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LCD显示屏出现闪烁的原因与解决

比较CRT与LCD两类显示屏时，其中一项最为普遍见到的差别是闪烁问题。一般都会以为CRT显示屏有闪烁，而LCD则没有，查实两类显示屏皆有某程度上的闪烁，机制上的差异和纠正方法影响到成功率。本文讲述LCD显示屏上出现闪烁的原因，并且提出避免闪烁的方法。

LCD显示技术

    液晶体显示屏（LCD）於1973年出现於计算器上，首个LCD是嵌入有七段字画，让数字得以被显示。下一代LCD则於1980年面世，属於点阵式（dot-matrix）显示，除显示数字外，还有字符和图形，比如是简单的单色电脑显示屏或者流行的“电子宠物” 他妈哥池。这些矩阵设计藉著启动阵中的行与列的像素作为控制，取代了每一像素需一条独立的控制线。至1980年代末，彩色滤光片成功地嵌入LCD设计里面。自始以後，历代产品皆集中於屏幕尺寸、显示器重量，能量效益、视角等提升上。               

    虽然不断改良，但是LCD显示屏的基本操作仍旧不变。LCD显示屏的像素阵不断地被背底光照耀，?久的光消除了在CRT发现的一类闪烁（磷点随每一刷新周期作脉动闪光））。反之，LCD像素夹在上下两块带有彼此垂直坑纹的玻璃板之间，如图1所示。这些坑纹对准液晶体，组成通道，给背底光通过往屏幕的前方。透射的光量取决於液晶体的方位。并且与施加的电压成比例。

    上下两板是彼此垂直偏光的。两板之间的电压调校液晶体於扭曲模式中，以配合每一板的偏光。来自背底光的光线穿过已调校的液晶体。反之，当液晶体没有被调校时，光线就被阻隔，调校的分量与施加电压成比例，并且担当为光度控制。

                   
        表1. 列出各种不同视像格式的像素阵列大小

    外层板是滤色镜片（RGB），红、绿、蓝区（每一称为子像素）被纳入於每一像素里，与每一原色相关的色区被分开寻址，故此能够显示全色彩和光度。像素数目决定了显示屏的清晰度。表1列出各种不同视像格式的像素阵列大小。须注意像素阵列大小的数目不是直接转为宽高比，因为像素不是呈典型的正方形。

LCD闪烁的原因

                        图2. LCD显示屏中闪烁的视觉例子。
   （a）（左图）LCD经优化的闪烁。         （b）（右图）LCD有过量闪烁

    在LCD显示屏上的闪烁有别於CRT，LCD闪烁乃本身呈现褪色，而并非是脉动光。如图2a及2b所示，图2a是LCD显示屏经己被调节至减少闪烁，而图2b是LCD有过强闪烁，这是因为LCD的刷新率高达300Hz所致。
 
                 图3. 单一LCD像图之电路

    图3所示为驱动单一LCD像素的电路。栅极电压充电为一个开关，一般被放大至成为-5V至20V，视频源极上一般电压范围由0V至10V，提供出现在像素上的亮度信息。像素下面是被连接到屏幕的底板，在这节点上的电压为Vcom。

    这种布局方式虽发挥作用，但却减低屏幕寿命，假定Vcom电压在地。像素上的电压变化由0V至10V，假定平均为5V，这就有重大的DC电压在每一像素的两端，这DC电压造成电荷储存。在长期来讲，因著像素上的电极电镀

    有离子杂质而令到像素恶化，这是导致影像残留的原因，常见於旧的TFT-LCD屏板上颜色变淡。

    LCD屏幕的结构是对称的（图1），正压与负压任一个都可利用来调校液晶体，其中可以充份利用这方面的是将公共电压移到视频信号的中点（5V），现在视频信号上下摆动於公共电压（Vcom）上，於是在像素上制造出一个“净零效果”（net-zero effect）。这个发生在液晶体上的净零效果消除了老化和影像残留问题。这种技术要在清晰度上作出协调，因为视频信号行走5V至全亮度，代替10V。

      
图4. 交替帧中对於三种反转模式的LCD像素相位分布∶帧反转、线反转、点反转。

    要在显示屏上获得一个净零效果，可以在整个LCD画面上使用各种不同的反转模式（图4）。最简单类型是帧反转（Frame Inversion），在这种驱动方法下，画面上每一像素都在继後每一帧中反转了。帧反转在像素上造出一个相对於时间的净零效果。其他两种方法都是纳入於每一帧内的反转，线反转（line inversion）在每一水平线上交替改变相位。线反转的交替方式施加在一对水平线的公共相位上（而非单一线），称为线对反转（line-paired inversion）。点反转（dot inversion）是反转每一相邻像素的相位 好像西洋象棋的棋盘。三种方法也是在像素上造出相对於时间的净零效果。反转模式由厂方选择，并将之嵌入在驱动电路里。在所有情况当中，每一显示帧都是交替反相的。

    Vcom电压需准确放置在视频信号中点上才能避免闪烁。当要说明为何显示屏会闪烁，假定因为制造屏幕的关系。Vcom定在5.5V。倘若视频信号摆动於0V与10V之间，满度电压就会在每一图场有所差别，在一图场上满度电压是4.5V，而在另一图场的满度电压是5.5V，在满度电压中这个差异会转化为光度差，於是出现闪烁。

                    图5. 使用光敏传感器EL7900测量屏幕的闪烁

    图5示出有与无闪烁下的画面光强差别，浅色波形有较大DC电平，录得画面没有闪烁，是次测量利用一个EL7900光敏传感器。光敏传感器将光强转变为电流，电流越大，在示波器上产生的电压偏转也越大。

    为了让大家明白这些结果，首先需知道有两种LCD画面∶“白”画面与“黑”画面。白画面在缓和状态中（没有电压施加在液晶体上）给光通过液晶体，而黑画面则在缓和状态中阻隔全部光。当施加在液晶体上的电压增加时，液晶体旋转。此举阻隔更多光（正如在白画面的情况）或者让更多光通过（正如在黑画面的情况）。屏幕测试是白画面，所以液晶体上施加的电压越大，画面就越暗。倘若Vcom电压准确设定在中间（无闪烁），那麽，平均AC电压便是零，画面仍会是在其最亮点。倘若Vcom电压不在中间。那麽，结果AC电压就会更高，於是画面亮度会较暗。

    图2b中的褪色是由於Vcom电压不平衡导致液晶体上错误电压所造成，并非是整体光强问题。

消除LCD闪烁的方法

     
  图6. （a）（左图）使用机械式电位器调节VCOM。（b）（右图）使用数控电位器调节VCOM。

    由於每一LCD显示屏在结构上都有变化，最佳Vcom电压值在LCD与LCD之间会有差异，所以，原设备制造商必须调节每一台出厂的显示屏，消除这种闪烁，对於小显示屏来讲，可视底板为一个低阻抗地，这样可加添一个电位器作为公共电压调节，一般来讲，使用机械电位器及需要额外的工时。对於小屏幕来讲

    这是可接受的，纵使在大屏幕方面。准确较低及在组装期间很容易被破坏，需整个组件更换。超过19英寸的屏幕，底板再不能视作为单一的低阻抗节点，需在屏幕不同位置上作多重修正，也许要多至五个局部补偿网络，四个在角落,一个在中间，在这情况下∶数控电位器（Digitally Controlled PotenTIometer, DCP）可以给制造商自动处理该项加工，对於大屏幕而又无法实行人手调校来讲是有必要的。图6a和图6b示出机械与数控电位器的解决方案。

            图7. DCP软件可编程VCOM之应用电路

    从机械式电位器转换到DCP和系统实行方法查实很简单，图7所示为DCP软件编程Vcom驱动器的应用电路，ISL45042为电流输出型、非易失性DCP，可操作於AVDD高达20V，ISL45042采用双线、上下界面，是极之准确的7 bit器件，分辨率有128级，所需的Vcom值可储存於板上的EEPROM。数字电路的电压范围由2.25V至3.6V。这使到它能与当今所采用的许多控制器接界。模拟电源施加於模拟电阻梯上，可操作於4.5V至20V，对於一般需少於10V模拟电源的小屏幕和需大於15V模拟电源的大屏幕来讲这是一个重要特徵。DCP输出电压经缓冲及EL5111放大器（180mA输出电流）往Vcom总线。

    与流行的看法完全相反，LCD显示屏是存有闪烁的，不过简单的电位器调节是可以减低该影响，因为LCD闪烁出现在公共电压的偏移上，而并非在刷新信号上。

    随著LCD越来越流行和屏幕尺寸不断增大，在底板上的单一点人手调节不再可行了，使用ISL45042 DCP和EL5111 Vcom缓冲器便可在底板的多点上进行Vcom偏移自动修正，效果更为明显。