液晶動態(tài)響應(yīng)測試系統(tǒng)開發(fā)

葉文江，邢紅玉，秦 禹，劉曉夢，孫艷梅

（1.河北工業(yè)大學(xué) 理學(xué)院，天津 300401；2.河北工業(yè)大學(xué) 電子信息工程學(xué)院，天津 300401；3.正定縣第八中學(xué)，河北 石家莊 050800）

液晶顯示是目前平板顯示領(lǐng)域占主導(dǎo)地位的顯示技術(shù)，從國家的尖端產(chǎn)品到人們的日常生活用品到處可見液晶顯示產(chǎn)品.盡管科研人員不斷地研發(fā)新的液晶顯示產(chǎn)品或液晶顯示模式，以期解決液晶顯示本身固有的缺陷，但是液晶顯示的視角問題、響應(yīng)速度問題依然存在，尤其是液晶響應(yīng)速度問題[1-2].液晶的響應(yīng)速度快慢直接影響動態(tài)顯示的效果，導(dǎo)致是否出現(xiàn)拖尾現(xiàn)象.針對液晶動態(tài)響應(yīng)問題的理論方面的研究，國內(nèi)外學(xué)者做了大量的工作，提出了改善液晶材料粘滯系數(shù)和液晶顯示模式的新設(shè)計[3-16].為了從實驗上分析液晶動態(tài)響應(yīng)，需要測量液晶盒施加脈沖信號前后光透過率隨時間的變化，可以采用液晶參數(shù)綜合測試儀測定.但是，存在兩個弊端：1）液晶盒驅(qū)動電壓信號（脈沖電壓信號）是固定的，即使是可調(diào)的，也局限于常用的幾種驅(qū)動信號，對于特殊驅(qū)動的液晶動態(tài)響應(yīng)測試無法完成；2）儀器笨重，不易移動，而且價格較貴，對于小型的液晶器件廠家和一些科研院校很難實現(xiàn).為此，本文設(shè)計開發(fā)了一套液晶動態(tài)響應(yīng)測試系統(tǒng).

系統(tǒng)采用單片機控制液晶盒驅(qū)動脈沖信號的輸出及液晶盒透射光強信號的模數(shù)轉(zhuǎn)化與采集，操作簡單，能夠自動對液晶盒施加不同設(shè)置的電壓脈沖并實時測量傳感器模塊的響應(yīng)而得到數(shù)據(jù)，由此繪制液晶動態(tài)響應(yīng)曲線，分析液晶的響應(yīng)時間[17-18].本系統(tǒng)尤其在科研院校和液晶器件廠家研發(fā)部門的研究和教學(xué)中容易得到推廣和應(yīng)用，很方便的研究與液晶動態(tài)響應(yīng)相關(guān)的問題.基于此系統(tǒng)，本課題組曾對混合排列向列相液晶動態(tài)響應(yīng)過程進行實驗測量，研究向列相液晶材料的撓曲電特性[19].

1 系統(tǒng)設(shè)計

液晶動態(tài)響應(yīng)測試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示，包括電源模塊、單片機最小系統(tǒng)、數(shù)碼管顯示模塊、按鍵模塊、MSP430最小系統(tǒng)模塊、LCD驅(qū)動模塊、LCD顯示屏、串行數(shù)據(jù)傳輸模塊和信號采集模塊.具體的模塊構(gòu)成及工作原理如下.

1.1 電源模塊

系統(tǒng)需要±12V、+5V和+3.3V電壓，其中±12V電壓由外部電源盒直接提供；+5 V電壓則通過LM 7805穩(wěn)壓管穩(wěn)壓后得到，如圖2所示；而+3.3 V電壓則由AMS1117-3.3穩(wěn)壓芯片穩(wěn)壓后得到，如圖3所示.

圖1 液晶動態(tài)響應(yīng)測試系統(tǒng)框圖Fig.1 Diagram of testing system on dynam ic responseof liquid crystal

圖2 電源模塊Fig.2 Electricalsourcemodule

圖3 電源模塊Fig.3 Electricalsourcemodule

1.2 LCD驅(qū)動模塊

LCD驅(qū)動模塊由DAC0832和LM 258構(gòu)成，DAC0832是數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換芯片，當(dāng)給數(shù)字輸入端提供某一數(shù)字信號時，相應(yīng)的模擬輸出端則會輸出一個正比于此數(shù)字信號的電流，而本實驗需要的是模擬電壓信號，所以要通過LM 258運放將一個電流信號轉(zhuǎn)換為一個電壓信號進行輸出，此連接方法是經(jīng)典方法，如圖4所示.

1.3 A路DA轉(zhuǎn)換

該模塊由DAC0832和LM 358組成，DAC0832和LM 358的連接為經(jīng)典連接，主要將一個正比于輸入的輸出電流轉(zhuǎn)換成一個電壓信號進行輸出，從而對上一級電壓的極性進行翻轉(zhuǎn)，如圖5所示.

1.4 B路DA轉(zhuǎn)換

由 DAC0832、LM 358及 R17-R22組成，DAC0832和LM 358的連接為經(jīng)典連接，主要將一個正比于輸入的輸出電流轉(zhuǎn)換成一個電壓信號進行輸出，此模塊的功能是輸出一個與A路DA轉(zhuǎn)換輸出的電壓幅值相等、極性相反電壓脈沖，如圖6所示.

1.5 單片機最小系統(tǒng)

由 STC89C51、Y1、C1、C2、C3、R5、S5組成，其中 C2、C3和 Y1構(gòu)成晶振電路，C1、R5、S5組成復(fù)位電路，如圖7所示.

圖4 LCD驅(qū)動模塊Fig.4 LCD drivenmodule

1.6 數(shù)碼管現(xiàn)實模塊

由7段數(shù)碼管顯示器、R6-R15及D1-D2組成，數(shù)碼管顯示器由S8550三極管構(gòu)成放大電路進行驅(qū)動，當(dāng)R14或R15上的信號為有效信號時，則相應(yīng)的數(shù)碼管顯示器顯示用戶信息，R6-R13是限流電阻，如圖8所示.

圖5 A路DA轉(zhuǎn)換Fig.5 DA conversion for A road

圖6 B路DA轉(zhuǎn)換Fig.6 DA conversion for B road

圖7 單片機最小系統(tǒng)Fig.7 Single chipmicrocomputerm inimum system module

圖8 數(shù)碼管顯示模塊Fig.8 Digital tubedisplaymodule

1.7 MSP430最小系統(tǒng)

由MSP430F149、C8、C9、Y2、Y3組成.其中，C8、C9和Y2組成晶振電路，Y3為MSP430F149提供一精準(zhǔn)外部時鐘.LCD響應(yīng)信號的采集處理傳輸由此模塊完成.如圖9所示.

1.8 按鍵模塊

由K1-K4和R1-R4組成，K1是采集開始按鍵，按下則開始LCD響應(yīng)的采集處理及傳輸工作，直至所有預(yù)設(shè)電壓下的響應(yīng)信號都傳輸完畢，K2及K3是操作者手動調(diào)節(jié)輸出電壓的按鍵，K2是輸出電壓遞增鍵，K3是遞減鍵，增減值為每次按下變動0.1 V，K4是為后續(xù)豐富系統(tǒng)功能而增加的按鍵，如圖10所示.

2 系統(tǒng)測試

圖9 MSP430最小系統(tǒng)Fig.9 MSP430m inimum system module

為了測試系統(tǒng)的可行性，對強錨泊扭曲向列相液晶的動態(tài)響應(yīng)過程進行了實驗測量，實驗裝置如圖11所示，由He-Ne激光器（632.8nm）、起偏器、扭曲向列相（TN）液晶盒、檢偏器、硅光探測器、液晶動態(tài)響應(yīng)測試系統(tǒng)及計算機構(gòu)成.起偏器和檢偏器正交放置，與起偏器對應(yīng)的TN盒基板摩擦方向與起偏器的透振方向一致，同樣與檢偏器對應(yīng)的TN盒基板摩擦方向與檢偏器的透振方向一致，這樣TN盒顯示模式為常白模式[7-8，17]，即不加電壓時液晶盒是透光的，并且透過率最大，當(dāng)施加電壓超過閾值電壓時，液晶盒的透過率變小.考慮動態(tài)響應(yīng)過程，施加電壓時，透射光強在很短時間內(nèi)由最大變?yōu)樽钚?，撤掉電壓后，透射光強又會在一個相對較長時間內(nèi)恢復(fù)初始的強度.實驗測量過程如下：

1）選擇特定波長的光作為光源（如波長為632.8nm的He-Ne激光器）.調(diào)節(jié)光學(xué)器件同軸等高，保證光路暢通，給液晶盒施加或撤去電壓，利用硅光電池傳感器采集該過程中的光信號變化，采集密度為每500ns采集一次，采集時長為300ms，即采集600個數(shù)據(jù)，得到電壓變化過程中的透射光強度變化；

2）將采集到的數(shù)據(jù)作為縱坐標(biāo)，添加時間為橫坐標(biāo)，得到電壓變化過程中液晶盒透射光強隨時間的變化關(guān)系；

3）利用數(shù)據(jù)處理軟件（Origin軟件）繪圖，將實驗數(shù)據(jù)做歸一化處理得到黑色的原始測量結(jié)果；將歸一化的測量結(jié)果利用相鄰點求平均的方法進行處理，得到鏤空三角的擬合曲線；將擬合曲線再次進行歸一化處理，得到實驗曲線的最終結(jié)果（即鏤空五角星擬合曲線），圖中各曲線橫坐標(biāo)均為時間，單位為ms，縱坐標(biāo)為液晶盒光學(xué)透過率，無量綱，如圖12所示，施加電壓為3 V；

4）TN-LCD驅(qū)動電壓從1.0 V到10.0 V以1.0 V為步進電壓遞增，測得不同驅(qū)動電壓下的動態(tài)響應(yīng)實驗曲線.

利用上述處理過程，給出了扭曲向列相液晶施加4 V電壓脈沖時動態(tài)響應(yīng)實驗曲線，如圖13所示.從動態(tài)響應(yīng)實驗曲線可以看出，施加4 V電壓脈沖時扭曲向列相液晶的上升時間（最大透射光強 90%～10% 所對應(yīng)的時間）為3ms，下降時間（最大透射光強10%～90%所對應(yīng)的時間）為19 ms，總的響應(yīng)時間為21ms.利用液晶動力學(xué)理論[20]通過數(shù)值模擬可以得到動態(tài)響應(yīng)的理論曲線，同樣在圖13中給出，可以看出由液晶動態(tài)響應(yīng)測試系統(tǒng)測量得到的動態(tài)響應(yīng)實驗曲線與理論曲線基本吻合.

圖10 按鍵模塊Fig.10 Keysmodule

圖11 液晶動態(tài)響應(yīng)實驗裝置圖Fig.11 Experimentalsetup of dynam ic responseof liquid crystal

圖12 扭曲向列相液晶動態(tài)響應(yīng)實驗曲線Fig.12 Experimentalcurvesof dynam ic responseof tw isted nematic liquid crystal

圖13 扭曲向列相液晶動態(tài)響應(yīng)理論與實驗曲線Fig.13 Theoreticaland experimentalcurvesof dynam ic responseof tw isted nematic liquid crystal

3 結(jié)論

本文詳細(xì)介紹了液晶動態(tài)響應(yīng)測試系統(tǒng)的組成，并對系統(tǒng)每一個模塊的構(gòu)成及功能進行了說明，從理論上闡明了系統(tǒng)的有機結(jié)合.實驗上，通過利用此系統(tǒng)測量得到的強錨泊扭曲向列相液晶動態(tài)響應(yīng)實驗曲線與液晶動力學(xué)理論數(shù)值計算得到的理論曲線之間的比較，兩者有一個較好的吻合，驗證了系統(tǒng)的實用性.除了上述扭曲向列相液晶顯示模式的動態(tài)響應(yīng)測試外，其他液晶顯示模式中的液晶動態(tài)響應(yīng)同樣可以測量，比如：電控雙折射（ECB）模式[21]、共面轉(zhuǎn)換（IPS）模式[22]、光學(xué)補償彎曲（OCB）模式[23]等.這些顯示模式中與液晶動態(tài)響應(yīng)相關(guān)的科學(xué)問題可以通過系統(tǒng)對液晶動態(tài)響應(yīng)過程的測試進行研究，比如：液晶顯示的響應(yīng)速度問題、引流效應(yīng)[24]、液晶材料的轉(zhuǎn)動粘滯系數(shù)測量問題等.

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