

8.LCD显示模块。

该模块是LCD-TV的显示终端，其接收平板图像处理器输出的平板图像显示数据（或DVI格式的平板图像显示数据，与LCD显示模块的输入接口有关），经内部时序控制电路转换后驱动LCD屏显示出正确的视频图像。

9.CPU模块。

提供人机接口及对电路的各个功能模块进行功能设置和控制。

10.供电模块。

对电源接口输入的12V和24V直流电进行DC/DC转换后，提供系统需要的各种不同电压。

RF电视信号、CVBS复合电视信号、S-Video信号、色差分量信号等经模拟电视信号处理模块处理后，形成模拟Y、U、V（或R、G、B）信号及行场同步信号给模拟信号／数字信号转换模块进行A／D转换，成为24位数字Y、U、V（或R、G、B）信号。

该信号再经隔行／逐行转换处理，形成标准逐行格式的数字Y、U、V（或R、G、B）信号，从VGA接口输入的AGA视频信号，经模拟VGA／数字VGA信号转换成24位VGA视频信号供LCD图像信号处理模块用。

从DVI接口输入的VGA视频信号，经DVI串行／并行转换后，形成24位（或48位）并行数字视频信号，供LCD图像信号处理模块用。

同时，经隔行／逐行转换后形成的逐行格式的数字Y、U、V（或R、G、B）信号也输入LED图像信号处理模块。

这三种信号经LCD图像信号处理模块处理后，形成平板显示模块可接收的平板图像显示数据格式，经DVI接口送人LCD显示模块。

LCD显示模块是LCD-TV的显示终端，将其接收到的平板显示数据，经内部时序控制电路转换后，驱动LED显示出正确的视频图像。

3.3TFT液晶彩电工作原理

3.3.1TFT液晶彩电显示原理

液晶是分子排布或指向具有某种规律、介于固体与液体之间，具有规则性分子排列的有机化合物。

它具有液体的流动性和晶体的双折射性，并且在电场的作用下会改变其分子排列。

液晶的特点是构成液晶的分子指向有规律，而分子之间的相对位置无规律，前者使液晶具有晶体才具有的各向异性，后者使之具有液体才具有的流动性。

TFT_LCD液晶显示器的显像原理是采用“背透式”照射方式。

当光源照射时，先通过下偏光板向上透出，借助液晶分子来传导光线。

由于上下火层的电极为TFT电极和公共电极，在TFT电极导通时，液晶分子的排列状态同样会发生改变，也通过遮光和透光来达到显示的目的。

但不同的是，由于TFT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TFT电极下一次再加电改变其排列方式为止。

从电子学角度阐述液晶显示器件的显示原理为:

在外加电场的作用下具有偶极矩的液晶棒状分子在排列状态上发生变化，使得通过液晶显示器件的光被调制，从而呈现或明或暗、透过与不透过的显示效果。

液晶显示器件中的每个显示像素都可以单独被电场控制，不同的显示像素按照驱动信号的控制在显示屏上合成各种图像，液晶显示驱动的功能就是建立这种电场。

3.3.2TFT元件的结构

在TFT-LCD中，TFT的功能就是电气开关。

图3-3-2表示了TFT元件的平面图和截面图。

它是三端器件，一般在玻璃基板上设有半导体层，在其两端有与