葉文江，邢紅玉，秦 禹，劉曉夢(mèng)，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(guó)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(dòng)態(tài)顯示的效果，導(dǎo)致是否出現(xiàn)拖尾現(xiàn)象.針對(duì)液晶動(dòng)態(tài)響應(yīng)問題的理論方面的研究，國(guó)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(jì)[3-16].為了從實(shí)驗(yàn)上分析液晶動(dòng)態(tài)響應(yīng)，需要測(cè)量液晶盒施加脈沖信號(hào)前后光透過率隨時(shí)間的變化，可以采用液晶參數(shù)綜合測(cè)試儀測(cè)定.但是，存在兩個(gè)弊端：1）液晶盒驅(qū)動(dòng)電壓信號(hào)（脈沖電壓信號(hào)）是固定的，即使是可調(diào)的，也局限于常用的幾種驅(qū)動(dòng)信號(hào)，對(duì)于特殊驅(qū)動(dòng)的液晶動(dòng)態(tài)響應(yīng)測(cè)試無法完成；2）儀器笨重，不易移動(dòng)，而且價(jià)格較貴，對(duì)于小型的液晶器件廠家和一些科研院校很難實(shí)現(xiàn).為此，本文設(shè)計(jì)開發(fā)了一套液晶動(dòng)態(tài)響應(yīng)測(cè)試系統(tǒng).

系統(tǒng)采用單片機(jī)控制液晶盒驅(qū)動(dòng)脈沖信號(hào)的輸出及液晶盒透射光強(qiáng)信號(hào)的模數(shù)轉(zhuǎn)化與采集，操作簡(jiǎn)單，能夠自動(dòng)對(duì)液晶盒施加不同設(shè)置的電壓脈沖并實(shí)時(shí)測(cè)量傳感器模塊的響應(yīng)而得到數(shù)據(jù)，由此繪制液晶動(dòng)態(tài)響應(yīng)曲線，分析液晶的響應(yīng)時(shí)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(dòng)態(tài)響應(yīng)相關(guān)的問題.基于此系統(tǒng)，本課題組曾對(duì)混合排列向列相液晶動(dòng)態(tài)響應(yīng)過程進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)量，研究向列相液晶材料的撓曲電特性[19].

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

液晶動(dòng)態(tài)響應(yīng)測(cè)試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示，包括電源模塊、單片機(jī)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(dòng)模塊、LCD顯示屏、串行數(shù)據(jù)傳輸模塊和信號(hào)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(dòng)態(tài)響應(yīng)測(cè)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(dòng)模塊

LCD驅(qū)動(dòng)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(hào)時(shí)，相應(yīng)的模擬輸出端則會(huì)輸出一個(gè)正比于此數(shù)字信號(hào)的電流，而本實(shí)驗(yàn)需要的是模擬電壓信號(hào)，所以要通過LM 258運(yùn)放將一個(gè)電流信號(hào)轉(zhuǎn)換為一個(gè)電壓信號(hào)進(jìn)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(gè)正比于輸入的輸出電流轉(zhuǎn)換成一個(gè)電壓信號(hào)進(jìn)行輸出，從而對(duì)上一級(jí)電壓的極性進(jìn)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(gè)正比于輸入的輸出電流轉(zhuǎn)換成一個(gè)電壓信號(hào)進(jìn)行輸出，此模塊的功能是輸出一個(gè)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(jī)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(dòng)模塊Fig.4 LCD drivenmodule

1.6 數(shù)碼管現(xiàn)實(shí)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(jìn)行驅(qū)動(dòng)，當(dāng)R14或R15上的信號(hào)為有效信號(hào)時(shí)，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(jī)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(shí)鐘.LCD響應(yīng)信號(hào)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(hào)都傳輸完畢，K2及K3是操作者手動(dòng)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(dòng)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(cè)試

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

為了測(cè)試系統(tǒng)的可行性，對(duì)強(qiáng)錨泊扭曲向列相液晶的動(dòng)態(tài)響應(yīng)過程進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測(cè)量，實(shí)驗(yàn)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(cè)器、液晶動(dòng)態(tài)響應(yīng)測(cè)試系統(tǒng)及計(jì)算機(jī)構(gòu)成.起偏器和檢偏器正交放置，與起偏器對(duì)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(duì)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(shí)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(shí)，液晶盒的透過率變小.考慮動(dòng)態(tài)響應(yīng)過程，施加電壓時(shí)，透射光強(qiáng)在很短時(shí)間內(nèi)由最大變?yōu)樽钚?，撤掉電壓后，透射光?qiáng)又會(huì)在一個(gè)相對(duì)較長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)恢復(fù)初始的強(qiáng)度.實(shí)驗(yàn)測(cè)量過程如下：

1）選擇特定波長(zhǎng)的光作為光源（如波長(zhǎng)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(hào)變化，采集密度為每500ns采集一次，采集時(shí)長(zhǎng)為300ms，即采集600個(gè)數(shù)據(jù)，得到電壓變化過程中的透射光強(qiáng)度變化；

2）將采集到的數(shù)據(jù)作為縱坐標(biāo)，添加時(shí)間為橫坐標(biāo)，得到電壓變化過程中液晶盒透射光強(qiáng)隨時(shí)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(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)做歸一化處理得到黑色的原始測(cè)量結(jié)果；將歸一化的測(cè)量結(jié)果利用相鄰點(diǎn)求平均的方法進(jìn)行處理，得到鏤空三角的擬合曲線；將擬合曲線再次進(jìn)行歸一化處理，得到實(shí)驗(yàn)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(shí)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(dòng)電壓從1.0 V到10.0 V以1.0 V為步進(jìn)電壓遞增，測(cè)得不同驅(qū)動(dòng)電壓下的動(dòng)態(tài)響應(yīng)實(shí)驗(yàn)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(shí)動(dòng)態(tài)響應(yīng)實(shí)驗(yàn)曲線，如圖13所示.從動(dòng)態(tài)響應(yīng)實(shí)驗(yàn)曲線可以看出，施加4 V電壓脈沖時(shí)扭曲向列相液晶的上升時(shí)間（最大透射光強(qiáng) 90%～10% 所對(duì)應(yīng)的時(shí)間）為3ms，下降時(shí)間（最大透射光強(qiáng)10%～90%所對(duì)應(yīng)的時(shí)間）為19 ms，總的響應(yīng)時(shí)間為21ms.利用液晶動(dòng)力學(xué)理論[20]通過數(shù)值模擬可以得到動(dòng)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(dòng)態(tài)響應(yīng)測(cè)試系統(tǒng)測(cè)量得到的動(dòng)態(tài)響應(yīng)實(shí)驗(yàn)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(dòng)態(tài)響應(yīng)實(shí)驗(yàn)裝置圖Fig.11 Experimentalsetup of dynam ic responseof liquid crystal

圖12 扭曲向列相液晶動(dòng)態(tài)響應(yīng)實(shí)驗(yàn)曲線Fig.12 Experimentalcurvesof dynam ic responseof tw isted nematic liquid crystal

圖13 扭曲向列相液晶動(dòng)態(tài)響應(yīng)理論與實(shí)驗(yàn)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(dòng)態(tài)響應(yīng)測(cè)試系統(tǒng)的組成，并對(duì)系統(tǒng)每一個(gè)模塊的構(gòu)成及功能進(jìn)行了說明，從理論上闡明了系統(tǒng)的有機(jī)結(jié)合.實(shí)驗(yàn)上，通過利用此系統(tǒng)測(cè)量得到的強(qiáng)錨泊扭曲向列相液晶動(dòng)態(tài)響應(yīng)實(shí)驗(yàn)曲線與液晶動(dòng)力學(xué)理論數(shù)值計(jì)算得到的理論曲線之間的比較，兩者有一個(gè)較好的吻合，驗(yàn)證了系統(tǒng)的實(shí)用性.除了上述扭曲向列相液晶顯示模式的動(dòng)態(tài)響應(yīng)測(cè)試外，其他液晶顯示模式中的液晶動(dòng)態(tài)響應(yīng)同樣可以測(cè)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(bǔ)償彎曲（OCB）模式[23]等.這些顯示模式中與液晶動(dòng)態(tài)響應(yīng)相關(guān)的科學(xué)問題可以通過系統(tǒng)對(duì)液晶動(dòng)態(tài)響應(yīng)過程的測(cè)試進(jìn)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(dòng)粘滯系數(shù)測(cè)量問題等.

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