了解液晶电视机()

任务1　了解液晶电视机(LCDTV)

液晶是指在某一温度范围内，从外观上看属于具有流动性质的液体，但同时又是具有光学双折射性的晶体。液晶物质大多为有机化合物，其分子的形状一般为细长的棒状或扁平的板状。按分子排列的不同，液晶可分为层列液晶、向列液晶，胆甾相液晶等几大类。液晶的分子排列结构不像晶体那样坚固，在电场、磁场、温度、应力等外部因素的作用下，其分子易发生再排列，使液晶的各种光学性质发生变化，液晶的这种柔软的分子排列正是用于显示器的基础。目前，用于图像显示器件的多为TN扭曲向列型和STN超扭曲向列型LCD。而采用薄膜晶体管TFT作有源驱动矩阵的LCD(TFT-LCD)以其在亮度、对比度、分辨率等方面的优势，成为液晶电视的主流。

1.液晶电视机的结构

液晶电视机(Liquid Crystal Display TV，LCD TV)是一种利用彩色液晶显示板显示电视节目的电视机。图9-8所示是液晶电视机显示器部分的结构示意图，它采用彩色液晶板作为显示器件。液晶显示板具有重量轻、体积小的特点，它作为显示器，除了在笔记本电脑中被广泛应用之外，在彩色电视机中取代显像管制成超薄型电视机，受到消费者的普遍欢迎。

液晶显示板是由一排排整齐设置的液晶显示单元构成的，一个液晶板有几百万个像素单元，每个像素单元是由R、G、B三个小的单元构成的。像素单元的核心部分是液晶体(液晶材料)及其半导体控制器件。液晶体的主要特点是在外加电压的作用下其透光性会发生很大的变化。如果使控制液晶单元各电极的电压按照电视图像的规律变化，在背部光源的照射下，从前面观看就会有电视图像出现。

图9-8　液晶电视机显示器结构示意图

液晶体是不发光的，在图像信号电的作用下，液晶板上不同部位的透光性不同。每一瞬间(一帧)的图像相当一幅电影胶片，在光照的条件下才能看到图像。因此，在液晶板的背部要设置一个矩形平面光源。在前面观看屏幕的显示图像是透过液晶层的光图像，液晶层的不同部位的透光性随图像信号的规律变化，就可以看到活动的图像，即随电视信号的周期不断更新的图案。

将电视信号变成驱动水平和垂直排列的液晶单元的控制晶体管，就可以实现液晶板的驱动，这些驱动集成电路安装在液晶板的四周就可以组装成液晶显示板组件，如图9-9所示。

图9-9　液晶显示板组件的结构

2.液晶显示板的工作原理

液晶是一种既具晶体性质又具液体性质的物质，故取名液态晶体简称液晶。

液晶有4个相态，分别是晶态、液态、液晶态和气态，且4个相态可相互转化，称为“相变”。相变时，液晶的分子排列发生变化，从一种有规律的排列转向另一种排列。引起这一变化的原因是外部电场或外部磁场的变化。同时，液晶分子的排列变化必然会导致其光学性质的变化，如折射率、透光率等性能的变化。

利用液晶的这一性质可以做出液晶显示板，它利用外加电场作用于液晶板改变其透光性能的特性来控制光通过的多少，以显示图像。液晶显示板是将液晶材料封装在两片透明电极之间，通过控制加到电极间的电压即可实现对液晶层透光性的控制。

彩色液晶显示板的原理如图9-10(a)所示。在液晶层的前面设置由R、G、B栅条组成的滤光器，光穿过R、G、B栅条，就可以看到彩色光，由于每个像素单元的尺寸很小，从远处看就是R、G、B合成的颜色，与显像管R、G、B栅条合成的彩色效果是相同的。这样，液晶层设在光源和栅条之间实际上很像一个快门，每秒钟快门的变化与电视画面同步。如果液晶层前面不设彩色栅条，就会显示单色(如黑白)图像。如图9-10(b)所示。

3.液晶显示板的结构

如图9-11(a)和图9-11(b)所示是液晶显示板的局部解剖视图，液晶层封装在两块玻璃基之间，上部有一个公共电极，每个像素单元有一个像素电极，当像素电极上加有控制电压时，该像素中的液晶体便会受到电场的作用。每个像素单元中设有一个为像素单元提供控制电压的场效应管，由于它制成薄膜型紧贴在下面的基板上，因而被称为薄膜晶体管，简称TFT。每个像素单元薄膜晶体管栅极的控制信号是由横向设置的X轴提供的，X轴提供的是扫描信号，Y轴为薄膜晶体管提供数据信号，数据信号是视频信号经处理后形成的。

图9-10　彩色液晶板的显示原理

场效应晶体管及电极的等效电路如图9-11(c)和(d)所示，图像数据信号的电压加到场效应管的源极，扫描脉冲加到栅极，当栅极上有正极性脉冲时，场效应管导通，源极的图像数据电压便通过场效应管加到与漏极相连的像素电极上，于是像素电极与公共电极之间的液晶体便会受到Y轴图像电压的控制。如果栅极无脉冲，则场效应晶体管便是截止的，像素电极上无电压。所以场效应管实际上是一个电子开关。

整个液晶显示板的驱动电路如图9-12所示，经图像信号处理电路形成的图像数据电压作为Y方向的驱动信号，同时图像信号处理电路为同步及控制电路提供水平和垂直同步信号，形成X方向的驱动信号，驱动X方向的晶体管栅极。

当垂直和水平脉冲信号同时加到某一场效应管的时候，该像素单元的晶体管便会导通，Y信号的脉冲幅度越高，图像越暗，Y信号的幅度越低，图像越亮，当Y轴无电压时，TFT截止，液晶体100%透光成白色。

4.液晶电视显示系统

高清晰度液晶电视显示系统如图9-13所示，图中的图像调整电路、时间轴扩展电路、极性反转电路和时序控制电路是液晶显示器的特有电路。

从图中可见，来自解码电路或外部输入的亮度信号Y和两个色差信号(B-Y)、(R-Y)首先在视频调整电路中进行处理。视频调整电路是由矩阵电路、轮廓校正电路、图像调整电路和色调校正电路等部分构成的。经处理后，再经时间轴扩展和极性反转后送到数据驱动电路中形成数据驱动电压去驱动液晶板，这是主要的信号处理电路。亮度信号经同步分离电路分离出同步信号，时序控制电路以此为基准形成液晶板的扫描驱动脉冲。液晶板的扫描驱动电路也同液晶板制成一个组件。

液晶显示器电路的基本组成

从图9-13所示的信号处理电路可见，亮度信号和色差信号送到液晶显示信号处理电路中，首先送入矩阵电路，变成三基色信号(R、G、B)，然后经轮廓校正、亮度和对比度调整、色调校正、时间轴扩展、极性反转放大、电平移位等电路的处理，形成液晶显示板的驱动信号。

图9-11　液晶显示板的局部解剖视图

a.色调校正电路

显像管(CRT)的特性比较曲线如图9-14所示。CRT的γ值为2.2，所谓γ校正是指电视图像从摄像机摄像到显像管再现图像的过程中，摄像时光图像变成电信号，这里存在非线性;在显示器中再由电信号变成显像管上的图像，这其中也有非线性的因素，视频信号在驱动CRT之前的信号源，必须进行γ校正，使2.2×γ校正值=1，于是γ校正值为1/2.2=0.45。与CRT不同，在液晶显示板中，是一个S形特性，进行校正的电路被称为色调校正电路。由于S形特性随透光波长的不同有所差别，因此对红、绿、蓝各色补偿值要分别设定。

图9-12　液晶显示板的驱动电路

视频信号在模拟处理时，色调校正电路是由电阻和晶体管组成的近似线性的电路构成的;在数字处理系统中，色调校正是由存入ROM中的校正数据进行处理的。

b.时间轴扩展电路

高清晰度液晶显示板水平方向的像素数达1500，数据取样时水平移位时钟近60MHz，数据驱动移位时钟也有15MHz，而驱动和显示一体型液晶显示板的响应只有2MHz。

为了解决这个问题，在液晶显示板的外部电路中设有时间轴扩展电路，这样使视频信号由串行传输变成并行传输，即可使水平移位时钟的频率降低。用水平分割驱动电路来降低频率，在驱动和显示一体型(Poly-SiTFT-LCD)方式中使用视频移相电路来降低频率，以便适应高清晰度的要求。

c.水平分割驱动电路

水平分割驱动电路如图9-15所示，这种a-SiTFT-LCD液晶显示板的显示区被分割成A、B、C三个区。每个分区进行并行同时驱动，视频信号和移位时钟的频率均可降低到原来的1/3。液晶显示板上的奇数栅极驱动线用的视频信号按A1、B1、C1的顺序送入图像数据驱动电路，偶数栅极驱动线用的视频信号按A2、B2、C2的顺序送入图像数据驱动电路，然后数据驱动A、B、C中的数据信号一起输出，驱动显示板。

图9-13　高清晰度液晶显示系统的构成

图9-14　液晶显示板的透光率与所加电压的关系

在这种方式中，由于显示板分为三个区域，在区和区相邻分界部分的亮度/色度可能会有差异，为了降低这种需要峰值亮度降低1%。

d.频率相移电路

图9-15　水平分割驱动电路

在驱动和显示型Poly-SiTFT-LCD液晶显示方式中，时间轴扩展电路如图9-16所示，视频信号经过色调校正电路校正后送到视频移相电路中，视频移相电路是由A/D转换器、锁存器、D/A转换器等部分构成的。在这个电路中视频数字信号被分割成4部分，经过极性反转后送到液晶显示板的数据驱动电路中。这样由于视频移相电路的分割作用，使整个图像数据信号的取样频率降低到原来的1/4。

图9-16　驱动显示一体型液晶显示器的时间轴扩展电路

5.液晶显示器的实际电路

液晶显示器与显像管显示器的视频图像信号的接收、解调、解码等处理电路基本上都是相同的，只是驱动液晶显示板的电路不同于显像管的驱动电路，目前常见的有数字式液晶显示驱动电路和模拟式液晶显示驱动电路两种。

如图9-17所示是模拟式液晶显示系统的电路框图。液晶显示板采用薄膜晶体显示板，经高频头接收、中频通道放大、检波后的视频图像信号经过放大器和缓冲器形成模拟驱动信号，送到驱动TFT液晶板的取样保持电路，取样保持电路的输出作为源极驱动信号送到液晶板的栅极驱动集成电路(IC)。同时，同步信号也送到取样保持电路，使液晶板的源极驱动信号与扫描信号保持同步关系。这种电路结构比较简单，但消耗功率比较大，其解像度也不够高。

图9-17　模拟式液晶显示系统

如图9-18所示是数字式液晶显示系统的电路方框图。从图中可见，此系统需要将视频信号变成数字数据信号再送到显示系统，或者是直接送入数字视频信号。作为源极驱动的数字信号先送到数据锁存电路，再经D/A转换器变成驱动液晶板的源极驱动信号，同步和扫描电路与模拟方式相同。

6.液晶电视机电路实例

如图9-19所示是康佳LC-TM15XX多媒体液晶电视机整机电路框图，下面分别介绍各组成部分的作用。

U110为高频调谐器FMI256。该调谐器与普通调谐器不同之处在于:内部具有公共通道，输出已经是彩色全电视信号CVBS。输出的音频信号有两种:一种是FM-R、FM-L或单声道音频伴音，这主要是针对普通的调频制伴音;另一种是针对数字调制伴音NICAM的中频。

U111为多制式伴音处理器MSP3411G。该芯片对不同制式的伴音进行转换、加工、解码等，并进行自动音量校正、自动载波静音等。由18.432MHz晶振产生解调各种音频调制信号所需的基准频率。

图9-18　数字式液晶显示系统

U200为视频解码器VPC3230D。它把输入的CVBS、Y/C，RGBIYUV等模拟电视信号，通过I²C总线控制，按数字电视信号的格式将模拟电视信号转换成数字电视信号。

U301为视频变换器gmVLXIA-X和同步DRAM(称SDRAM)配合完成数字视频变换。它经过时间过滤和空间过滤，把隔行扫描变成逐行扫描。本机SDRAM为M5AT4V16G，容量为16MB，可存储一场数据。经变换后的逐行扫描数字信号变成4∶4∶4格式，既可输出3×8位R、G、B信号，也可输出4∶2∶2格式的Y、U、V信号。

U3为TFT-LCD控制器gmB135。视频变换器U301输出的3×8位R、G、B信号送到显示屏控制器gmB135处理。gmB135共有292个引脚，内部有3路模数转换器，取样频率可达135MHz，它把由15芯连接器输入的模拟R、G、B信号转换成4∶4∶4格式的R、G、B数字信号，再由微控制器U400控制其运行。也可选择不同的信号源，如模拟R、G、B信号或数字3×8位R、G、B信号。此外，该芯片内部还设有标尺引擎、串行数字接收器、恢复各种数字时钟信号，用于OSD(屏显)控制器的SRAM以及Y校正电路等。并且实施相应的视频变换来支持TFF-LCD显示屏上24种显示模式的需要。

U400为微控制器P89C51RD。它是以8051微处理器为核心，内设有64KB快闪ROM和1124BRAM，有4个8位I/O端口、两个16位定时器/计数器以及两个外部中断，一个RS-232端口，与它配合的有E²ROM芯片24LC16B，用以实现I²C总线控制。

U1为TFT-LCD显示屏。该机采用T'FT作有源驱动矩阵的TN-LCD，具有色彩丰富，响应和亮度特性均较好，寿命长等特点。

在图9-19中，J1、J117，J131、J700，J702为连接端子。U900为稳压模块，输出+5V电压;U901输出+3.3V电压。