灰階響應(yīng)時間測量不確定度的評定

韓 東，韓楊飛

(1.國家廣播電視產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心，北京 100015;2.武警通信總站，北京 100089)

液晶顯示器的響應(yīng)時間的典型測量是在黑白和白黑之間切換的時間。然而這種情況下的響應(yīng)時間并非最長的響應(yīng)時間，灰階之間切換的響應(yīng)時間可能是黑白之間響應(yīng)時間的數(shù)倍之長。測量灰階時間響應(yīng)和測量黑白變換的時間響應(yīng)的主要區(qū)別是，灰階響應(yīng)時間測量要求測量非常小的亮度變化(尤其在測量一個或兩個灰度級變化的響應(yīng)時間時)，而且這些亮度變化伴隨著大量的噪聲，所以正確的測量方法和濾波技術(shù)變得尤為重要。而由于測量方法和濾波等信號處理技術(shù)而帶來的對測量結(jié)果可靠程度的影響是必須考慮的問題［1］。

1 測量方法簡述

灰階響應(yīng)時間在測量小亮度變化范圍時，對測量方法和設(shè)備的要求比測量黑白響應(yīng)時間更高。正確測量灰階響應(yīng)時間需要適當(dāng)?shù)男盘柊l(fā)生器和測量裝置，以及適當(dāng)?shù)臏y量技術(shù)及自動化的數(shù)據(jù)處理方法。

如圖1所示，視頻信號發(fā)生器產(chǎn)生在兩個灰階之間變換的信號，來驅(qū)動被測的顯示設(shè)備?？焖俚臏y光裝置把顯示器發(fā)出的光轉(zhuǎn)換成模擬電壓信號來表示被測設(shè)備的響應(yīng)時間變化。一個數(shù)據(jù)采集卡采集時間變化信號并將其數(shù)字化，響應(yīng)時間的定義是信號在兩個閾值電壓之間變化所用的時間。典型的閾值電壓是信號幅度的10%和90%，當(dāng)然閾值是可以改變的。確定響應(yīng)時間首先用軟件確認(rèn)脈沖的基線和頂線(即脈沖幅度的0%和100%)，然后根據(jù)這個值來確定響應(yīng)時間的閾值，進(jìn)而計(jì)算出兩個閾值之間的變化時間，并用上升時間和下降時間表示。

圖1 灰階響應(yīng)時間測量框圖

2 測量不確定度的來源

1)噪聲。在進(jìn)行灰階響應(yīng)時間測量時一個主要的問題就是如何處理好噪聲對測量的影響，灰階響應(yīng)時間要求測量出存在于大量噪聲之中的亮度的微小變化。被測量的信號常常存在于噪聲電平的下方。在LCD顯示器的測量中有兩種典型的噪聲存在。一種是隨機(jī)噪聲，主要由亮度閃爍噪聲和熱暗噪聲組成。另一種是顯示器的閃爍，這是一種由于顯示器自動刷新引起的周期性波動。隨機(jī)性的噪聲可以通過波形的多次平均或低通濾波器或二者的結(jié)合進(jìn)行濾除。

2)亮度測量裝置的響應(yīng)時間。亮度測量裝置里的一個重要元器件是光電轉(zhuǎn)換管，它的響應(yīng)時間直接影響測量結(jié)果的準(zhǔn)確性。筆者曾看到過一款國外生產(chǎn)的灰階響應(yīng)時間測量系統(tǒng)，其本身的光電轉(zhuǎn)換時間大概在40 μs。這對典型的灰階響應(yīng)時間來說，基本可以忽略。當(dāng)然也有針對更小的毫秒級的響應(yīng)時間測量的光電轉(zhuǎn)換器。

3)脈沖信號底值和頂值的測量不確定度。如圖2所示，測量亮度變化引起的脈沖信號的上升時間首先要確定信號的底部和頂部的準(zhǔn)確值，然后才能確定最大幅度值的10%和90%點(diǎn)的位置，進(jìn)而讀出兩點(diǎn)間的時間差。顯然，整個信號的底值和頂值測量存在不確定度，該不確定度必然傳遞到閾值，使得10%到90%之間的變化時間有所偏差。

圖2 脈沖信號波形

3 測量不確定度評定

1)用濾波器對噪聲處理過程中導(dǎo)致的波形失真引入的不確定度?，F(xiàn)有灰階響應(yīng)時間測量系統(tǒng)中都選用了一種濾波技術(shù)，很好地修正了濾波引起的響應(yīng)時間測量失真，而且顯著改進(jìn)了響應(yīng)時間小于1/2濾波寬度時的測量不確定度。再結(jié)合重復(fù)測量，使得濾波過程對響應(yīng)時間測量的不確定度影響可以忽略。

3)脈沖信號底值和頂值的測量不準(zhǔn)引入的不確定度u2

［3］。如圖2所示，假設(shè)xL和xH分別代表最大值的10%和90%，則(tH－tL)就是上升時間，xT和xB分別代表脈沖信號的最小值和最大值

由xL在階躍波形曲線上以線性插值法找到相對應(yīng)的時刻tL，由xH在階躍波形曲線上以線性插值法找到相對應(yīng)的時刻tH。則階躍信號上升時間為

可以認(rèn)為xT和xB的測量誤差在區(qū)間［－0.5Δx，0.5Δx］內(nèi)服從均勻分布，則xT和xB的測量不確定度為

xT與xB做不相關(guān)處理，則由式(1)、(2)可得

其不確定度為

其實(shí)驗(yàn)方差為

其協(xié)方差為

其相關(guān)系數(shù)為

由 dx=x'(t)dt，得

不確定度為

實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)偏差為為

實(shí)驗(yàn)協(xié)方差為

相關(guān)系數(shù)為

實(shí)際上，上升波形曲線在區(qū)間［tL，tH］內(nèi)可以近似認(rèn)為是一條直線，則有

最后可得

4)合成不確定度uc

各個不確定度分量按不相關(guān)考慮，其中uA是根據(jù)實(shí)際措辭測量數(shù)據(jù)用貝塞爾法或其他統(tǒng)計(jì)方法計(jì)算得到的，具體方法和公式JJF1059.1—2012“測量不確定度評定與表示”中詳細(xì)規(guī)定，此處不再贅述。

4 實(shí)驗(yàn)舉例

結(jié)合一臺灰階響應(yīng)專用測試系統(tǒng)測量某LCD顯示器的灰階響應(yīng)時間的測量，對測量結(jié)果的不確定度進(jìn)行評定。

4.1 測量不確定度的A類評定

如表1所示，進(jìn)行10次重復(fù)測量，應(yīng)用貝塞爾法求出重復(fù)性測量引入的實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)偏差。

表1 測量不確定度A類不確定度

平均值:=16.65 ms。

用貝塞爾公式計(jì)算單次測量的實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)偏差［2］為

平均值的實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)偏差［2］為

A類不確定度為

4.2 測量不確定度的B類評定

1)亮度測量裝置響應(yīng)時間引入的不確定度u1。由儀器技術(shù)資料得該測量儀器的廣電轉(zhuǎn)換時間為40 μs，由此引入的不確定度按均勻分布考慮，則2)脈沖信號底值和頂值的測量不準(zhǔn)引入的不確定度u2。由式(19)得

3)合成不確定度

4)擴(kuò)展不確定度

5 總結(jié)

本文通過對灰階響應(yīng)時間的測量過程的過程描述和測量儀器的性能分析，研究了顯示器的灰階響應(yīng)時間的測量不確定度的主要來源和評定方法，并結(jié)合一個實(shí)例進(jìn)一步闡述了灰階響應(yīng)時間測量不確定度的評定步驟。當(dāng)然，在實(shí)踐應(yīng)用中應(yīng)該根據(jù)所使用的測試條件和儀器的實(shí)際情況和測量方法具體分析不確定度的來源。

:

［1］溫娜，張谷一.灰階響應(yīng)時間測量［J］.電視技術(shù)，2009，33(12):112－114.

［2］中華人民共和國國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局.JJF1059.1—2012測量不確定度評定與表示［M］.北京:中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2013.

［3］梁志國.方波上升時間的測量不確定度［J］.計(jì)測技術(shù)，2006(3):43－45.