【技术分享】CRT/OLED/LCD等视频显示系统控制原理分析

2019-04-10 13:14:47 来源:elecfans
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引言:

作为消费者,我们对于各种形式的视频系统都已经非常熟悉了。但是从嵌入式开发人员的角度来看,视频就好像是一张纷繁复杂的网络,里面充满了各种不同的分辨率、格式、标准与显示等。


视频显示:

模拟视频显示

视频编码器

 

视频编码器可以将数字视频流转换为模拟视频信号。这些视频编码器的输入一般为ITU-RBT.656或BT.601格式的YcbCr或RGB视频流,然后在将输入信号根据各种不同的输出标准(如NTSC、PAL、SECAM)进行转换。一个主控处理器可以通过串行接口(如SPI或I2C)来对编码器进行控制,例如可以设置像素时序、输入/输出格式以及亮度/色度滤波等参数。如下图,常见的编码器结构框图。视频编码器通常采用以下的一种或几种模拟输出格式。

 

视频编码器框图举例

 

CVBS——这个缩写代表Composite Video Baseband Signal(或Composite Video Blanking and Syncs),即符合视频基带信号(或复合视频消隐与同步)。复合视频通过下图(a)中所示的随处可见的黄色RCA插孔来连接。他将亮度、色度、同步和色彩脉冲信息全都整合到一根电缆内。

 

常见模拟视频连接器

 

S Video——使用上图中(b)所示的接头进行连接,可以分别传送亮度和色度信息化。将亮度信息与色差信号分离开来,可以大幅度改善图像质量,这也正是S Video连接在当今的家庭影院系统中流行的原因。

 

ComponentVideo——分量视频,也称为YPbPr,这是YcbCr数字视频的模拟版本。这种视频格式中,亮度和每个色度通道都是单独传输的,每一个通道都有自己的时序。这样可以保证模拟传输图像达到最佳的质量。在高端家庭影院系统中,例如DVD播放器和A/V接收机,这样的分量连接是非常普遍的如上图(c)。

 

模拟RGB格式中,红、绿、蓝信号具有各自分离的通道。这可以提供与分量视频相近的图像质量,但它通常用于计算机图形邻域如上图(d),而分量视频则主要应用于消费类电子邻域。

 

阴极射线管(CRT

在显示邻域,RGB是计算机显示器和LCD显示器最常用的接口。最古老的计算机显示器通过3个独立的引脚接来自PC显卡的模拟视频信号,并相应的调节3个独立的电子枪来产生图像。根据哪个电子束激活了屏幕上的点,该点就会呈现出红色、绿色、蓝色,或者是这些颜色不同的组合。这一点与模拟电视是不同的,模拟电视中用的是一个复合信号,所有的颜色信息都叠加到了同一个输入中,只调节一个电子束。更新一点的计算机显示器使用DVI(Digital Visual Interface,数字视频接口),可以接受数字和模拟两种格式的RGB信号。

 

CRT的显示器的主要优点是成本非常低廉,而且可以比同等尺寸的LCD显示器产生更多的颜色。另外,与LCD显示器不同的是,CRT显示器可以从任意角度来看。不过,CRT显示器也有缺点,比如体积庞大、比较笨重、电磁辐射比较大,而且由于屏幕的闪烁还会引起眼睛疲劳。

 

数字视频显示

液晶显示面板 (LCD)

LCD技术主要有两大类:无源阵列(passive matrix)和有源阵列(active matrix)。无源阵列(常见的类型包括STN,全称为Super Twisted NemaTIc,即超级扭曲向列,及其衍生类别),是在玻璃衬底上印刷出列引线结构,在另一块玻璃衬底上印刷出列引线结构,然后组成一种”液晶三明治”的结构。这些行列交叉点就是像素点。因此,为了激活某个像素,时序电路需要为该像素所在的列供电,同时将该像素所在的行接地。这样,在该像素处的电压差会使得对应位置的液晶发生变化,于是该点将变为不透明,阻止光线通过。

 

无源阵列技术虽然比较简单,但有一些不足的地方。例如,屏幕刷新时间相对比较长(这可能会造成快速移动图像出现”拖影”现象)。另外,行列交叉点处的电压也有可能泄露到临近的像素点,这会在一点程度上造成附近的像素区域的液晶变得不透明,阻碍光线通过。对于观看者来说,会看到图像迷糊不清,对比度有所降低。此外,可视角度也相对较小。

 

相比于无源阵列而言,有源阵列LCD技术在这些方面有了大幅度的进步。在有源阵列LCD技术中,每一个像素点由一个电容和一个晶体管开关构成。这种结构使之获得了一个更加流行的名称,即“薄膜晶体管液晶显示器”(TFT-LCD)。为了对某个像素进行定位。首先要使能该像素所在的行,然后在所在的列施加一个电压。这样就会产生一个仅仅隔离感兴趣像素点的效果,而周围的其他像素不会受到影响。另外,由于控制一个特定像素所需的电流降低了,因而该像素开关的速度也会更快,从而使得TFT-LCD的刷新速率比无源阵列更高。更重要的是,通过调节施加在像素上的电压水平可以产生许多离散的亮度等级。现在,相应于8位的强度信息,可以达到256个亮度等级。

 

要连接到TFT-LCD面板可不简单,因为 涉及多种不同的组件。首先,是LCD面板本身,它里面包含了一个像素阵列,可以用行和列来选通,参考像素的时钟频率。

 

TFT-LCD的背光常常是CCFL(即冷阴极荧光灯),它激发气体发出亮光,而产生的热量却非常少。CCFL的优点有:经久耐用,寿命超长以及驱动要求非常简单直接。LED也是一种流行的产生背光的方法,主要用于中小尺寸的液晶面板,其优点包括成本低廉,工作电压低,寿命长,良好的亮度控制特性。但是,对于更大的面板尺寸,LED背光的功耗要比CCFL更大。

 

LCD控制器中包含了将输入视频信号转为LCD显示所需格式的绝大多数电路。通常,这部分电路中包含一个时序发生器,用来控制液晶面板上各个独立像素的同步信号和时钟信号时序。但是,为了满足LCD面板尺寸和成本方面的要求,有时候这些时序产生电路需要有外部提供。除了标准的同步和数据线之外,为了驱动LCD面板各个独立的行和列,也需要一些时序信号。有时候,媒体处理器中的通用PWM定时器也可以代替这些独立的芯片,以降低系统成本。

 

LCD控制芯片还有一些其他的特性,例如OSD(on-screen display)支持,图像重叠混合、颜色查找表、混色以及图像旋转等。一些比较复杂的LCD控制芯片,其价格也会非常昂贵,往往超过了和他们相连接的处理器价格。

 

为了给LCD面板提供合适的电压,需要用到一个LCD驱动芯片。这个驱动芯片在LCD控制器输出和LCD面板之间扮演着“转换器”的角色。行和列一般是独立驱动的,时序信号由时序发生器来控制。液晶必须用周期性的极性翻转信号来驱动,因为主流电流会给晶体结构带来压力,并最终使晶体退化。所以,施加在每个像素上的电压极性必须在每一帧、每一行或者每一个像素上发生变化,具体变化周期因实现的方式而有所不同。

 

媒体设备正朝着更小型、更便宜的方向发展,这一趋势促使人们将上述LCD系统组件集成到了一起。现在,包含时序发生器和驱动电路的集成TFT-LCD模块已经出现,仅仅徐亚一条数据总线、时钟/同步信号线和电源供应即可。另外,还有些液晶面板没有采用并行数字输入,而是用了复合模拟视频输入方式。

 

OLED(有机发光二极管)显示 有机发光二极管中的“有机”是针对夹在两个电极之间的材料而言的。当电荷穿过这一有机材料时,该有机材料就会发光。这种显示技术目前还是很新的,它有望改善LCD显示存在的一些问题。例如,它是一种自发光技术,不需要背光。这就是说,这种技术可以大大降低显示面板的功耗、成本以及重量—OLED面板可以做的非常轻薄。此外,OLED显示比LCD显示支持更多的颜色,其运动图像显示效果也要优于LCD。更重要的是,OLED支持很宽的视角,具有很高的对比度。OLED的电子信号和数据接口与TFT-LCD类似。

 

尽管有上述诸多优点,但是到目前为止,OLED最大的问题是使用寿命较短OLED中的有机材料再使用几千小时之后就会损坏,虽说在某些显示器中这个数字现在已经提高到了超过10000小时——非常适合于许多便携式多媒体应用。在有些方面,OLED具有美好的市场前景,例如手机、数码相机以及类似的产品。不过也非常有可能看到基于OLED技术的电视或者计算机显示器。

 
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