me數(shù)字10第4章電子顯示器

1、第4章 電子顯示器 4.1 發(fā)光二極管（LED）4.2 陰極射線管（CRT）4.3 液晶顯示器（LCD） 引 言在飛機上，必須把飛機、發(fā)動機以及其它系統(tǒng)測量出來的參數(shù)顯示出來，以便飛行員能及時了解它們，從而使飛行員準(zhǔn)確、安全地駕駛飛機，完成飛行任務(wù)。目前，飛機上大多采用發(fā)光二極管（LED）、彩色陰極射線管（CRT）和液晶顯示屏（LCD）?，F(xiàn)代先進(jìn)民用客機上都采用了液晶顯示器。如我國現(xiàn)有的B737-700/800、B777客機上使用的就是液晶顯示器。4.1 發(fā)光二極管（LED）發(fā)光二極管LED（Light-Emitting Diode）是由電能轉(zhuǎn)換為光能的一種半導(dǎo)體器件。自由電子與空穴復(fù)合時，產(chǎn)

2、生光的輻射，不同的半導(dǎo)體材料，其輻射光的顏色也不同。 例如，磷砷化鎵（GaAsP）發(fā)紅光，磷化鎵（GaP）發(fā)綠光，氮化鎵（GaN）發(fā)藍(lán)光，而砷化鎵（GaAs）發(fā)出不可見的紅外線光等。發(fā)光二極管的輻射功率近似與導(dǎo)通電流成正比,并且隨半導(dǎo)體結(jié)溫的上升而下降。發(fā)光二極管在正向偏置電壓下工作。圖4.1-2 輻射光與材料的關(guān)系1LED工作原理在電壓作用下，電子空穴與復(fù)合，并釋放出能量，向外輻射光能。不同的發(fā)光二極管，其導(dǎo)通門限電壓也不同，約在1.352.5V之間。發(fā)光二極管的反向擊穿電壓約在36V之間。為了限制發(fā)光二極管的工作電流，可以串聯(lián)一個限流電阻。2LED顯示器發(fā)光二極管可以用作光源發(fā)生器、顯示器

3、，或信號燈和刻度顯示。多個LED相互組合起來，可以組成一個顯示區(qū)域，按不同的控制，各LED可分別發(fā)光以顯示出不同的符號（字母、數(shù)字、特殊符號等）。圖中是一塊57的LED顯示器，圖中顯示的是字母“A”。如果只需要顯示數(shù)字，則可以采用分段顯示器，常用的分段顯示器為7段數(shù)碼顯示器。圖中7段數(shù)碼顯示器顯示的是“3” 。LED顯示器具有使用壽命長、讀出角度大（約為150）、體積小、輝度高和視差小等優(yōu)點，廣泛應(yīng)用于指示燈、顯示器、光源等場合。 4.2 陰極射線管（CRT） 顯像管是實現(xiàn)電光轉(zhuǎn)換、形成光學(xué)圖像的一種電真空器件。它靠管內(nèi)電子槍所形成的聚焦電子束轟擊熒光屏而形成明亮可見的圖像。 顯像管由電子槍將

4、陰極所發(fā)射的電子流聚焦成射線狀的電子束，因此常稱為陰極射線管，英文縮寫用CRT（Cathode Ray Tube）來表示。由于其管內(nèi)電子是聚焦成束的，所以又稱為電子束管。陰極射線管出現(xiàn)至今已有約百年的歷史，在雷達(dá)、電視等波形顯示方面得到了廣泛應(yīng)用。4.2.1 顯像管的基本結(jié)構(gòu)CRT的結(jié)構(gòu)和電路符號顯像管由管殼、電子槍、熒光屏和偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)等幾個基本組成部分。 顯像管的管殼用玻璃制成，包括管底（屏面）、錐體、管頸和芯柱四部分。整個管殼是密封、真空的,具有足夠的強度和抗爆性。屏面玻璃具有良好的透明度。目前使用的顯像管屏面多為矩形或方形，其尺寸按需要而定。管錐的內(nèi)側(cè)涂覆著石墨層，與管錐外側(cè)壁上的陽極柱相

5、連接，以引入陽極電壓。管錐外表面也涂有石墨層,通過卡箍和拉伸彈簧接地（與顯示器的機殼連通），以防止靜電荷的積累。1.管殼 電子槍用以發(fā)射并形成電子束，并對電子束的聚焦和加速。電子束的強度由控制信號（視頻信號)控制。經(jīng)加速后的高速電子束具有足夠的動能，轟擊熒光屏上的熒光物質(zhì)發(fā)出輝光，將電子束的動能轉(zhuǎn)化為熒光質(zhì)所發(fā)出的光能。不同類型的顯像管組成電子槍的電極數(shù)量及結(jié)構(gòu)可能不同。 2.電子槍 電子槍 偏轉(zhuǎn)部分 熒光屏上所敷涂的熒光質(zhì)，能將電子束的動能轉(zhuǎn)換為光能。熒光質(zhì)是一種發(fā)光物質(zhì)，在受到電子束的轟擊時，便放出一定的光量子能。顯像管的偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)用以控制管內(nèi)聚焦電子束的偏轉(zhuǎn)，以使電子束轟擊熒光屏上的不同位

6、置。偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)由偏轉(zhuǎn)電路供給偏轉(zhuǎn)信號分別對電子束在垂直方向和水平方向的偏轉(zhuǎn)進(jìn)行控制，因此，偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)總是包括垂直偏轉(zhuǎn)和水平偏轉(zhuǎn)兩部分。3.熒光屏實現(xiàn)電子束的偏轉(zhuǎn)方式有磁偏式和電偏式兩類。飛機上的顯示器與電視接收機相同，采用磁偏式的顯像管。4.偏轉(zhuǎn)系統(tǒng) 彩色顯像管能夠形成色彩分明、高亮度、不閃爍的圖像，即使在陽光直射下的駕駛艙內(nèi)，也可提供清晰明亮的顯示畫面。(如氣象信息的顯示)4.2.2 彩色顯像管概述 機載顯示器所應(yīng)用的彩色顯像管稱為蔭罩管，它的電子槍可以形成三條聚焦的電子束，分別轟擊所對應(yīng)的紅、綠、藍(lán)三種熒光質(zhì)。 蔭罩管有三槍三束管、單槍三束管和自會聚管三種，目前廣泛應(yīng)用的是自會聚管。形成彩色圖

7、像的基本方法自會聚彩色顯像管4.2.3 自會聚彩色顯像管4.2.4 三基色原理人眼所能感受到的可見光的頻譜范圍，其波長是780380納米（1納米10-9米），人眼所感覺的顏色依次為紅、橙、黃、綠、青、藍(lán)、紫，即通常所說的七色光。三基色原理:適當(dāng)選擇三種互相獨立的基色，將它們按不同的比例合成，就可以引起各種不同的彩色感覺；合成彩色的亮度由三個基色的亮度之和決定，而色度則取決于三個基色的比例。這就是色度學(xué)中的三基色原理。目前在彩色電視機、雷達(dá)顯示器中所采用的三基色為紅色、綠色和藍(lán)色。利用紅、綠、藍(lán)三基色，幾乎可以合成自然界中所能觀察到的絕大多數(shù)彩色光。 相加混色法: 雷達(dá)顯示器形成彩色圖像的方法，

8、與彩色電視機相同，稱為相加混色法. 紅色光綠色光 黃色光紅色光藍(lán)色光 品紅色光（紫色光）綠色光藍(lán)色光 青色光紅色光綠色光藍(lán)色光 白色光圖4.2-5 相加混色法 圖4.2-6 相減混色法 由于人眼對距離的分辨力有限，所以當(dāng)在一個平面上相互鄰近的三點處產(chǎn)生三基色光時，只要這三個光點靠近得使人眼無法分辨，就可以使人眼產(chǎn)生三種基色光相混合的彩色感覺。 彩色顯像管正是利用這種空間混色的效果來形成彩色圖像的。 在彩色印刷、繪畫等方面所采用的混色方法稱為相減混色法，它與電視、雷達(dá)顯像管中所采用的相加混色法是不同的。 4.2.5電子束的聚焦4.2.5電子束的偏轉(zhuǎn) 為了在熒光屏上形成平面位置圖像，必須使電子束按

9、一定的規(guī)律掃遍整個熒光屏的屏面。 氣象雷達(dá)顯示器中電子束的掃描方式，有X-Y掃描和-掃描兩種方式。 1. X-Y光柵掃描 X-Y光柵掃描又可稱為直角坐標(biāo)光柵掃描。由于它與一般電視機中的掃描方式相同，所以也可稱為電視光柵掃描。4.2.7 電子束的掃描 X-Y光柵掃描是指電子束在熒光屏上一行一行地從左向右掃描，掃到右端時迅速返回左端，進(jìn)行下一行的掃描，從而從上到下進(jìn)行屏面上的各行掃描，形成一幀完整的掃描光柵。 在電子束完成一幀光柵的掃描，到達(dá)屏面右下角的C點時，又迅速返回左上角的A點，重新進(jìn)行第二幀的掃描。 這種掃描方式稱為逐行掃描。1. X-Y光柵掃描(1) 行掃描與行頻電子束端點在熒光屏上形成

10、一行掃描線的過程稱為行掃描。通常把行掃描從掃描起點（圖4.2-10a所示畫面左側(cè)的A點等）向掃描終點（圖中畫面右側(cè)的B點等）的掃描稱為行正程，而把從右側(cè)返回左側(cè)的過程稱為行回程（行逆程）。 行正程中電子束在熒光屏上的掃描軌跡是一條基本上水平的直線，如圖4.2-10（a）中的實線所示，所以又把行掃描稱為水平掃描，把行掃描信號稱為水平偏轉(zhuǎn)信號。1. X-Y光柵掃描(2) 幀掃描與幀頻 在電子束由水平偏轉(zhuǎn)信號控制從左向右進(jìn)行掃描的同時，還在垂直偏轉(zhuǎn)信號的控制下，以較慢的速度由上而下掃描，電子束由上而下的掃描稱為幀掃描。幀掃描信號（垂直偏轉(zhuǎn)信號）也是具有良好線性的周期性鋸齒波，見圖（b）。當(dāng)電子束在垂

11、直偏轉(zhuǎn)信號的控制下從上而下完成所有各行的掃描時，即形成了一幀完整的畫面，這就是幀掃描的正程。在幀回程中，電子束迅速回到畫面左上角的A點，以在下一幀中重新開始第二幀畫面的掃描。 1. X-Y光柵掃描1. X-Y光柵掃描 為了不使圖像混亂，在行掃描回程中利用行消隱信號使顯像管不發(fā)射電子束。行消隱信號為周期性的方波，其周期與行掃描信號相同且準(zhǔn)確同步，如圖4.2-10（b）所示。同理，在幀掃回程中，幀消隱信號也使顯像管停止發(fā)射電子束。幀消隱信號是與幀掃描信號同周期且準(zhǔn)確同步的方波信號，見圖4.2-10（b）。(3) WXI-711的光柵結(jié)構(gòu) 在數(shù)字式WXI-711顯示器中，每幀光柵由256行行掃描線組

12、成，其每一行掃描又等分為256個單元。這樣，每幀光柵包括25625665536個顯示單元，可表示65536個不同的平面位置單元。通常把熒光屏的一個顯示單元稱為像素。 顯然，屏上的顯示像素越多，所能顯示的圖像分辨率越高，圖像越逼真。1. X-Y光柵掃描 液晶顯示器是一種無源的光電變換器。液晶顯示是一種被動的顯示，它不能發(fā)光，液晶顯示需要外來光源。它一般作為電子儀器的終端顯示設(shè)備。由于它的功耗小，壽命長，液晶數(shù)碼管正在取代著發(fā)光二極管。 4.3 液晶顯示器（LCD）液晶材料的物理特性: 液晶材料是一種處于固體相和液體相中間狀態(tài)的液晶相。 液晶材料一方面是液態(tài)的，具有液體的流動性、粘度、形變等機械性

13、質(zhì)；另一方面在分子的幾何排列上又是固態(tài)晶體結(jié)構(gòu)，具有晶體的熱（熱效應(yīng)）、光（光學(xué)各向異性）、電（電光效應(yīng)）、磁（磁光效應(yīng)）等物理性質(zhì)。 4.3.1 液晶材料液晶材料的物理特性: 液晶分子容易因受外力作用而流動，且具有類似單軸晶體的異向特性，也就是材料的光折射率、介電常數(shù)、磁化率、及黏度等特性會隨著方向的不同而有所差異。 因此，在許多應(yīng)用上，均是利用液晶分子受外界刺激后，分子的配列將發(fā)生變化，導(dǎo)致其光學(xué)或電氣特性也跟著變化，而將此材料應(yīng)用于顯示器、光電組件、及傳感器等組件上。 根據(jù)分子的排列方式，液晶可以分成: 層列相、向列相和膽甾相三種。 其中，向列相和膽甾相是具有光學(xué)特性的液晶，在電子顯示器

14、中應(yīng)用最多。 液晶材料的分類 結(jié)構(gòu):這種液晶中的分子呈棒狀，排列非常象一把筷子.所有棒狀分子長軸會與指向矢平行排列，但并不分層。 特性:這種液晶材料富于流動性，粘度較小。 1.向列相液晶(或線型液晶)把一群區(qū)域性液晶分子的平均指向定為指向矢（director） 膽甾（zai）相液晶中的許多分子是分層排列的，逐層迭合，每層中分子長軸互相平行，且與層面平行。 相鄰兩層間分子長軸逐層依次沿一定方向有一個微小的扭角（約15），因此各層分子長軸的排列方向就逐漸扭轉(zhuǎn)成螺紋形。 圖4.3-3 膽甾相液晶層間分子長軸旋轉(zhuǎn)示意圖2.膽甾相液晶實用中，可以用這類膽甾液晶制作感溫變色的測溫元件。膽甾液晶由于其本身所

15、具有的螺旋排布結(jié)構(gòu)，因此在液晶顯示技術(shù)中十分有用。它大量用于向列液晶的添加劑。可以引導(dǎo)液晶在液晶盒內(nèi)形成沿面180、270等扭曲排布，做成超扭曲顯示器等。圖4.3-3 膽甾相液晶層間分子長軸旋轉(zhuǎn)示意圖向列相液晶在電流或電場的作用下其光學(xué)性質(zhì)隨之發(fā)生變化。因此目前一般都采用向列相液晶以及在其基礎(chǔ)上的改型向列相液晶，例如扭曲（TN）型向列相液晶和超扭曲（STN）型向列相液晶作成顯示器。電流使液晶中發(fā)生動態(tài)光散射，電場使液晶發(fā)生介質(zhì)極化。1.動態(tài)光散射向列相液晶在不加電流時，液晶分子與在固體情況時一樣有規(guī)則地排列，液體是透明（光）的。在加上交變電流后，破壞了原來液晶分子的有規(guī)則排列，產(chǎn)生了局部渦流區(qū)

16、，它引起入射光線發(fā)生散射，使液體變成不透明（光） 。這種現(xiàn)象稱為動態(tài)光散射。在交變電場斷開后，液晶分子又恢復(fù)到有規(guī)則的排列，液體又重新變得透明了。4.3.2 LCD的工作原理扭曲（TN）型向列相液晶是最常見的一種液晶顯示器。它的基本結(jié)構(gòu)是：在透明電極基板間充入10m左右的一層向列相液晶材料。四周進(jìn)行密封，形成一個厚度僅為數(shù)微米的扁平液晶盒。 由于在玻璃內(nèi)表面涂有一層定向?qū)幽ぃ喜郏?，并進(jìn)行了定向處理，因此在盒內(nèi)液晶分子沿玻璃表面平行排列（長棒狀的液晶沿溝槽的方向排列）。但由于兩片玻璃內(nèi)表面定向?qū)佣ㄏ蛱幚淼姆较蚧ハ啻怪保虼艘壕Х肿釉趦善Ａеg呈90扭曲這就是扭曲向列相液晶顯示器件名稱的由來。

17、 2.介質(zhì)極化垂直于電極基板入射的自然光將隨液晶分子的扭曲發(fā)生90旋光。見圖4.3-5。而偏振片不允許光線中與偏振片吸光軸平行的偏振光通過，只允許光線中與吸光軸垂直的偏振光通過。 因此，這種液晶盒可以使平行于偏振片間的光遮斷，而使垂直于偏振片間的光透過。圖4.3-5扭曲型液晶分子排布與透光示意圖當(dāng)對這種排列的液晶盒施加電壓時，從某一閾值電壓起，液晶分子的長軸開始向電場方向傾斜。當(dāng)施加電壓達(dá)到2倍的閾值電壓后，大部分分子的長軸沿電場方向重新排列，90的旋光性消失。這種現(xiàn)象稱為介質(zhì)極化。圖4.3-5扭曲型液晶分子排布與透光示意圖液晶分子分布當(dāng)施加電壓達(dá)到2倍的閾值電壓后，大部分分子的長軸沿電場方向

18、重新排列，90的旋光性消失。如果兩個偏振片的吸光軸方向相互垂直，那么光穿過第一個偏振片后，進(jìn)入液晶層，光不再被扭轉(zhuǎn)任何角度，因此不能通過第二個偏振片，從而產(chǎn)生黑點；反之，如果兩個偏振片的吸光軸方向相互平行，則光通過第二個偏振片產(chǎn)生亮點。 4.3.2 LCD的工作原理介質(zhì)極化圖4.3-5扭曲型液晶分子排布與透光示意圖液晶分子分布結(jié)構(gòu)：它由兩塊玻璃片組成，在前玻璃片的內(nèi)表面有真空蒸發(fā)二氧化錫或氧化銦的透光電極，可以構(gòu)成所希望的字符形狀。后玻璃片的內(nèi)表面有一層公共電極。在兩塊玻璃片之間有一層厚度約為10m的液晶層。在以介質(zhì)極化方式工作的器件上，兩塊玻璃片的外側(cè)還各貼有一層偏振片。 4.3.3 液晶數(shù)碼管工作原理：當(dāng)數(shù)碼管的某一段加上交流電信號時，電場