一種實(shí)用的段碼式LCD驅(qū)動(dòng)電路的硬件設(shè)計(jì)

一 、概述
 儀器儀表中常用的顯示器有兩種，一是發(fā)光二極管（LED）,二是液晶顯示器（LCD）。這兩種顯示器成本低廉，配置靈活，與單片機(jī)接口方便，而后者驅(qū)動(dòng)電流小，功耗低、壽命長、字形美觀、顯示清晰、視角大、驅(qū)動(dòng)方式靈活、應(yīng)用廣泛【1】。但在控制上LCD較復(fù)雜，因?yàn)長CD電極之間的相對(duì)電壓直流平均值必須為0【2】，否則易引起LCD氧化，因此LCD不能簡單地用電平信號(hào)控制，而要用一定波形的方波序列來控制。LCD顯示有靜態(tài)和時(shí)分割兩種方
式，前者簡單，但是需要較多的口線；后者復(fù)雜，但所需口線較少，這兩種方式由電極引線的選擇方式確定。下面以電子表的液晶顯示為例，其顯示面板如圖（1）所示,小時(shí)的高位同時(shí)滅或亮，分鐘的高位在顯示數(shù)碼1～5時(shí)，其頂部和底部也是同時(shí)滅或亮，兩個(gè)dot點(diǎn)也是同時(shí)亮或滅，其驅(qū)動(dòng)方式是偏置比為1/2的時(shí)分割驅(qū)動(dòng)，共有11個(gè)段電極和兩個(gè)公共電極。

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圖（1）
二 、LCD的顯示原理
一般物質(zhì)可分為氣體，液體及固體。但有些物質(zhì)的特性不屬于這3種，液晶就是其中的一種，它不是完全的液體，也不是完全的固體。它能像液體般流動(dòng)，又具有固體狀的結(jié)晶。在自然狀態(tài)下，液晶分子放置于很細(xì)的凹曹內(nèi)，液晶分子會(huì)依照凹槽方向排列【3】。LCD顯示器就是利用液晶的這些性質(zhì)工作的。在LCD顯示器的上下兩電極間加有液晶材料，液晶分子呈平行排列，具有旋光性，平時(shí)呈透明態(tài)，當(dāng)上下電極間加上一定電壓時(shí)，液晶分子轉(zhuǎn)成垂直排列，失去旋光性而呈黑色【4】。為了防止液晶氧化，要求LCD電極之間的相對(duì)電壓直流平均值必須為零【1】，因此LCD不能簡單用電平信號(hào)驅(qū)動(dòng)，而要用一定的方波序列來驅(qū)動(dòng)。其驅(qū)動(dòng)波形是很講究的，以偏置比為1/2的時(shí)分割方式為例。 圖（2）示出了欲使某一筆畫亮或不亮在段極和公共電極上應(yīng)該產(chǎn)生的波形。從圖（2）中可以看出，B1與COM2的波形方向，所以B1亮；B3與COM1的波形同向，所以B3滅【5】。（其中，B1和B3共用一個(gè)SEG端口）
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圖（2）
一般COM端口的波形總是固定的，對(duì)動(dòng)態(tài)1/2時(shí)分割方式，COM1和COM2端的波形是反相的，要控制各筆畫的顯示與熄滅，就必須在相應(yīng)電極上產(chǎn)生合適的波形。波形的實(shí)現(xiàn)有如下特點(diǎn)：1）、兩根公共電極上看出，兩根公共電極有3種電平，它們分別是0V，1.5V和3V三種電壓；2）、兩根公共電極COM1和COM2波形是方向的；3）、公共電極和段碼的驅(qū)動(dòng)波形的周期是相同的，其中公共電極每個(gè)周期變化4次，段碼每個(gè)周期變化兩次，是方波信號(hào)。因?yàn)楣搽姌O的驅(qū)動(dòng)波形的特點(diǎn)，在業(yè)界，大都采用單片機(jī)和相應(yīng)的軟件來產(chǎn)生公共電極的驅(qū)動(dòng)波形，而對(duì)于ASIC的設(shè)計(jì)來說，如果采用上述方法，就占用了很大的芯片面積，增加了成本。因此，本文將要介紹一種實(shí)用的數(shù)字和模擬電路作為段碼式LCD的驅(qū)動(dòng) 。
三 、LCD顯示驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)
1. COM1和COM2波形產(chǎn)生電路
設(shè)計(jì)要點(diǎn)：正如在顯示原理部分所述，兩個(gè)公共電極的波形是固定的，它有3種電平，分別是0V，1.5V，3V，每個(gè)周期變化4次，COM1和COM2的波形是方向的。圖（3）給出了解決方案，該電路由NMOS管和3態(tài)控制門構(gòu)成，DA的頻率是d3的2倍，其中NMOS管接1.5V電壓，3態(tài)門用3V電壓，這樣就能夠產(chǎn)生每個(gè)周期變化4次，有3種電平的固定公共電極波形。為了能夠被人眼識(shí)別，d3的頻率采用了10Hz，由該電路產(chǎn)生的HSPICE波形如圖（3－1）所示（用1.5V電源供電，3V的電壓由外圍的倍壓電路產(chǎn)生）。達(dá)到這樣的設(shè)計(jì)要求，圖（3）中，N管的W/L＝28uM/4uM，3態(tài)門的兩個(gè)P管的W/L＝8uM/3uM，兩個(gè)N管的W/L＝4uM/3uM。
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圖（3）

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圖 （3 －1）
2. SEG口電路和波形
技術(shù)要點(diǎn)：11個(gè)段極和2個(gè)公共電極共同驅(qū)動(dòng)電子表的顯示，段極和公共電極周期要保持相同。其解決方案如圖（4）所示，圖 （4）是段極驅(qū)動(dòng)電路，它是由一個(gè)異或門和一個(gè)非門電路搭成，為了讓公共電極和段極周期保持一致，輸入信號(hào)d3和COM電路中的d3是同一個(gè)信號(hào)，都是頻率為10Hz的周期方波；D1的信號(hào)是由譯碼電路產(chǎn)生，它決定電子表顯示數(shù)碼譯碼，產(chǎn)生的結(jié)果由三種類型，恒為高電平1，恒為電平0，周期方波（其頻率為d3的2倍，周期為其1/2），圖 （4－1）,圖（ 4－2）,圖（ 4－3）分別是上面3種情況對(duì)應(yīng)的verilog_xl產(chǎn)生的波形。SEG口就是用數(shù)字電路來實(shí)現(xiàn)的，對(duì)于晶體管的尺寸沒有要求。

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圖（4）

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從公共電極和段碼電極的仿真波形可以看出，設(shè)計(jì)的電路符合液晶顯示原理的要求，公共電極每個(gè)周期變化4次和3種不同的電平，公共電極和段極的周期要保持一致，欲使某一筆劃亮或者不亮,則段極（SEG）和（COM）口要滿足一定關(guān)系，其關(guān)系如下表所示：當(dāng)SEG口和COM1口反相的時(shí)候，對(duì)應(yīng)的段極亮，同相時(shí)，對(duì)應(yīng)的段極滅。
四 、總結(jié)
   本文介紹的LCD驅(qū)動(dòng)電路完全由硬件實(shí)現(xiàn),而且由很少的晶體管搭建,設(shè)計(jì)精巧,它可以很好的集成在專用集成電路中,作為LCD的驅(qū)動(dòng)電路LCD,這減少了成本,具有市場競爭優(yōu)勢。這是和市場上其他由硬件和軟件共同實(shí)現(xiàn)LCD驅(qū)動(dòng)不同的地方。我們已將該LCD驅(qū)動(dòng)電路模塊集成在ASIC咖啡壺芯片中,該芯片已經(jīng)完成了FPAG驗(yàn)證和布局布線，并在上華進(jìn)行MPW。