一種實用的段碼式LCD驅(qū)動電路的硬件設(shè)計

一 、概述
儀器儀表中常用的顯示器有兩種，一是發(fā)光二極管（LED）,二是液晶顯示器（LCD）。這兩種顯示器成本低廉，配置靈活，與單片機接口方便，而后者驅(qū)動電流小，功耗低、壽命長、字形美觀、顯示清晰、視角大、驅(qū)動方式靈活、應(yīng)用廣泛【1】。但在控制上LCD較復(fù)雜，因為LCD電極之間的相對電壓直流平均值必須為0【2】，否則易引起LCD氧化，因此LCD不能簡單地用電平信號控制，而要用一定波形的方波序列來控制。LCD顯示有靜態(tài)和時分割兩種方
式，前者簡單，但是需要較多的口線；后者復(fù)雜，但所需口線較少，這兩種方式由電極引線的選擇方式確定。下面以電子表的液晶顯示為例，其顯示面板如圖（1）所示,小時的高位同時滅或亮，分鐘的高位在顯示數(shù)碼1～5時，其頂部和底部也是同時滅或亮，兩個dot點也是同時亮或滅，其驅(qū)動方式是偏置比為1/2的時分割驅(qū)動，共有11個段電極和兩個公共電極。

圖（1）
二 、LCD的顯示原理
一般物質(zhì)可分為氣體，液體及固體。但有些物質(zhì)的特性不屬于這3種，液晶就是其中的一種，它不是完全的液體，也不是完全的固體。它能像液體般流動，又具有固體狀的結(jié)晶。在自然狀態(tài)下，液晶分子放置于很細(xì)的凹曹內(nèi)，液晶分子會依照凹槽方向排列【3】。LCD顯示器就是利用液晶的這些性質(zhì)工作的。在LCD顯示器的上下兩電極間加有液晶材料，液晶分子呈平行排列，具有旋光性，平時呈透明態(tài)，當(dāng)上下電極間加上一定電壓時，液晶分子轉(zhuǎn)成垂直排列，失去旋光性而呈黑色【4】。為了防止液晶氧化，要求LCD電極之間的相對電壓直流平均值必須為零【1】，因此LCD不能簡單用電平信號驅(qū)動，而要用一定的方波序列來驅(qū)動。其驅(qū)動波形是很講究的，以偏置比為1/2的時分割方式為例。 圖（2）示出了欲使某一筆畫亮或不亮在段極和公共電極上應(yīng)該產(chǎn)生的波形。從圖（2）中可以看出，B1與COM2的波形方向，所以B1亮；B3與COM1的波形同向，所以B3滅【5】。（其中，B1和B3共用一個SEG端口）

圖（2）
一般COM端口的波形總是固定的，對動態(tài)1/2時分割方式，COM1和COM2端的波形是反相的，要控制各筆畫的顯示與熄滅，就必須在相應(yīng)電極上產(chǎn)生合適的波形。波形的實現(xiàn)有如下特點：1）、兩根公共電極上看出，兩根公共電極有3種電平，它們分別是0V，1.5V和3V三種電壓；2）、兩根公共電極COM1和COM2波形是方向的；3）、公共電極和段碼的驅(qū)動波形的周期是相同的，其中公共電極每個周期變化4次，段碼每個周期變化兩次，是方波信號。因為公共電極的驅(qū)動波形的特點，在業(yè)界，大都采用單片機和相應(yīng)的軟件來產(chǎn)生公共電極的驅(qū)動波形，而對于ASIC的設(shè)計來說，如果采用上述方法，就占用了很大的芯片面積，增加了成本。因此，本文將要介紹一種實用的數(shù)字和模擬電路作為段碼式LCD的驅(qū)動 。
三 、LCD顯示驅(qū)動電路設(shè)計
1. COM1和COM2波形產(chǎn)生電路
設(shè)計要點：正如在顯示原理部分所述，兩個公共電極的波形是固定的，它有3種電平，分別是0V，1.5V，3V，每個周期變化4次，COM1和COM2的波形是方向的。圖（3）給出了解決方案，該電路由NMOS管和3態(tài)控制門構(gòu)成，DA的頻率是d3的2倍，其中NMOS管接1.5V電壓，3態(tài)門用3V電壓，這樣就能夠產(chǎn)生每個周期變化4次，有3種電平的固定公共電極波形。為了能夠被人眼識別，d3的頻率采用了10Hz，由該電路產(chǎn)生的HSPICE波形如圖（3－1）所示（用1.5V電源供電，3V的電壓由外圍的倍壓電路產(chǎn)生）。達(dá)到這樣的設(shè)計要求，圖（3）中，N管的W/L＝28uM/4uM，3態(tài)門的兩個P管的W/L＝8uM/3uM，兩個N管的W/L＝4uM/3uM。

圖（3）