В статье изложены особенности устройства и разновидности дисплеев на основе жидких кристаллов, TFT-матриц и органических пленок (OLED) производства Bolymin, Winstar, Wisetip. Рассматриваются основные параметры различных типов жидкокристаллических дисплеев, что позволит сделать осознанный и правильный выбор LCD для каждого конкретного применения.
ООО “РТЭК”, Украина, г. Киев
Для отображения информации в большинстве современных устройств используются дисплеи, содержащие в своей основе ту или иную вариацию жидкокристаллического вещества. Появление дисплеев на основе жидких кристаллов стало возможным благодаря работам австрийского ботаника Фридриха Рейнитзера (Friedrich Reinitzer). В ходе своих исследований в 1888 г. вещества, известного как cholesteryl benzoate, он обнаружил, что оно имеет две явные точки плавления. В своем эксперименте он увеличивал температуру твердого образца и наблюдал превращение кристалла в мутную жидкость. Дальнейшее увеличение температуры приводило к появлению чистой прозрачной жидкости, пропускающей свет. Благодаря этой ранней работе считается, что именно Рейнитзер открыл новую жидкокристаллическую фазу материи. Через много лет, в 1968 г., фирмой RCA был создан первый экспериментальный жидкокристаллический индикатор (ЖКИ).
В основе любого ЖК-дисплея лежит конструктивный принцип, описанный ниже. Основой для последующих слоев ЖКИ являются две параллельные стеклянные пластины с нанесенными на них поляризационными пленками. Различают верхний и нижний поляризаторы, сориентированные перпендикулярно друг другу. На стеклянные пластины в тех местах, где в дальнейшем будет формироваться изображение, наносится прозрачная металлическая окисная пленка (оксиды индия и олова - ITO), которая в дальнейшем служит электродами. На внутреннюю поверхность стекол и электроды наносятся полимерные выравнивающие слои, которые затем полируются, что способствует появлению на их поверхности, соприкасающейся с ЖК, микроскопических продольных канавок. Пространство между выравнивающими слоями заполняют ЖК-веществом. В результате молекулы ЖК выстраиваются в направлении полировки выравнивающего слоя. Направления полировки верхнего и нижнего выравнивающих слоев перпендикулярны (подобно ориентации поляризаторов). Это нужно для предварительного “скручивания” слоев молекул ЖК на 90° между стеклами. Когда напряжение на управляющие электроды не подано, поток света, пройдя через нижний поляризатор, двигается через слои жидких кристаллов, которые плавно меняют его поляризацию, поворачивая ее на угол 90°. В результате поток света после выхода из ЖК материала беспрепятственно проходит через верхний поляризатор (сориентированный перпендикулярно нижнему) и попадает к наблюдателю. Никакого формирования изображения не происходит. При подаче напряжения на электроды между ними создается электрическое поле, что вызывает переориентацию молекул. Молекулы стремятся выстроиться вдоль силовых линий поля в направлении от одного электрода к другому. Вследствие этого пропадает эффект “скручивания” поляризованного света, под электродом возникает область тени, повторяющая его контуры. Создается изображение, формируемое светлой фоновой областью и темной областью под включенным электродом. Путем варьирования контуров площади, занимаемой электродом, можно формировать самые различные изображения: буквы, цифры, иконки и пр. Так создаются символьные ЖКИ. А при создании массива электродов (ортогональной матрицы) можно получить графический ЖКИ с разрешением, определяемым количеством задействованных электродов.
Таблица 1. Основные параметры и характерные особенности различных технологий изготовления ЖКИ
Описанная конструкция ЖКИ представляет собой пассивный вариант дисплея. В зависимости от разновидности примененных в дисплее жидких кристаллов различают следующие типы ЖКИ: TN, STN, CTN, FSTN, HTN, DSTN и ECB (VAN). Отличительные особенности этих дисплеев отражены в табл. 1.
Для производства больших цветных дисплеев в настоящее время широко используются ЖКИ на основе TFT (тонкопленочные транзисторы). В основе структуры TFT-панели содержатся жидкие кристаллы, два поляризатора и две стеклянные пластины: верхняя подложка цветового фильтра и нижняя подложка массива TFT. Жидкокристаллическое вещество впрыскивается между этими стеклянными пластинами. Регулирование светового потока осуществляется путем изменения величины входного напряжения, подаваемого на ЖК. Тем самым изменяется расположение и ориентация ЖК-молекул, что приводит к соответствующему изменению объема светового потока, проходящего через них. При изготовлении такой панели с помощью высокоточных фотолитографических технологий на стеклянную подложку наносится узор для последовательного пошагового переноса изображений множества электродов ЖКИ. Количество транзисторов на стекле TFT равно числу подпикселей дисплея, при этом генерацию цвета обеспечивает стекло цветового фильтра с нанесенным на него фильтром цвета. Движение жидких кристаллов вызывается появлением разности потенциалов между электродами, находящимися на стекле TFT и стекле цветового фильтра, и именно это движение приводит к генерации цвета и изменению яркости ЖКИ.
В пределах одного выбранного периода времени переключатель замыкается, и на ЖК подается входное напряжение, что приводит к изменению ориентации жидкокристаллических молекул. После выключения переключателя в емкости Clc (эквивалентная емкость ЖК-вещества) сохраняется некоторый заряд, уменьшающийся с течением времени. Для увеличения продолжительности хранения заряда параллельно Clc добавляется запоминающий конденсатор Cst. Поскольку фактически управление жидкими кристаллами производится переменным напряжением, для активации ЖК напряжение подается только при включенном переключателе, после чего он немедленно отключается. В ряде случаев напряжение на ЖК будет падать из-за утечек. Для предотвращения этого и используется дополнительный конденсатор Сst, компенсирующий утечки. При достаточной его емкости напряжение на нем будет приближаться к идеальной форме меандра.
В TFT-панели тонкопленочный транзистор выполняет функцию рассмотренного переключателя. Вывод затвора TFT подключен к линии сканирования, вывод истока соединен с линией данных, а вывод стока с Clc и Сst . Когда затвор активизирован (выбран на линии сканирования), канал TFT открывается и данные об изображении записываются в Clc и Cst. Если затвор не выбран, TFT закрыт.
Технология LTPS TFT
Технология LTPS (низкотемпературная поликремневая) - это новейший производственный процесс изготовления TFT-панелей. В этой технологии используется лазерный отжиг, который позволяет производить кристаллизацию кремниевой пленки при температуре менее 400 °С. Поликристаллический кремний - материал на основе кремния, содержащий множество кристаллов кремния размером от 0,1 до нескольких микрон. При производстве полупроводников поликристаллический кремний обычно изготавливается при помощи LPCVD (Low Pressure Chemical Vapor Deposition - химическое осаждение при низком давлении из газообразной фазы), а затем отжигается при температуре более 900 °С. Этот метод известен как SPC (Solid Phase Crystallization - кристаллизация твердой фазы). Очевидно, что такой метод не удастся применить при производстве индикаторных панелей, поскольку температура плавления стекла составляет 650 °С. Поэтому для создания ЖК-панелей идеально подходит новая низкотемпературная технология LTPS.
В отличие от технологии a-Si, LTPS технология характеризуется более чем в 300 раз большей подвижностью электронов. Это объясняет, почему каждый элемент LTPS индикатора имеет большую скорость реакции на воздействие и меньшие размеры, чем элементы, изготовленные по а-Si технологии.
Вот несколько отличий p-Si технологии от a-Si технологии:
Более высокая технологичность изготовления на подложке интегральной схемы драйвера управления;
Более высокое быстродействие TFT, меньший размер, меньше контактов и элементов;
Проще схемотехника;
Увеличение надежности панели;
Высокие апертурный коэффициент и разрешающая способность.
Дисплеи на основе органических пленок (OLED)
Сравнительно недавно на рынке появились дисплеи нового, отличного от ЖКИ типа, т.н. OLED (Organic Light Emitting Device). Дисплей OLED представляет собой электронное устройство, выполненное путем размещения ряда тонких органических пленок между проводниками. При подключении источника питания к выбранным элементам дисплея они излучают яркий свет. Технология OLED идеально подходит для изготовления дисплеев, используемых в портативных устройствах, позволяя создавать легкие, надежные и малопотребляющие дисплеи. Для получения OLED дисплеев требуется меньшее число производственных этапов и более дешевые материалы, в сравнении с ЖКИ. Ведущий лидер в производстве таких дисплеев, корпорация Universal Display (UDC) полагает, что технология OLED может заменить существующие технологии создания дисплеев во многих областях за счет следующих преимуществ перед ЖКИ:
Более высокая яркость;
Более высокое быстродействие, улучшающее качество отображения и динамику видеоизображений;
Расширенный угол обзора (до 180°);
Малый вес;
Меньшее энергопотребление;
Более широкий диапазон рабочих температур;
Меньшая совокупная стоимость.
Все многообразие ЖК-дисплеев можно разделить на несколько типов в зависимости от технологии производства, конструкции, оптических и электрических характеристик.
Конструкция
Конструкция жидкокристаллического дисплея определяется расположением слоев в “бутерброде” (включая и светопроводящий слой) и имеет наибольшее значение для качества изображения на экране (в любых условиях: от темного помещения до работы при солнечном свете). В настоящее время используются три основных типа цветных LCD:
Пропускающий (transmissive), предназначенный в основном для оборудования, работающего в помещении;
Отражающий (reflective) применяется в калькуляторах и часах;
Проекционный (projection) используется в ЖК-проекторах.
Компромиссной разновидностью пропускающего типа дисплея для работы как в помещении, так и при внешнем освещении, является полупрозрачный (transflective) тип конструкции.
Пропускающий тип дисплея (transmissive)
В этом типе конструкции свет поступает сквозь жидкокристаллическую панель с задней стороны (подсветка). По этой технологии изготовлено большинство ЖК-дисплеев, используемых в ноутбуках и карманных компьютерах. Transmissive LCD имеет высокое качество изображения в помещении и низкое (черный экран) при солнечном свете, т.к. отраженные от поверхности экрана солнечные лучи полностью подавляют свет, излучаемый подсветкой.
Эта проблема решается (в настоящее время) двумя способами: увеличением яркости задней подсветки и уменьшением количества отраженного солнечного света.
Для работы при дневном освещении в тени необходима лампа подсветки, обеспечивающая 500 кд/м², при прямом солнечном свете - 1000 кд/м². Яркости в 300 кд/м² можно добиться путем предельного увеличения яркости одной лампы CCFL (Cold Cathode Fluorescent Lamp) или добавлением второй лампы, расположенной напротив. Модели жидкокристаллических дисплеев с повышенной яркостью используют от 8 до 16 ламп. Однако увеличение яркости подсветки увеличивает расход энергии батарей (одна лампа подсветки потребляет около 30 % энергии, используемой устройством). Следовательно, экраны с повышенной яркостью можно использовать только при наличии внешнего источника питания.
Уменьшение количества отраженного света достигается нанесением антиотражающего покрытия на один или несколько слоев дисплея, заменой стандартного поляризационного слоя на минимально отражающий, добавлением пленок, повышающих яркость и, таким образом, увеличивающих эффективность источника света.
Полупрозрачный тип дисплея (transflective)
Похож на пропускающий, но у него между слоем жидких кристаллов и подсветкой имеется так называемый частично отражающий слой. Он может быть или частично серебряным, или полностью зеркальным со множеством маленьких отверстий. Когда такой экран используется в помещении, он работает аналогично transmissive LCD, в котором часть освещения поглощается отражающим слоем. При дневном освещении солнечный свет отражается от зеркального слоя и освещает слой ЖК, при этом свет проходит жидкие кристаллы дважды (внутрь, а затем наружу). Как следствие, качество изображения при дневном освещении ниже, чем при искусственном освещении в помещении, когда свет проходит LCD один раз.
Таблица 2. Алфавитно-цифровые ЖК-модули
(нажмите на таблицу, чтобы увеличить ее)
Баланс между качеством изображения в помещении и при дневном освещении достигается подбором характеристик пропускающего и отражающего слоев.
Отражающий тип дисплея (reflective)
Имеет полностью отражающий зеркальный слой. Все освещение (солнечный свет или свет передней подсветки), проходит сквозь ЖКИ, отражается от зеркального слоя и снова проходит сквозь ЖКИ. В этом случае качество изображения у дисплеев отражающего типа ниже, чем у полупропускающего (так как в обоих случаях используются сходные технологии). В помещении передняя подсветка не так эффективна, как задняя, и, соответственно, качество изображения - ниже.
Таблица 3. TFT-модули
(нажмите на таблицу, чтобы увеличить ее)
Основные параметры жидкокристаллических панелей
Разрешение. Цифровая панель, число пикселей в которой строго соответствует номинальному разрешению, должна корректно и быстро масштабировать изображение. Простой способ проверки качества масштабирования - изменение разрешения (на экране текст, написанный мелким шрифтом). По контурам букв легко заметить качество интерполяции. Качественный алгоритм дает ровные, но немного размытые буквы, тогда как быстрая целочисленная интерполяция обязательно вносит искажения. Быстродействие - второй параметр разрешения (для масштабирования одного кадра требуется время на интерполяцию).
Угол обзора. Максимальный угол обзора определяется как угол, при обзоре с которого контрастность изображения уменьшается в 10 раз. Но в первую очередь при изменении угла обзора от 90° видны искажения цвета. Поэтому, чем больше угол обзора, тем лучше. Различают горизонтальный и вертикальный угол обзора, рекомендуемые минимальные значения - 140 и 120 градусов соответственно (наилучшие углы обзора дает технология MVA).
Время отклика (инерционность) - время, за которое транзистор успевает изменить пространственную ориентацию молекул жидких кристаллов (чем меньше, тем лучше). Для того чтобы быстро движущиеся объекты не казались смазанными, достаточно времени отклика 25 мс. Этот параметр состоит из двух величин: времени на включение пикселя (come_up time) и времени на выключение (come_down time). Время отклика (точнее, время выключения как наибольшее время, за которое отдельный пиксель максимально изменяет свою яркость) определяет частоту обновления изображения на экране FPS = 1 с/время отклика.
Таблица 4. Графические ЖК-модули
(нажмите на таблицу, чтобы увеличить ее)
Яркость - преимущество ЖК-дисплея, которое в среднем в два раза выше показателей ЭЛТ. С увеличением интенсивности лампы подсветки сразу возрастает яркость, а в ЭЛТ необходимо усиливать поток электронов, что приводит к значительному усложнению ее конструкции и повышает электромагнитное излучение. Рекомендуемое значение яркости - не менее 200 кд/м².
Контрастность определяется как соотношение между максимальной и минимальной яркостью. Основная проблема заключается в сложности получения точки черного цвета, т.к. лампа подсветки включена постоянно и для получения темных тонов используется эффект поляризации. Черный цвет зависит от качества перекрытия светового потока подсветки.
Температурная компенсация LCD-дисплеев
Установки оптимальной контрастности LCD дисплеев сильно зависят от окружающей температуры. Для большинства применений эти изменения контрастности незначительны в диапазоне “нормальных” температур от 0 до +50 °С. Большинство LCD модулей допускают работу в расширенном температурном диапазоне от -20 до +70 °С. Изменения контрастности в столь широком диапазоне температур становятся заметными, что приводит к необходимости коррекции напряжения контрастности LCD в зависимости от температуры.
При уменьшении рабочей температуры LCD дисплеи требуют повышения рабочего напряжения для сохранения оптической контрастности. В сравнительных таблицах (табл. 2-4) приведены основные механические и электрические характеристики алфавитно-цифровых, графических и TFT-модулей ведущих производителей ЖК-индикаторов - Bolymin, Winstar, Wisetip.
Литература
1. WINSTARS" Data Sheets: (http://www.winstar.com.tw/)
2. WISETIPS" Data Sheets: (http://www.wisetip.com.tw)
3. BOLYMINS" Data Sheets: (http://www.bolymin.com.tw/)
Я. Белецкий,
ООО “РТЭК”, Украина, г. Киев,
Подключение ЖК индикаторов с использованием разъёмов.
Некоторые типы разъёмов - например штыревые - не обеспечивают надёжного электрического контакта
при наличии механических напряжений в разъёме.
Что может привести к выходу ЖК индикатора из строя!
Механические напряжения могут возникать по очень многим причинам: несоосность разъёма и крепёжных деталей индикатора,
перекос в разъёме, колебания температуры, от частой замены индикаторов, при внешних механических воздействиях на индикатор и/или изделие целиком.
Поэтому рекомендуется подключать ЖК индикатор методом пайки.
Или, по крайней мере, не использовать разъёмы непосредственно между платой ЖК индикатора и другой платой.
А соединять ЖК индикатор с основной платой с использованием шлейфа, который уже можно подключать как
пайкой, так и с использованием разъёмов.
Можно подключать ЖК индикатор и любым другим методом, исключающим возникновение механических напряжений в разъёмах.
4-х битный режим в буквенно-цифровых ЖК индикаторах.
1. В 4-х битном режиме включения ЖК индикаторов недопустимо изменение состояний сигналов R/W и A0 в течении всего цикла передачи байта, в том числе и при неактивном сигнале E между двумя передачами полубайтов. По любому изменению сигналов R/W и A0 внутренний счётчик полубайтов в ЖК индикаторе сбрасывается в состояние приёма старшего полубайта. Это является отличием наших ЖК индикаторов от импортных аналогов и направлено на повышение надёжности работы ЖК индикатора.
2. Все циклы обращения к индикатору должны быть парными (обязательно передавать и старший и младший полубайты).
Единственное исключение - первые четыре команды в процедуре инициализации.
Или перед передачей старшего полубайта использовать возможность сброса внутреннего счётчика полубайтов в ЖК индикаторе из пункта 1.
В последнем случае теряется совместимость с импортными ЖК индикаторами.
3. Младшие 4 бита шины данных можно оставлять неподключенными - в ЖК индикаторе вся шина данных подтянута к Ucc через высокоомные резисторы.
4. И не надо забывать выбирать правильный тип интерфейса (4 или 8 бит) при смене страницы кодировки знакогенератора.
Сколько реально памяти в ЖК индикаторах?
Во всех буквенно-цифровых ЖК индикаторах встроено 80 байтов внутренней памяти. Адреса памяти лучше уточнить по документации на ЖК индикатор. Часть памяти отображается на индикаторе, но вся память доступна как по записи, так и по чтению. Память сохраняет свое содержимое пока включено питание ЖК индикатора, независимо от того, включен или выключен ЖК индикатор.
В графических ЖК индикаторах встроенной памяти:
MT-6116 = 80 байтов/строку * 4 строки = 320 байтов (отображается 61 байт/строку * 2 строки);
MT-6464 = 64 байта/строку * 8 строк = 512 байта (отображается 64 байта/строку * 8 строк).
MT-12232 = 80 байтов/строку * 4 строки * 2 кристалла = 640 байтов (отображается 61 байт/строку * 4 строки * 2 половины ЖКИ);
MT-12864 = 64 байта/строку * 8 строк * 2 кристалла = 1024 байта (отображается 64 байта/строку * 8 строк * 2 половины ЖКИ).
Размер памяти от буквенного суффикса ЖК индикатора не зависит.
В сегментных индикаторах с параллельным интерфейсом (MT-10T7, MT-10T8, MT-10T9) чтение встроенной памяти невозможно, размер памяти 10 байтов + триггер блокировки.
Работают ли ЖК индикаторы с высокоскоростными контроллёрами? Какова максимальная скорость заполнения?
Да, работают. Но надо не забывать про времена предустановки и удержания сигналов.
Максимальная скорость записи в индикаторы:
MT-**S* (MT-10S1, MT-20S1, MT-16S2, MT-24S2, MT-20S4, ...) - 25-30 тысяч символов/сек;
MT-6116, MT-12232 - 0.5-1 млн. байтов/сек (4-8 млн. точек/сек);
MT-12864, MT-6464 - 100-130 тысяч байтов/сек (1 млн. точек/сек).
Для индикаторов с двумя кристаллами (MT-12232, MT-12864) возможен вариант поочерёдной записи в правый/левый кристалл
- это позволяет практически в два раза увеличить скорость записи. Но за счёт усложнения программы.
Большие (из указанных) скорости достигаются при опросе готовности индикаторов - за исключением индикаторов MT-6116 и MT-12232,
для которых выгоднее выдержать паузу между сигналами E, чем опрашивать готовность индикатора.
Как правильно включать подсветку ЖК индикатора?
Все ЖК индикаторы рассчитаны на питание подсветки от источника питания самого индикатора. Т.е. плюс подсветки (вывод A) на вывод Ucc, минус подсветки (вывод K)- на вывод GND. Это верно как для 5-ти вольтовых индикаторов, так и для 3-х вольтовых.
Как регулировать контрастность ЖК индикатора?
1. Сегментные ЖК индикаторы с параллельным интерфейсом (MT-10T7, MT-10T8, MT-10T9): контрастность регулируется изменением номинала резистора между выводами Uo и GND, как описано в PDF на индикатор.
2. Буквенно-цифровые ЖК индикаторы с 3-х вольтовым питанием: контрастность не регулируется.
3. Буквенно-цифровые ЖК индикаторы с 5-ти вольтовым питанием: контрастность регулируется изменением напряжения на выводе Uo в пределах примерно -2В..+2В относительно GND. Обратите книмание, что недопустимо подавать на вывод Uo напряжение, приближающееся к напряжению питания индикатора (Ucc)! Напряжение на выводе Uo должно хотя бы на 1В меньше напряжения питания индикатора! Иначе ЖК индикатор выходит из строя.
4. Графические индикаторы MT-6464*: контрастность регулируется изменением напряжения на выводе Uo, как описано в PDF на индикатор.
5. Графические индикаторы MT-12232*: контрастность не регулируется.
6. Графические индикаторы MT-12864*: контрастность регулируется изменением номинала резистора между выводами Uo и Uee, как описано в PDF на индикатор.
В любом случае, лучше уточнить в документации на конкретный ЖК индикатор. Если есть сомнения в правильности сведений в документации - свяжитесь с нами или спросите на форуме.
Можно ли подключать 5-ти вольтовый ЖК индикатор к 3-х вольтовому контроллёру?
В принципе, можно. Но надо учитывать разность в уровнях логических сигналов: для некоторых индикаторов уровень логической 1 может оказаться выше, чем способен сформировать управляющий контроллёр. Например, это касается вывода RES индикатора MT-12864, уровень лог.1 которого может быть не менее 3.75В (0.7*5.5В), хотя остальные выводы имеют уровень лог.1 всего 2.4В.
Также, проблемы будут при использовании операции чтения из ЖК индикатора. В цикле чтения ЖК индикатор честно выдаст на выводы напряжение лог.1 вплоть до 5В и ток потечёт через защитные диоды в управляющем контроллёре, что может повлечь выход из строя как ЖК индикатора, так и управляющего контроллёра. Необходимо предусматривать схемы согласования уровней, ограничения тока по выводам и тому подобные меры.
Как правильно подавать команды в буквенно-цифровые и графические ЖК индикаторы?
Есть несколько вариантов, выберите наиболее подходящий Вам или придумайте новый, не противоречащий документации на ЖК индикатор.
1. Перед (или после) каждого цикла обращения выдерживать паузу не менее указанной в документации. Это самый простой, но и самый неоптимальный по затратам времени управляющего контроллёра способ.
2. После каждого цикла обращений к ЖК индикатору опрашивать бит занятости и ждать пока индикатор не выполнит посланную команду. Это способ лучше первого, но всё ещё весьма неоптимальный.
3. Ждать готовности ЖК индикатора перед каждым циклом обращения. Это, вероятно, самый удобный вариант управления ЖК индикатором из основной программы (не из прерываний). Хотя он и не обеспечивает минимальных затрат времени управляющим контроллёром на работу с ЖК индикатором, но освобождает максимум времени для других действий, кроме работы с индикатором.
4. Можно так написать программу, выдающую команды в ЖК индикатор, чтобы между любыми двумя последовательными циклами обращений проходило не менее указанного в документации времени. Этот способ оптимален по затратам времени управляющего контроллёра (не делается ничего лишнего) и скорости вывода информации в ЖК индикатор, но весьма сложен в написании и отладке.
5. Если циклы обращений к ЖК индикатору формируются в прерывании, то можно настроить частоту прерываний так, чтобы между вызовами проходило не менее указанного в документации на индикатор времени паузы. Если в системе допустимо иметь такие низкую частоту прерываний и скорость вывода информации в ЖК индикатор, то этот способ, наверно, лучший.
6. Если нужна высокая скорость прерываний или вывода информации на ЖК индикатор, можно в прерывании опросить готовность индикатора и, если не готов, выйти из прерывания не формируя цикла обращения к индикатору.
Разумеется, это не все возможные варианты, но их вполне достаточно в большинстве случаев.
Как правильно проверить готовность ЖК индикатора к обмену данными?
В наиболее общем случае надо выполнить цикл чтения информации из ЖК индикатора, установив управляющие сигналы для получения байта статуса и проверить бит BUSY в считанном байте. Для буквенно-цифровых ЖК индикаторов с 4-х битным режимом включения надо не забывать получать оба полубайта, независимо готов или нет индикатор. Для управляющих контроллёров, в которых возможно выбирать режим работы шины данных (на ввод или на вывод) надо также не забывать переключать шину данных на ввод до формирования импульса E (строба чтения).
Для буквенно-цифровых и графических ЖК индикаторов возможен и более быстрый способ проверки флага BUSY: начать цикл чтения, но проверять бит BUSY сразу на шине данных, не сбрасывая строб E, только лишь выдержав время задержки выдачи данных индикатором. При этом можно сохранять строб E активным до обнаружения сброса флага BUSY и только потом завершить цикл чтения байта статуса. Но завершить правильно необходимо в любом случае - например, для буквенно-цифровых индикаторов с 4-х битным режимом включения обязательно надо получить и младший полубайт байта статуса, хотя бит BUSY находится в старшем полубайте и, казалось бы, читать ещё и младший лишнее. Нет, не лишнее!
Могут ли ЖК индикаторы работать при отрицательных температурах?
Мы выпускаем несколько разновидностей ЖК индикаторов,
многие из которых предназначены для эксплуатации, в том числе, и при отрицательных температурах.
Серийно производятся ЖК индикаторы с рабочей температурой до -30°C (температура хранения при этом до -40°C).
Максимально допустимая рабочая температура от +50°C до +70°C (температура хранения от +60°C до +80°C).
Но при применении ЖК индикаторов с расширенным температурным диапазоном надо понимать,
что они, во-первых, дороже; во-вторых, при отрицательной температуре существенно возрастает время смены информации
на стекле ЖК индикатора (от 0.2с при +20°C до 7с при -20°C и 15с при -30°C).
Это время от записи новой информации в индикатор до окончания (на глаз) переходных процессов в стекле ЖК индикатора.
Если информация в ОЗУ индикатора при записи не изменяется, то и никаких переходных процессов не будет.
Т.е. время на переходные процессы нужно только при смене выводимой информации.
К времени записи информации во внутреннее ОЗУ индикатора это время отношения не имеет.
Если выводить меняющуюся информацию в индикатор чаще, чем указанное время, то ничего не испортится,
но на индикаторе видно будет нечто среднее между старой и новой информацией.
Можно ли сменить тип интерфейса управления ЖК индикатором?
Да, для ЖК индикаторов MT-6116, MT-6116B, MT-12232B можно сменить тип интерфейса управления
с 68000 на 8080. При этом сигнал R/W станет сигналом /WR, а сигнал E - сигналом /RD.
Активным может быть всегда только один из них.
Выбор типа интерфейса 8080 осуществляется подачей на вывод RES перепада с лог.1 на лог.0 и оставлением лог.0 на всё время работы ЖК индикатора.
Подробнее смотрите документацию на кристалл КБ145ВГ4 (Ангстрем) или SED1520DOA. Или связывайтесь с нами.
Для ЖК индикаторов MT-12232A, MT-12232C и MT-12232D смена типа интерфейса также физически возможна, но из-за наличия в схеме индикатора дешифратора обращений к двум кристаллам приведёт к неработоспособности ЖК индикатора.
Особенности ЖК индикаторов MT-6116, MT-12232.
Все ЖК индикаторы MT-6116 и MT-12232 основаны на одном и том же кристалле и имеют некоторые особенности, которые надо учитывать при проектировании изделий на данных индикаторах:
1. Хотя в индикаторе присутствует цепь начального сброса по включению питания,
часто её оказывается недостаточно и для правильной работы индикатора надо подавать сигнал сброса снаружи.
Эти индикаторы сбрасываются любым
перепадом на выводе RES (и 0->1, и 1->0),
причём этот же вывод выбирает тип интерфейса управления. Поэтому желательно подавать внешний сигнал сброса ЖКИ на вывод RES
- удерживая RES=лог.0 не менее 10 мкс после подачи напряжения питания на ЖКИ и потом подавая перепад лог.0 -> лог.1
с длительностью фронта не более 10 мкс. До момента подачи перепада 0->1 ЖК индикатор может выдавать на шину данных
случайную информацию (зависит от управляющих сигналов R/W, A0, E)
и надо обеспечить режим ввода (или Z-состояние) по шине данных в управляющем контроллёре на это время.
Если же импульс сброса будет формироваться и в процессе работы, не только при включении питания,
то на всё время лог.0 на выводе RES также надо переводить шину данных управляющего контроллёра в режим ввода
(или Z-состояние) для исключения конфликта на шине.
2. Для ускорения обновления индикатора предусмотрен специальный режим чтения-модификация-запись , при котором адрес столбца увеличивается только после записи (флаг RMW). После установки этого режима можно прочитать байт из индикатора, при необходимости изменить его и записать обратно в индикатор, не добавляя команд установки адреса столбца. Без этого режима последовательность была бы следующей: установить адрес столбца, прочитать данные, снова установить тот же адрес столбца, записать новые данные. Здесь на целых две операции больше (если выполнять модификацию нескольких последовательных байтов).
3. С другой стороны, с включенным режимом чтения-модификация-запись
ЖК индикатор не обрабатывает многие команды
(например, точно не работает команда установки страницы).
Поэтому надо не забывать сбрасывать этот режим, когда он не нужен.
И в процедуре инициализации в нашей документации не для всех индикаторов этот режим сбрасывается и может оказаться,
что после включения питания режим окажется установленным. В этом случае ЖК индикатор будет работать неправильно.
Лучше добавить в процедуру инициализации команду сброса режима RMW.
4. При чтении информации из внутренней памяти индикатора нужно делать "пустой" цикл чтения - после команд установки адреса столбца первый цикл чтения не выдаст полезной информации, реальные данные будут выданы только начиная со второго цикла чтения. Для чтения байта статуса лишних циклов чтения делать не надо.
5. Так как кристаллы в индикаторе независимы, то опрашивать надо оба байта статуса. Или, по крайней мере, из того кристалла, к которому будет обращение.
6. По той же причине (независимость кристаллов) для правильной работы ЖК индикатора необходимо провести начальную инициализацию для обоих кристаллов индикатора. При инициализации только одного из двух кристаллов индикатор что-то показывать будет, но картинка правильной не будет даже на половине индикатора.
Особенности ЖК индикаторов MT-6464 и MT-12864.
В нашей документации на ЖК индикатор забыто указание на минимальное время паузы между циклами обращения к индикатору: 10 мкс. Можно или выдерживать данное время, или проверять флаг занятости индикатора.
Также не указано, что при чтении информации из внутренней памяти индикатора
нужно делать "пустой" цикл чтения - после команды установки адреса первый цикл чтения не выдаст полезной информации,
реальные данные будут выданы только начиная со второго цикла чтения.
Для чтения байта статуса лишних циклов чтения делать не надо.
Так как кристаллы в индикаторе независимы, то опрашивать надо оба байта статуса.
Или, по крайней мере, из того кристалла, к которому будет обращение.
По той же причине (независимость кристаллов) для правильной работы ЖК индикатора
необходимо провести начальную инициализацию для обоих кристаллов индикатора.
В документации не указаны входные и выходные токи для индикаторов.
Индикаторы обеспечивают указанные в документации выходные напряжения при следующих максимальных выходных токах:
1. Все буквенно-цифровые (MT-**S*): Ioh=0.4мА, Iol=1.2мА.
2. MT-6116*: Ioh=0.4мА, Iol=0.4мА.
3. MT-6464*: Ioh=0.2мА, Iol=1.6мА.
4. MT-12232*: Ioh=0.4мА, Iol=0.4мА.
5. MT-12864*: Ioh=0.2мА, Iol=1.6мА.
Входные токи для индикаторов указаны в документации на индикатор, за исключением MT-6116*, MT-12232*:
1. MT-6116*: Iih=Iil=3мкА.
2. MT-12232*: Iih=Iil=3мкА.
Можно ли как нибудь быстро проверить работоспособность ЖК индикатора?
ЖК индикатор ничего не показывает, что делать?
Чаще всего, информация на ЖК индикаторе не появляется по причине неверно выставленной контрастности - реально индикатор работает, изображение есть, но его не видно. Проверить это можно чтением записанной ранее информации из ЖК индикатора (неприменимо для сегментных индикаторов).
Если есть подозрение на неисправность ЖК индикатора, рекомендуем:
* проверить наличие питания ЖКИ,
* уровни управляющих сигналов,
* настройку контрастности,
* отсутствие помех на управляющих выводах и питании ЖКИ,
* форму управляющих сигналов (особенно при длинном кабеле подключения индикатора),
* соблюдение временных параметров при управлении индикатором,
* правильность процедуры начальной инициализации индикатора,
* попробовать подключить индикатор к LPT порту компьютера и проверить исправность индикатора программой из предыдущего пункта,
* включить другой аналогичный ЖК индикатор,
* обратиться к нам.
А нет ли примера программы для вывода на ЖК индикатор?
Есть, вот с примерами программ для вывода на наши ЖК индикаторы. Программы написаны на подобии языка C и предназначены для пояснения алгоритмов работы с ЖКИ. Они подробно прокомментированы, но компилиться не будут - нужно доопределить функцию задержки времени и имена сигналов управления ЖКИ.
Не нашли ответа на свой вопрос? Свяжитесь с нами.
На этом сайте работает , где мы отвечаем на любые вопросы по нашим ЖКИ. Рекомендуем, прежде чем писать письмо с вопросами, внимательно с ним ознакомиться.
.
По техническим вопросам: Козлов Сергей Владимирович "Kozlov@сайт".
.
По вопросам закупок: Отдел продаж "Sales@сайт".
ЖК индикатор WH1602B
WH1602B-YYK-CTK - это ЖК индикатор 16x2 с латинским и кириллическим шрифтом и HD44780-совместимым интерфейсом.
ЖК индикатор WH1602B-YYK-CTK 450 р. 350 р. В корзину
форме заказа .
ЖК индикатор WH1602B-YYK-CTK PLS 550 р. 400 р. В корзину
Внимание! У Вас отключено выполнение JavaScript. Нормальная работа системы заказа и корзины невозможна. Если по каким-то причинам Вы не можете включить JavaScript, просто перечислите заказываемые товары в форме заказа .
ЖК индикатор 16x2 WH1602B-YYK-CTK c запаянными "низкими" (4мм) штыревыми разъемами - специально для LCD Keypad Shield .
- Тип: знакосинтезирующий (текстовый)
- Количество символов: 2 строки по 16 символов
- Подсветка: светодиодная, желто-зеленая
- Шрифт: латинский и кириллический
- Габариты (мм): 80x36x14
- Область вывода (мм): 56x11
- Напряжение питания (В): 5
- Интерфейс: HD44780 совместимый
Более полное техническое описание доступно в документации производителя.
Подключение к Arduino
WH1602B-YYK-CTK, как и другие ЖК индикаторы с HD44780 совместимым интерфейсом, легко подключается к любой Arduino-совместимой плате.
Одним из вариантов является применение LCD Keypad Shield , но возможно, также и непосредственное подключение (потребует больше свободных выводов).
Дисплей имеет следующее расположение выводов:
Модуль может работать в 4-х битном режиме, что уменьшает число необходимых выводов - нужно подключить только Gnd, Vin, VO, RS, RW, E, DB4-DB7, и при необходимости подсветку. Также, поскольку обычно обмен данными идет только в одну сторону - от микроконтроллера к ЖК дисплею, вывод RW может не подключаться к Arduino, а быть подключенным к Gnd.
Возможный вариант подключения представлен на рисунках. На втором рисунке «сэкономлен» один вывод за счет подключения RW к Gnd. Итого, в минимальном варианте для подключения требуется 6 свободных портов Arduino, и это могут быть любые порты - не обязательно те же, что и на рисунках.
Переменный резистор Contrast номиналом 10-20 кОм служит для регулировки контрастности.
Обращаем внимание на резистор LCD backlight - он ограничивает ток в цепи подсветки, а значит, от его номинала зависит ее яркость. Сопротивление такого резистора при питании подсветки от +5В должно быть порядка 6-8 Ом, а сам ток около 100 мА.
Пример вывода на ЖК дисплей, подключенный согласно второго рисунка:
#include
//Создаем объект для работы с дисплеем.
//При создании указываем номера портов
//в порядке RS, E, DB4, DB5, DB6, DB7
LiquidCrystal lcd(12
, 10
, 5
, 4
, 3
, 2
)
;
void
setup()
{
//Выставлем число столбцов и строк
lcd.begin
(16
, 2
)
;
//Выводим текст
lcd.print
("hello, world!"
)
;
}
void
loop()
{
//Выставляем курсор во 2-ю строку,
//1й столбец (счет идет с 0, поэтому
//строка номер 1, стобец номер 0)
lcd.setCursor
(0
, 1
)
;
//Выводим число секунд со старта
lcd.print
(millis()
/
1000
)
;
}
Вывод русского текста имеет ряд особенностей в связи с тем, что исходный код в среде Arduino сохраняется в кодировке UTF-8, которая, конечно, не соответствует таблице символов в ЖК дисплее. Для вывода русских символов можно указывать их коды в восьмеричной системе в соответствии с синтаксисом C/C++, ориентируясь на таблицу из документации. Пример такого вывода:
//вывод строки "ЖК дисплей"
lcd.print
("\243
K \343
\270
c\276
\273
e\271
"
)
;
Здесь "\243", "\343", "\270", "\276", "\273", "\271" - коды символов "Ж", "д", "и", "п", "л", "й". Обратите внимание, что символы "K", "c" и "e" - это символы латинского алфавита.
Более удобным может быть использование библиотеки LiquidCrystalRus , которая, хоть и занимает несколько дополнительных десятков байт flash-памяти, зато позволяет непосредственно использовать русские символы в кодировке UTF-8 при выводе на дисплей. Библиотека доступна также и на сайте ее разработчика.
Телефоны, плееры , термометры и пр.) могут иметь монохромный или 2-5 цветный дисплей . Многоцветное изображение формируется с помощью 2008) в большинстве настольных мониторов на основе TN- (и некоторых *VA) матриц, а также во всех дисплеях ноутбуков используются матрицы с 18-битным цветом (6 бит на канал), 24-битность эмулируется мерцанием с дизерингом .
Устройство ЖК-монитора
Субпиксел цветного ЖК-дисплея
Каждый пиксел ЖК-дисплея состоит из слоя молекул между двумя прозрачными электродами , и двух поляризационных фильтров , плоскости поляризации которых (как правило) перпендикулярны. В отсутствие жидких кристаллов свет, пропускаемый первым фильтром, практически полностью блокируется вторым.
Поверхность электродов, контактирующая с жидкими кристаллами, специально обработана для изначальной ориентации молекул в одном направлении. В TN-матрице эти направления взаимно перпендикулярны , поэтому молекулы в отсутствие напряжения выстраиваются в винтовую структуру. Эта структура преломляет свет таким образом, что до второго фильтра плоскость его поляризации поворачивается, и через него свет проходит уже без потерь. Если не считать поглощения первым фильтром половины неполяризованного света - ячейку можно считать прозрачной. Если же к электродам приложено напряжение - молекулы стремятся выстроиться в направлении поля , что искажает винтовую структуру. При этом силы упругости противодействуют этому, и при отключении напряжения молекулы возвращаются в исходное положение. При достаточной величине поля практически все молекулы становятся параллельны, что приводит к непрозрачности структуры. Варьируя напряжение , можно управлять степенью прозрачности. Если постоянное напряжение приложено в течении долгого времени - жидкокристаллическая структура может деградировать из-за миграции ионов. Для решения этой проблемы применяется переменный ток , или изменение полярности поля при каждой адресации ячейки (непрозрачность структуры не зависит от полярности поля). Во всей матрице можно управлять каждой из ячеек индивидуально, но при увеличении их количества это становится трудновыполнимо, так как растёт число требуемых электродов. Поэтому практически везде применяется адресация по строкам и столбцам. Проходящий через ячейки свет может быть естественным - отражённым от подложки(в ЖК-дисплеях без подсветки). Но чаще применяют , кроме независимости от внешнего освещения это также стабилизирует свойства полученного изображения. Таким образом полноценный ЖК-монитор состоит из электроники, обрабатывающей входной видеосигнал, ЖК-матрицы, модуля подсветки, блока питания и корпуса. Именно совокупность этих составляющих определяет свойства монитора в целом, хотя некоторые характеристики важнее других.
Технические характеристики ЖК-монитора
Важнейшие характеристики ЖК-мониторов:
- Разрешение : Горизонтальный и вертикальный размеры, выраженные в пикселах . В отличие от ЭЛТ-мониторов, ЖК имеют одно, «родное», физическое разрешение, остальные достигаются интерполяцией .
Фрагмент матрицы ЖК монитора (0,78х0,78 мм), увеличеный в 46 раз.
- Размер точки: расстояние между центрами соседних пикселов. Непосредственно связан с физическим разрешением.
- Соотношение сторон экрана (формат): Отношение ширины к высоте, например: 5:4, 4:3, 5:3, 8:5, 16:9, 16:10.
- Видимая диагональ: размер самой панели, измеренный по диагонали. Площадь дисплеев зависит также от формата: монитор с форматом 4:3 имеет большую площадь, чем с форматом 16:9 при одинаковой диагонали.
- Контрастность : отношение яркостей самой светлой и самой тёмной точек. В некоторых мониторах используется адаптивный уровень подсветки с использованием дополнительных ламп, приведенная для них цифра контрастности (так называемая динамическая) не относится к статическому изображению.
- Яркость : количество света, излучаемое дисплеем, обычно измеряется в канделах на квадратный метр.
- Время отклика : минимальное время, необходимое пикселу для изменения своей яркости. Методы измерения неоднозначны.
- Угол обзора: угол, при котором падение контраста достигает заданного, для разных типов матриц и разными производителями вычисляется по-разному, и часто не подлежит сравнению.
- Тип матрицы: технология, по которой изготовлен ЖК-дисплей.
- Входы: (напр, DVI , HDMI и пр.).
Технологии
Часы с ЖКИ-дисплеем
Жидкокристаллические мониторы были разработаны в 1963 году в исследовательском центре Давида Сарнова (David Sarnoff) компании RCA, Принстон, штат Нью-Джерси.
Основные технологии при изготовлении ЖК дисплеев: TN+film, IPS и MVA. Различаются эти технологии геометрией поверхностей, полимера, управляющей пластины и фронтального электрода . Большое значение имеют чистота и тип полимера со свойствами жидких кристаллов, примененный в конкретных разработках.
Время отклика ЖК мониторов, сконструированных по технологии SXRD (англ. Silicon X-tal Reflective Display - кремниевая отражающая жидкокристаллическая матрица), уменьшено до 5 мс. Компании Sony, Sharp и Philips совместно разработали технологию PALC (англ. Plasma Addressed Liquid Crystal - плазменное управление жидкими кристаллами), которая соединила в себе преимущества LCD (яркость и сочность цветов, контрастность) и плазменных панелей (большие углы видимости по горизонту, H, и вертикали, V, высокую скорость обновления). В качестве регулятора яркости в этих дисплеях используются газоразрядные плазменные ячейки, а для цветовой фильтрации применяется ЖК-матрица. Технология PALC позволяет адресовать каждый пиксель дисплея по отдельности, а это означает непревзойденную управляемость и качество изображения.
TN+film (Twisted Nematic + film)
Часть «film» в названии технологии означает дополнительный слой, применяемый для увеличения угла обзора (ориентировочно - от 90° до 150°). В настоящее время приставку «film» часто опускают, называя такие матрицы просто TN. К сожалению, способа улучшения контрастности и времени отклика для панелей TN пока не нашли, причём время отклика у данного типа матриц является на настоящий момент одним из лучших, а вот уровень контрастности - нет.
TN + film - самая простая технология.
Матрица TN + film работает следующим образом: если к субпикселам не прилагается напряжение, жидкие кристаллы (и поляризованный свет, который они пропускают) поворачиваются друг относительно друга на 90° в горизонтальной плоскости в пространстве между двумя пластинами. И так как направление поляризации фильтра на второй пластине составляет угол в 90° с направлением поляризации фильтра на первой пластине, свет проходит через него. Если красные, зеленые и синие субпиксели полностью освещены, на экране образуется белая точка.
К достоинствам технологии можно отнести самое маленькое время отклика среди современных матриц, а также невысокую себестоимость.
IPS (In-Plane Switching)
Технология In-Plane Switching была разработана компаниями Hitachi и NEC и предназначалась для избавления от недостатков TN + film. Однако, хотя с помощью IPS удалось добиться увеличения угла обзора до 170°, а также высокой контрастности и цветопередачи, время отклика осталось на низком уровне.
На настоящий момент матрицы, изготовленные по технологии IPS единственные из ЖК-мониторов, всегда передающие полную глубину цвета RGB - 24 бита, по 8 бит на канал. TN-матрицы почти всегда имеют 6-бит, как и часть MVA.
Если к матрице IPS не приложено напряжение, молекулы жидких кристаллов не поворачиваются. Второй фильтр всегда повернут перпендикулярно первому, и свет через него не проходит. Поэтому отображение черного цвета близко к идеалу. При выходе из строя транзистора «битый» пиксель для панели IPS будет не белым, как для матрицы TN, а черным.
При приложении напряжения молекулы жидких кристаллов поворачиваются перпендикулярно своему начальному положению и пропускают свет.
IPS в настоящее время вытеснено технологией S-IPS (Super-IPS, Hitachi год), которая наследует все преимущества технологии IPS с одновременным уменьшением времени отклика . Но, несмотря на то, что цветность S-IPS панелей приблизилась к обычным мониторам CRT , контрастность все равно остаётся слабым местом. S-IPS активно используется в панелях размером от 20", LG.Philips , NEC остаются единственными производителями панелей по данной технологии.
AS-IPS - технология Advanced Super IPS (Расширенная Супер-IPS), также была разработана корпорацией Hitachi в году. В основном улучшения касались уровня контрастности обычных панелей S-IPS, приблизив его к контрастности S-PVA панелей. AS-IPS также используется в качестве названия для мониторов корпорации LG.Philips.
A-TW-IPS - Advanced True White IPS (Расширенная IPS с настоящим белым), разработано LG.Philips для корпорации году. Усиленная мощность электрического поля позволила добиться ещё больших углов обзора и яркости, а также уменьшить межпиксельное расстояние. Дисплеи на основе AFFS в основном применяются в планшетных ПК , на матрицах производства Hitachi Displays.
*VA (Vertical Alignment)
MVA - Multi-domain Vertical Alignment. Эта технология разработана компанией Fujitsu как компромисс между TN и IPS технологиями. Горизонтальные и вертикальные углы обзора для матриц MVA составляют 160°(на современных моделях мониторов до 176-178 градусов), при этом благодаря использованию технологий ускорения (RTC) эти матрицы не сильно отстают от TN+Film по времени отклика, но значительно превышают характеристики последних по глубине цветов и точности их воспроизведения.
MVA стала наследницей технологии VA, представленной в 1996 году компанией Fujitsu. Жидкие кристаллы матрицы VA при выключенном напряжении выровнены перпендикулярно по отношению ко второму фильтру, то есть не пропускают свет. При приложении напряжения кристаллы поворачиваются на 90°, и на экране появляется светлая точка. Как и в IPS-матрицах, пиксели при отсутствии напряжения не пропускают свет, поэтому при выходе из строя видны как чёрные точки.
Достоинствами технологии MVA являются глубокий черный цвет и отсутствие, как винтовой структуры кристаллов, так и двойного магнитного поля.
Недостатки MVA в сравнении с S-IPS: пропадание деталей в тенях при перпендикулярном взгляде, зависимость цветового баланса изображения от угла зрения, большее время отклика.
Аналогами MVA являются технологии:
- PVA (Patterned Vertical Alignment ) от Samsung.
- Super PVA от Samsung.
- Super MVA от CMO.
Матрицы MVA/PVA считаются компромиссом между TN и IPS, как по стоимости, так и по потребительским качествам.
Преимущества и недостатки
Искажение изображения на ЖК-мониторе при большом угле обзора
Макрофотография типичной жк-матрицы. В центре можно увидеть два дефектных субпикселя (зелёный и синий).
В настоящее время ЖК-мониторы являются основным, бурно развивающимся направлением в технологии мониторов. К их преимуществам можно отнести: малый размер и вес в сравнении с ЭЛТ . У ЖК-мониторов, в отличие от ЭЛТ , нет видимого мерцания, дефектов фокусировки и сведения лучей, помех от магнитных полей, проблем с геометрией изображения и четкостью. Энергопотребление ЖК-мониторов в 2-4 раза меньше, чем у ЭЛТ и плазменных экранов сравнимых размеров. Энергопотребление ЖК мониторов на 95 % определяется мощностью ламп подсветки или светодиодной матрицы подсветки (англ. backlight - задний свет) ЖК-матрицы. Во многих современных (2007) мониторах для настройки пользователем яркости свечения экрана используется широтно-импульсная модуляция ламп подсветки частотой от 150 до 400 и более Герц . Светодиодная подсветка в основном используется в небольших дисплеях, хотя в последние годы она все шире применяется в ноутбуках и даже в настольных мониторах. Несмотря на технические трудности её реализации, она имеет и очевидные преимущества перед флуоресцентными лампами, например более широкий спектр излучения, а значит, и цветовой охват.
С другой стороны, ЖК-мониторы имеют и некоторые недостатки, часто принципиально трудноустранимые, например:
- В отличие от ЭЛТ, могут отображать чёткое изображение лишь в одном («штатном») разрешении. Остальные достигаются интерполяцией с потерей чёткости. Причем слишком низкие разрешения (например 320x200) вообще не могут быть отображены на многих мониторах.
- Цветовой охват и точность цветопередачи ниже, чем у плазменных панелей и ЭЛТ соответственно. На многих мониторах есть неустранимая неравномерность передачи яркости (полосы в градиентах).
- Многие из ЖК-мониторов имеют сравнительно малый контраст и глубину чёрного цвета. Повышение фактического контраста часто связано с простым усилением яркости подсветки, вплоть до некомфортных значений. Широко применяемое глянцевое покрытие матрицы влияет лишь на субъективную контрастность в условиях внешнего освещения.
- Из-за жёстких требований к постоянной толщине матриц существует проблема неравномерности однородного цвета (неравномерность подсветки).
- Фактическая скорость смены изображения также остаётся ниже, чем у ЭЛТ и плазменных дисплеев . Технология overdrive решает проблему скорости лишь частично.
- Зависимость контраста от угла обзора до сих пор остаётся существенным минусом технологии.
- Массово производимые ЖК-мониторы более уязвимы, чем ЭЛТ. Особенно чувствительна матрица, незащищённая стеклом. При сильном нажатии возможна необратимая деградация. Также существует проблема дефектных пикселей .
- Вопреки расхожему мнению пикселы ЖК-мониторов деградируют, хотя скорость деградации наименьшая из всех технологий отображения.
Перспективной технологией, которая может заменить ЖК-мониторы, часто считают OLED -дисплеи. С другой стороны, эта технология встретила сложности в массовом производстве, особенно для матриц с большой диагональю.
См. также
- Видимая область экрана
- Антибликовое покрытие
- en:Backlight
Ссылки
- Информация о флюоресцентных лампах, используемых для подсветки ЖК-матрицы
- Жидкокристаллические дисплеи (технологии TN + film, IPS, MVA, PVA)
Литература
- Артамонов О. Параметры современных ЖК-мониторов
- Мухин И. А. Как выбрать ЖК-монитор? . «Компьютер-бизнес-маркет», № 4 (292), январь 2005, стр. 284-291.
- Мухин И. А. Развитие жидкокристаллических мониторов . «BROADCASTING Телевидение и радиовещение»: 1 часть - № 2(46) март 2005, с.55-56; 2 часть - № 4(48) июнь-июль 2005, с.71-73.
- Мухин И. А. Современные плоскопанельные отображающие устройства ."BROADCASTING Телевидение и радиовещение": № 1(37), январь-февраль 2004, с.43-47.
- Мухин И. А., Украинский О. В. Способы улучшения качества телевизионного изображения, воспроизводимого жидкокристаллическими панелями . Материалы доклада на научно-технической конференции «Современное телевидение», Москва, март 2006.
| Микроконтроллеры | ||||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Архитектура |
|
 |
||||||
| Производители | Analog Devices Fujitsu Holtek Infineon MicroChip Maxim Parallax Texas Instruments Zilog | |||||||
| Компоненты | Регистр Прерывание CPU SRAM Флеш-память кварцевый резонатор кварцевый генератор RC-генератор Корпус | |||||||
| Периферия | ||||||||
ЖИДКОКРИСТАЛЛИЧЕСКИЕ ИНДИКАТОРЫ
Жидкокристаллические индикаторы (ЖКИ) управляют отражением и пропусканием света для создания изображений цифр, букв, символов и т.д. В отличии от светодиодов (Light-Emitting Diodes, LEDs), жидкокристаллические индикаторы не излучают свет.
Основу ЖКИ составляют жидкие кристаллы (ЖК), молекулы которых упорядоченны послойно определенным образом между двумя стеклянными пластинами. В каждом слое сигарообразные молекулы ЖК выстраиваются в одном направлении, их оси становятся параллельны (рис.1).
рис. 1
Один слой молекул ЖК. Все молекулы параллельны друг другу.
Стеклянные пластины имеют специальное покрытие, такое что направленность молекул в двух крайних слоях перпендикулярна. Ориентация каждого слоя ЖК плавно изменяется от верхнего к нижнему слою, формируя спираль (рис.2). Эта спираль "скручивает" поляризацию света по мере его прохождения через дисплей.
рис. 2
Несколько слоев молекул ЖК, упорядоченные так,
что поляризованный свет "скручивается", проходя через них.
Молекулы в разных слоях выстраиваются по спирали.
Под действием электрического поля молекулы ЖК переориентируются параллельно полю. Этот процесс называется твист-нематическим полевым эффектом (twisted nematic field effect, TNFE). При такой ориентации поляризация света не скручивается при прохождении через слой ЖК (рис. 3а и 3б). Если передний поляризатор ориентирован перпендикулярно заднему, свет пройдет через включенный дисплей, но заблокируется задним поляризатором. В этом случае ЖКИ действует как заслонка свету.
Отображение различных символов достигается избирательным травлением проводящей поверхности, предварительно созданной на стекле. Не вытравленные области становятся символами, а вытравленные - фоном дисплея.
рис. 3а
"Выключенное" состояние ЖКИ.
ЖК молекулы формируют спираль, скручивая поляризацию света.
рис. 3б
"Включенное" состояние.
Электрическое поле переориентирует ЖК молекулы так
что они не изменяют поляризацию света.
Символы создаются из одного или нескольких сегментов. Каждый сегмент может быть адресован (запитан) идивидуально, чтобы создать отдельное электрическое поле. Таким образом прохождение света управляется электрически, включая и отключая необходимые сегменты. В неактивной части дисплея направленность молекул остается спиральной, формируя фон. Запитанные сегменты составляют символы, контрастирующие с фоном.
В зависимости от ориентации поляризатора, ЖКИ может отображать позитивное или негативное изображение. В дисплее с позитивным изображением передний и задний поляризатор перпендикулярны друг другу, так что незапитанные сегменты и фон пропускают свет с измененной поляризацией, а запитанные препятствуют прохождению света. В результате - темные символы на светлом фоне.
В дисплее с негативным изображением поляризаторы параллельны, "в фазе", препятствуют прохождению света с повернутой поляризацией, так что незапитанные символы и фон темные, а запитанные - светлые.
Рефлективный ЖКИ (reflective LCD) имеет отражатель (рефлектор) за задним поляризатором, который отражает свет, прошедший через незапитанные сегменты и фон. В негативных рефлективных дисплеях свет отражается через запитанные, "включенные" сегменты. Трансмиссивные дисплеи (transmissive LCD) используют те же принципы, но фон или сегменты становятся ярче за счет использования задней подсветки.
рис. 4 Основные компоненты и конструкция рефлективного ЖКИ.
Режимы отображения ЖКИ определяют то, как индикатор управляет светом для создания изображения. Чтобы выбрать оптимальный режим для конкретного приложения необходимо рассмотреть типичные условия освещения индикатора (см. таблицу 1).
Таблица 1. Режимы отображения ЖКИ
|
Рефлективные (работающие на отражение) индикаторы
Обычно рефлективные ЖКИ используют режим отображения с темными символами на светлом фоне (так называемое позитивное изображение).
В индикаторе с позитивным изображением передний и задний поляризаторы находятся в противофазе, или перекрестно поляризованы на 90°.
Если сегмент "выключен", внешний свет идет по слелующему пути: проходит через вертикальный поляризатор, через прозрачный электрод сегмента, через ЖК молекулы которые скручивают его на 90 °, через прозрачный общий электрод, через горизонтальный поляризатор, и попадает на рефлектор, который посылает свет обратно по тому же пути (рис. 5а).
рис. 5а
Рефлективный индикатор в выключенном состоянии.
Свет проходит через горизонтальный поляризатор и отражается обратно.
Если сегмент "включен", внешний свет не изменяет своей поляризации при проходе через слой жидких кристаллов. Таким образом поляризация света противоположна заднему поляризатору, что не дает свету пройти к отражателю. Так как свет не отражается, получается темный сегмент (рис. 5б).
рис. 5б
с горизонтальным поляризатором, так что он не доходит до рефлектора.
Рефлективные индикаторы очень яркие, с отличным контрастом и имеют широкий угол обзора. Они требуют хорошего внешнего освещения и не исползуют искуственной задней подсветки (хотя в некоторых моделях применяют подсветку сверху). Благодаря малым токам потребления рефлективные индикаторы часто используются в устройствах с питанием от батареек.
Трансмиссивные (работающие на пропускание) индикаторы
Трансмиссивные ЖКИ не отражают свет. Напротив, они создают изображение, управляя светом искуственного источника освещения, расположенного позади индикатора.
В трансмиссивных индикаторах передний и задний поляризаторы находятся "в фазе" друг с другом (параллельны). В выключенным сегменте поляризованый свет подсветки скручивается на 90° молекулами ЖК и оказывается в противофазе с передним поляризатором. Поляризатор блокирует свет, создавая темный сегмент.
рис. 6а
В выключенном состоянии свет не проходит
сквозь трансмиссивный дисплей.
Если сегмент включен, свет не скручивается, оказываясь в фазе с передним поляризатором, и проходит через него, создавая световой рисунок. Таким образом трансмиссивный дисплей создает светлое изображение на темном фоне (негативное изображение).
рис. 6б
Во включенном состоянии свет находится в противофазе
с горизонтальным поляризатором, та что он не доходит до рефлектора.
Трансмиссивные индикаторы должны иметь заднюю подсветку, чтобы гарантировать равномерное свечение сегментов. Они хороши для использования в условиях приглушенного или слабого освещения. В условиях прямого солнечного света подсветка не может преодолеть солнечных лучей и изображение не заметно.
Трансрефлективные (работающие на пропускание и отражение) индикаторы
Трансрефлективные индикаторы используют белый или серебрянный полупрозрачный материал, который отражает часть внешнего света, а также пропускает свет задней подсветки. Поскольку эти индикаторы как отражают, так и пропускают свет, они могут использоваться в широком диапазоне яркостей освещения. Примером могут служить индикаторы мобильных телефонов - они читаемы как при ярком свете, так и в полной темноте. Трансфлективные дисплеи имеют более низкую контрастность по сравнению с рефлективными, так как часть света проходит сквозь отражатель.
Варианты подсветки (backlight)
Ниже представлены варианты подсветки ЖКИ.
рис. 7
Таблица 2. Сравнение методов подсветки
| Свойство | Светодиодный | Лампами накаливания | Электролюминесцентный |
| Яркость | Средняя | Высокая | Малая - Средняя |
| Цвет | Красный - Янтарный - Зеленый | Белый | Белый |
| Размер | Малый | Малый - Средний | Тонкий |
| Крепление | SMD - Радиальный | Радиальный - Осевой | Осевой |
| Напряжение | 5 Вольт | 1,5 В - 28 В | 45 В - 100 В |
| Ток при 5 В (на кв. дюйм) | 10 - 30 мА | 20 мА | 1 - 10 мА |
| Температура | Теплый | Горячий | Холодный |
| Стоимость (на кв. дюйм) | 0,10 - 1,00 долл. | 0,10 - 0,80 долл. | 0,50 - 2,00 долл. |
| Распространение света | Направленное | Сферическое | Ламбертское |
| Ударопрочность | Отличная | Низкая | Отличная |
| Срок службы (часов) | 100 000 | 150 - 10 000 | 500 -15 000 |
Температура использования и хранения
Анализ температурного диапазона очень важен при описании ЖКИ.
Все ЖК материалы имеют строго определенный верхний предел рабочей температуры, или изотропический предел. Выше этого предела молекулы ЖК принимают произвольную ориентацию. Изотропические условия делают позитивное изображение полностью темным, а негативное - прозрачным. Изотропическая температура называется температурой нематическо-изотропического перехода, или N-I перехода.
ЖКИ могут восстанавливаться после короткого воздействия изотропической температуры, хотя температуры свыше 110°C разрушают внутреннее покрытие индикатора.
Нижний предел температурного диапазона ЖКИ не так хорошо определен, как верхний. При низких температурах время срабатывания индикатора увеличивается, так как замедляется движение молекул и возрастает вязкозть ЖК вещества.
При очень низких температурах ЖК вещество переходит в твердое, или кристаллическое состояние. Эта температура называется температурой кристаллическо-нематического перехода, или C-N перехода. Однако ЖК материал "суперхолодный", воспринимает температуры ниже C-N предела, фактически поворачивая кристаллы вещества. (Обычно при воздействиях до -60°C). В результате ЖКИ часто работоспособны при температурах ниже их C-N перехода.
Эффект низких температур обычно обратим. К примеру, ЖКИ опущенный в жидкий азот возвращается в нормальное состояние после короткого периода нагрева.
В добавление, ЖК материалы имеют низкий температурный коэффициент. Этот коэффициент важен для мультиплексных индикаторов по причине низкого значения действущего напряжения управления. За пределами температурного диапазона может потребоваться температурная компенсация.
Нагреватели
Индикаторы с интегральными нагревателями могут работать при температурах до -55°C. Нагреватели требуют температурно-управляемого источника питания. При использовании нагревателями время отклика индикатора при низких температурах остается таким же, как и при 0°C. Увеличение мощности нагревателя уменьшает время нагрева. Обычно требуется мощность между 2 и 3 ваттами на квадратный дюйм поверхности индикатора.
Внешнее освещение
Как уже обсуждалось, яркость внешнего освещения индикатора очень важна. Выбор типа индикатора осуществляется именно исходя из условий внешнего освещения.
Внешние воздействия
Существует множество модификаций ЖКИ, стойких к различного рода внешним воздействиям, так как этого требуют военные стандарты. К примеру существует "высокостабильное" покрытие для защиты от высокой температуры и влажности. Покрытие - "барьер" препятствует загрязнению проводящими веществами, могущими вызвать короткое замыкание в индикаторе. Тонкопленочные нагреватели могут использоваться в низкотемпературных приложениях. Правильный выбор соединителя также помогает преодолеть внешние воздействия.
Угол и направление обзора
рис. 8
Конус обзора описывает область,
в пределах которой наблюдатель может прочитать информацию на дисплее.
При выборе ЖКИ следует определить как наблюдатель будет смотреть на индикатор: Будет ли он сидеть или стоять? Под каким углом расположен дисплей? Какая требуется ширина угла обзора? Дело в том, что контрастность изображения на индикаторе зависит от относительного расположения дисплея и наблюдателя.
Обычно направление зрения описывается аналогично циферблату часов. Если наблюдатель смотрит сверху, это называется 12 часов, снизу - 6 часов, справа - 3 часа, слева - 9 часов. Критические углы зрения (наклона индикатора) зависят от направления обзора и могут быть проиллюстрированы изоконтрастными кривыми на графике в полярной системе координат (рис. 9).
Угол обзора зависит также от толщины слоя ЖК. Большинство ЖКИ изготавливаются по второму классу с толщиной от 6 до 8 микрон. Первый класс имеет толщину от 3 до 4 микрон. Наиболее широкий угол обзора (до165°) достигается при 4-х микронной технологии. При этом также уменьшается время отклика (срабатывания) ЖКИ.
рис. 9
Изоконтрастная кривая ЖКИ.
Объективное измерение контрастности изображения под разными углами.
Контраст изображения
Контрастность главным образом определяется условиями внешнего освещения и правильностью выбора позитивного или негативного изображения. При повышении действующего среднеквадратического напряжения контрастность увеличиваетвя. Эффективность поляризатора и ЖК жидкости также способствуют лучшей контрастности.
Сегменты ЖКИ
Части ЖКИ, работающие как заслонки, включаясь и выключаясь для формирования изображений, называются сегментами.
Сегменты создаются прозрачными электродами из оксидов индия и олова, нанесенными на стекло ЖКИ. Цифры от 0 до 9 и некоторые буквы могут быть отображены на семисегментном индикаторе. Шестнадцатисегментный индикатор может отобразить цифры, все латинские и почти все русские буквы (кроме Й,Ц,Щ). Для того чтобы символы были менее угловатыми и более натуральными, используют матричные индикаторы. С их помощью можно также отображать небольшие изображения. Количество сегментов индикатора влияет на метод управления им.
рис. 10
Семисегментный дисплей,
шестнадцатисегментный дисплей
матричный дисплей 5х7
В добавление к алфавитно-цифовым символам, ЖКИ может отображать небольшие картинки, или иконки. К примеру дисплей на рис.11 отображает функции копира. Эти изображения не изменяются - они могут только вкючатся или отключатся.
рис. 11 Функциональный дисплей копировального аппарата.
Время срабатывания
ЖКИ обычно имеет время срабатывания 50 мс при 20°C, а лучшие модели - до 10 мс. Стандартный ЖКИ может отображать сигнал до 10 Гц, если требуется; невооруженным глазом тяжело отследить данные с такой частотой.
Цветные изображения
Существует несколько методов создать цветное изображение в ЖКИ (таблица 3).
Таблица 3. Цвет в ЖКИ
Двухрядное расположение выводов (Dual-In-Line, DIL)
Двухрядное расположение выводов удобно для использования в суровых условиях. DIL обеспечивает быструю, ровную установку индикатора. Выводы могут быть впаяны в печатную плату или вставлены в разъем. Эти хорошо проводящие, нержавеющие выводы обеспечивают жесткое крепление, даже при ударе или вибрации.
рис. 12 DIL выводы
Резиновый соединитель (Elastomeric, rubber connector)
Резиновый проводник представляет из себя гибкий резиновый брусочек с большим количеством поперечных проводящих прожилок (как гребенка) с очень малым шагом. Он обеспечивает быстрый монтаж / демонтаж без паянных соединений или абразивных контактов, самовыравнивание. Это соединение часто используется в небольших инструментах, где размер ограничен. Хотя оно стойко к ударам и вибрациям, резиновое соединение не стоит применять в особо арессивных средах без повышенного внимания к защите ЖКИ.
рис. 13 Резиновый соединитель
Гибкий соединитель (Flex, heat seal connector)
Как печатная плата, так и ЖКИ присоединяются к гибкому шлейфу посредством нагревания под давлением. Это соединение используется в наиболее подвижных устройствах, где смещения могут вызвать поломку жестких выводов. Гибкое соединение часто используется в очень больших ЖКИ или устройствах требующих отдельную установку платы контроллера. Популярность этого метода соединения растет и разработчики находят ему все новые применения.
рис. 14 Гибкое соединение
Общие принципы
Существует два типа контроллеров ЖКИ: прямой и мультиплексный. Оба типа имеют свои преимущества и недостатки.
Таблица 4. Сравнение прямых и мультиплексных контроллеров
Мультиплексное управление
Мультиплексное (MUX) управление уменьшает количество необходимых выводов ЖКИ. Мультиплексные дисплеи имеют более одного общего вывода (COM). Мультиплексность означает, что каждый вывод сегментов (SEG) адресует сегмент на каждом из выводов COM. Количество общих выводов называется значением мультиплексности ЖКИ.
рис. 15 Вариант организации выводов COM и SEG
Энергопотребление
Обычно ЖКИ требует очень небольшой энергии для работы - от 5 до 25 мкА при 5 В (на кв. дюйм) для TN индикатора. Искуственная подсветка или нагрев требуют дополнительной энергии.
Все ЖКИ тебуют чистого переменного управляющего напряжения. Случайное постоянное напряжение, как например постоянная составляющая в сигнале, может значительно уменьшить срок службы индикатора и должно быть ограниченно 50 мВ.