LCD驱动方式图解.docx

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LCD驱动方式图解

LCD驱动方式图解

2006-4-10

一、静态驱动

基本思想:

在相对应的一对电极间连续外加电场或不外加电场。

如图1所示；驱动电路原理:

如图2所示：

驱动波形：

根据此电信号，笔段波形不是与公用波形同相就是反相。

同相时液晶上无电场，LCD处于非选通状态。

反相时，液晶上施加了一矩形波。

当矩形波的电压比液晶阈值高很多时，LCD处于选通状态。

二、多路驱动

基本思想：

电极沿X、Y方向排列成矩阵（如图4），按顺序给X电极施加选通波形，给Y电极施加与X电极同步的选通或非选通波形，如此周而复始。

通过此操作，X、Y电极交点的相素可以是独立的选态或非选态。

图4、电极阵列

驱动X电极从第一行到最后一行所需时间为帧周期Tf（频率为帧频），驱动每一行所用时间Tr与帧周期的比值为占空比：

Duty=Tr/Tf=1/N。

电压平均化：

从多路驱动的基本思想可以看出，不仅选通相素上施加有电压，非选通相素上也施加了电压。

非选通时波形电压与选通时波形电压之比为偏压比Bias=1/a。

为了使选通相素之间及非选通相素之间显示状态一致，必须要求选点电压Von一致，非选点电压Voff一致。

为了使相素在选通电压作用下被选通；而在非选通电压作用下不选通，必须要求LCD的光电性能有阈值特性，且越陡越好。

但由于材料和模式的限制，LCD电光曲线陡度总是有限的。

因而反过来要求Von、Voff拉得越开越好，即Von/Voff越大越好。

经理论计算，当Duty、Bias满足以下关系时，Von/Voff取极大值。

满足以下公式的a，即为驱动路数为N的最佳偏压值。

公式：

。

LCD的动态驱动法

2006-3-14

摘要：

本文以点阵式液晶显示器为例对其动态驱动法作以介绍，给出了一种克服交叉效应的办法。

最后，给出了一款利用动态驱动法驱动码段式液晶显示器的实例。

关键词：

液晶显示器具 动态驱动法 交叉效应

液晶的显示是由于在显示像素上施加了电场，这个电场是显示像素前后两电极上的电位信号的合成。

由于直流电场容易使液晶的寿命降低，因此，一般都只建立直流成分非常小的交流电场。

直流分量通常小于50mV。

液晶显示器的驱动通过调整施加在液晶显示器电极上的电位信号的相位、峰值、频率等建立驱动电场以实现显示。

液晶显示器的驱动方法有：

静态驱动法、动态驱动法、双频驱动法等。

本文仅就目前应用最广泛的动态驱动法加以说明。

动态驱动法

当液晶显示器显示的像素众多时，如点阵型，为了节省庞大的硬件驱动电路，液晶显示器电极的制作与排列做了加工，实施了矩阵式结构：

即把水平一组显示像素的背电极都连在一起引出，称之为行电极；把纵向显示像素的段电极都连在一起引出，称之为列电极。

显示器上每个像素都由其所在行列位唯一确定。

液晶显示器的动态驱动法就是循环地给行电极施加选择脉冲，同时给所有的列电极加上响应的选择或非选择的驱动脉冲，从而实现某行所有像素的显示功能。

这种扫描是逐行顺序进行的，循环周期很短，使得液晶屏上呈现出稳定的图像。

在一帧中每行的选择时间是相等的。

假设一帧的扫描行数为N，扫描时间为1，那么一行所占有选择时间为一帧时间的1/N。

这就是液晶显示驱动的占空比系数，也称为占空比。

克服交叉效应

在动态驱动方式下，要使某一位置如（i，j）点显示，就需在第i列和第j行上同时施加选择电压，使该点的变电场强最大，但此时除（i，j）点外，第i列和第j行的其余各点也承受了一定电压，这些点称为半选择点。

若半选择点上的有效电压大于阈值电压时，在屏幕上将出现不应有的显示，使对比度下降，这就是交叉效应。

解决交叉效应的办法是平均电压法，即把半选择点与非选择点的电压平均，适度提高非选择点的电压来抵消半选择点上的一部分电压，使半选择点上的电压下降，从而提高显示对比度。

现以图1说明之：

图1中选择点为（SEG1，COM2），以下简称为（1，2）。

现第2行施加V1电压，其余各行电压0V；第一列施加-V2电压，其余均为非选择电压1/a'V1。

接下来分析各点的电位差，即行电压减去列电压。

选择点：

（1，2）：

V1+V2

半选择点：

（1，1），（1，3），（1，4）：

V2（2，2），（3，2），（4，2）；V1-1/a’V1

非选择点：

-1/a'V1

为保证选择点的显示效果，使V1+V2=VLCD保持在所需的电压值VLCD。

同时为了提高显示的对比度，令|V2|=|-1/a'V1|，即：

解之：

令：

a'+1=a，得：

于是，图1中各点电压为：

选择点：

（1，2）：

VLCD

半选择点：

（1，1），（1，3），（1，4）：

（1/a）VLCD（2，2），（3，2），（4，2）：

[（a-2）/a]VLCD

非选择点：

-（1/a）VLCD

可见，行半选择点和非选择点上的电压均为显示电压VLCD的1/a。

这1/a就称为偏压系数，也称为偏压。

此方法称为1/a偏压的平均电压法，简称为1/a偏压法。

在这种方法中，MAX{[（A-2）/a]VLCD，（1/a）VLCD}将成为调整显示对比度的尺度。

当扫描行数N=1时，动态驱动法就等于静态驱动法。

动态驱动法的应用实例

笔者在进行酒精浓度检测仪显示方式的选择过程中，通过多方调研考察，最终选用了香港精电公司生产的VM807-2型8位码段型（7段）液晶显示器。

这除了因为液晶显示器耗电极微之外，还因为我们采用的MCU（PIC16C924）本身已具有LCD的驱动能力，因而，不论从降低成本考虑还是从简化电路方面考虑，这样的选择无疑是比较合理的。

下面我们将针对MCU中LCD模块的具体运用加以说明。

LCD模块的配置

1、对LCDCON寄存器的配置

LCDCON寄存器如图2所示：

其中：

LCDEN：

LCD模块使能；SLPEN：

休眠模式使能；VGEN：

内部电压产生使能；CS1：

CS0：

LCD时钟选择位，“00”=Fosc/256，Fosc=4MHz；LMUX1：

LUMX2：

公共端数目与偏置选择，“10”=3公共端，1/3偏置。

我采用的配置码为：

10000010。

对LCDPS寄存器的配置

LCDPS寄存器如图3所示：

其中：

LP3：

LP0帧时钟分频选择位

我采用的配置码为：

***0011，其中“*”代表“0”或“1”。

依据帧频率计算公式，帧频率为：

Clocksource/96（LP3:

LP1+1）

=4×106/96×（3+1）×256

=40.69Hz

2、像素控制

像素由像素寄存器的第一个状态位唯一确定。

LCD模块共有16个像素寄存器，最多可控制4×29=116个像素。

我们采用的LCD共有8×8=64个像素。

因此，像素数据寄存器是足够用了。

LCD的像素数据寄存器如图4所示：

位7：

位0：

SEGSCOMC表示控制像素数据的段码和公共端数。

其中，下标“S”表示“0～32”个段码，下标“C”表示“1～4”个公共端。

寄存器位为“1”表示打开像素（黑）；寄存器位为“0”表示关闭像素（亮）。

3、段码使能

段码的使能通过LCDSE寄存器来实现。

因为VIM807-2是8位7段显示器，而我们选择的是1/3占空比（即3个公共端），因此，通过LCDSE寄存器必须选择3×8=24段才能满足需要，即表达完全部的码段像素。

当然会有多余，8×9=72，因为每3公共端和3段可以表达9个像素。

公共端和段选择方式如图5所示。

LCDSE寄存器如图6所示：

各位所代表的意义分别是位数、引脚功能、3COM时管脚控制段数以及选择的控制段。

根据上述，LCDSE的控制码为：

00111011。

4、LCD驱动电压的产生

LCD驱动电压的产生有两种办法，内部充电泵法或者外部梯形电阻网络法。

由于LCD充电泵正处在发展中，为了使设计风险减小，我们采用较为成熟的外部梯形电阻网络法。

使用外部梯形电阻网络时，VGEN（LCDCON<4>）应清零。

5、LCD模块配置程序

……

MAINBCFSTATUS，PRO

BSFSTATUS，RP1

MOVLW0X82

MOVWFLCDCON

}

MOVLW0X03

MOVMFLCDPS

MOVLW0X3B

MOVWFLCDSE

液晶显示模块设计中应注意的几个问题

2006-3-13

随着信息产业的迅速发展，作为信息显示终端之一的LCD器件也得到了空前的发展。

在FPD（Flatpaneldisplay）器件中，LCD以其轻、薄、小、耗电低等优点而一枝独秀。

为LCD配置了驱动电路，就形成了液晶显示模块LCM（LiquidCrystalModule）。

它的基本组成部件除了LCD、驱动电路外一般还有连接件、背光源等。

液晶显示模块同一个系统中的其他电路一样，有简单的接口，并提供了丰富的控制显示的指令系统。

为整机的开发节约了时间。

下面讨论LCM设计中的应注意的几个问题及解决方法。

对比度

对比度是描述一个显示器件在显示时前景（如显示的文字、图形等）和背景之间明暗差别大小的一个量。

以正性液晶显示器件为例，对比度公式如下：

Cr=（N1/N2）×100%

Cr是对比度，N1是像素点未显示时的光线透过率，N2是像素点显示时的光线透过率。

对比度越大，显示就越清楚，反之，则显示暗淡不清。

LCD的对比度与其自身的特性关系较大，如电光特性曲线的陡度等。

从电路驱动的角度来讲对比度的控制主要受下面几个参数的影响。

●偏压电路

设IC的驱动路数为N，那么驱动波形的占空比D和偏压B为：

以HITACHI的驱动芯片HD61203为例，驱动LCD的最大路数为64，即占空比为D=1/64，那么偏压比B=1/9，如图1所示，偏压电路中R2的取值应是R1的5倍，R2=5R1。

例如R1=1k，则R2=5R1=5k。

当芯片的驱动路数大于64个时，芯片的工作频率也会相应提高，同时偏压电阻也会因为偏压比的增大而提高阻值。

这样就不可避免地使偏压电路的几个输出端V1、V2等的驱动能力下降，这就对LCD的驱动带来了负面影响。

为了解决高路数屏的驱动问题，在偏压电路的设计上，应当提高V1、V2等输出端的驱动能力。

在图1中，在各输出端增加了运算放大器LM324。

LM324是一个具有四运放的可使用正负电源工作的运算放大器。

它的每一个运放都接成电压跟随器的形式，使得V1、V2等输出端的驱动能力大大增强，可以大大改善LCD的对比度。

电路中的Rc为10～20kΩ的可变电阻，在模块对外部的接口处引出，可以随时调整显示的对比度。

●驱动波形的改善

由于一般的模块电路设计相对简单，无须进行电磁干扰分析。

但在高占空比产品中，用示波器可以发现芯片的输出波形往往会变得较差，这对显示的对比度也有一定程度的影响。

为了改变这种情况，可以在偏压电路的每个电阻上并联一个0.1μF的电容，可改善输出波形。

以输出B形波的芯片的COM线为例。

在没有加电容之前选择点和半选点的电压波形都有畸变，畸变严重时会造成串扰影响显示对比度，波形如图2所示。

增加电容后，波形会得到很大的改善，波形如图3所示。

●工作频率问题

在实际调试一款显示容量为128×64点阵显示的模块样品时，发现模块在隔行显示时，显示明显变淡，对比度极差。

经分析后认为，有两种办法可以解决。

一是调整模块的RC振荡电路，降低R的阻值，使振荡频率由原来的47kHz下降为20kHz；二是在偏压电路部分加入驱动电路（如前所述）。

两种办法都达到了预期效果。

但第一种办法由于降低了模块的工作频率，因而会使显示的祯频也随之降低，这就造成了LCD整屏显示时会象电视画面一样产生的闪烁现象，这种现象在荧光灯下观察更容易发现，不过在自然光线或白炽灯下显示效果还算理想，在实际调试时可以根据实际情况，选择合适的电阻值；第二种办法会增加产品的成本。

●液晶显示屏设计中应注意的问题

液晶显示屏是由具有透明电极的ITO玻璃和液晶、偏振片等材料组成的。

从电路的角度来讲，LCD上ITO走线电阻的大小对显示对比度有很大的影响。

LCD的一个近似等效电路如图4所示。

其中R1表示从LCD电极到LCD像素点的ITO电阻；R2表示LCD像素点的等效直流电阻；C表示该像素点的等效电容。

要实现良好的对比度，应该降低R1，增大R2，同时使C的容抗也尽量增加，这样才会使这条支路上的电压大部分降在LCD的像素点上，下面分别讨论这几个参数的情况。

一般情况下，C通常为每平方厘米几个皮法。

在LCD驱动波形的频率较高时，C的容抗变小，电流将增加，这会使IC驱动波形的幅值被拉低，造成液晶分子不能在驱动电压的作用下很好地“立起”或“倒下”，使得它对光线的调制能力减弱而使对比度变差。

在频率不变的前提下，要减小C值使回路阻抗增大，以降低LCD自身功耗对IC驱动能力的影响。

根据平板电容器的电容公式：

C=s/4πkd（C是介电常数；s是平行板的正对面积；k是静电系恒量；π是常数）

电容的大小，主要受两方面的影响，一是象素点的面积S；二是上下两片玻璃ITO之间的距离d。

由于象素点的大小已经由客户确定，不能改变，要减小C值只能在d上考虑，但由于生产工艺的原因，d的可调范围很小，一般只有几个微米。

因此C调整将非常有限。

那么剩下的两个参数中的R2，其阻值的大小主要是由液晶纯度决定的。

液晶越纯，其中的自由离子就越少，等效直流电阻就会越大，因此在LCD的生产中注意环境的净化程度，保证各环节不会受到污染，从而保证液晶的纯度，使R2最大。

至于R1，对于设计人员来说，要在设计过程尽量减小R1却是相对容易的，这也是所讨论的这几个参数中最容易调节和有效的。

下面将说明如何在设计中减小ITO的走线电阻R1，示意图如图5。

描述ITO电阻的一个主要参数是方块电阻R□。

R□是ITO玻璃生产商提供的一个参数，小到十几欧姆，大到一百几十欧姆。

其大小与ITO材质的电阻率和ITO膜的厚度有关。

在R□一定的条件下，一段ITO走线电阻的大小是由走线长度和线宽决定的。

一段长为L，宽为d的ITO走线的电阻计算方法为，R=H（L/d）R□

例如，已知R□=30Ω/□，长L1=40mm，L2=30mm，宽d1=0.5mm，d2=0.4mm，那么这段ITO走线的电阻R1=（L1/d1+L2/d2）R□=（40/0.5+30/0.4）×30=4.65kΩ。

从电阻的计算公式可以看出，在R□一定的前提下，要减小走线电阻R1，只能缩短ITO的走线长度L和增加ITO走线的宽度d。

在设计LCD的布线时，应格外注意这一点，以使整段ITO走线的电阻尽量小，这在COG（ChiponGlass）类液晶显示模块产品的设计中至关重要。

另外，在缩短走线长度L和增加线宽d的同时，应注意整个屏上ITO走线的电阻分布情况。

一般来说，L比较大的，相应地d也要大，对于每一条ITO走线都要保证公式中L/d是一个基本不变的量，从而使R分布的尽量均匀，这也有助于改善整个屏的对比度。

●背光源

由于液晶显示器是靠反射光线进行显示的器件，因此在环境光线较弱时，就需要有光源来使显示变得清晰。

这就产生了液晶显示的采光技术。

从目前背光源的类型来看，一般分为LED型、EL型和CCFL型。

下面简单介绍这三种背光源各自的特点和选用原则。

LED背光源具有工作电压低、亮度高、使用寿命长的优点，发光颜色也有多种，但工作电流较大。

一般一支LED典型的工作电压是2.1V，电流约10mA左右。

在背光源的实际电路中，是把两支LED串联使用，使工作电压接近数字电路的工作电压5.0V。

在显示面积较大的情况下，需要把很多LED串联后再并联起来，需要很大的电流。

例如，一个发光面积为80.0mm×30.0mm的LED背光源就需要24对LED并联到一起，工作电流将达到240mA。

这样大的电流对于功耗要求严格的系统来说是不允许的。

为了降低电流，可以使用侧部发光的背光源。

这种背光源是在导光板的侧部安装了LED的背光源，具有光线均匀、电流低、体积小的优点。

EL背光源是通过交变电场激发在两片透明电极中间的荧光粉发光而制成的，最大的特点是特别薄，厚度一般不超过0.8mm，而且发光均匀。

缺点是需要较高交流电压来驱动（AC100V，400Hz）、寿命短。

功耗一般为每平方厘米几个毫瓦，亮度为每平方米几十坎德拉。

发光颜色有天蓝色、绿色、黄色等多种颜色，实际使用时，需要专门的驱动器。

CCFL背光源是这三种背光源中亮度最高的，可达到每平方米几千坎德拉。

工作电压是1000V左右的交流电，在实际使用中也需要配置专门的驱动电路。

一般在显示面积较大时采用这种类型的背光源，如笔记本电脑等。

总的来说，这三种背光源性能各有千秋，在实际设计液晶显示模块时可根据具体情况选择合适的光源类型。

人机界面中的LCD控制驱动与接口设计

2006-5-15

引言

液晶显示，稳定可靠、成本低、功耗小、控制驱动方便、接口简单易用、模块化结构紧凑，在嵌入式系统中作为人机界面获得了广泛的应用。

近年来，国内许多厂商，如紫晶、冀雅、晶华、信利、蓬远等已经能够满足各种定制液晶显示的需求；很多著名半导体厂商，如Hitachi、SeikoEpson、Toshiba、Holtek、Solomon、Samsung等相继推出了许多控制驱动器件。

本文以现有的控制驱动器件和液晶显示器如何构成各种结构紧凑、成本低廉、简单易用、性能优良的嵌入式人机界面的设计进行综合阐述。

1液晶显示及其控制驱动与接口概述

液晶显示LCD（LiquidCrystalDisplay），是利用液晶材料在电场作用下发生位置变化而遮蔽/通透光线的性能制作成的一种重要平板显示器件。

通常使用的LCD器件有TN型（TwistNematic，扭曲向列型液晶）、STN型（SuperTN，超扭曲向列型液晶）和TFT型（ThinFilmTransistor，薄膜晶体管型液晶）。

TN、STN、TFT型液晶，性能依次增强，制作成本也随之增加。

TN和STN型常用作单色LCD。

STN型可以设计成单色多级灰度LCD和伪彩色LCD，TFT型常用作真彩色LCD。

TN和STN型LCD，不能做成大面积LCD，其颜色数在218种以下。

218种颜色以下的称为伪色彩，218种及其以上颜色的称为真彩色。

TFT型可以实现大面积LCD真彩显示，其像素点可以做成0.3mm左右。

TFT-LCD技术日趋成熟，长期困扰的难题己获解决：

视角达170°，亮度达500cd/m2（500尼特），显示器尺寸达101.6cm（40in），变化速度达60帧/s。

进行LCD设计主要是LCD的控制/驱动和与外界的接口设计。

控制主要是通过接口与外界通信、管理内/外显示RAM，控制驱动器，分配显示数据；驱动主要是根据控制器要求，驱动LCD进行显示。

控制器还常含有内部ASCII字符库，或可外扩的大容量汉字库。

小规模LCD设计，常选用一体化控制/驱动器；中大规模的LCD设计，常选用若干个控制器、驱动器，并外扩适当的显示RAM、自制字符RAM或ROM字库。

控制与驱动器大多采用低压微功耗器件。

与外界的接口主要用于LCD控制，通常是可连接单片机MCU的8/16位PPI并口或若干控制线的SPI串口。

显示RAM除部分Samsung器件需用自刷新动态SDRAM外，大多公司器件都用静态SRAM。

嵌入式人机界面中常用的LCD类型及其典型控制/驱动器件与接口如下：

段式LCD，如HT1621（控/驱）、128点显示、4线SPI接口；字符型LCD，如HD44780U（控/驱）、2行×8字符显示、4/8位PPI接口；单色点阵LCD，如SED1520（控/驱）、61段×16行点阵显示、8位PPI接口，又如T6963C（控）+T6A39（列驱）+T6A40（行驱）、640×64点双屏显示、8位PPI接口；灰度点阵LCD，如HD66421（控/驱）、160×100点单色4级灰度显示、8位PPI接口；伪彩点阵LCD，如SSD1780（控/驱）、104RGB×80点显示、8位PPI或3/4线SPI接口；真彩点阵LCD，如HD66772（控/源驱）+HD66774（栅驱）、176RGB×240点显示、8/9/16/18位PPI接口、6/16/18动画接口、同步串行接口；视频变换LCD，如HD66840（CRT-RGB→CD-RGB）、720×512点显示、单色/8级灰度/8级彩色、4位PPI接口。

控制驱动器件的供电电路、驱动的偏压电路、背光电路、振荡电路等构成LCD控制驱动的基本电路。

它是LCD显示的基础。

LCD与其控制驱动、接口、基本电路一起构成LCM（LiquidCrystalModule，LCD模块）。

常规嵌入式系统设计，多使用现成的LCM做人机界面；现代嵌入式系统设计，常把LCD及其控制驱动器件、基本电路直接做入系统。

整体考虑，既结构紧凑，又降低成本，并且有利于减少功耗、实现产品小型化。

控制LCD显示，常采用单片机MCU，通过LCD部分的PPI或SPI接口，按照LCD控制器的若干条的协议指令执行。

MCU的LCD程序一般包括初始化程序、管理程序和数据传输程序。

大多数LCD控制驱动器厂商都随器件提供有汇编或C语言的例程资料，十分方便程序编制。

2常见LCD的控制驱动与接口设计

2.1段式LCD的控制驱动与接口设计

段式LCD用于显示段形数字或固定形状的符号，广泛用作计数、计时、状态指示等。

普遍使用的控制驱动器件是Holtek的HT1621，它内含与LCD显示点一一对应的显存、振荡电路，低压低功耗，4线串行MCU连接，8条控制/传输指令，可进行32段×4行=128点控制显示，显示对比度可外部调整，可编程选择偏压、占空比等驱动性能。

HT1621控制驱动LCD及其MCU接口如图1所示。

2.2字符型LCD的控制驱动与接口设计

字符型LCD用于显示5×8等点阵字符，广泛用作工业测量仪表仪器。

常用的控制驱动器件有：

Hitachi的HD44780U、Novatek的NT3881D、Samsung的KS0066、Sunplus的SPLC78A01等。

HD44780U使用最普遍。

它内嵌与LCD显示点一一对应的显存SRAM、ASCII码等的字符库CGROM和自制字符存储器CGRAM，可显示1~2行每行8个5×8点阵字符或相应规模的5×10点阵字符，其内振荡电路附加外部阻容RC可直接构成振荡器。

HD44780U具有可直接连接68XXMCU的4/8位PPI接口，9条控制/传输指令，显示对比度可外部调整。

HD44780U连接80XXMCU时有直接连接和间接连接两种方式：

直接连接需外部逻辑变换接口控制信号，而无需特别操作程序；间接连接将控制信号接在MCU的I/O口上，需特别编制访问程序。

HD44780U控制驱动LCD及其与80XXMCU的接口如图2所示。

2.3单色点阵型LCD的控制驱动与接口设计

单色点阵型LCD用作图形或图形文本混合显示，广泛用于移动通信、工业监视、PDA产品中。

小面积LCD常采用单片集成控制驱动器件，如SeikoEpson的SED1520，可实现61列×16行点阵显示；中等面积LCD常采用单片控制/列驱动器件与单片行驱动器件，如Hitachi的HD61202U（控/列驱）、HD61203（行驱），可实现64×64点阵显示；较大面积LCD常采用“控制器+显存+列驱动器+行驱动器”形式，如Toshiba的T6963C（控）、T5565（显存）、T6A39（列驱）、T6A40（行驱），可实现640×128点阵显示。

这些驱动器常需12~18V负电源实现偏置与调整对比度。

控制器件大多可以外接阻容RC构成振荡器或外接振荡器或外引时钟。

显存中的每一位与LCD显示点一一对应。

需要文字显示时，简单字符可直接使用集成在控制器内的ASCII字库，汉字或自制字符显示可在控制器外扩展大容量的字库CGROM或自制字库CGRAM。

控制接口通常是8位PPI的