基于FPGA的LCD控制器设计修改版m - 图文(3)

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图2.1 液晶原理图

最早的液晶显示器TN它由玻璃板，偏光器，ITO膜，配向膜组成两个夹层等组成，它是所有液晶显示器技术原理的鼻祖。而TFT液晶显示器同TN系列液晶显示器一样由玻璃基板、ITO膜、配向膜、偏光板等部分组成，它也同样采用两夹层间填充液晶分子的设计，只不过把TN上部夹层的电极改为FET晶体管，而下层改为共同电极。

2.2 STN-LCD技术的显示原理

传统的TN—I CD(扭曲向列液晶显示器件)具有电光响应速度缓慢，阈值特性很不明显的弱点，这给多路驱动造成了困难，使其在大信息量的视频显示上受到了限制。通过将TN—LCD液晶分子的扭曲角度由90。加大到180。至360。之问就可以制成STN—I CD(超扭曲向列液晶显示器件)。STN I CD 大大提高了显示特性，目前几乎所有的点阵图形和大部分点阵字符LCD均已采用了STN 模式，STN—I CD技术在液晶产业中已处于逐渐成熟和完善的阶段。

将涂有透明导电层的玻璃上光刻形成特定的透明电极，在两片这种玻璃授板问夹上一层STN—I CD 材料，四周密封，形成一个厚度仅为微米量级的扁平液晶盒。由于玻璃内表面涂有定向层膜并进行了定向处理，盒内液晶分子沿玻璃表面平行排列，如果两片玻璃内表面定向层处理的方向呈一定的夹角α，则液晶分子在这两片玻璃之间以α角度扭曲由于STN-LCD 液晶分子在盒中的扭曲螺旋距比可见光波长大得多，所以当垂直于玻璃表面一侧的直线偏振光入射后，其偏光方向在通过整个赦晶层后会被扭曲α角度另一侧射出，因此此液晶盒具有

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在成α角度偏振片间透光的作用和功能。

如果在液晶盒上施加一个电压并达到一定值后，液晶分子长轴将开始沿电场方向倾斜，当电压达到2倍阈值电压后，除电极表面的分子外，所有的赦晶盒内两电极之间的液晶分子都变成沿电场方向的再排列，这时α角度旋光功能消失，在成α角度的偏光片之间失去了旋光作用使器件不能再透光。因此，将STN LCD放在成α角度的偏振片之间就可以用给液晶盒通电的办法使光改变其透过和遮住状态从而实现显示的功能。

液晶屏幕的驱动方式 ：

单纯矩阵驱动方式是由垂直与水平方向的电极所构成，选择要驱动的部份由水平方 向电压来控制，垂直方向的电极则负责驱动液晶分子。

在TN与STN型的液晶显示器中，所使用单纯驱动电极的方式，都是采用X、Y轴的交叉方式来驱动，如下图所示，因此如果显示部份越做越大的话，那么中心部份的电极反应时间可能就会比较久。而为了让屏幕显示一致，整体速度上就会变慢。讲的简单一点，就好象是CRT显示器的屏幕更新频率不够快，那是使用者就会感到屏幕闪烁、跳动；或着是当需要快速3D动画显示时，但显示器的显示速度却无法跟上，显示出来的要果可能就会有延迟的现象。

2.3 动态STN-LCD驱动方法

STN—LCD 的显示效果是由于在显示像素上施加了电场的缘故，而这个电场是由显示像素前后两个电极上的电压信号差所产生的。在显示像素上建立直流电场并不困难，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，因此必须建立交流电场，并要求这个电场中的直流分量尽可能小，通常要求小于50 mV。因此STN—LCD必须采用交流驱动。

STN—LCD显示驱动方法有很多种，常用的有静态驱动法和动态驱动法。当STN—LCD显示像素众多时，若使用静态驱动法将会产生众多的引脚以及庞大的驱动电路，实现起来有困难，因此常用动态驱动法。

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图2.3 液晶驱动示意图

动态驱动法中STN LCD 电极的制作和排布为矩阵型结构，即把水平一组显示像素的电极连接在一起引出 称之为行电极，用COM 符号表示，把纵向一组显示像素的电极连在一起引出，称之为列电极，用符号SEG 表示。每个STN-LCD显示像素都由其所有行和列的位置唯一确定。上图为N 行、M 列STN-LCD电极连接示意图，显示图形为字符“R”。点阵型STN-L CD 和字符型STN-LCD 的电极连接略有不同，但它们均可以由上图来表示。

动态驱动法就是采用逐行、循环地给行电极施加选择脉冲，同时所有的列电极给出该行像素对应的选择或非选择脉冲．从而实现一行所有显示像素的驱动，循环一次称为一帧。这种扫描是逐行顺序进行的，循环周期很短，使得STN-LCD显示屏上呈现稳定的图象效果。

一帧中每一行的选择时间是相等的，若一帧的扫描行数是N，则一行所占用的扫描时间为一帧的1／N，该值称为占空比系数。在特定电压下，扫描行数的增加将使占空比下降，从而引起液晶像素上交变电场有效值的下降，降低了显示质量，因此随着显示像素的增多就需要适度地提高电场电压的有效值来保证显示质量。

动态驱动方式下，某一液晶像素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台成来实现的。与该像素不在同一行及同一列上的像素都处于非选择状

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态下，而与该像素在同一行或同一列的像素均有选择电压加入，称为半选择点。当半选择点的电压接近液晶的阔值电压时屏上将出现不应该有的半显示现象，这会使得对比度下降，这种现象叫做“交叉效应”，在动态驱动法中可采用偏压技术来解决这一问题。

平均电压法是解决“交叉效应”的有效办法，其原理是把半选择点和非选择点上的电压平均化。若显示点电压为

，则半选择点和非选择点电压为

α，其中α为整数．称为偏压比。平均电压法适度提高非选择点上的电压来抵消

半选择点上的电压，从而扩大选择点和半选择点的电压之间的差距，提高显示对比度，又使非选择和半选择点的显示更均匀一致。

对比度是衡量液晶显示质量的重要标志。只要驱动电压的有效值足够大液晶就可以实现显示，且选通时的透过率与有效值成正比，而对比度是透过率之比，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能预测出显示对比度的好坏。

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第3章 现代FPGA技术

3.1 FPGA的发展历程

作为一种可编程逻辑器件，现场可编程门阵列的出现是可编程逻辑器件发展变化的必然，它的出现推动着可编程逻辑器件的进一步发展。因此说，了解了可编程逻辑器件的的发展历程，也就了解了FPGA的发展历程。

可编程逻辑器件(FPGA)是20世纪70年代发展起来的一种新型期间。它的应用不仅简化了电路设计，降低了成本，提高了系统的可靠性，而且给数字系统的设计方式带来了革命性的变化。可编程逻辑器件的发展是以微电子创作技术的不断进步为基础的，其结构和工艺的变化经历了一个不断发展变革的过程。

20世纪70年代，早期的可编程逻辑器件只有可编程只读存储器，紫外线可擦除制度储存器和电可擦除只读储存器3种。

随后，出现了一类结构稍微复杂的可编程芯片，即可编程逻辑阵列(PLA)。PLA在结构上由一个可编程的与阵列和可编程的或阵列构成，阵列规模小，编程过程复杂繁琐。PLA既有现场可编程的，也有掩膜可编程的。

在这之后出现了可编程阵列逻辑(PAL)器件，它由一个可编程的“与”平面和一个固定的“或”平面构成，是现场可编程的。它的实现工艺由反熔丝技术、EPROM技术和EEPROM技术3种。在PLA的基础上，又发展除了一种通用阵列逻辑(GAL)，如GAL16V8、GAL22V10等。它采用了输出逻辑宏单元结构和EEPROM工艺，实现了电可擦除、电可改写，由于其输出结构是可编程的逻辑宏单元，因而其设计具有很强的灵活性，至今仍有许多应用。

这些早期的PLD器件的一个共同特点是可以实现速度特性较好的逻辑功能，但由于其结构过于简单，因此，只能用于实现较小规模的电路设计

为了弥补这一缺陷，20世纪80年代中期，著名的可编辑逻辑器件厂商Altera和Xilinx分别推出了扩展型的复杂可编程逻辑器件(CPLD)和类似于标准门阵列的现场可编程门阵列(FPGA)。CPLD和FPGA的功能基本相同，只是芯片的内部原理和结构有些差别。这两种器件兼容了PAL和GAL器件的优点，具有体系结构灵活、逻辑资源丰富、集成度高以及适用范围广等特点，可用于实现较大规模的电路设计，编程也很灵活，所以，被广泛应用于产品的原型设计和小批量生产之中。几乎所有使用PAL、GAL和中小规模通用数字集成电路的场合均可应用CPLD和FPGA器件。

如今，FPGA器件已成为当前主流的可编辑逻辑器件之一。经过近20年的发展，可编

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