如何在LCD上实现灰度--LCD系列讲座 LCD, 讲座

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   如何在LCD上实现灰度--LCD讲座之二
   大家知道，液晶的显示效果，是由加在液晶上的有效电压决定的。灰度（彩色）的实
现有两种方式，即PWM（脉宽调制）和FRC（帧率控制）。
    PWM是在一次扫描时间内分成若干个时间片，如16级灰度，就分成16个时间片，如果
显示5/16灰度，那么只有5/16的时间内是有驱动电压的（对同一个点而言），最后的等
效电压就只有全黑的5/16了；
    FRC跟PWM类似，只是每个时间片变成了一帧，如显示16级灰度，那么就要用16帧，
显示5/16的灰度，在16帧里只有5帧有驱动电压（对同一个点而言），最后的等效电压就
只有全黑的5/16了。
    一般对于4级以上的灰度，是采用PWM＋FRC结合的方式。因为灰度越高，采用PWM需
要的频率就越高，如16级灰度，320行，刷新率60HZ，需要16x320x60=307200Hz。频率越
高，IC的结构越复杂，而稳定性越差，功耗也越大；而采用FRC，灰度级越多，一个周期
需要的帧数越多，如16级灰度需要16帧，刷新率60Hz时每秒钟不到4个周期，这样看起来
就会有闪烁，所以就得提高刷新率，这同样要提高频率，增加功耗，同时还要提高液晶
的反应速度，而液晶的反应速度总是有限的，且提高速度会大大增加液晶的成本。如果
采用PWM＋FRC，可以用2-bit （即4级）PWM和2-bit（4帧）FRC或者3-bit（8级）PWM和1
-bit（2帧）FRC，这样就就能很好解决这些问题，弥补各自的不足。
    至于彩色，跟灰度是一样的，只是三基色的调配而已，如3-3-2方式的256色，只是R
GB三个颜色的灰度分别是8，8，4而已

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LCD驱动原理--LCD讲座之二
大家知道，现代显示器件的显示方式，基本上都是采用动态扫描的方法实现整幅画面
的显示。比如电视机的显像管（CRT，阴极射线管），通过帧同步信号和行同步信号的控
制，电子枪的电子束逐行逐点的扫描，将电子打在荧光点上，使之发光，通过视觉暂留
的作用，我们看到的就是一副完整的画面。
LCD与CRT类似，也是动态的扫描。但CRT是模拟方式的，通过电路控制，电子束可以
任意移动，而LCD是数字方式的，只有位置固定的电流通路，所以只能通过电路矩阵逐行
扫描，而不能到逐点，即一行上所有的点同时工作。
为了简单起见，这里仍以单色为例，灰度参考【讲座之一】便明白.
既然是一行同时工作，而要显示图像，肯定会有的点亮，有的点是不亮的，那么也就是
说每个点上的电压是不同的（讲到这里，我简单提一下液晶方面的基本知识，液晶有个
阈值电压Vth，当加在它上面的电压大于它时就有显示，否则没有显示；由于是动态扫描
，加在点上的电压是变换的，所以液晶的驱动电压并不等于Vth，通常是数倍于Vth，我
们叫它Vop，或者Vlcd）。这样一来，列上的电压应该是有好两种，另外，由于列上有电
压，要让不在扫描周期上的行不工作，它也应该有个对应的电压，所以行也应该有两种
电压。而液晶不能长时间的工作在同一个状态下，否则会缩短寿命，所以我们每隔一段
时间，会将电压反相，所以行列一共会有8种电压，其中，正反向的最大电压（准确的说
是电位）是共用的，最后便有6种电压，称作VL1,VL2,VL3,VL4,VL5,VL6，其中，假设VL1
＝GND，那么VL6便是VLCD了，而VL2~VL5和行数有关，根据最佳偏压法，偏压比1/b=1+sq
rt(行数)，那么：

VL2=VL6/b
VL3=2*VL6/b
VL4=(b-2)*VL6/b
VL5=(b-1)*VL6/b

至于偏压比怎么得来的，大家可以看相关书籍，也可以由下图的波形自己去推算（提示
，绝对对比度最大时b的值，即在一帧中，亮点的有效电压与不亮点的有效电压比值达到
最大）

VL1即Vss，M是极性翻转信号，图中为每帧翻转一次，实际可能会不一样，当M翻
转时，行和列上的电压也会翻转（相当于以VL6/2为地），如第一帧，行的电压为VL5,Vs
s，列的电压为VL4，VL6，而第二帧时，行为VL2，VL6，列为VL3，Vss。
另外，提一下这个常见的相关名词－duty，实际上就是占空比的意思，因为一帧中一行
只扫描一次，所以duty＝1/行数。

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驱动器与控制器--LCD讲座之三

前面讲到了LCD的一些基本原理，相信大家已经对LCD有了一些了解。这回我再讲讲
从MCU到LCD之间是怎样一个控制流程，即我们的位图数据是怎样显示到LCD上的。
前面我们了解到LCD显示是用动态扫描的方式来实现的，每次显示一整行，在一帧里
每行一次扫描一遍，这样要有电路来控制行和列上的输出电压，这种电路就是LCD驱动器
；而驱动器的输出又跟图像及LCD的工作方式是相关的，驱动器需要接受从图像转换来的
控制信号，从而改变行/列上的输出电压，将工作方式及图像位图转换成控制信号的电路
就是控制器。控制器从MCU接收位图数据，然后把它转换成控制信号提供给驱动器。
对于小分辨率的LCD，驱动器和控制器通常是直接集成在一个IC上的，而大尺寸的LC
D，驱动器和控制器则是分开的，并且一般行驱动器和列驱动器也是分开的。那么控制器
和驱动器之间到底是怎样连接的呢？我们来看看

YD是帧同步信号，LP是行同步信号，DATA是列驱动的数据总线，用来传送列上的输出数
据（0或1），XCLK是移位时钟，每跳变一次时DATA上传送一次数据，DOFF＃是关闭输出
信号。以640x480的单色屏为例，640个列输出，对应640个位的输出，即80字节，也就是
每行扫描，列上需要的数据为80字节。假设列驱动器使用8位数据线，那么80字节需要80
个XCLK时钟。这些信号，均由控制器驱动，仍以640x480的单色显示为例，驱动器为8位
总线，则每帧开始时控制器连续输出80个XCLK，并将第一行的数据输出，列控制器在每
个XCLK时将数据锁存，然后控制器在YD上输出一个脉冲，行驱动器复位，准备从第一行
输出，控制器在LP上输出一个脉冲，列驱动器复位，将刚才锁存的数据输出，同时行驱
动器也从第一行输出，于是第一行便显示了，接着控制器再输出第二行的数据，然后再
输出一个LP，于是第二行便显示，依次类推，直到第480行后又输出一个YD回到第一行，
即开始了第二帧的扫描。
由此可见，驱动器的输出，完全由控制器的时序和数据决定。对于控制器和驱动器
分离的系统，驱动器无法得知当前的显示特性，如单色还是灰度或者彩色，颜色深度是
多少等等，所以在这样的系统上，灰度/彩色只能用FRC的方式来实现，因此一般单独的
通用控制器，工作频率都相当高。达到几十兆，对于像电脑显示屏这样的大尺寸，甚至
达到几百兆。

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OLED原理及简介--LCD讲座之四

本来，OLED不属于LCD，但由于应用范围跟LCD类似，而有的朋友也问起来这个，所以
就顺便讲讲
OLED，全称是Organic Light-Emitting Diode，即有机物发光二极管，1987年由美
国柯达公司的一个研究小组发明，目前属于柯达公司的专利。
简单来说，它的发光原理有点类似LED，可以看做一个电容和一个LED并联。下图是OLED
的一般结构

此主题相关图片如下：

正面是空穴注入层，反面是电子传输层，中间是有机物发光材料，当在两层之间施加电
压时，就会产生电流，从而会发光，光线经过正面的玻璃透射出来。
OLED相对于STN LCD来说，有很多优点：
1. 主动发光，视觉效果好，亮度高
2. 高对比度，可达200:1,而STN只能到50:1
3. 反应速度快，1ms以下，适合做视频
4. 大视角，可达160度，而STN<60,TFT<120
5. 相比于LCD＋背光，耗电要小
6. 可以做得很薄，可以应用在比较特殊的场合
但任何事物都有两面，OLED也有缺点
1. 目前工艺尚不十分成熟，成品率比较低，尤其是彩色OLED，所以价格十分昂贵
2. 受本身特点所限制，尺寸（点阵）不能做到很大，一般在160行以下
3. 目前材料属于柯达公司的专利，不利于推广
4. 受材料的限制，目前寿命不高，最高的绿色也只有10000小时左右

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灰度的实现（进阶篇）--LCD讲座之五

前面的讲座里讲到灰度的实现有两种方式：FRC和PWM。它们属于基本的灰度实现方法
，即输出的数据（波形）完全是按照各个象素自己的内容输出的，跟其它的点没有任何
关系。而通常在高级的专用控制器中，会采用一些数学算法来实现用低灰度输出的电路
来实现高灰度等级的输出，如原本只能输出16级灰度，通过某些数学运算之后，可以实
现64级灰度，这个方法就是"抖动"（dithering）。
为了说明抖动的理论依据，我们可以回想一下，有时候我们远看某个物体，看见的是一
种颜色，而走进一看，才发现是有多种颜色交错的，这说明，人视觉看的某点的颜色，
会受旁边点的颜色的影响。抖动正是利用了这个效应。至于实现高色彩为什么要用抖动
而不完全用PWM和FRC，原因前面有提到过，要实现高灰度等级，PWM和FRC都需要比较高
的工作频率，电路就会比较复杂，成本会增加，而且耗电量也会增加。而对于一般小尺
寸的便携式LCD，成本和耗电量是两个及其重要的参数，因此抖动是一种比较好的选择。
下面解释一下抖动的实现

小方块表示灰度级，下面的大方块表示4个象素用黑白来实现灰度。通过这种方法
，对每个点采取同样的运算，就可以用黑白实现4级灰度，如果用更多的点，则可以实现
更多的灰度，但是由于周围的点要做运算，要添加额外的运算电路，另外，经过运算之
后，由于相邻的点相互左右，相当于部分的降低了分辨率，因而实际的应用系统中，一
般都是2-bit即4个点的抖动。所以单独的控制器，一般64级灰度是由16级FRC加4个点的
抖动。
同样是抖动，有静态抖动和动态抖动之分。所谓静态抖动，实际上就是跟周围的点采用
固定的运算，如上图中的，每种灰度跟周围点只有一种运算方法。而动态抖动，是每一
帧中，对相同的灰度，对周围的点采用不同的运算方法，

大家可以想到，还有其它的运算也是可以的。动态抖动的好处是，可以最大限度的减小
由于抖动带来的分辨率降低。
目前市面上的控制器，大部分都是用的静态抖动（如EPSON的SED13XX系列产品），小部
分用动态抖动（如SOLOMON SYSTECH的SSD19XX系列）