论文-基于分立元件的段式液晶显示驱动控制系统的设计

1、 本科毕业设计说明书（论文） 第 29 页 共 29 页引 言液晶显示器件(LCD)是一种高新技术的基础元器件。它利用液晶的各种电光效应，把液晶对电场、磁场、光线和温度等外界条件的变化在一定条件下转换为可视信号而制成的显示器。虽然其应用已很广泛，但对很多人来说，使用、装配时仍感到困难。特别是点阵型液晶显示器件，使用者更是会感到无从下手。特殊的连接方式和所需的专用设备也非人人了解和具备，故此液晶显示器件的用户希望有人代劳，将液晶显示器件与控制、驱动集成电路装在一起，形成一个功能部件，用户只需用传统工艺即可将其装配成一个整机系统。而驱动程序是使这个功能部件稳定有序工作，准确实现显示的重要环节。随着

2、模块的标准化，用户在选择和使用过程中只关心模块的接口，对于模块的设计和构造以及在使用中出现的因为模块设计原因产生的问题并不了解。本文通过对段式液晶显示模块的结构和显示、驱动原理进行详细介绍。并针对一些常用段式液晶显示模块的典型代表系列设计其与单片机的接口电路和驱动程序。使读者可以较为全面地掌握段式液晶显示驱动控制的原理。第1章 绪论1.1 液晶显示器介绍液晶显示器件(LCD)是一种高新技术的基础元器件。它利用液晶的各种电光效应，把液晶对电场、磁场、光线和温度等外界条件的变化在一定条件下转换为可视信号而制成的显示器。液晶显示器具有低电压、低功耗的特点，与CMOS集成电路相匹配.电池作为电源，适合

3、于便携式显示。段式LCD是通过电场控制液晶分子的排列从而改变液晶盒内偏振光的双折射效应而实现显示，段式LCD是目前LCD生产的中档产品，段式LCD显示器之所以被广泛应用主要是因为具备以下优势：耗电量小，散热小、没有丝毫辐射、对人体健康无损害、完全平面、能精确还原图像、无失真、可视面积大、款式新颖多样、能大量节省空间、抗干扰能力强、显示字符锐利、画面稳定不闪烁、屏幕调节方便。液晶显示器还具有易彩色化，非发光式被动显示的特点。彩色液晶显示是利用液晶的光阀特性和彩色滤光膜及三基色灯来实现的，现有技术容易制造彩色滤光膜和三基色灯。还有液晶显示靠调制外界光来实现的，显示体本身不发光，不刺激眼睛，不易疲劳

4、等优点。利用液晶光阀特性容易实现投影大屏幕显示。因而，液晶显示应用几乎覆盖所有显示应用领域。液晶显示模块是一种将液晶显示器件、连接件(斑马条、斑马纸或金属管脚等)、PCB线路板、液晶显示控制器、行列驱动控制器、负压发生器、偏置电路、温度补偿电路、背光源、背光源驱动控制电路、结构件（框架或模具)等装配在一起的组件。1.2 论文选题的意义随着电子工业的飞速发展,诸多家用电子产品和各种仪器仪表在显示技术方面提出了新的要求,原有的单纯LED或LED数码管、电磁式仪表等已远不能满足要求。建立性能优良、价格低廉的既能显示字符也能显示汉字和图形、图表、曲线等的显示器一直是工程技术人员所关注的问题。LCD液晶

5、显示器能胜任上述要求,且有工作电压低、功耗小、驱动简单、高可靠性、寿命长、性能稳定等优点,其发展前景极为广阔。自从液晶显示器件发明后，液晶显示器件的写入、驱动方案也立即被提了出来。虽然液晶显示器件几经更新，但是一些最初的方案，例如驱动TN型液晶显示器件的方法，至今仍然被普遍采用。不过，由于液晶显示技术发展很快，新型原理和结构的器件不断涌现，因此写入和驱动方案也在不断增加，根据不同的实际情况设计适当的驱动控制系统是很有必要的。段式液晶作为液晶显示产业中一种低端的产品，为何没有被淘汰，反而在许多场合得到广泛应用，甚至在一些场合中的地位是无可替代的？段式LCD，就如计算器、电子表、数字万用表等显示用

6、的LCD，显示类型与数码管类似，靠7个字段拼凑生成数字显示。一般只能显示09，AF16种字符。段式液晶之所以在液晶显示领域有它独特的一席之地正是因为这种LCD驱动简单，耗电量小，在仅需要显示数字的场合应用较多，也用来在便携式应用的场合来代替数码管。广泛应用于数码相机、时钟、电话机、游戏机、计算器、日历、遥控器、仪器仪表和音响等产品上。因此本设计将针对段式液晶显示设计驱动控制系统。1.2.1 段式液晶显示器件的优点及其应用信息显示技术随着信息社会的发展而变得越来越重要，在信息显示技术中，段式液晶显示器件与其他类型的显示器相比较有如下优点：（1）平面型显示，体积小，重量轻，便于携带，平板型结构便于

7、大批量生产、自动化生产；（2）驱动电压低，微功耗：极低的工作电压，只要23即可工作，而工作电流仅几微安，这是其他任何显示器件无法比拟的。在工作电压和功耗上液晶显示正好与大规模集成电路的发展相适应；（3）工作寿命长，液晶材料是有机高分子合成材料，具有极高纯度，液晶的驱动电压很低，驱动电流更是微乎其微，因此劣化几乎没有，寿命可在5万小时以上；（4）不含有害射线，液晶显示器件使用时不会产生软X射线及电磁波辐射，对长期在液晶显示器件周围工作的人体健康无危害；（5）被动显示，段式液晶显示器件本身不能发光，它靠调制外界光达到显示目的，更适合于人眼视觉，不易引起疲劳，这个优点在大信息量、高密度、快速变换、长

8、时间观察显示尤为重要。被动显示不易被强光冲刷，外界光越强则显示越清晰，可以在明亮的环境下显示；（6）易于驱动，能用大规模集成电路直接驱动，电路接口简单；（7）结构简单，没有复杂的机械部分等。由于以上种种优势段式液晶被应用于如以下领域：*仪器、仪表：煤气表、水表、公交系统、加油机计数   *显示屏 办公设备：传真机、打卡机、考勤机、门禁系统   *通讯设备：各种IC卡电话、网络电话、IP电话  *银行系统：POS机   *税务系统：税控机   *医疗设备：生理监护仪及各类保健器械  &#

9、160;*工控设备：自动化控制   *各种人机界面,手持设备等段式液晶显示器件是一种高新技术的基础元器件，虽然其应用已很广泛，但对很多人来说，使用、装配时仍感到困难。特殊的连接方式和所需的专用设备也非人人了解和具备，故此段式液晶显示器件的用户希望有人代劳，将液晶显示器件与控制、驱动集成电路装在一起，形成一个功能部件，用户只需用传统工艺即可将其装配成一个整机系统。随着模块的标准化，用户在选择和使用过程中只关心模块的接口，对于模块的设计和构造以及在使用中出现的因为模块设计原因产生的问题并不了解。本文通过介绍段式液晶显示模块的结构和显示、驱动原理。使读者可以较为全面地掌握段式液晶

10、显示驱动控制的原理。1.3 本文的主要工作本文的任务是针对一些常用段式液晶显示模块的典型代表系列设计其与单片机的接口电路和驱动程序。本文的主要工作如下：（1）在方案论证的基础上，确定整体设计方案和设备选型。（2）基于一些常用段式液晶显示模块的典型代表系列设计其与单片机的接口电路和驱动程序。（3）选取上述各系列的内置式驱动控制器设计流程图、应用程序。（4）针对所选取的液晶显示模块和驱动控制器设计接口电路、驱动程序、流程图、应用程序，并提供较为详细使用说明清单。（5）软件设计清单。（6）进行硬件、软件调试，并对调试结果进行分析。必要的技术分析和说明，并对设计结果进行分析。第2章 段式液晶显示基本原

11、理及应用基础2.1 段式液晶显示基本知识段式液晶显示器(LCD/Liquid Crystal Display）的显像原理是将液晶置于两片导电玻璃之间，靠两个电极间电场的驱动引起液晶分子扭曲向列的电场效应，以控制光源透射或遮蔽功能，在电源开关之间产生明暗而将影像显示出来，若加上彩色滤光片，则可显示彩色影像。段式液晶的物理特性是：当通电时导通，排列变的有秩序，使光线容易通过；不通电时排列混乱，阻止光线通过。让液晶如闸门般地阻隔或让光线穿透。从技术上简单地说，液晶面板包含了两片相当精致的无钠玻璃素材，称为Substrates，中间夹着一层液晶。当光束通过这层液晶时，液晶本身会排排站立或扭转呈不规则状

12、，因而阻隔或使光束顺利通过。大多数液晶都属于有机复合物，由长棒状的分子构成。在自然状态下，这些棒状分子的长轴大致平行。将液晶倒入一个经精良加工的开槽平面，液晶分子会顺着槽排列，所以假如那些槽非常平行，则各分子也是完全平行的。2.2 段式液晶显示原理LCD技术是把液晶灌入两个列有细槽的平面之间。这两个平面上的槽互相(相交成90度)。也就是说，若一个平面上的分子南北向排列，则另一平面上的分子东西向排列，而位于两个平面之间的分子被强迫进入一种90度扭转的状态。由于光线顺着分子的排列方向传播，所以光线经过液晶时也被扭转90度。但当液晶上加一个电压时，分子便会重新垂直排列，使光线能直射出去，而不发生任何

13、扭转。段式LCD是依赖极化滤光器(片)和光线本身。自然光线是朝四面八方随机发散的。极化滤光器实际是一系列越来越细的平行线。这些线形成一张网，阻断不与这些线平行的所有光线。极化滤光器的线正好与第一个垂直，所以能完全阻断那些已经极化的光线。只有两个滤光器的线完全平行，或者光线本身已扭转到与第二个极化滤光器相匹配，光线才得以穿透。段式液晶显示原理是在两片玻璃基板上装有配向膜，所以液晶会沿着沟槽配向，由于玻璃基板配向膜沟槽偏离90度，所以液晶分子成为扭转型，当玻璃基板没有加入电场时，光线透过偏光板跟着液晶做90度扭转，通过下方偏光板，液晶面板显示白色；当玻璃基板加入电场时，液晶分子产生配列变化，光线通

14、过液晶分子空隙维持原方向，被下方偏光板遮蔽，光线被吸收无法透出，液晶面板显示黑色。液晶显示器便是根据此电压有无，使面板达到显示效果。利用液晶的各种光电效应，把液晶对电场、磁场、光线和温度等外界条件的变化在一定条件下转换成为可视信号就可以制成显示器，这就是段式液晶显示器件。2.3 段式液晶显示驱动原理从电子学角度简述液晶显示器件的显示原理为:在外加电场的作用下具有偶极矩的液晶棒状分子在排列状态上发生变化，使得通过液晶显示器件的光被调制，从而呈现明与暗或透过与不透过的显示效果。液晶显示器件中的每个显示像素都可以单独被电场控制，不同的显示像素按照驱动信号的“指挥”在显示屏上合成各种字符，数字及图形。

15、液晶显示驱动功能就是建立这种电场。段式液晶的显示效果是由于在显示像素上施加了电场的缘故，而这个电场则由显示像素前后两电极上的电位信号差所产生。在显示像素上建立直流电池是非常容易的事，但直流电场将导致液晶材料的化学反应和电极老化，从而迅速降低液晶材料的寿命，因此必须建立交流驱动电场，并要求在这个交流电场中的直流分量越小越好，通常要求直流分量小于50mV。由此要求液晶显示驱动器的驱动输出必须是交流驱动。现在液晶显示驱动器是全数字化集成电路，所以这种交流驱动是以脉冲电压形式产生的。液晶显示像素上交流电场的强弱用交流电场的有效值表示，当有效值大于液晶的阈值电压时，像素产生电光效应，呈显示状态;当有效值

16、在阀值电压附近时，液晶将呈现较弱的电光效应，此态将会影响液晶显示器件的显示对比度。因此液晶显示驱动器要能够控制驱动输出的电压幅值，以实现对显示对比度的控制。液晶显示驱动器通过对其输出到液晶显示器件电极上的电位信号进行相位、峰值、频率等参的调制来建立交流驱动电场，以实现液晶显示器件的显示效果。液晶显示的驱动方式有许多，常用于液晶显示器件上的驱动方法有静态驱动和动态驱动两种。2.3.1 静态驱动方法简述静态驱动(Static Drive)主要用于位数很少(12位以下)的数字显示或固定文字(图形)显示。在数字显示时常采用笔段电极结构。每位数由一个“8”字形公共电极和构成“8”字形图案的笔段形电极组成

17、，分别设置在两块基板上。根据显示数字的位数，可在两基板上形成相应数量的电极组，每组电极可显示0-9的任意数字。这种数字显示方式广泛用于手表、计算器以及计测仪器等。静态驱动就是在所显示数字的各笔段电极和共用电极之间，同时而连续地施加上驱动电压，直到显示时间结束。由于在显示时间内驱动电压一直保持，故称作静态驱动。要实现静态驱动，各段形电极和公电极必须设置各自独立的驱动电路。静态驱动的特点及缺点:静态驱动有这样两个特点:(1)各电极的驱动相互独立，互不影响;(2)在显示期间，驱动电压一直保持，使液晶充分驱动。因为静态驱动与下面介绍的时间分割驱动相比，具有对比度好，亮度高，响应快等优点。但静态驱动的缺

18、点是每个段形电极需要一个控制元件，一旦显示数字的位数很多时，相应的驱动元件数和引线端子数太多，因而他的应用受到限制，只适合于位数很少的笔段电极显示。2.3.2 动态驱动方法简介本设计中段式液晶显示采用的就是动态驱动的方法。当液晶显示器件上显示像素众多时，如点阵型液晶显示器件，若使用静态驱动结构将会产生众多的引脚以及庞大的硬件驱动电路，这是不易实施的。为了解决这个问题，在液晶显示器件电极的制作与排布上做了加工，实施了矩阵型结构，即把水平一组显示像素的背电极连在一起引出，称之为行电极，又称公共极，用COM符号表示;把纵向一组显示像素的段电极连在一起引出，称之为段电极，又称列电极，用SEG或COL符

19、号表示。每个液晶显示像素都由其所在的行与列的位置唯一确定。在驱动方式上采用了类同于CRT的光栅逐行扫描方法，叫做动态驱动法，或称为多路寻址驱动法。本设计的段式液晶显示驱动控制系统即采用了此种动态驱动法。第3章 段式液晶的驱动设计3.1 段式液晶的动态驱动原理段式液晶显示采用的是动态驱动法。动态驱动法是循环地给每行电极施加选择脉冲，同时所有列电极给出该行像素的选择或非选择的驱动脉冲，从而实现某行所有显示像素的驱动。这种行扫描是逐行顺序进行的，循环周很短，使得液晶显示屏上呈现稳定的图像效果。我们把液晶显示的扫描驱动方式称为动态驱动法。动态驱动法对像素的扫描采用的是一种分时的操作方式。就寻址像素而言

20、，每次寻址一行上的多个像素，所以也可称多路寻址驱动法。它适用于较多的段电极和矩阵电极结构的驱动。动态驱动法是最常用，也是最能挖掘液晶显示器件显示功能的驱动方式。它不仅可以大大减少液晶显示器件外引线，也可以大大减少外围驱动电路的成本。与光栅扫描相对应，完成一次全部行扫描称为一帧。在一帧中每一行的选择时间是均等的。假设一帧的扫描行数为N，扫描一帧的时间为1，那么一行所占有的选择时间为1/N，该值被称为占空比系数。在同等电压下，扫描行数的增多将使占空比下降，从而引起液晶像素上的变电场电压的有效值下降，降低了显示质量。因此随着显示像素的增多，为了保证显示质量，就需要适度地提高驱动电压以提高电场的电压有

21、效值或采用双屏电极排布结构以提高占空比系数。3.1.1 段式LCD驱动器电源液晶驱动波形是由若干档直流电平组合而成的模拟波形，各档直流电平的比例关系反映驱动波形的Bias比例关系，各档电平的具体幅值取决于LCD Panel的液晶特性和Duty数的多少。图1为LCD驱动电源部分的示意图：图1 LCD驱动电源部分的示意图 电源调整器部分(Power Regulator)： 产生LCD驱动所需的最高直流电平，一般分为三种： a) LCD驱动所需的最高直流电平等于外部输入电源VDD的，此部分就直接将VDD输入至后续电路； b) LCD驱动所需的最高直流电平大于外部输入电源VDD，且不需要稳压输出 的，

22、如固定等于1.5VDD或2.0VDD，此部分通常做法是将外部输入电源VDD通过升压电路(pump)升至所需的电压，输入至后续电路； c) LCD驱动所需的最高直流电平大于外部输入电源VDD，且需要稳压输出的，即驱动所需的最高直流电平不随VDD的变化而变化的，如要求VDD=2.45.5V全电压范围里，VLCD的输出电压都保持不变，此部分通常做法是首先产生一个误差范围符合要求的电压基准源，然后将此电压基准源比例放大至所需的电压，同时外部输入电源VDD通过升压电路(pump)升至一定的电压，如2VDD，作为比例放大部分的电源。如图2：图2 电源调整器部分结构示意图对比度/亮度调整部分(Contras

23、t Adjustment)： 通过对比度/亮度控制寄存器，调节输出的LCD驱动电压。 设置此部分的目的有三个： （a)同一颗单片机适配的LCD Panel的选择余地较大，LCD panel的工作电压(额定电压)处于LCD 驱动器输出的最高电压和最低电压之间即可； （b)可以有效的消除LCD Panel在制作过程中工作电压的偏移； （c)有些产品的LCD driver无电源调整电路，其LCD输出的最高电压(VLCD)与外部输入电源跟随变化。在实际产品中，特别是使用电池作为电源的应用场合，外部输入电源随着使用时间的加长会慢慢降低，LCD输出的电压和LCD Panel的对比度也会随之降低，这时保持L

24、CD Panel的对比度不变，就可以通过调节对比度/亮度控制寄存器进行调节。3.1.2平均电压法在动态驱动方式下，某一液晶像素(选择点)呈显示效果是由施加在行电极上的选择电压与施加在列电极上的选择电压的合成来实现的。与该像素不在同一行和同一列的像素(非选点)都处在非选状态下，与该像素在同一行或同一列的像素均有选择电压加入，称之为半选择点。该点的电场电压处于液晶的阀值电压附近时，屏上将出现不应有的半显示现象，使得显示对比度下降，这种现象叫做“交叉效应”。在动态驱动方法中解决“交叉效应”的方法是平均电压法。平均电压法的基本原理是:把半选择点上的电压和非选择点上的电压平均化，适度提高非选择点的电压来

25、抵消半选择点上的部分电压，从而扩大选择点与半选择点的电压差距，以提高对比度，同时使非选择点与半选择点的显示更均匀一致，即把液晶的驱动电压等分成若干挡，如a挡。适当地提高非选择点的电压，如1/a倍差于选择电压，从而降低半选点上两电极的电压差，这种方法称谓偏压法。选择点电压与非选择点电压之比等于a，我们称之为偏压比，称此种方法为1/a偏压平均法。动态驱动法加入了偏压法使其更加完美，段式液晶显示在进行动态驱动时都要使用平均电压法原理进行设计，它广泛应用于点阵型液晶显示器件和多路结构液晶显示器件的驱动上。当扫描行数N=1时，动态驱动就等于静态驱动。由于静态驱动没有交叉效应，所以也就没有偏压法的介入。当

26、扫描行数N确定后，需要选择最合适的偏置电压。3.1.3 最佳偏压法液晶显示器件是由于像素电极间液晶分子受电场作用发生弹性形变而改变初始排列，从而实现显示的。虽然液晶响应可能会比驱动脉冲宽得多，但只要驱动电压的有效值足够大，液晶就可以显示。而且，液晶显示器件选通时的透过率与有效电压值成正比。所以，只要确定了选通电压有效值与非选通电压有效值之比，就可以预测出显示对比度的好坏。电压有效值的定义为按平均电压法原理，选通像素的驱动电压有效值为 =非选通像素的驱动电压有效值为=以上两式中，N为扫描行数；a为偏压比；为驱动波形幅值；为占空比。液晶对比度相当于透过率，透过率又正比于施加有效电压值，于是可以用施

27、加有效电压比值来分析对比度与扫描行数N和偏压比a之间的关系：=化简后得 =于是，可以得出有效电压比为最大值的条件是a=偏置电压产生部分(Bias Voltage Generator)： LCD driver输出的最高电压通过偏置电压产生电路，根据选择的偏置设置，产生LCD交流驱动波形所需要的其它几档偏置电压(VLCD,V4,V3,V2,V1)，提供给后续的COM/SEG波形产生电路。 此部分的实现方式一般分为两种：电阻分压和电容分压。 本设计采用四路1/3偏压，四路连接方式示意图如图3，电阻分压结构如图4，即依据Bias的设置，选择合适的分压电阻，产生需要的直流分压电平。图3 四路驱动连接示意

28、图图4 电阻分压由上图可以看出段式LCD的驱动方法基本上和数码管是不太一样的，数码管只要给电和选通就亮。但是段式LCD的驱动是靠两部分组成的：   一部分是：不间断的电压脉冲这个电压脉冲还是被分为好几个电压等级了，由于本设计采用的是 1/4 占空比，1/3偏压，那么就要有四个电压等级。也就是VCC-2/3VCC- 1/3VCC-GND这几个电压等级直接可以用电阻进行分压得到，然后通过模拟开关和单片机的R03-GND,R13-1/3 VCC ,R23-2/3VCC，R33-VCC，这样直接连接就可以了。COM0-COM3就这些个电压等级的输出管脚。直接连上LCD屏的COM0-

29、COM3就可以了。另一部分是：选通管脚   选通管脚也就是LCD上面的S0-Sn和单片机里面的S0-Sn,直接连的 ，有几个连几个，多余的单片机IO 口直接拉出来，做外置IO口用。随着液晶显示器件规模的增大，驱动器的负载随显示状态的变化而大幅度变化。这就要求把偏压电路的稳定性放在重要的位置上，而电阻分压电路难以满足这个要求。运算放大器组成的分压电路的稳定性较为理想。如图5给出了应用运算放大器高输入阻抗低输出阻抗特性而组成的跟随器式的分压电路。液晶显示确定所需的偏压由运算放大器输入部分的电阻分压产生，可以采用高阻值的电阻。驱动器的偏压输入则由运算放大器的低阻抗输出提供，串入的

30、电阻阻值R仅为几欧姆或几十欧姆，从而保证了输出驱动波形的品质。图5 运算放大器分压电路（1/3偏压）由上图可知：V1=VCCV2=VCC-1/3VLCDV3=VCC-2/3VLCDV4=VCC-VLCD计算器和仪表使用的液晶显示器件一般都是多位笔段型显示，有时位数多达10位以上，因此多用三路驱动或是四路驱动方式。从最佳偏压法得知，使用1/3偏压法时，占空比为1/4时才能获得最佳偏压，VLC0=VCC；VLC1=VCC-1/3VLCD；VLC2=VCC-2/3VLCD；VLC3=VCC-VLCD。所以如图6为典型的四路1/3偏压法的驱动波形。（段电极信号）（背电极信号）（液晶驱动信号）图6四路1

31、/3偏压动态驱动波形3.1.4 交流驱动波形的产生为保证对像素点施加的是交流电，扫描电压的极性在每一帧都应进行转换。当然，为实现交流驱动，还可以在每扫描完一行就更改一次极性。总之，动态驱动中为实现交流驱动，必须周期性改变扫描电压极性，这一点是任何动态驱动方式中必须采用的。因此本设计采用的是1/3偏压，直流分压电平分别是VLCD、V2=2/3VLCD、V3=1/3VLCD、GND，为了实现交流驱动，在在交流驱动波形M的前半扫描周期时，COM driver的选通电平为VLCD，非选电平为V3，SEG driver的选电平为GND，非选电平为V2。而后半扫描周期时，COM driver的选电平为GN

32、D，非选电平为V2，SEG driver的选电平为VLCD，非选电平为V3。如此一来就实现了扫描电压极性的变换，从而产生了交流驱动电场。如图6COM/SEG驱动波形产生部分(COM/SEG driver)： 此部分的结构示意如图7： 图7 COM/SEG驱动波形产生示意图COM/SEG driver可以看作一组多路选择开关，COM driver依据扫描计数器的值，SEG driver依据显示数据RAM对应的值，从输入的直流分压电平中进行选择并从相应的COM/SEG引脚加以输出。这样从整个LCD扫描周期来讲，从COM/SEG引脚上就输出了驱动LCD Panel所需要的模拟电压波形如图6。交流驱动

33、波形产生后，需要根据需求来从这四种波形中选择合适的驱动波形来驱动段式液晶显示器件，所以就需要用到模拟选择开关，本设计采用了一个3组2路的多路模拟选择开关CD4053。逻辑图如图8CD4053是三组2通道数字控制模拟开关，有三个独立的数字控制输入端A、B、C和INH输入，具有低导通阻抗和低的截止漏电流。幅值为4.520V的数字信号可控制峰-峰值至20V的数字信号。例如若VDD+5，VSS0，VEE-13.5V，则05V的数字信号可控制-13.54.5V的模拟信号。这些开关电路在整个VDD-VSS和VDDVEE电源范围内具有极低的静态功耗，与控制信号的逻辑状态无关。当INH输入端“1”时，所有通道

34、截止。控制输入为高电平时，“0”通道被选，反之，“1”通道被选。图8 CD4053逻辑图 CD4053是一个3组单刀双掷模拟选择开关，其使用真值表如表1所示 表1 输入状态接通通道INHCBA0000Cx，bx，ax0001Cx，bx，ay0010Cx，by，ax0011Cx，by，ay0100Cy，bx，ax0101Cy，bx，ay0110Cy，by，ax0111Cy，by，ay1NONE应用时可以通过单片机对A/B/C的控制来选择输入哪一路，然后进行相应的处理。 注意第6脚为使能脚，只有为0时，才会有通道被选中输出 芯片管脚图： CD4053引脚功能说明引脚号符号功能1 2 3

35、5 12 13by bx cx cy ay ax输入/输出端9 10 11c b a控制端14OUT/IN ax or ay公共输出/输入端 ax or ay15OUT/IN bx or by公共输出/输入端 bx or by4OUT/IN cx or cy公共输出/输入端 cx or cy6INH禁止端7VEE模拟信号接地端8Vss数字信号接地端16VDD电源+ 3.2 动态驱动器3.2.1动态驱动电路的实现动态驱动电路可以等效为两组“开关”电路，如图9图9 LCD动态驱动电路的等效电路一组开关由交流驱动波形M控制，M是一个外来的方波脉冲序列，它实现驱动脉冲正负周期的转换。在M正周

36、期（高电平）时，选通了选择电压或和未选电压或；在M负周期（低电平）时，M选通了选择电压或和未选电压或。如此交替转换，在一个周期内液晶像素的电场平均电压为零。另一组“开关”电路由显示数据控制，显示数据选通了由“开关”电路提供的选择电压或未选电压之一，从而产生驱动电路的输出波形。显示数据为“1”，驱动输出为选择电压脉冲序列；显示数据为“0”时，驱动输出为未选电压脉冲序列。3.3.2动态驱动器的构成动态驱动器电路分驱动电路和逻辑电路两部分。驱动电路部分是由两组“开关”电路组成的，工作电压在范围内（=）,完成液晶驱动功能。逻辑电路部分由锁存器和移位寄存器为中心的逻辑电路组成，工作电平与TTL兼容。逻辑

37、电路部分完成显示数据的传输、保持，以及控制电平的转换。在驱动器中，移位寄存器用于完成显示数据的传输。它可以采用串行输入和并行输入两种方式。该寄存器的并行输出连接到锁存器输入端。锁存器的输出功能是将工作电源从逻辑电源转换成驱动电源。锁存器的内容将作为驱动电压的选择信号直接控制液晶驱动电路的输出电压。3.3 单片机ATMEGA8的作用课题设计采用了ATMEGA8单片机，设计需要将SEG的数据和时钟输入到ATMEGA8中来获得COM口的扫描信号。SEG信号的数据以串行的方式输入到移位寄存器74LS164中，并在SEG时钟信号的控制下，以并行的方式输出到锁存器74LS373中。课题对SEG设计了16个

38、时钟，这就意味着一个扫描周期可以传送16bit的数据到锁存器74LS373中，在通过锁存器74LS373的输出端输出，输入到模拟选择开关CD4053中进行选通选择/非选择电压，当显示数据为“1”时，模拟选择开关选通选择电压；当显示数据为“0”时，则选通非选择电压。当下一个周期的数据传送到锁存器时，锁存器会立即对当前的数据进行锁存，而一旦锁存，ATMEGA8就会产生一个COM扫描信号，此COM扫描信号又被送入到模拟开关4053与SEG信号类似进行选择/非选择电压的选通，只有当SEG信号和COM信号同时选通选择电压时，选择点才能被点亮。ATMEGA8提供了交流驱动信号M，用来交换选择/非选择电压的

39、极性。在M信号的前半周期COM口的选择电压为V1和V3，后半周期COM信号的选择电压为V4和V2；对于SEG口而言，在M信号的前半周期，SEG信号的选择电压为V4和V2，后半周期SEG信号的选择电压为V1和V3，所以当COM信号和SEG信号在同一个点选通选择电压后，又在交流驱动信号M的作用下，使得施加在该点的信号变为了交流的信号，从而驱动该点显示。第4章 液晶显示控制器4.1液晶显示控制器作用及特性液晶显示驱动系统仅是一个被动系统，仅有驱动系统是不能实现液晶显示器件显示的。液晶显示驱动系统所需的扫描时序和显示数据需要一定的电路提供，这种电路由专用IC组成，称为LCD控制器，它还有一个作用就是提

40、供液晶显示系统与计算机的接口。控制器接受计算机的直接操作并可以脱机独立控制液晶显示驱动系统，从而解除了计算机在显示上的烦琐工作。计算机通过对液晶显示器件的操控，实现了对液晶显示扫描时序的设置和显示数据的写入，从而完成对液晶显示器件的操控。作为液晶显示控制器应具备一下几个特征：（1） 应具备简捷的计算机接口（一般是总线形式）。（2） 应具备一套完整的逻辑控制电路和时序发生器，可实现对各种显示功能的控制。（3） 应具备管理显示缓冲区的能力。计算机通过控制器访问显示缓冲区，控制器自行管理显示缓冲区。（4） 应具备液晶显示驱动器工作所必需的扫描时序信号的生成以及发送能力和显示数据的传输能力。（5） 应

41、具备功能齐全的控制指令集，可以容易地进行编程。综合上述五条特征，可以把控制器的特性简称为“三部一集”，即接口部、控制部、驱动部和指令集。虽然液晶显示驱动控制器与驱动集成为一体，简化了液晶显示系统的控制驱动电路，操作简便，但是显示功能和显示规模都受到了限制，控制能力局限于小规模的液晶显示模块。液晶显示控制器将驱动器和显示存储器置于片外，增加了显示存储器的容量，在片内增加了液晶显示的控制功能，从而可以控制中、大规模的液晶显示模块，控制功能也更强。液晶显示控制器原理框图如图10所示。图10 液晶显示控制器原理框图4.1.1 设计特性（1） 接口部液晶显示控制器的接口部由指令寄存器/译码器、数据缓冲器

42、和状态字寄存器，以及相关逻辑电路组成。它用来接收计算机发来的指令和数据，并向计算机反馈所需的数据信息。接口部分包括两个通道：指令通道和数据通道。指令通道即指令寄存器，用来接收并存储计算机发来的指令代码，通过译码器将该代码解译成逻辑信号，实现控制/设置功能，它还可以作为参数寄存器的地址，选通相应的参数寄存器；数据通道即数据缓冲器，它由数据输入寄存器和输出寄存器组成，数据输入寄存器用来接收计算机发来的指令参数和数据显示，数据输出寄存器用来将显示存储器的数据和可读参数寄存器的数据送到计算机的数据总线上，供计算机读取。两个通道的选择由RS端电平控制。液晶显示控制器D0D7为三态数据，可以直接挂在计算机

43、的数据总线上。液晶显示控制器的选通由片选信号控制，当=“1”时，数据线为高阻态；当=“0”时，数据线打开。大多数液晶显示控制器可以适配计算机两种时序的操作，在接口部它给出相应的操作信号输入端。一种为Intel8080操作时序，接口部提供了读操作信号/RD和写操作信号/WR，操作时序如图11（a）所示；另一种为M6800操作时序，接口部提供了读/写选择信号R/W和操作使能信号E，操作时序如图11（b）所示。（a）Intel8080操作时序（b）M6800操作时序图11 计算机的两种操作时序从图中可以看出，Intel8080操作时序的读、写操作在负脉冲的上升沿作用。而对于M6800的操作时序，读操

44、作在使能信号E的上升沿进行，写操作在使能信E号的下降沿进行。读/写选择信号有效时间要宽于使能信号E，可以与地址线有效时间相等。液晶显示控制器有自己的工作时钟，不需要依附计算机的系统时钟，这样液晶显示控制器挂在计算机总线上就存在一个“握手”问题。液晶显示控制器在接口部设置了状态字寄存器，主要状态位是“忙”标志，表示当前液晶显示控制器的工作状态。当为“忙”时，液晶显示控制器正在处理计算机发送来的指令和数据，此时接口部被禁止接受计算机发来的任何数据；当不为“忙”时，表明液晶显示控制器已经准备好接受计算机的操作，接口部开放，随时准备接受计算机的操作。接口部实际上起着计算机与液晶显示控制器内部两种工作时

45、钟的转换与缓冲。（2）驱动部特性驱动部分是液晶显示控制器对液晶显示驱动系统的接口。时序发生器产生基础时钟提供给予显示时钟电路，显示时钟电路产生显示时钟脉冲序列提供给驱动部分。这些时序作为控制脉冲向液晶显示驱动系统输出，也作为显示数据传输的同步信号控制数据传输通道。驱动信号有：FLM帧信号；CP数据移位脉冲信号；LP数据锁存脉冲信号；M交流驱动波形信号。驱动部的工作流程如下：将第一行的显示数据经并/串转换电路转换成一定的传输格式输出给显示数据驱动输出端，在数据移位脉冲信号CP的作用下，将显示数据传输给液晶显示驱动系统的列驱动器，在第一行显示数据传输完成后，帧信号FLM置高电平，驱动部输出数据锁存

46、脉冲LP将显示数据锁存到列驱动器的锁存器中，同时将FLM信号移入驱动系统的行驱动器，从而实现第一行的显示操作。在显示第一行的同时，第二行的显示数据在数据移位脉冲信号CP的作用下传输给液晶显示驱动系统。在第二行显示数据传输完成后，帧信号FLM置低电平，驱动部输出数据锁存脉冲信号LP将显示数据锁存到驱动器的锁存器中，同时将FLM信号移入驱动系统的行驱动器，并且行驱动器内的数据也同时移位一次，从而实现第二行的显示操作。循环步骤（2），完成一帧所有行的显示操作。重复步骤（1）、（2），完成下一帧的显示操作。（3）控制部特性液晶显示控制器的控制部分是液晶显示控制器的核心。它通过OSC1和OSC2两端接入

47、晶体振荡器或振荡因子使振荡器产生工作时钟，该时钟脉冲直接提供给时序发生器以生成控制时序和显示时序。控制时序将控制驱动逻辑电路以管理和操作各功能电路。它负责显示存储器的管理与操作；负责字符发生器的操作；负责将参数寄存器的内容转换成相应的显示功能逻辑；负责将显示数据和指令参数传输到位。显示时序电路生成液晶显示系统所需的驱动时序脉冲序列，并且实现显示数据向液晶显示驱动系统的传送。控制部操纵着显示功能，还控制着光标发生器的工作。（4）指令集液晶显示控制器具有一套专用指令系统。控制器通过对指令代码的识别和译码来完成对内部逻辑电路的设置和对参数寄存器的设置。计算机通过向液晶显示控制器写入指令及其参数来实现

48、对显示效果的控制。液晶显示控制器的指令系统一般分为以下三类。工作方式设置类：此类指令实现控制器的工作方式设置和显示存储器的划分等。这类指令通常在对控制器初始化时设置。显示方式设置类：此类指令为显示状态、显示方式、显示合成方式和光标显示设置等，可以根据需要随时设置。数据操作类：此类指令包括显示存储器地址指针的设置、地址指针修改规划的设置和读/写显示数据的操作指令等。4.2 液晶显示控制器的应用一般来讲，使用液晶显示器件来显示信息，需要液晶材料、相应的驱动系统和控制系统三者的有机结合。对于中小规模的液晶显示器件，通常采用在驱动器直接驱动液晶显示器件的基础上，增加片内控制器，形成有控制器的液晶显示模

49、块，称其为内置控制器的液晶显示模块。另外，为提高控制能力，增加显示功能和显示规模，又可以将控制器和显示存储器置于片外，在片内仅保留驱动系统，形成外配控制器的液晶显示模块。对使用者来讲不管何种液晶显示模块都可以把它作为一个独立的外设或I/O设备来使用，因此，对液晶显示模块的操作问题，都可以简化为液晶显示模块的控制器接口的操作使用问题，即信息显示的问题集中在计算机对液晶显示控制器的接口如何传送信息、传送数据及接收信息等问题上。液晶显示模块的控制器通常是一种专门的IC芯片，都提供了便于和计算机相连接的I/O接口。这样计算机通过对液晶显示控制器的操作，实现了对液晶显示扫描时序的设备、显示数据的写入等参数设置，之后控制器便可以独立控制液晶显示驱动系统，从而避免了计算机在显示上的繁锁工作，完成了对液晶显示器件的操作。微处理器与液晶显示模块的控制接口有两种方式：直接访问方式和间接访问方式。间接控制方式接口时序由微处理器对控制信号的软件编程来实现。软件编程在对控制信号设置的先后顺序上体现了液晶显示控制器所适配的操作时序。间接访问方式接口电路简单，时序由软件实现，所以不管微处理器本身运算速度高低，都可以方便的利用这种方式连接各种液晶显示控制器以实现对液晶显示模块的操作。第5章 仿真本章将以ATMEGA8集成电路以间接控制方式的电路图为