摘要

LCD（很多種）已經(jīng)使用30多年了，其驅(qū)動(dòng)方式已為大家所熟悉，并在過去的20年里一直保持不變。然而，LCD材料的進(jìn)步以及對(duì)密度調(diào)制新的認(rèn)識(shí)，使得可以有新的數(shù)字方法，其可以升級(jí)到芯片過程，可以有更具成本效益的設(shè)計(jì)。這篇文章將會(huì)介紹傳統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)方式，將介紹兩種只需要數(shù)字信號(hào)來驅(qū)動(dòng)LCD的方法。第一種方法依賴于不同頻率信號(hào)的相關(guān)與不相關(guān)性，而第二種方法是通過LCD玻璃的低通濾波屬性允許它由密度調(diào)制信號(hào)驅(qū)動(dòng)。我們會(huì)介紹這兩種技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，如識(shí)別率、供電電壓的開關(guān)電壓極限，將會(huì)介紹多種電平，多種類型。我們還會(huì)示范三種常用的類型。

 

傳統(tǒng)上，LCD控制在微控制器中已經(jīng)完成，主要通過兩種不同方式，但只要是模擬方式實(shí)現(xiàn)。這些實(shí)現(xiàn)方式包括一個(gè)梯形電阻或電流泵，業(yè)界更常用的是梯形電阻。使用梯形電阻，一系列的電阻彼此堆疊，形成一個(gè)很大的分壓器，在這里可以獲得多個(gè)電平，然后在恰當(dāng)?shù)臅r(shí)間集合到適當(dāng)?shù)腉PIO，從而產(chǎn)生所需的LCD控制波形，這取決于LCD的MUX值。梯形電阻阻值的選定由芯片實(shí)現(xiàn)，在功耗與圖象顯示品質(zhì)上都很有效。

 

LCD是一種理想的電容負(fù)載。通過選擇一個(gè)很大的電阻，由于電容負(fù)載不斷的充放電，所以會(huì)產(chǎn)生失真波形。這可能導(dǎo)致生成不恰當(dāng)?shù)腖CD控制波形，這會(huì)影響LCD的顯示，因?yàn)槟承﹕egment可能顯得可定義的比其他的多。通過減少電阻值，波形失真可以減少，但代價(jià)是增加了功耗。關(guān)鍵是要找到節(jié)能和LCD控制波形完整性之間的平衡點(diǎn)。此外，實(shí)施LCD驅(qū)動(dòng)模擬子系統(tǒng)需要的成本會(huì)變得非常昂貴（由于片內(nèi)子系統(tǒng)尺寸）。以PSoC 3控制器為例， LCD架構(gòu)會(huì)占用大約~350k平方微米。

 

當(dāng)模擬LCD系統(tǒng)主導(dǎo)市場時(shí)，與新技術(shù)和LCD背后的制造過程相匹配的密度調(diào)制理解的增長，使得需要有一個(gè)有效驅(qū)動(dòng)LCD的新方法。例如，純數(shù)字LCD控制技術(shù)可應(yīng)用于產(chǎn)生LCD控制信號(hào)，當(dāng)察看LCD時(shí)，不能和模擬方法區(qū)分開來。與此同時(shí)，數(shù)字方式還可提供額外的好處。有兩個(gè)不同但類似的實(shí)現(xiàn)方式，包括數(shù)字相關(guān)和密度調(diào)制。

 

原理

傳統(tǒng)上，LCD電流泵或電阻分壓器可以產(chǎn)生多個(gè)偏置電壓，如而產(chǎn)生如圖1所示的梯形波形。

 

圖1 ： 傳統(tǒng)的模擬控制波形

 

確切的電壓階數(shù)取決于期望的偏置電平。偏置是適用于LCD的電壓臺(tái)階數(shù)目。精確的數(shù)目依賴于Mux比率，即LCD中common數(shù)目的倒數(shù)。例如，一個(gè)4common的LCD mux比率是1/4。然后使用這些多重電壓來保持適當(dāng)?shù)碾娖剑员３帜扯蔚拈_或關(guān)。每common所需的偏置數(shù)量可以通過方程1計(jì)算出來。

 

                                                                                                                                方程1

 

 

這種方法的優(yōu)勢是可以產(chǎn)生高識(shí)別率，但它會(huì)造成潛在的功耗成本和芯片實(shí)現(xiàn)成本的提高。使用數(shù)字相關(guān)技術(shù)，不是使用多個(gè)模擬電平，而是使用標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字邏輯電平， LCD控制波形在合適的時(shí)候在Vdd和地之間切換。這種方法有兩個(gè)主要優(yōu)勢。首先，使用這種技術(shù)，可以用非常有限的硬件實(shí)現(xiàn)（如定時(shí)器或PWM)，使用DMA或微控制器控制固件和ISR。目前市場上可用的微控制器和FPGA具備實(shí)現(xiàn)這種控制技術(shù)所需的資源。這種方法的第二個(gè)主要優(yōu)勢是，這種實(shí)現(xiàn)也可以很容易地在低功率模式下使控制系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)LCD。當(dāng)器件由定時(shí)器ISR觸發(fā)喚醒開始下一楨時(shí)，控制器件只需要調(diào)整GPIO到邏輯高電平或低電平，然后返回低功率模式。GPIO將會(huì)保持進(jìn)入低功耗模式時(shí)的引腳狀態(tài)，因此在低電源模式不需要大量的內(nèi)部部件處于active。由于數(shù)字相關(guān)的LCD控制所需的管理步驟很簡單，active模式需要的時(shí)間就很少，所以可以最大限度地節(jié)省功耗。下圖給出了使于數(shù)字相關(guān)控制波形的一個(gè)例子，見圖2。

 

圖2 數(shù)字相關(guān)控制波形

 

控制波形是這樣產(chǎn)生的，選中底板(common)時(shí)是segment波形相關(guān)信號(hào)，不選是不相關(guān)信號(hào)。在子楨周期結(jié)束的時(shí)候，實(shí)現(xiàn)停滯狀態(tài)。與傳統(tǒng)的模擬方法不同，可以用DAC產(chǎn)生各種偏置水平，需要調(diào)整LCD RMS的電壓來產(chǎn)生適當(dāng)?shù)拈_關(guān)電平。由于經(jīng)過segment的電壓與的segment and common(Seg-Com)的電壓不同，通過驅(qū)動(dòng)這兩條線到相同的電平， 5 V或0 V，就會(huì)產(chǎn)生一段時(shí)間的0 V，從而影響到經(jīng)過segment的RMS電壓。LCD的每一segment都有一個(gè)Von和Voff閾值電平。這些閾值電平可以通過下列方程計(jì)算，這里“ d”代表停滯狀態(tài)數(shù)目，“ n ”代表common數(shù)。

 

                                                 

方程2

 

                                                       

方程3

 

識(shí)別率是很重要的參數(shù)，其定義為V_RMS(On) 和V­_{RMS(Off)­­­­}之間的比率。其差距較大，將會(huì)顯示越多的定義了的開關(guān)segment。如果這兩個(gè)參數(shù)太接近，它就很難區(qū)分開和關(guān)的segment。計(jì)算數(shù)字相關(guān)識(shí)別率的方程如下。

 

方程4

 

從這個(gè)方程可以看出，隨著LCD common數(shù)量的增加，識(shí)別率會(huì)降低。在任何控制方法中識(shí)別率都是這樣的。識(shí)別率并不像理想的模擬控制方法那么有效率，不過對(duì)于當(dāng)今的4common LCD來說已經(jīng)足夠了。

 

使用密度調(diào)制，由系統(tǒng)內(nèi)PWM組成，可以產(chǎn)生類似傳統(tǒng)模擬方法的波形。理想情況下，LCD模型是一個(gè)電容。然而，由于LCD玻璃的固有特性， LCD模型更像一個(gè)濾波器。LCD的這些固有特性在這種情況下是有利的。通過改變PWM參數(shù)，LCD的濾波器特性可用于生產(chǎn)直流電壓。通過這種方法，產(chǎn)生的波形和圖1所示的傳統(tǒng)模擬方法非常相似。

 

該方法的最大優(yōu)勢是成本。由于是數(shù)字硬件來產(chǎn)生波形，數(shù)字元件比模擬硬件占用的die要小。開始PSoC3給出的值是近似~ 350 k 平方微米。通過切換到純粹的數(shù)字系統(tǒng)，估計(jì)這個(gè)數(shù)字會(huì)降低到大約5.5 k平方微米。實(shí)現(xiàn)數(shù)字系統(tǒng)比相應(yīng)模擬器件來說還會(huì)明顯減少芯片設(shè)計(jì)風(fēng)險(xiǎn)。請(qǐng)注意，這一切隨之而來的代價(jià)是更高的功率消耗，這是由于PWM需要更高速度的時(shí)鐘。然而，在LCD管腳添加額外的外部電阻可以平衡這種實(shí)現(xiàn)的功耗。

 

      

方程5

 

方程6

 

 

這種方法的識(shí)別率比數(shù)字相關(guān)更高，可以產(chǎn)生更多的可定義的顯示，如方程7所示。

 

                                    

方程7

 

 

實(shí)現(xiàn)

下面的工程范例是使用PSoC 3/5在PSoC Creator環(huán)境中實(shí)現(xiàn)和配置的。這個(gè)項(xiàng)目配置為可以實(shí)現(xiàn)數(shù)字相關(guān)和密度調(diào)制兩種方法，1/2 和1/3偏置。在工程文件中通過簡單地改變一些參數(shù)，工程文件就可以實(shí)現(xiàn)任何LCD控制技術(shù)。有兩個(gè)主要的LCD控制部分。第一個(gè)驅(qū)動(dòng)控制排序，如圖3所示。第二部分是引腳驅(qū)動(dòng)邏輯，見圖4，其獲得各種控制和驅(qū)動(dòng)信號(hào)，并用適當(dāng)?shù)倪壿嫿Y(jié)合來生產(chǎn)所需的驅(qū)動(dòng)波形。

 

圖 3 數(shù)字LCD控制控制和驅(qū)動(dòng)排序

 

序列器是用來指示正在生成控制波形子幀，同時(shí)決定波形信號(hào)是否需要倒置。這個(gè)模塊扮演了一個(gè)連續(xù)循環(huán)的狀態(tài)機(jī)角色。一旦整個(gè)LCD波形產(chǎn)生，它會(huì)翻轉(zhuǎn)并重新開始。圖3中所示為4 common 顯示配置。然而，通過增加SubFrame[0..1]的尺寸，這個(gè)序列器可以擴(kuò)展到多達(dá)16common。

 

PWM的停滯狀態(tài)主要是用于控制差異，可以通過調(diào)整之前提到的RMS電壓實(shí)現(xiàn)。通過改變PWM停滯時(shí)間參數(shù)，將common 和segment驅(qū)動(dòng)為低的時(shí)間增加，從而降低LCD控制的RMS電壓。

 

PWM偏置產(chǎn)生了兩個(gè)PWM信號(hào)：一個(gè)高電平信號(hào)和一個(gè)低電平信號(hào)。當(dāng)提到LCD為1/2， 1/3，或1/4偏置時(shí)，指的是結(jié)合系統(tǒng)的高、低電平產(chǎn)生所需的最終電平。

 

圖4   common 和segment驅(qū)動(dòng)邏輯

 

如圖4所示，顯示RAM存儲(chǔ)的是LCD的每一個(gè)像素的信息，是開或關(guān)。隨著序列器周期通過子幀，它將通過數(shù)字de-mux從顯示RAM選擇一位，見圖4。要增加顯示器的common數(shù)，就需要增加控制寄存器以支持期望的數(shù)值， de-mux 輸入數(shù)目也是同樣。在PSoC Creator工程中，有多頁如圖4所示的電路原理圖，其提供了segment和 common必要的邏輯。區(qū)分segments和 common的部件是虛擬mux，設(shè)置為' 0 '為common，設(shè)置為' 1‘ 為segment。使用顯示RAM，以及排序及控制元件，各種邏輯門一起工作來進(jìn)行適當(dāng)?shù)慕獯a，以確定信號(hào)如何表現(xiàn)在GPIO引腳。然后LCD作其他事情。

 

例如VIM-404 TN LCD。在固件中，一個(gè)按鈕就可輕松實(shí)現(xiàn)各種控制切換，可以實(shí)時(shí)演示不同控制技術(shù)。圖5為數(shù)字相關(guān)方法。

 

 

圖5 TN LCD數(shù)字相關(guān)方法

 

有了這種方法，我們就能觀察到識(shí)別率較低的影響。為了產(chǎn)生這樣一個(gè)顯示，在關(guān)閉像素的地方不亮，那么開電壓必須也降低到開像不顯示像傳統(tǒng)的LCD控制方法定義的那個(gè)點(diǎn)。然而，觀察到的效果會(huì)根據(jù)LCD參數(shù)不同而不同，如LCD象素尺寸，LCD電壓，顯示類型(STN或TN)。在STN LCD測試中，數(shù)字相關(guān)和傳統(tǒng)控制方法沒有明顯差別。

 

圖6和圖7顯示了PWM 1/2偏置和 1/3偏置驅(qū)動(dòng)方法。可以明顯觀察到數(shù)字相關(guān)和PWM圖像，但不管離的多近，都很難區(qū)分1/2還是1/3偏置， 1/3偏置會(huì)有更多可定義的顯示。

 

圖6 .TNLCD1/2 PWM偏置

圖7 . TN LCD 1/3 PWM偏置

 

如前所述，通過增加優(yōu)先級(jí)邏輯，顯示RAM，以及增加另外的數(shù)字邏輯就可支持更多的common/segment，在CY8C-KIT006工具中，支持更大的LCD，16 common STN LCD，如圖8所示。

 

圖8 .CY8C-KIT006 STNLCD ，¼ PWM 偏置

 

使用電流泵和梯形電阻的模擬LCD控制標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)在半導(dǎo)體行業(yè)存在20多年了，新一代數(shù)字控制方法將會(huì)證明其是一個(gè)可行的替代方案，因?yàn)樗鼈儗?shí)現(xiàn)的尺寸小，功耗低。