LCD - 液晶显示原理(一)
1. 显示器介绍
显示器属于计算机的I/O设备,即输入输出设备。它是一种将特定电子信息输出到屏幕上再反射到人眼的显示工具。常见的有CRT显示器、液晶显示器、 LED点阵显示器及OLED显示器。
液晶显示器,简称LCD(Liquid Crystal Display),相对于上一代CRT显示器(阴极射线管显示器),功耗低、体积小、承载
的信息量大及不伤眼的优点 。- 液晶是一种介于固体和液体之间的特殊物质,它是一种有机化合物,常态下呈液态,但是它的分子排列却和固体晶体一样非常规则,因此取名液晶。如果给液晶施加电场,会改变它的分子排列,从而改变光线的传播方向,配合偏振光片,它就具有控制光线透过率的作用,再配合彩色滤光片,改变加给液晶电压大小,就能改变某一颜色透光量的多少。
- 利用液晶控制的原理,做出可控红、绿、蓝光输出强度的显示结构,把三种显示结构组成一个显示单位,通过控制红绿蓝的强度,可以使该单位混合输出不同的色彩,这样的一个显示单位被称为像素。
- 注意液晶本身是不发光的,所以需要有一个背光灯提供光源,光线经过一系列处理过程才到输出,所以输出的光线强度是要比光源的强度低很多的,比较浪费能源 ,显示方向比较窄 ,输出的色彩变换时,液晶分子转动也需要消耗一定的时间,导致屏幕的响应速度低。
LED显示器
- LED点阵彩色显示器的单个像素点内包含红绿蓝三色LED灯,显示原理类似实验板上的LED彩灯,通过控制红绿蓝颜色的强度进行混色,实现全彩颜色输出,多个像素点构成一个屏幕。由于每个像素点都是LED灯自发光的,所以在户外白天也显示得非常清晰,但由于LED灯体积较大,导致屏幕的像素密度低,所以它一般只适合用于广场上的巨型显示器。相对来说,单色的LED点阵显示器应用得更广泛,如公交车上的信息展示牌、店招等。
OLED显示器
- 新一代的OLED显示器与LED点阵彩色显示器的原理类似,但由于它采用的像素单元是“有机发光二极管” (Organic Light Emitting Diode),所以像素密度比普通LED点阵显示器高得多
- OLED显示器不需要背光源、对比度高、轻薄、视角广及响应速度快等优点。
2. 显示器的基本参数
- 显示器尺寸
- 显示器的大小一般以英寸表示,如5英寸、 21英寸、 24英寸等,这个长度是指屏幕对角线的长度, 通过显示器的对角线长度及长宽比可确定显示器的实际长宽尺寸。
- 点距
- 点距指两个相邻像素点之间的距离,它会影响画质的细腻度及观看距离,相同尺寸的屏幕,若分辨率越高,则点距越小,画质越细腻。如现在有些手机的屏幕分辨率比电脑显示器的还大,这是手机屏幕点距小的原因; LED点阵显示屏的点距一般都比较大,所以适合远距离观看。
- 像素
- 像素是组成图像的最基本单元要素,显示器的像素指它成像最小的点,即前面讲解液晶原理中提到的一个显示单元。
- 分辨率
- 一些嵌入式设备的显示器常常以“行像素值x列像素值”表示屏幕的分辨率。如分辨率800x480表示该显示器的每一行有800个像素点,每一列有480个像素点,也可理解为有800列, 480行。
- 色彩深度
- 色彩深度指显示器的每个像素点能表示多少种颜色,一般用“位” (bit)来表示。如单色屏的每个像素点能表示亮或灭两种状态(即实际上能显示2种颜色),用1个数据位就可以表示像素点的所有状态,所以它的色彩深度为1bit,其它常见的显示屏色深为16bit、 24bit。
3. 液晶面板的控制信号
- RGB信号线
- RGB信号线各有8根,分别用于表示液晶屏一个像素点的红、绿、蓝颜色分量。使用红绿蓝颜色分量来表示颜色是一种通用的做法,打开Windows系统自带的画板调色工具,可看到颜色的红绿蓝分量值,常见的颜色表示会在“RGB”后面附带各个颜色分量值的数据位数,如RGB565表示红绿蓝的数据线数分别为5、 6、 5根,一共为16个数据位,可表示216种颜色;而这个液晶屏的种颜色分量的数据线都有8根,所以它支持RGB888格式,一共24位数据线,可表示的颜色为224种。
- 同步时钟信号CLK
- 液晶屏与外部使用同步通讯方式,以CLK信号作为同步时钟,在同步时钟的驱动下,每个时钟传输一个像素点数据。
- 水平同步信号HSYNC
- 水平同步信号HSYNC(Horizontal Sync)用于表示液晶屏一行像素数据的传输结束,每传输完成液晶屏的一行像素数据时, HSYNC会发生电平跳变,如分辨率为800x480的显示屏(800列, 480行),传输一帧的图像HSYNC的电平会跳变480次。
- 垂直同步信号VSYNC
- 垂直同步信号VSYNC(Vertical Sync)用于表示液晶屏一帧像素数据的传输结束,每传输完成一帧像素数据时, VSYNC会发生电平跳变。其中“帧”是图像的单位,一幅图像称为一帧,在液晶屏中,一帧指一个完整屏液晶像素点。人们常常用“帧/秒”来表示液晶屏的刷新特性,即液晶屏每秒可以显示多少帧图像,如液晶屏以60帧/秒的速率运行时, VSYNC每秒钟电平会跳变60次。
- 数据使能信号DE
- 数据使能信号DE(Data Enable)用于表示数据的有效性,当DE信号线为高电平时, RGB信号线表示的数据有效。
4. 液晶数据传输时序
向液晶屏传输一帧图像数据的时序:
液晶屏显示的图像可看作一个矩形, 液晶屏有一个显示指针,它指向将要显示的像素。显示指针的扫描方向方向从左到右、从上到下,一个像素点一个像素点地描绘图形。这些像素点的数据通过RGB数据线传输至液晶屏,它们在同步时钟CLK的驱动下一个一个地传输到液晶屏中,交给显示指针,传输完成一行时,水平同步信号HSYNC电平跳变一次,而传
输完一帧时VSYNC电平跳变一次。
液晶显示指针在行与行之间,帧与帧之间切换时需要延时,而且HSYNC及VSYNC信号本身也有宽度,这些时间参数说明见下表:
在这些时间参数控制的区域,数据使能信号线“DE”都为低电平, RGB数据线的信号无效,当“DE”为高电平时,表示的数据有效,传输的数据会直接影响液晶屏的显示区域。
5. 显存
液晶屏中的每个像素点都是数据,在实际应用中需要把每个像素点的数据缓存起来,再传输给液晶屏,这种存储显示数据的存储器被称为显存。显存一般至少要能存储液晶屏的一帧显示数据,如分辨率为800x480的液晶屏,使用RGB888格式显示,它的一帧显示数据大小为:3 x 800 x 480=1152000字节;若使用RGB565格式显示,一帧显示数据大小为:2 x 800 x 480=768000字节。
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