郝铭博客–平板电视维修技术学习

液晶屏逻辑驱动电路原理、电路分析及故障检修 （四、TFT液晶屏的彩色显示原理）

这一节主要介绍 液晶屏彩色图像的显示原理及像素信号的幅度变化特点

一、视频图像显示器件实现彩色图像显示的基本原理：三基色原理

1、三基色原理的基本内容是：

     自然界的任何色彩都可以分解为三种基本色（红色R、绿色G、蓝色B），而这三种基本色又可以合成自然界中的如何色彩（三基色原理必须结合人眼的生理混色特性：人眼无法分辨单色光和合成色光）。

     彩色电视的基本原理就是把自然界各种绚丽多彩的景物都分解成三种基本的色彩，用最少的传输信道把这三种基本色进行传输，在接收端把接收来的这三种基本色再显示屏上合成重现出绚丽多彩的自然界景物。三基色原理解决了景物复杂的信息采用简单最少信道传输的问题。

     三基色原理；我们实现彩色电视的最基本的原理，同样液晶电视的彩色显示也离不开“三基色原理”在液晶屏上也是利用在屏幕上产生三种基本的色光，并利用人眼的生理混色特性感觉出彩色的图像。

    （注：三基色为什么选红、绿、蓝？三种基色选取的原则：1、基色必须是独立的，不能由其它的颜色混合形成。2、三种基色必须占有较宽的频谱范围）

2、彩色显像管显像：

     显像管电视机的荧光屏是利用电子束轰击荧光粉发光的屏幕主动发光的图像显示器件，图4.1所示。

     在显示图像时，如果通过放大镜观察荧光屏面，可以看到就只有三种颜色（红、绿、蓝）的光点在发光，绚丽的图像就是由红、绿、蓝光点组成，图4.2所示。这也就是显像管的荧光屏只涂敷了；红、绿、蓝三种颜色的荧光粉。图像信号分别控制电子枪发射三条电子束的强弱，分别轰击红、绿、蓝荧光粉发出相应不同强度的红、绿、蓝色光，图4.2所示，最终利用人眼的空间混色特点；合成了千变万化的不同色彩。

                                                                  图4.1

     在显像管的荧光屏上，红、绿、蓝三个基色光点组成一组三色体，作为一个图像像素的显示（还原）基本点，也就是荧光屏上一个彩色像素点的还原；必须由能发出红、绿、蓝色光的三个发光点合成完成，这三个红、绿、蓝点组成一组三色体为一个像素点；其中的任意个光点我们就称为一个“子像素”点，也就是荧光屏上的一个像素点是三个“子像素”点组成。

                                                                    图4.2

3、彩色液晶屏：

      液晶屏是被动发光，液晶屏的本身并不能发光，液晶屏上的图像是通过背光源射出的光线通过液晶屏分子对光线的阻碍（调制）作用控制通过光线的强弱重现图像的，那么液晶屏分子射出的代表三基色的光线的路径上设置红、绿、蓝三种颜色的滤色片，背光源射出的光；经过液晶分子的控制后；再通过这红、绿、蓝三色滤色片，就把像素点含有的红、绿、蓝三种基色信息的红、绿、蓝色点还原在了液晶屏的屏幕面上，图4.3所示；再根据人眼的混色作用，就看到液晶屏上绚丽的彩色图像了。

                                                                           图4.3

     图4.4是用高倍数放大镜观察显示图像的液晶屏的表面，也可以看到和显像管荧光屏表面一样的三基色光点组成的画面结构。

                                                                        图4.4

4、三基色的原理的恒定亮度方程式：Y=0.30R+0.59G+0.11B

     现在不管是彩色的CRT电视机；还是彩色液晶电视机的图像显示屏都是只能发出红、绿、蓝三种基本色光（彩色CRT是屏幕的三色荧光粉在电子束的轰击下发出红、绿、蓝三种颜色光，液晶屏是光线通过三色滤色片也发出红、绿、蓝三种颜色光）。那么在电视显示黑白电视节目时或者显示黑白图像时，这个“白”光是如何呈现出来的？虽然红、绿、蓝三种颜色的光加到一起能组成（混色）白光；那么组成一个正常“白光”（D白 6500K）时，显示屏上射出的的红、绿、蓝三色光的各自要产生多大的亮度（光功率）？。

     经过大量的精确实验得出一个结果：就是我们现在PAL制式和NTSC制式的标准白光标准色温是 6500K （俗称：D白）其内容就是：

      1个流明（Lm）的D白光=0.30流明（Lm）红光+0.59流明（Lm）绿光+0.11流明（Lm）蓝光。在电视机中Y信号实际是指黑白信号（白光信号）所以 Y=0.30R+0.59G+0.11B 就是这么得出来的。

其含义是：

       在显示黑白电视节目或显示黑白图像时：当电视机显示屏发出1个流明的白光时；其中红色荧光粉提供0.30流明亮度份量；绿色荧光粉提供0.59流明亮度份量；蓝色荧光粉提供0.11流明亮度份量（实际是指；红、绿、蓝色光分别向白光贡献的亮度系数）。

      Y=0.30R+0.59G+0.11B这就是彩色电视技术里面的恒定亮度方程式，（平时提到的 R+G+B=“白”是配色方程，和恒定亮度方程式并不矛盾）如果三个基色光的功率比例改变这就是白平衡破坏了。

注： “流明”Lm 是光的总功率。 平时也经常提到的 “坎德拉” candela 是指单位面积内的流明数。

5、TFT彩色液晶屏像素一个像素显示单元结构：

图4.5所示是TFT彩色液晶显示屏的一个像素单元组成结构图；

                                                       图4.5

图中：

（1）所示是背光源。

（2）水平轴偏振片。

（3）TFT显示电极板。

（4）水平刻槽液晶分子导向膜

（5）液晶分子层。

（6）垂直刻槽液晶分子导向膜。

（7）公共电极。

（8）三基色滤色片。

（9）垂直偏振轴偏振片。

      工作过程：背光源（1）向上发出全白的自然光；经过水平轴偏振片（2）过滤后变成水平偏振波；水平偏振波向上穿过显示电极板（3）及水平液晶分子导向膜（4）；水平偏振波在经过液晶分子层（5）时；受到90度扭曲液晶分子的引导；由水平偏振波扭转为垂直偏振波（在此处根据分子扭曲的程度，输出垂直偏振波份量的多少相应变化，当液晶分子扭曲角度较小时；输出中也有部分不受分子扭曲角度影响的水平偏振波份量），向上穿过垂直液晶分子导向膜（6）及公共电极（7）达到了滤色片（8），经过滤色片滤色后变成红、绿、蓝的垂直偏振波（也含有水平偏振波份量），最后；垂直偏振轴偏振片（9）只允许垂直份量的偏振波经过垂直偏振轴的偏振片射出到液晶屏面。

      同显像管屏一样；液晶显示屏上，一个像素点可以千变万化的颜色，也是由三基色原理实现的；红、绿、蓝三个“子像素”色点不同的发光比例混合完成的。

一块能显示1080P高清信号的液晶屏，就有这样的像素显示单元207万个（子像素有621万个）。

二、液晶分子的对图像灰度的控制：

1、什么是灰度：也是指亮度，就是一幅像中最亮和最暗的中间亮度部分的亮度变化等级。

                                  图4.6                                                                         图4.7

    图4.6和图4.7所示的照片是同一个人的同一张照片，图4.6所示就是没有灰度的照片；只有“黑”和“亮”两种状态（没有最亮和最暗的中间亮度部分），这张照片看起来很不习惯。

     图4.7就是有灰度的照片；照片不光有“黑”和“亮”；还有由最暗（黑）逐步过度到最亮（白）的若干不同亮度的“灰”状态，这个不同亮度的“灰”状态越多越好；图像的质量越高。这个由黑到亮的“灰”状态，我们叫“灰度”。一幅图像“灰”状态的多少按亮度的大小来划分，称为“灰度等级”，显然灰度等级越多；图像就越细腻、逼真，目前家用液晶电视机的灰度等级一般最高为256级（早期为64级），特殊用途的可以做到512级，1024级甚至2048级（价格极其昂贵）。

     灰度也是一种“分辨率”，是图像“景深”的分辨率。相比之下液晶显示屏大不如显像管的原因就在于此，显像管的灰度是无级的（几千、几万都可以），因为显像管的亮度可以由显像管阴栅电位差逐步的即为细致的控制，景深分辨率极高，液晶等离子无法相比，所以进行图片处理，及医用显示器例如 B超、CT等目前仍然采用显像管作为终端显示，否则较小的肿瘤、癌组织都难以发现判断。

     真正的玩家、行家还是喜欢显像管的电视机，其原因就在于此。

2、显像管显示屏的灰度：

     显像管的灰度是依靠施加于显像管阴极的图像信号电压的高低来控制的（当显像管栅极电压为零时；阴极电压的大小决定了阴极射出电子的数量；也就决定了荧光屏的亮度），如果显像管阴极图像信号电压由高向低逐步的下降，显像管显示屏就会由暗到亮的逐步变化，这个电压和亮度变化的关系不成比例的，也就是非线性的是一个下凹形的曲线，图4.8所示。

3、液晶显示的灰度；

     液晶屏的亮度主要是光线经过液晶分子时；液晶分子的透过率所决定的，不同的透过率在液晶屏上就产生了不同的“灰”，前面几章已经介绍过，液晶分子扭曲的角度决定了液晶分子对光线的透过率，那么只要适当的控制液晶分子扭曲的角度，就可以改变液晶分子的透过率，就可以任意的改变液晶屏上呈现的光点的亮度。

     在TFT液晶屏上；液晶分子的扭曲就是由液晶分子两边的TFT显示电极板和公共电极之间的电场控制的，这个电场是由列电极经过MOS开关送来的像素电信号电压形成的。像素信号的电压大小，就决定了液晶分子扭曲的角度，也就决定了液晶分子对光线的透过率；也就决定了液晶屏呈现像素光点的亮度。

在液晶显示屏上；在列电极施加一个幅度逐步变化的电压和液晶屏上产生光点的亮度的大小是一个严重畸变的非线性变化关系，是一个类似S形的曲线，图4.9所示（电压等分变化，透光率变化中间拉长，两边压缩）。

                             图4.8                                                                   图4.9

      对比图4.8显像管的电压/亮度曲线和图4.9的液晶屏的电压/亮度曲线；可以看出图4.8所示的显像管电压/亮度变化曲线只是在显像管低亮度区域，电压变化时亮度变化迟钝一些，中、高亮度变化时；和所加的控制电压变化已经非常接近了，并且在电视信号的发送端对信号的幅度变化已经根据显像管的这种特性进行了预矫正，所以显像管电视成像是就无需再增加针对显像管电压/亮度变化非线性特性的矫正电路。

4、什么是灰阶电压

    而从图4.9所示的液晶屏亮度变化和所加的控制电压变化的关系，在低亮度和高亮度都严重的出现了电压正常变化亮度变化迅速，而在中等亮度时；电压变化正常而亮度甚至没有变化，这样重现的图像会出现非常难看的灰度（层次）失真，这是必须要予以解决的。这就是液晶屏的逻辑驱动电路里面有一个专门针对这种失真的电压校正电路，采用一序列幅度变化不成比例的预失真电压，这一系列的电压我们称为灰阶电压，电压组成的曲线,图4.10所示（透光率等分变化，电压变化中间拉长，两边压缩）。用这一系列变化的灰阶电压对；像素信号所携带的不同的亮度信息进行赋值；以纠正液晶屏的图像灰度失真。这个矫正就叫伽马校正。

      灰阶电压的级数（不同电压值）就是液晶屏的灰度等级，目前市面上的家用液晶电视机能做到256级（8bit）就是挺好的了（关于灰阶电压的产生及伽马校正方法后面电路分析会详解）。

                                                                图4.10

三、 液晶分子的交流驱动：

1、液晶分子为什么要交流驱动

     液晶的分子在工作的过程中不停的随着像素电信号幅度的变化扭曲着，扭曲的方向与所加的电压的极性有关，如果所加的像素电信号电压是一个幅度波动的直流信号；那么；液晶的分子则始终是向一个方向扭曲，这样时间长了；液晶分子就会产生“疲劳”，当不加电压时液晶的分子也不会回到原来的位置了，对透过的光线也就失控了，液晶屏也就损坏了。

     商场宾馆的弹簧门，大家都很熟习，图4.11所示；这个弹簧门是向里向外都可以开的双向门，门轴里面有一只弹簧，控制着门的复位。图4.11（1所示）。

                                                                         图4.11

     当有人由左边进门；门向右推，图4.11（2）所示。当有人由右边出门；门向左推，图4.11（3）所示。这样人流不断的进进出出；门轴的弹簧不断的左右扭曲，每次的一进一出；向两边受力都是一样的，经过千千万万次进出；最终没有人经过时；弹簧门仍会复位到门的中间位置，图4.11（4）所示。

                                                                      图4.12

      如果这个弹簧门是一个单相门，只能向右边推开，图4.12（1）所示。当有人由左边进门；门向右推，图4.12（2）所示。当有人由右边出门；门只能向右拉，人再出来，图4.12（3）所示，这样人流进进出出，门只能向一个方向打开，门轴内的弹簧也只能向一个方向扭曲，最终不长时间，门内部的弹簧就会“疲劳”、“变形”不能复位，没有人过时；门也不能复位关严了，图4.12（4）所示。

      以上说明双向门是工作在“交流”状态，使用寿命可以很长，单相门工作在“直流”（脉动）状态，门的使用寿命很短。工作在“交流”状态和工作在“直流”状态人流量是一样的，单向门过早损坏。

     液晶分子的工作类似于上面的原理；所以液晶施加的像素电信号，必须是交流信号，像素信号的极性跟随行电极的触发，逐场（场触发一次）翻转180度，也就是一根行电极线在第一场被触发时；通过MOS开关加到显示电极板和公共电极上的电压是正极性的，那么这根行电极线在第二场被触发时；通过MOS开关加到显示电极板和公共电极上的电压是负极性的（同一行相邻场信号是反相的），这样依此类推，所有的分子都工作在交流工作的状态。

       图4.13所示就是一个液晶分子，逐场变化的激励电压波形图。

                                                                  图4.13

2、交流驱动像素信号的特点规律：

       驱动信号有四种极性变换方式,虽然有这么多种的变换方式,但它们有一个共同点：都是在下一次更换画面数据的时候来改变极性。也就是说,对于同一点而言,它的极性是不停的变换的。而相邻的点是否拥有相同的极性,就可依照不同的极性转换方式来决定（具体的四种变换方式，后面的文章会详细介绍）。

        信号的特点是：信号波形的幅度随图像的明暗变化而变化。每一行电极线上信号的相位都是逐场翻转180度（源极激励信号是一场逐场变换的，行电极线一场时间触发一次，是一个交流信号）。由于分子向左扭曲和向右扭曲角度相同时透过率是一样的，像素电压虽然相位相反，但是对透光度的控制是一样的，所以在液晶屏上产生的光点其亮度的变化是完全一样的。

    这样列驱动电路的伽马校正电压也必须产生对称的一正一反的曲线对称的两套电压，电压曲线如图4.14所示（参考图4.10观看对称性）。

                                                                    图4.14

四、公共电极电压VCOM：

1、公共电极的作用

公共电极的电压，一般人理解为零电压或接地线，它不是零电压，也不是接地线，公共电极实际上是形成控制液晶分子电场的公共电极，它上面连接一个对于伽马电路相对应的参考电压Vcom，伽马电压和VCOM形成了控制液晶分子扭曲的电场。要求这个电压稳定，不能有其它的任何杂波干扰。

目前公共电极电压VCOM是由一个专门电路产生的固定值的直流电压。该电压出现偏差及不稳定，图像的灰度层次就会出现失真，或者屏幕发白、发黑等。

另外目前还有资料介绍；有的液晶屏的逻辑驱动电路把VCOM设计为：交流方波，图4.15所示（幅度必须大于像素信号最大幅度），此时列驱动电极提供的显示电信号就不再翻转，只提供脉动直流像素信号就可以了，这样在显示电极板和公共电极之间；仍然是逐场翻转的电位差；液晶分子仍然是等于工作在交变扭曲的状态（目前还没有见到此相关电路及资料）。

                                                                       图4.15