胆甾相液晶_一种用于彩色胆甾相液晶显示的驱动电路

　　摘要：设计了一种用于彩色胆甾相液晶显示的驱动电路。电路根据P态刷新法和累计驱动法的驱动原理，实现了显示的多级灰度和彩色化，且利用了现有的商业液晶行列驱动芯片，因此具有结构简单，成本较低，易于实施等特点。
　　关键词:彩色胆甾相液晶；驱动电路；现场可编程门阵列；灰度
　　中图分类号：TN402文献标识码：B
　　
　　Drive Circuit Driving for Color Ch-LCD
　　YANG Chun-lai1,3，LV Guo-qiang1,2,3，HU Yue-hui1,2，TIAN Ding-bao1,3
　　( 1.Key Laboratory of Special Display Technology , Ministry of Education, Hefei University of Technology；2. Academe of Opto-electronic Technology , Hefei University of Technology；3. School of Instrument Science and Opto-electronic Engineering , Hefei University of Technology，Hefei 230009, Anhui, China )
　　
　　Abstract: A drive circuit driving for Color Ch-LCD has been designed. According to the up dating drive scheme with P state and cumulative drive schemes，the circuit can achieve a multi-level gray display and color. LCD Driver IC are used in the circuit, so theFeatures of the circuit are ｓimple structure, lower cost, easy to implement.
　　Keywords: color Ch-LCD；drive circuit；FPGA；gray-scale
　　
　　1引言
　　
　　 反射型胆甾相液晶器件具有功耗低、不用滤色片实现彩色显示、反射率高等优点，可广泛应用于各个领域，尤其是在电子报纸和电子书方面具有很大的竞争力。胆甾相液晶在零场情况下（即不施加电压的情况下）有两种稳定的状态: 平面织构态（planar，P态）和焦锥状态(focal conic，FC态)[1]。P态具有布拉格反射特性, 可以反射波长λ＝n P（n ：平均折射率，P: 螺距）的光，反射率接近50％；FC态则具有使入射光微弱散射的特性。另外还有一种在电场作用下的透明状态――场致向列相态（homeotropic，H态）。驱动胆甾相液晶就是要实现液晶相态的转变，但这需要很高的电压（一般在50V以上）来实现相态的转变。依据以上这些胆甾相液晶的特性，本文对我们研制的640×480的彩色胆甾相液晶屏设计了驱动电路，显示静态图像，单色灰度可以达到8级。
　　
　　2胆甾相液晶器件驱动方法
　　
　　胆甾液晶具有驱动电压高、响应时间长、寻址时间长等缺点，通过液晶研究者的努力，目前主要的胆甾液晶驱动方法（无源驱动）有如下几种[2-6]：⑴三段驱动法（后来又衍生为四段驱动法和五段驱动法），这种方法驱动速度较快，但方法复杂，成本较高；⑵P态刷新法，这种方法不存在光学滞后，不存在黑带，利于采用商业驱动芯片，但帧间隔时间长，不利于动态显示，且灰度控制困难;⑶累计驱动法，这种方法是在一帧寻址中，通过一个短脉冲使像素状态向所需要的方向稍微转变一点，多个脉冲后达到所需状态。每步的寻址时间很短,使寻址速度提高。这钟方法主要应用于准动态显示，显示每帧图像都要根据上帧图像来确定驱动波形，对于静态显示，采用这种方法则过于复杂，提高了成本。
　　我们通过对胆甾液晶驱动方法的调研，最终采用P态刷新法和累积驱动相结合的方法，使驱动波形简化，结构简单，便于用商业液晶行列驱动芯片来达到显示要求。即先将整屏刷至P态，然后以累积驱动法的原理，采用帧驱动法，将一帧图像显示时间划分为多段，每段都对整屏刷新一次，称一小帧，通过每个小帧使刷至P态的像素逐渐向FC态转化,以达到所需要的灰度要求。
　　
　　3系统设计方案
　　
　　电路结构如图3所示， LVDS图像信号经解码，转化为TTL图像信号，并根据TTL图像信号控制行列驱动器产生相应驱动电压驱动两个液晶盒实现彩色显示（如图1所示）。即用两个互补的颜色――黄色和蓝色的配比来产生他们之间的颜色，如图2（CIE1931-xy色度图）所示，他们配比可产生蓝色（波长480nm）和黄色（波长580nm）连接线上的所有颜色（c点为标准白色）。
　　整个系统包括信号解码模块、信号处理模块、行列驱动模块。
　　4系统硬件（主要模块）设计
　　
　　4.1信号解码模块
　　信号解码模块主要是由一块LVDS接收器组成。本文采用了DS90C385芯片，该芯片符合TIA/EIA-644 LVDS标准。将源LVDS信号转化成28位CMOS/TTL图像数据信号（RGB共24位信号和Hsync、Vsync、DE、CNTL四位信号）。时钟支持20～85Hz,支持VGA、SVGA、XGA和Single Pixel SXGA四种图像信号格式。
　　
　　4.2信号处理模块
　　信号处理模块主要由两个芯片构成，FPGA芯片和SDRAM芯片各一块。模块的主要作用为将接收到的图像信号转化为行列驱动器控制信号及信号的缓存。
　　（1） FPGA芯片
　　FPGA是整个系统的核心控制模块，选用的是EPM7256SRI208 - 10，时钟支持175MHz，I/O引脚数为158。其主要功能将在软件部分介绍。
　　（2） SDRAM芯片
　　鉴于胆甾液晶的反应速度较慢，不能匹配图像数据传输速度，所以缓存模块是必要的，同时也因为这个原因，我们没有采用两个SDRAM的乒乓操作，而只是采用一个SDRAM即可以满足图像缓存的需要,我们采用的SDRAM芯片是HY57V161610F - Series，容量为16M byte，即最大可存储1M个像素、216级灰度的图像。
　　
　　4.3行列驱动模块
　　该液晶驱动电路采用的驱动方法是无源驱动，所以驱动模块的作用就是根据图像信号而开启适当的电压开关对液晶屏施加相应的行列电压。本设计中采用的型号为LH1538的行驱动器和型号为LH1560的列驱动器。LH1538的最大特点就是工作电压高，可支持最大液晶驱动电压为80V的行驱动器，有三级驱动电压，时钟频率最大支持4MHz，单片驱动输出引脚为128个，整屏刷成高P态所需要的高压就由其提供。LH1560可支持的电压可以到42V，四级驱动电压，时钟频率最大支持14MHz，单片驱动输出引脚为160个。
　　
　　5系统软件设计
　　
　　整个系统中，信号处理模块是最重要的部分，作为信号处理的核心器件就是FPGA,其主要功能是将标准的视频信号转换成行列驱动芯片支持的控制信号，以及信号在SDRAM中的读入读出。程序采用VHDL语言编写调试，流程如图4所示。
本文为全文原貌 未安装PDF浏览器用户请先下载安装 原版全文 　　在信号转化步骤中，当开始接收到一帧信号时，先对整屏用80V电压进行刷屏，然后将整个帧显示的时间分为七段，每段按照灰度都对整个帧的像素进行判断，以确定相应的电压。通过累加效应使像素达到一定的灰度级别，行列所加的电压示例如图5（以行电压方向为正方向）。图中V1、V2、V3电压需根据液晶材料相应的阈值电压而调节，试验中V1＝80V，V2=V3=10V。并由灰度来决定是否加载虚线部分的电压。
　　
　　6试验结果和讨论
　　
　　为验证设计方案，我们使用480nm（蓝色）液晶材料灌制了单像素液晶盒，并用我们设计完成的驱动电路驱动该液晶盒，经分光光度计（UV－2550）测试液晶盒在不同驱动波形下可见光（波长范围为360～780nm）的反射率，结果如图6所示。反射率最高的曲线是将屏刷至P态的反射率曲线，顶峰处反射率可达48％，其余曲线是在相应驱动电压下，各级灰度的反射率曲线图。试验结果表明该电路可有效驱动胆甾液晶显示，并可实现显示的多级灰度，具有结构简单、成本较低、易于实施等特点。但由于使用商用液晶驱动芯片的局限性，在驱动波形和寻址时间上还存在提升空间，这将在我们以后的研究中加以改善。
　　
　　参考文献：
　　[1]John W D St, Lu Z J, Doane J W. Characterization of reflective cholesteric liquid-Crystaldisplays. Appl Phys[J], 1995:78(9):5253.
　　[2]Huang X Y, Yang D K, Doane P J. Dynamic Drive for Bistable Reflective CholestericDisplays: A Rapid Addressing Scheme, SID Digest of Technical Papers, San Jose,California, 1995; SantaAna, CA: Society for Information Display[C], 1995: 347.
　　[3]Huang X Y, Stefanov M, Yang D K, etal. High-performance Dynamic Drive Scheme for Bistable Reflective Cholesteric Displays, SID Digest of Technical Papers, San Diego,California, 1996; SantaAna, CA: Society for Information Display[C], 1996: 359.
　　[4]Zhu Y M, Yang D K. High-speed Dynamic Drive Scheme for Bistable Reflective Cholesteric Displays, SID Digest of Technical Papers, Boston, Massachusetts, 1997; SantaAna, CA: Society for Information Display[C], 1997: 97.
　　[5]Yu F H, Kwok H S. A New Drive Scheme for Reflective Bistable Cholesteric LCDs, SID Digest of Technical Papers, Boston, Massachusetts, 1997; SantaAna, CA: Society for Information Display[C], 1997: 659.
　　[6]Zhu Y M,Yang D K. Cumulative Drive Schemes for Bistable Reflective Cholesteric LCDs, SID Digest of Technical Papers, Anaheim, California, 1998; SantaAna, CA:Society for Information Display[C], 1998: 798.省略。
　　
　　注：“本文中所涉及到的图表、注解、公式等内容请以PDF格式阅读原文。”
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