液晶显示

技术发展历程

历史历程

古代显示技术：特点是简单，直观。最久远地古代发明是火和光。人们利用 火和光来照明，煮食，取暖驱兽和传递信息等，烽火台和狼烟都是一种用火和光传递信息的方式。

现代显示技术：特点是光与电的结合，是光与近代科学成就的结合。它追求的目标是：清晰、准确、实时、直观、方便、节能、携带信息量大，色彩和立体化等。它是近代科学发展的产物，是现代科学技术的一个重要组成部分。液晶显示

现代技术的基本特点：将各种非电量的信息，如声、光、热、力、数、气氛等信息源通过一定的传感器、处理器进行感知和处理，传输给显示装置，再由显示装置进行处理、转换，最后经由显示器件转换为人类视觉可识别的信息。所以我们称这种现代显示技术为信息显示技术。

在信息显示技术中，人们发现了信息数字化的重要作用和意义。数字化的信息更加准确，同一性，更易传输和识别。很多信息可以直接由数字表示，从而数字化信息显示又成为信息显示的又一个重要内容。又从数字化显示发展到字符显示，它把人类特有的语言文字用于显示，这种显示与数字显示合在一起用途更广用量更大。在这同时，人们还希望用图形和图像进行显示，且显示的内容为五彩缤纷，并且可以实时活动和具有三维立体效果。这些在二十世纪尾声时都已经陆续实现。LCD的计算机器，手机，便携式计算机，半导体发光数码管显示（LED）的汽车计价器，商场的大屏幕广告，证券所的股票交易显示牌，荧光显示器件（VFD）显示的电子秤，家电，VCD，最新上市的平板等离子（PDP）显示的大彩电，以及CRT显示的彩电。这零零总总的各类显示正为你做着各种各样的服务，相信在不久的将来显示技术的发展将会为人类做出更大的贡献。

技术的展望

一、 CRT的工作原理是——基于电子束在电子透镜调制下扫描、激发荧光粉而实现显示

CRT是发展历史最久的显示器。它特殊的性能和成熟的工艺一直是显示技术中的主流产品。它用模拟方式驱动，在数字电路全面取代模拟电路以前，这一优势不会消失。它有特点：显示效果佳，质量可靠，尤其在这几年，CRT通过不断地自我更新，从不同角度克服了自身的一些弱点，质量性能不断提高，合自身的缺点不断被克服，CRT的缺点：空间体积大，工作电压高，功耗大，不能和大规模集成电路配合，软X射线影响健康。

二、平板显示器的多面发展

基于以上CRT的许多优点和缺点，人们一直追求又具有CRT所有优点又可以克服CRT所有的缺点的这样的一种平板型显示器件。从上世纪70年代起各种平板显示器件就有如雨后春笋般先后涌现。

1）液晶显示器件

2）电致发光显示东山再起

3）LED（lighte emitting diode）

4）等离子显示（PlasmaDisplay Panel）简称PDP

5）其他平板显示器件

6）平板场发射显示器，简称FED(FLAT FIELD EMITTING DISPLAY)

三、大屏幕显示

大屏幕显示已经是显示技术中的一个大类。大屏幕显示是一个多学科的复杂系统。常见的有以下几种：

1）投影大屏幕

2) 巨型平板显示

3) 电视墙

4)背投电视

液晶地位

显示器件分类

1)主动显示器件:

辉光显示、等离子显示PDP、霓虹灯显示、电致发光显示(EL)、OEL等；

2)被动显示器件

下表1.1所示被动型显示器件的分类：

液晶产业结构

LCD产品制造涉及光学、半导体、电机、化工、材料等各项领域，上下游所需技术层面极广，所以少有单一厂商能从材料到成品全部都做，因此各领域分工明显，上游材料包括玻璃基板、ITO导电玻璃厂、偏光板、彩色滤光片、光源模块、液晶、半导体制造工序所需光罩，液晶驱动IC、印刷电路板（PCB）等；中游则集合各材料，制造LCD面板，提供给下游应用厂商使用，由于下游应用产品众多，所需面板规格几乎都不相同，需根据产品切割面板尺寸，因此LCD面板较没有规格产品；下游应用产品种类众多，从各式家电、消费性、信息、通信及工业产品，只要是需要显示的器具，都需使用LCD产品。

优异和前景

综合比较各类显示器件，你会发现，液晶显示器件确实具有很多独到的优异特性，下面作一下简单介绍：

一、优点：

1）低压、微功耗

极低的工作电压，只要2V~3V即可工作，而工作电流仅几个微安即每个显示字符只有几个微安。一个小小的钮扣电池也可以用1~2年，这是其他任何显示器件无法比拟的。在工作电压和功耗上液晶显示正好与大规模的集成电路的发展相适应。如电子手表、计算器、便携仪表、手提电脑和GPS电子地图等的实现都成为可能。

2）低压驱动

一般扭曲向列型（TN）器件阀值电压仅1.5~2V，可以直接与大规模集成电路直接相配。

3）平板型结构

液晶显示器件的基本结构是由两片玻璃基板制成的薄形盒。这种结构最利于用作显示窗口，而且它可以在有限的面积上容纳最大量的显示内容，显示内容的利用率最高。此外，这种结构不仅可以作得很小，如照相机上所用的显示窗，而且作的很大，如大屏幕液晶电视及大型液晶广告牌。

这种结构还便于大批量、自动化生产。现阶段液晶显示器件的生产大都采用自动化半自动化的集成化工艺生产，仅少量工人即可开动一条年生产上千上万片的生产线。

现阶段已经以开发出了用塑料基片制成的液晶显示器件。这种器件薄如纸，并可弯曲，从而进一步的降低了使用空间。

4）被动型显示

1）、显示器件本身不能发光，它靠调制外界光达到显示目的。它不像主动型显示器件那样，靠发光刺激人眼实现显示，而是单纯靠对外界光的不同反射形成的不同对比度来达到显示目的的。所以称之为被动型显示。被动型显示更适合于人眼视觉，不易感到疲劳。这个优点在大信息量，高密度快速变换，长时间观察的显示尤其重要。

2）、被动型显示不怕光冲刷。所谓光冲刷，就是指当环境光较亮时，被显示的内容信息被光冲淡，从而显示不清晰，而被动型显示，由于它是靠反射外部光达到显示目的，所以外部光越强，反射的光也越强，显示的内容也就越清晰。

3）、液晶显示不仅可以在室外也可以在室内显示，对于在室内黑暗中显示可以配备背光源就可以克服不能看的缺点。

5）显示信息量大

与CRT相比，液晶显示器件没有荫罩限制，像素点可以作得更小，更精细；与等离子显示相比，液晶显示器件像素点处不需要等离子显示那样，像素点间要留有一定的隔离区。因此液晶显示在同样大小的显示窗面积内，可以容纳更多的像素和更多的信息，这对于制作高清晰度电视，笔记本式电脑都非常有利。

6）易于彩色化

液晶本身无颜色，钽是有许多方法可以实现彩色化，如滤色法和干涉法。由于滤色法技术比较成熟，使液晶的彩色化更准确更艳丽更没在色失真的彩色化效果。

7）长寿命

液晶材料是有机高分子合成材料，具有极高的纯度，其他材料也都是高纯物质，在极净化的条件下制成，液晶的驱动电压又很低，驱动电流更是很微小，这种器件的劣化几乎没有，寿命很长，从实际应用中考察，除硬性撞、破碎或配套件损坏外，液晶显示器件自身的寿命终结几乎没有。

8）无辐射无污染

液晶显示器件在使用中不会产生软X射线或电磁波辐射，而辐射可以造成环境污染和信息的泄露，而液晶显示器件不会产生此类问题。它是理想的显示器件。

二、各种显示器比较

下表为几种具有代表性的显示器件结构原理和特点

三、液晶显示器的应用

液晶显示器件的优异特性决定了它在各类显示器件中的地位。只有20余年液晶显示就改变了几百年的钟表计时行业，电子计算器已经人人必备，智能化仪器仪表使用了液晶显示，使它可以成为便携式。各种电脑改变了人类生活方式，甚至改变了战争形式。

液晶作为一种特殊的功能材料，具有极其广泛的应用价值。随着以液晶显示器件为主的各类液晶产品的出现和发展，液晶已经深入到各行各业以及社会生活的各个角落。人类开发了液晶，液晶改变着人类生活。

四、液晶显示系统的设计

高性能嵌入式便携设备的普及对嵌入式显示系统的设计提出了新的要求：高性能、低功耗、体积小、可移植性好和能工作在各种光照环境下。本文设计的嵌入式显示系统为这类便携设备的显示系统开发提供了一种解决方案，不但满足了高端嵌入式设备所需要的高性能，而且在高亮度显示条件下能维持低功耗，适用于高档PDA、便携媒体播放器、手持式导航仪、便携医疗和测试设备等领域。

主要器件的恰当选择是实现上述设计目标的关键，本文选用的嵌入式微处理器三星S3C2440A(同时也是本显示系统的LCD控制器)主要面向高端嵌入式设备，它采用ARM920T内核，最高工作频率达533MHz，内含3通道的异步串行口、SDRAM控制器、I2C总线接口、USB主、从单元设备接口、摄像头接口、AC97音频编解码接口、触摸屏接口和LCD控制器等众多片上外设，低功耗，性价比高。

另外，夏普公司3.5英寸透反射式TFT-LCD LQ035Q7DH01采用了Advanced-TFT技术，它利用互连薄膜晶体管的导电迹线的金属敷膜作为反射器，通过LCD矩阵返回入射光，提高了强环境光下的亮度同时又能保持较低的功耗；在明亮场所时具备 HR-TFT(高反射液晶)功能，而在暗淡环境下又具备内置背灯的透过型液晶功能，能在强烈的阳光和全黑的环境下工作。其屏幕分辨率为320×240，用18位数据信号能显示262144种色彩。

由于嵌入式Linux具有良好的稳定性和平台可移植性，同时又开放原代码，成本低廉，本文选用嵌入式Linux作为操作系统。软件开发环境采用Linux 2.4.20平台，交叉编译器为arm-linux-gcc 2.95.3，完成了对LQ035Q7DH01显示屏的驱动程序开发。

1 LCD控制器电路

LCD控制器用来传输图像数据并产生相应的控制信号，S3C2440A LCD控制器能支持高达4K色STN屏和256K色TFT屏，支持1024×768分辨率下的各种液晶屏，具有LCD专用DMA。S3C2440A产生的控制信号主要有帧同步信号VFRAME、行同步信号VLINE、像素时钟信号VCLK和数据输出使能信号VM。S3C2440A有VD[0:23]共24根RGB数据线，数据格式不同，接线方式就不同，本文用的是RGB565方式。

2 时序和数据匹配电路

由于S3C2440A的LCD控制器与LCD屏LQ035Q7DH01在数据格式及显示时序上无法匹配，需要选用一种时序控制IC或者用CPLD来对不同数据格式的数据接口进行映射。由于CPLD面积较大、成本较高，因而通常只在需要对电路进行灵活配置的情况下才使用。本文时序控制IC选用夏普公司的LZ9FC22，该芯片体积小、性能稳定、专用于QVGA屏幕TFT-LCD。这是一个18位(R6G6B6)的控制器，由于本文采用的是RGB565 16位工作模式，所以将芯片输入引脚R0和B0接地。引脚SIZE用于选择LCD屏幕类型，接低电平时为320×240型屏幕。接高电平时为240×320型屏幕，本文LCD为240×320型屏幕，所以该引脚接高电平。引脚VRVE用于选择LCD帧扫描方向，接低电平时扫描方向从上到下，接高电平时则相反，引脚HRVE用于选择LCD行扫描方向，接低电平时扫描方向从右到左，接高电平时则相反。

为了方便不同用户使用时能根据各自需求灵活配置，本文设计了一个LCD扫描方向配置电路，如图3所示。两对电阻R32、R34和R33、R35每对根据需要各选择一个接入电路，从而设定引脚VRVE和HRVE的高低电平。如欲配置LCD帧扫描方向从上到下，则引脚VRVE应为低电平，此时电路中只需接入电阻R35，电阻R33不用接入；如欲配置LCD帧扫描方向从下到上，则引脚VRVE应为高电平，此时电路中只需接入电阻R33，电阻R35不用接入，LCD行扫描方向的配置与之类似。本文LCD采用从上到下，从左到右的扫描方向，所以将电阻R32和R35接入电路中而R33和R34位置处为空。

3 多路电压产生电路

LCD屏内集成有数字电路和模拟电路，需要外部提供数字电压和模拟电压。另外，为了完成数据扫描，需要TFT轮流开启/关闭。当TFT开启时，数据通过源极驱动器加载到显示电极，显示电极和公共电极间的电压差再作用于液晶实现显示，因此需要控制LCD的开启电压、关闭电压，以及加到公共电极上的电压。

本文采用松下公司生产的低压差电压线性调节器LM1117DT-3.3芯片来产生时序控制IC和LCD所需要的数字电压。采用美国MAXIM公司推出的有源矩阵液晶显示器电源芯片MAX1664来产生其他电压，两芯片所需的 5V输入电压由220V交流经一个AC/DC开关电源变换后提供。MAX1664内部集成有两个DC-DC变换器，其中DC-DC1提供从输入电压值到 5.5V范围的输出电压，DC-DC2为正负电压双路输出，一路可提供从输入电压值到 28V的输出电压，另一路可提供0～-10V的输出电压。对于LQ035Q7DH01这样的小型TFT LCD，MAX1664能为其提供高效的调节电压。另外，MAX1664是一种高功率开关电源，要注意供电电源电路的连接和旁路电容的连接，芯片旁路端IN和INP之间用一只33Ω的电阻隔离，如图4所示。图4中的D4～D6应采用高速的肖特基二极管，同时由于电感的直流等效电阻对转换效率的影响较大, L3～L4应选用等效电阻低的电感, 为减小噪声辐射，应选用屏蔽电感。电路板的布线要细心操作，接地点的连线要小心处理，否则将影响各输出电压的稳定。

4 显示系统整体结构框图

LCD控制器首先从存储器SDRAM的显示缓冲区中读出图像数据并将其转换成RGB565的数据格式，然后将数据信号和LCD控制器产生的控制信号一并送入时序控制IC LZ9FC22，时序控制IC将数据信号和控制信号转换成与LCD相匹配的格式后送入LCD，最后LCD将图像显示到屏幕上。这里需要注意的是，在电路板布线时，LCD控制器到LCD屏的连线距离不可过长，最好不好超过50cm，否则容易出现显示错误。

以上设计的嵌入式显示系统，显示亮度达100尼特，在LCD高亮度的情况下模块的功耗小于365mW,克服了一般TFT-LCD高亮度伴随着高功耗的矛盾，同时由于设计的硬件驱动电路只需LCD控制器给出帧同步信号、行同步信号、像素时钟、数据使能信号和RGB数据信号，因此，为移植到不同的平台带来了较大的灵活性，实用性很强。

显示方式

1、反射式

2、透射式

3、投影式

液晶显示器投影仪中灯片的作用，对投射光源起调制作用，所以称为液晶光阀。早期的液晶光阀是将液晶盒与光敏层组合在一起，中间隔一层遮光层。光敏物质为非晶硅、Se、CdS等光电导膜。利用光电导层接收不同光量时，电阻改变，从而调制加在液晶上的电压。后来采用可电写入的CCD，但是现阶段多采用液晶盒加有源矩阵。特别是这几年发展很迅速的LCOS（LC on Silicon）更是投影式的典型。在LCOS中有源矩阵直接制作在单晶硅片上，尺寸可以做得很小，并可充分利用发展已很成熟的硅集成工艺。

显示特点

一 液晶显示器件在直流电压作用下会发生电解作用，故必须用交流驱动，并且限定交流成分中的直流分量不大于几十毫伏；

二 由于液晶在电场作用下光学性能的改变是依靠液晶作为弹性连续体的弹性变形，响应时间长，所以交变驱动电压的作用效果不取决于其峰值，在频率小于1000Hz情况下，液晶透光率的改变只与外加电压的有效值有关；

三 液晶单元是容性负载，液晶的电阻在大多数情况下可以忽略不计，是无极性的，即正压和负压的作用效果是一样的。