[转帖]TFT显示器及其接口

TFT显示器及其接口

前言：TFT（Thin Film Transistor）显示器又名彩色液晶显示器、平板显示器。继CRT之后它已成为在计算机和各种电子仪器中发展最快、受到广泛关注的最重要的显示设备。近年来南韩、台湾诸多厂家大举抢滩曾经被日本企业垄断的TFT制造业，前不久联想电脑则斥资8亿在PC市场对TFT应用推波助澜。竞争促进了TFT产品性能的提高和价格的降低，传统的CRT面临严峻的挑战。

在医疗电子仪器行业，从我们公司业已进入的监护、检验、超声三个领域来看，TFT显示的应用方兴未艾。1998年公司率先在国内市场推出采用彩色TFT显示器的监护仪，上市三年势头不减，跟随者众。很难想象在监护仪市场CRT今后还有长久的生存空间，监护仪新产品的目标理所当然锁定在TFT。而在血细胞分析仪、生化分析仪、B超等刚刚起步的产品中，我们尚没有采用TFT，但竞争对手或许已经在策划采用TFT推出新产品以赢得客户。

本文拟从应用角度，对TFT显示器的类型和接口特性加以介绍。

 

一、             TFT显示器的特点和主要性能指标

TFT显示器以其轻、薄的突出特点轻取CRT的厚、重，多年以前这已是尽人皆知的事实。但TFT在问世之后却长期不能普及，主要原因在于和CRT相比其价格过高而显示性能不及。随着技术的进步，这种情况已经并正在发生根本性的变化。

1.   价格

TFT屏的价格习惯上与显示分辨率和显示尺寸成正比。随着制造技术的成熟，是否主流品种成了确定TFT价格的重要因素。近期已出现以15“为主流品种、尺寸越小价格越高的走势。准确地说应当是越靠近主流，价格下降幅度越大。15“TFT的售价比去年同期已下跌50%左右，使其作为PC配件进入寻常百姓人家成为可能，从而也从根本上打破了TFT成本高、只有高档医疗电子仪器才使用的老生常谈。

2．   功耗和EMC

TFT的功耗比CRT大大降低，通常在20W以下，EMC性能也有本质性的提高。在绿色环保和健康概念日益深入人心的社会、人文条件下，这些都成为CRT无可比拟的亮点。据说在欧洲已经颁布了某些针对电脑显示器的强制性标准，诸如多大尺寸的显示器功耗不得超过多少瓦等，从根本上有助于TFT将CRT扫地出门。

 

 

3．   尺寸（Active Area）和分辨率（Resolution）

在设计新产品选型时，TFT屏的尺寸和分辨率应根据仪器预定的功能和用途、市场的流行趋势划定一个范围。TFT屏常见有5.7、6.4、8、10.4、12.1、15、17“等不同尺寸。各厂家的TFT屏在有效显示面积和安装尺寸上并不统一，这一方面增加了选型的灵活性，另一方面也带来了今后改型的困难。分辨率与尺寸有关，5.7”往下多为320x240、6.4~12.1多为640x480和800x600、12.1以上多为1024x768。CRT中Dot Pitch的概念同样适用于TFT屏，它表示光点的纤细程度。不同之处在于R、G、B三个光点是左右相邻排列的，而CRT是聚焦在同一位置。这一方面使TFT在灰阶指标上永远无法与CRT抗衡，另一方面，使TFT从根本上解决了聚焦和几何失真的问题。应当注意TFT屏的显示分辨率不象CRT那样主要由驱动电路确定，而是在制造时由Thin Film Transistor的数量决定的。通过设计驱动电路调整显示分辨率的适应性不能取得完全清晰的显示效果。

4．   亮度（Brightness）、对比度（Contrast Ratio）和视角（Viewing Angle）

早期的TFT在亮度、对比度和视角三个最重要的显示性能上无法与CRT匹敌，使得它主要在便携式仪器的狭小空间上生存。SHARP公司以其掌握了显示性能的技术优势得以在高档TFT市场独领风骚。如今僵局已经打破，许多制造商推出的新款TFT屏已经可以满足大多数应用场合的需要。其性能指标通常应在如下范围：

亮度           150~350  cd/m²

对比度         100~250 ：1

视角           水平≥45゜，垂直≥30゜

    TFT屏的亮度已经可以超过CRT且不会造成灼伤，但过高的亮度可能会加速背光灯管的老化。根据应用场合和仪器档次的不同，应适当控制对某些指标的要求。

5．   灰阶

在对图象显示要求较高的场合，如彩色超声设备，其色彩的逼真度与R、G、B三色的灰阶是密切相关的。粗略地讲，灰阶是描述显示的亮度随信号强度线形变化的指标。一般来说，TFT产品的灰阶特性远不及CRT，以至于大多数Data Sheets不提供详细的灰阶指标，选型时需要提交给专门的测试机构作出评价。

6．   响应时间和余辉

在显示活动图象和波形的场合，较慢的响应时间会造成较长的余辉而破坏显示效果。TFT屏的这一指标通常劣于CRT，在设计选型时需加以注意。

其它指标还包括环境温度、寿命（主要指背光灯管）、疵点数、省电特性等，此处不一一列出。

一、             TFT显示器的类型

    从应用的角度来看，可以按接口的不同将TFT显示器划分为四种类型。

1．   TTL/CMOS全数字接口

这种信号的特点是从驱动电路到TFT屏之间的连接直接采用TTL或CMOS数字信号，不须做任何转换。信号中包括权重不同的R、G、B颜色各6根，水平、垂直扫描信号各一根，还有显示时钟和显示控制信号各一根，再加若干电源线和信号地，用微型面贴D型接插件连接。常见有31脚和41脚两种，如表1所示。

 

 

表1  全数字接口定义

符号	定义	脚号[1]	脚号[2]	符号	定义	脚号[1]	脚号[2]
R0	红（LSB）	6	9	B0	蓝（LSB）	20	29
R1	红	7	10	B1	蓝	21	30
R2	红	8	11	B2	蓝	22	31
R3	红	9	13	B3	蓝	23	33
R4	红	10	14	B4	蓝	24	34
R5	红（MSB）	11	15	B5	蓝（MSB）	25	35
G0	绿（LSB）	13	19	CLK	点时钟	2	2
G1	绿	14	20	HS	水平同步	3	4
G2	绿	15	21	VS	垂直同步	4	5
G3	绿	16	23	DENB	显示使能	27	37
G4	绿	17	24	R/L[4]	左右镜像	30	38
G5	绿（MSB）	18	25	U/D[4]	上下镜像	31	41
GND	信号地	1,5,12,19,16	1,3,6,7,8,12,16,17,18,22,26,27,28,32,36	VCC[3]	电源	28,29	39,40

 [1]  31Pin HRS DF9A-31P-1V，参见 Prime View V16C6448AC，Sharp LQ104V1DG11等

 [2]  41Pin HRS DF9B-41P-1V，参见 LG.PHILPS LB121S1-A2，IMES M121-53DH等

 [3]  VCC是TFT屏数字接口电源，一般为5V或3.3V，背光驱动电源需另外提供。

[4]    非必备功能

 

 

18根颜色信号支持262144=2¹⁸种不同颜色，商家称为“真彩”，以区别于其适当子集转换成的一般显示信号。早期有些TFT屏仅提供512或4096种颜色，相应地使信号线减少为13根或16根，信号的定义是一致的。

以“真彩”为例，每一种颜色可提供64级灰阶，由驱动电路输出不同的编码实现。但实际上，许多TFT屏不能实现数字编码与颜色灰度之间的线形对应关系，在需要显示高质量图象时须加以评估。

数字接口的缺点是引线多、传输不便，辐射干扰严重，尤其不利于做机外长线传输。

2．   VGA模拟接口

严格地说来，并无真正的VGA接口的TFT屏，它是显示器终端制造商经二次开发为电脑提供的显示终端设备，使其可以方便的代换VGA接口的CRT显示器。VGA标准属于模拟/数字混合制式，主要包括三根模拟颜色信号、一根数字水平扫描信号和一根数字垂直扫描信号。颜色信号最大幅度约0.7V，配接75Ω负载电阻；扫描信号符合TTL电平标准。VGA接口通常采用三排15脚D型接插件连接，其定义如表2所示。

表2  标准VGA接口定义

符号	定义	脚号	符号	定义	脚号
Red Video	红色视频	1	NC	空脚	9
Green Video	绿色视频	2	Digital Groud	数字地	10
Blue Video	兰色视频	3	Groud	地	11
Ground	地	4	Reserved	保留	12
Self Test[5]	自检	5	HS	水平同步	13
Red Groud	红色视频地	6	VS	垂直同步	14
Green Groud	绿色视频地	7	NC	保留	15
Blue Groud	兰色视频地	8

[5]  非必备功能

 

 

电源未在VGA标准中定义，需另外配置，有直流、交流两种供电方式。

通常，屏内接口电路对标准VGA（640x480）、SVGA（800x600）和XGA（1024x768）提供全面支持。它按TFT本身的分辨率对模拟接口信号采样，再将其还原为相应的全数字信号提供给TFT。VGA接口标准解决了显示驱动电路与TFT屏内在分辨率不一致的问题，连线少、辐射干扰小，传输距离可达数米。缺点是两侧接口电路复杂导致成本提高，另外，对内在分辨率以外的信号不能保证显示的最佳清晰度。

1．   LVDS（低压差分信号）接口

低压差分信号可以有效抑制共模干扰，适合于做远距离传输。由于信号的P-P值通常仅为几十毫伏，EMI辐射干扰小，是一种新兴的接口信号。

目前已有多家厂商推出显示专用的LVDS接口芯片，片内带有数字锁相环，把多路全数字显示信号调制成高频信号，以达到缩减传输线的目的。但目前尚无LVDS显示接口的专用标准，导致TFT制造商各行其是，接插件互不兼容。表3列出两个不同厂家的TFT屏的LVDS接口定义以资对照。由于他们采用类似的接口器件，信号本身并无显著差异。

 

 

 

 

表3  LVDS接口定义

符号	定义	脚号[6]	脚号[7]	符号	定义	脚号[6]	脚号[7]
RxIN0-	0通道负输入	5	5	RxCLK-	时钟输入-	11	14
RxIN0+	0通道正输入	6	6	RxCLK+	时钟输入+	12	15
RxIN1-	1通道负输入	7	8	VDD	电源	1,2	1,2
RxIN1+	1通道正输入	8	9	GND	地	3,4,13,14	3,4,7,10,13,16,19,20
RxIN2-	2通道负输入	9	11
RxIN2+	2通道正输入	10	12

[6]  14Pin  DF19L-14P-1H，参见SAMSUNG  LTN104S2-L01

[7]  20Pin  HRS DF19K-20P-01H，参见UNIPAC  UB084S01

[8]  VCC是TFT屏数字接口电源，一般为3.3V，背光驱动电源需另外提供

2．   TV（NTSC/PAL）接口

TV接口即作为电视信号传输标准的NTSC或PAL制信号接口。采用这种接口的TFT屏通常是针对汽车电视、DVD等消费类电子产品设计的，分辨率和其它显示性能较低，成本也较低，但TV接口的电子线路却比较复杂，包括信号转换和电源电路，宜采用专用芯片以简化设计。典型的TV接口定义如表4所示。

 

 

表4  TV接口定义^[9]

符号	定义	脚号	符号	定义	脚号
/HSY	水平同步	1	VSH	源驱动器电源	11
FRP	视频极性转换	2	GND	地	12
CSY	复合同步	3	CKC	I/O选择	13
VGH	门驱动高压	4	/VSY	垂直同步	14
VGL	门驱动低压	5	PSI	解码器同步脉冲	15
VB	兰色	6	PSC	DC/DC同步脉冲	16
VR	红色	7	VIY	同步计数器复位	17
VG	绿色	8	U/D	上下镜像	18
GND	地	9	R/L	左右镜像	19
VDD	控制器电源	10	NP	NTSC/PAL选择	20

[9]  参见PRIME VIEW  P64AN2AP04

 

 

一、             接口转换要点

基于FPGA或一般数字部件设计的显示系统其基本形式为TTL/COMS数字输出，可以直接驱动全数字接口TFT屏。对其它接口的TFT屏应以此为基础设计相应的转换电路。

1.   转换为VGA接口

正规的方法是采用调色盘芯片，如Trident 公司的TDK8001。调色盘内带一个颜色查找表，把输入的2进制编码转换为R、G、B分量，再通过三路D/A转换器，转换成VGA标准的模拟输出信号。

当对颜色的种类和精度要求较低时，可以采用简单的电阻网络，把数字电压变成加权电流直接驱动端口负载。此时应注意阻抗的匹配、输出端口的驱动能力，必要时应串联二极管避免电流回流。

2. 转换为LDVS接口

NS公司的DS90CF363A是全数字接口转换为LVDS接口的专用器件。支持20~65Mhz的点时钟，可用于VGA、SVGA、XGA等多种分辨率。设计中要注意布板和输出端阻抗的匹配。数字信号一侧的引线要尽量短捷，信号间以地线隔离。输出端应提供100Ω的负载阻抗，当TFT屏一侧的LVDS接口为自行设计时尤其要注意。

1.   转换为TV接口

    Averlogic公司的AL128是用于TV接口转换的即插即用型专用芯片。它即可以用于全数字接口到TV接口的转换，也可以用作VGA接口到TV接口的转换。该芯片功能复杂，根据不同对象还需配置其它外围元器件。由于缺少设计实践，此处不枉加评说。

 

二、             几种接口的性能比较

在监护产品近年来的设计实践中，我们接触到的TFT屏有数十种之多。由于TFT屏的质量、性能、价格在整机设计中举足轻重、其接口类型较为繁杂，有必要归纳、比较如下，供大家今后在产品设计选型时参考。

 

表6  各种不同接口TFT屏的性能比较

接口类型	连线数	连线距离	电磁辐射	设计难度	屏售价	可选品种	兼容性
全数字	多	短	严重	易	中	多	中
VGA	少	中	一般	中	高	中	优
LVDS	中	长	轻	易	中	中	中
TV	中	中	一般	难	低	少	差

 

 

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