LCD顯示屏出現(xiàn)閃爍的原因與解決

    比較CRT與LCD兩類(lèi)顯示屏?xí)r，其中一項(xiàng)最為普遍見(jiàn)到的差別是閃爍問(wèn)題。一般都會(huì)以為CRT顯示屏有閃爍，而LCD則沒(méi)有，查實(shí)兩類(lèi)顯示屏皆有某程度上的閃爍，機(jī)制上的差異和糾正方法影響到成功率。本文講述LCD顯示屏上出現(xiàn)閃爍的原因，并且提出避免閃爍的方法。

LCD顯示技術(shù)

    液晶體顯示屏（LCD）於1973年出現(xiàn)於計(jì)算器上，首個(gè)LCD是嵌入有七段字畫(huà)，讓數(shù)字得以被顯示。下一代LCD則於1980年面世，屬於點(diǎn)陣式（dot-matrix）顯示，除顯示數(shù)字外，還有字符和圖形，比如是簡(jiǎn)單的單色電腦顯示屏或者流行的“電子寵物” 他媽哥池。這些矩陣設(shè)計(jì)藉著啟動(dòng)陣中的行與列的像素作為控制，取代了每一像素需一條獨(dú)立的控制線(xiàn)。至1980年代末，彩色濾光片成功地嵌入LCD設(shè)計(jì)里面。自始以後，歷代產(chǎn)品皆集中於屏幕尺寸、顯示器重量，能量效益、視角等提升上。               

圖1. 通過(guò)施加電壓控制液晶體分子的垂直排列情況，光線(xiàn)可沿著分子穿過(guò)。

    雖然不斷改良，但是LCD顯示屏的基本操作仍舊不變。LCD顯示屏的像素陣不斷地被背底光照耀，?久的光消除了在CRT發(fā)現(xiàn)的一類(lèi)閃爍（磷點(diǎn)隨每一刷新周期作脈動(dòng)閃光））。反之，LCD像素夾在上下兩塊帶有彼此垂直坑紋的玻璃板之間，如圖1所示。這些坑紋對(duì)準(zhǔn)液晶體，組成通道，給背底光通過(guò)往屏幕的前方。透射的光量取決於液晶體的方位。并且與施加的電壓成比例。

    上下兩板是彼此垂直偏光的。兩板之間的電壓調(diào)校液晶體於扭曲模式中，以配合每一板的偏光。來(lái)自背底光的光線(xiàn)穿過(guò)已調(diào)校的液晶體。反之，當(dāng)液晶體沒(méi)有被調(diào)校時(shí)，光線(xiàn)就被阻隔，調(diào)校的分量與施加電壓成比例，并且擔(dān)當(dāng)為光度控制。

                   
        表1. 列出各種不同視像格式的像素陣列大小

    外層板是濾色鏡片（RGB），紅、綠、藍(lán)區(qū)（每一稱(chēng)為子像素）被納入於每一像素里，與每一原色相關(guān)的色區(qū)被分開(kāi)尋址，故此能夠顯示全色彩和光度。像素?cái)?shù)目決定了顯示屏的清晰度。表1列出各種不同視像格式的像素陣列大小。須注意像素陣列大小的數(shù)目不是直接轉(zhuǎn)為寬高比，因?yàn)橄袼夭皇浅实湫偷恼叫巍?/P>

LCD閃爍的原因

                        圖2. LCD顯示屏中閃爍的視覺(jué)例子。
   （a）（左圖）LCD經(jīng)優(yōu)化的閃爍。         （b）（右圖）LCD有過(guò)量閃爍

    在LCD顯示屏上的閃爍有別於CRT，LCD閃爍乃本身呈現(xiàn)褪色，而并非是脈動(dòng)光。如圖2a及2b所示，圖2a是LCD顯示屏經(jīng)己被調(diào)節(jié)至減少閃爍，而圖2b是LCD有過(guò)強(qiáng)閃爍，這是因?yàn)長(zhǎng)CD的刷新率高達(dá)300Hz所致。
 
                 圖3. 單一LCD像圖之電路

    圖3所示為驅(qū)動(dòng)單一LCD像素的電路。柵極電壓充電為一個(gè)開(kāi)關(guān)，一般被放大至成為-5V至20V，視頻源極上一般電壓范圍由0V至10V，提供出現(xiàn)在像素上的亮度信息。像素下面是被連接到屏幕的底板，在這節(jié)點(diǎn)上的電壓為Vcom。

    這種布局方式雖發(fā)揮作用，但卻減低屏幕壽命，假定Vcom電壓在地。像素上的電壓變化由0V至10V，假定平均為5V，這就有重大的DC電壓在每一像素的兩端，這DC電壓造成電荷儲(chǔ)存。在長(zhǎng)期來(lái)講，因著像素上的電極電鍍

    有離子雜質(zhì)而令到像素惡化，這是導(dǎo)致影像殘留的原因，常見(jiàn)於舊的TFT-LCD屏板上顏色變淡。

    LCD屏幕的結(jié)構(gòu)是對(duì)稱(chēng)的（圖1），正壓與負(fù)壓任一個(gè)都可利用來(lái)調(diào)校液晶體，其中可以充份利用這方面的是將公共電壓移到視頻信號(hào)的中點(diǎn)（5V），現(xiàn)在視頻信號(hào)上下擺動(dòng)於公共電壓（Vcom）上，於是在像素上制造出一個(gè)“凈零效果”（net-zero effect）。這個(gè)發(fā)生在液晶體上的凈零效果消除了老化和影像殘留問(wèn)題。這種技術(shù)要在清晰度上作出協(xié)調(diào)，因?yàn)橐曨l信號(hào)行走5V至全亮度，代替10V。

 

      
圖4. 交替幀中對(duì)於三種反轉(zhuǎn)模式的LCD像素相位分布∶幀反轉(zhuǎn)、線(xiàn)反轉(zhuǎn)、點(diǎn)反轉(zhuǎn)。

    要在顯示屏上獲得一個(gè)凈零效果，可以在整個(gè)LCD畫(huà)面上使用各種不同的反轉(zhuǎn)模式（圖4）。最簡(jiǎn)單類(lèi)型是幀反轉(zhuǎn)（Frame Inversion），在這種驅(qū)動(dòng)方法下，畫(huà)面上每一像素都在繼後每一幀中反轉(zhuǎn)了。幀反轉(zhuǎn)在像素上造出一個(gè)相對(duì)於時(shí)間的凈零效果。其他兩種方法都是納入於每一幀內(nèi)的反轉(zhuǎn)，線(xiàn)反轉(zhuǎn)（line inversion）在每一水平線(xiàn)上交替改變相位。線(xiàn)反轉(zhuǎn)的交替方式施加在一對(duì)水平線(xiàn)的公共相位上（而非單一線(xiàn)），稱(chēng)為線(xiàn)對(duì)反轉(zhuǎn)（line-paired inversion）。點(diǎn)反轉(zhuǎn)（dot inversion）是反轉(zhuǎn)每一相鄰像素的相位 好像西洋象棋的棋盤(pán)。三種方法也是在像素上造出相對(duì)於時(shí)間的凈零效果。反轉(zhuǎn)模式由廠(chǎng)方選擇，并將之嵌入在驅(qū)動(dòng)電路里。在所有情況當(dāng)中，每一顯示幀都是交替反相的。

    Vcom電壓需準(zhǔn)確放置在視頻信號(hào)中點(diǎn)上才能避免閃爍。當(dāng)要說(shuō)明為何顯示屏?xí)W爍，假定因?yàn)橹圃炱聊坏年P(guān)系。Vcom定在5.5V。倘若視頻信號(hào)擺動(dòng)於0V與10V之間，滿(mǎn)度電壓就會(huì)在每一圖場(chǎng)有所差別，在一圖場(chǎng)上滿(mǎn)度電壓是4.5V，而在另一圖場(chǎng)的滿(mǎn)度電壓是5.5V，在滿(mǎn)度電壓中這個(gè)差異會(huì)轉(zhuǎn)化為光度差，於是出現(xiàn)閃爍。

                 

                    圖5. 使用光敏傳感器EL7900測(cè)量屏幕的閃爍

    圖5示出有與無(wú)閃爍下的畫(huà)面光強(qiáng)差別，淺色波形有較大DC電平，錄得畫(huà)面沒(méi)有閃爍，是次測(cè)量利用一個(gè)EL7900光敏傳感器。光敏傳感器將光強(qiáng)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娏?，電流越大，在示波器上產(chǎn)生的電壓偏轉(zhuǎn)也越大。

    為了讓大家明白這些結(jié)果，首先需知道有兩種LCD畫(huà)面∶“白”畫(huà)面與“黑”畫(huà)面。白畫(huà)面在緩和狀態(tài)中（沒(méi)有電壓施加在液晶體上）給光通過(guò)液晶體，而黑畫(huà)面則在緩和狀態(tài)中阻隔全部光。當(dāng)施加在液晶體上的電壓增加時(shí)，液晶體旋轉(zhuǎn)。此舉阻隔更多光（正如在白畫(huà)面的情況）或者讓更多光通過(guò)（正如在黑畫(huà)面的情況）。屏幕測(cè)試是白畫(huà)面，所以液晶體上施加的電壓越大，畫(huà)面就越暗。倘若Vcom電壓準(zhǔn)確設(shè)定在中間（無(wú)閃爍），那麼，平均AC電壓便是零，畫(huà)面仍會(huì)是在其最亮點(diǎn)。倘若Vcom電壓不在中間。那麼，結(jié)果AC電壓就會(huì)更高，於是畫(huà)面亮度會(huì)較暗。

    圖2b中的褪色是由於Vcom電壓不平衡導(dǎo)致液晶體上錯(cuò)誤電壓所造成，并非是整體光強(qiáng)問(wèn)題。

消除LCD閃爍的方法

     
  圖6. （a）（左圖）使用機(jī)械式電位器調(diào)節(jié)VCOM。（b）（右圖）使用數(shù)控電位器調(diào)節(jié)VCOM。

    由於每一LCD顯示屏在結(jié)構(gòu)上都有變化，最佳Vcom電壓值在LCD與LCD之間會(huì)有差異，所以，原設(shè)備制造商必須調(diào)節(jié)每一臺(tái)出廠(chǎng)的顯示屏，消除這種閃爍，對(duì)於小顯示屏來(lái)講，可視底板為一個(gè)低阻抗地，這樣可加添一個(gè)電位器作為公共電壓調(diào)節(jié)，一般來(lái)講，使用機(jī)械電位器及需要額外的工時(shí)。對(duì)於小屏幕來(lái)講

    這是可接受的，縱使在大屏幕方面。準(zhǔn)確較低及在組裝期間很容易被破壞，需整個(gè)組件更換。超過(guò)19英寸的屏幕，底板再不能視作為單一的低阻抗節(jié)點(diǎn)，需在屏幕不同位置上作多重修正，也許要多至五個(gè)局部補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)，四個(gè)在角落,一個(gè)在中間，在這情況下∶數(shù)控電位器（Digitally Controlled Potentiometer, DCP）可以給制造商自動(dòng)處理該項(xiàng)加工，對(duì)於大屏幕而又無(wú)法實(shí)行人手調(diào)校來(lái)講是有必要的。圖6a和圖6b示出機(jī)械與數(shù)控電位器的解決方案。

            圖7. DCP軟件可編程VCOM之應(yīng)用電路

    從機(jī)械式電位器轉(zhuǎn)換到DCP和系統(tǒng)實(shí)行方法查實(shí)很簡(jiǎn)單，圖7所示為DCP軟件編程Vcom驅(qū)動(dòng)器的應(yīng)用電路，ISL45042為電流輸出型、非易失性DCP，可操作於AVDD高達(dá)20V，ISL45042采用雙線(xiàn)、上下界面，是極之準(zhǔn)確的7 bit器件，分辨率有128級(jí)，所需的Vcom值可儲(chǔ)存於板上的EEPROM。數(shù)字電路的電壓范圍由2.25V至3.6V。這使到它能與當(dāng)今所采用的許多控制器接界。模擬電源施加於模擬電阻梯上，可操作於4.5V至20V，對(duì)於一般需少於10V模擬電源的小屏幕和需大於15V模擬電源的大屏幕來(lái)講這是一個(gè)重要特徵。DCP輸出電壓經(jīng)緩沖及EL5111放大器（180mA輸出電流）往Vcom總線(xiàn)。

    與流行的看法完全相反，LCD顯示屏是存有閃爍的，不過(guò)簡(jiǎn)單的電位器調(diào)節(jié)是可以減低該影響，因?yàn)長(zhǎng)CD閃爍出現(xiàn)在公共電壓的偏移上，而并非在刷新信號(hào)上。

    隨著LCD越來(lái)越流行和屏幕尺寸不斷增大，在底板上的單一點(diǎn)人手調(diào)節(jié)不再可行了，使用ISL45042 DCP和EL5111 Vcom緩沖器便可在底板的多點(diǎn)上進(jìn)行Vcom偏移自動(dòng)修正，效果更為明顯。