【RA4L1-SENSOR】没有人比我更懂驱动段码LCD

本主题由 liuyongwangzi 于 2025-6-27 15:01 审核通过

段码LCD原理

LCD 的核心在于利用液晶这种特殊物质的光学特性，通过电场来控制其分子排列，进而 控制光的通过与否 ，最终形成图像。

成像原理：

基本结构：
- 背光源： 通常为 LED 灯条或灯管，提供均匀的白色光源。
- 后偏振片： 位于背光源之后，只允许特定振动方向（偏振方向）的光线通过。
- 后玻璃基板： 带有薄膜晶体管和电极（通常是列电极）。
- 液晶层： 夹在两片玻璃基板之间的一层薄薄的液晶材料。液晶分子具有方向性，其排列可以被电场改变。
- 前玻璃基板： 带有彩色滤光片和电极（通常是行电极）。彩色滤光片由红、绿、蓝三原色的小单元组成，对应屏幕上的每个子像素。
- 前偏振片： 位于最前面，其偏振方向通常与后偏振片成 90 度（正交）。
液晶的关键特性 - 双折射与旋光性：
- 液晶分子（特别是用于显示器的向列相液晶）具有像晶体一样的双折射特性，即光线进入液晶后会被分解成两束偏振方向不同的光，传播速度也不同。
- 更重要的是，特定排列的液晶层具有 旋光性 ：当液晶分子呈螺旋状排列（例如在扭曲向列型中）时，它可以将入射光的偏振方向旋转一个特定的角度（通常是 90 度）。
工作过程 (以最常见的 TN型为例)：
- 未加电压 (透光状态 - 亮态)：
  - 背光源发出非偏振的白光。
  - 后偏振片只允许与其偏振方向一致的光线通过（变成线偏振光）。
  - 在未加电压时，液晶分子在基板取向层的控制下呈螺旋状排列（90度扭曲）。
  - 这束线偏振光进入液晶层后，其偏振方向会被液晶分子旋转 90 度。
  - 旋转了 90 度的偏振光，其偏振方向恰好与前偏振片的透光轴方向一致，因此可以顺利通过前偏振片。
  - 光线最终通过彩色滤光片，呈现出该像素应有的颜色（通常是白色或亮色）。
- 施加电压 (遮光状态 - 暗态)：
  - 当在对应像素的行列电极上施加电压时，液晶层内产生电场。
  - 电场作用下，液晶分子（具有介电各向异性）会趋向于沿着电场方向排列，破坏了原有的螺旋扭曲结构，分子变得垂直于基板排列。
  - 此时，液晶层失去了旋光能力。
  - 从后偏振片出来的线偏振光进入液晶层后，偏振方向 不再被旋转 。
  - 这束偏振方向没有改变的线偏振光到达前偏振片时，因其偏振方向与前偏振片的透光轴垂直（90度正交）， 被完全阻挡 ，无法通过。
  - 该像素区域呈现黑暗状态。
驱动方式：

主动矩阵驱动： 这是现代 LCD 的主流技术。在玻璃基板上集成 TFT（薄膜晶体管） 阵列和电容阵列（存储电容）。
- 每个子像素对应一个独立的 TFT 开关和一个电容。
- 扫描信号通过行电极（栅极线）打开该行所有 TFT。
- 数据信号通过列电极（源极线）写入电压到该行每个子像素的电容上。
- TFT 关闭后，电容上的电压得以保持，持续控制该子像素液晶的状态，直到下一次刷新。
- 优势：响应快、无串扰、可实现高分辨率、高刷新率。
被动矩阵驱动： 较早期的技术，直接将行电极和列电极交叉排列。通过逐行扫描施加电压来点亮交叉点的像素。缺点：响应慢、对比度低、易串扰、分辨率受限，主要用于简单显示器。

背光技术：

由于 LCD 本身不发光，必须依赖背光源。
CCFL： 早期使用冷阴极荧光灯管，功耗相对较高。
LED： 现代主流，使用发光二极管。分为：
- 侧光式： LED 灯条位于面板边缘，通过导光板将光均匀扩散到整个屏幕。优点：薄。
- 直下式： LED 灯珠均匀分布在面板后方。优点：亮度均匀性好，可实现局部调光，提升对比度（分区背光）。

段码LCD驱动原理

在这款开发板上配置的是段码单色LCD，自然反光，被动矩阵驱动。

其结构是：
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结合原理图就会有如下的驱动表:
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可以看到这款单色液晶的行列驱动排列与多组数码管的行列有相似之处。

那么为什么不能用数码管的方式直接io驱动呢？

单色液晶（特别是段码屏或点阵屏）和数码管（LED或荧光管）在矩阵排列结构上确实有相似之处（行线和列线交叉控制单元），但它们的物理工作原理和材料特性存在根本差异，这就导致了驱动电路和信号需求的显著不同。以下是关键区别：

1. 核心工作原理不同

数码管：
- 本质是发光二极管或荧光灯。
- LED数码管：施加正向直流电压（超过导通压降，如1.8-3.3V），电流通过PN结，电子空穴复合 直接发光 。
- 荧光数码管：灯丝加热阴极发射电子，阳极加正高压吸引电子轰击荧光粉发光。
- 关键：需要足够的电流驱动才能发光。 亮度直接由电流大小决定。
单色液晶：
- 本质是电控光阀。 本身不发光，依赖背光或环境光。
- 液晶分子在电场作用下改变排列方向，从而改变其 偏振光旋转能力 。
- 配合偏振片，控制光的通过与否（或通过多少）。
- 关键：需要电场控制液晶状态，而不是电流激发发光。 液晶层呈现高阻抗特性，更像一个电容。

2. 驱动信号的核心差异

数码管：
- 驱动信号：直流电压 + 足够电流。
- 静态驱动： 每个段/点需要独立的、持续的通路和驱动电流。
- 动态扫描驱动： 为了节省引脚，采用分时复用。在某个时刻，只给一行（共阴）或一列（共阳）施加有效电平（高电平或低电平），同时给该行/列上需要点亮的单元对应的列/行提供驱动电流。
- 关键： 驱动电路必须能 灌入或拉出足够的电流 （通常几mA到几十mA）使LED/荧光粉发光。驱动信号是直流（尽管扫描是动态的，但点亮期间加在单元上的电压是稳定的直流）。
单色液晶：
- 驱动信号：交流方波电压（无直流分量）。
- 核心要求：
  - 交流驱动： 液晶材料对直流电压极其敏感。持续施加直流电压会导致 电化学极化 ，造成液晶分子永久性破坏（电极老化、显示残留、寿命缩短）。必须使用对称的交流方波电压驱动，使得施加在液晶单元两端的平均直流电压为零。
  - 电压驱动： 液晶单元主要是 容性负载 （两个电极夹着绝缘的液晶层）。驱动电路需要提供的是 电压摆幅 ，而不是大电流。电流主要用于对电容充放电（位移电流），远小于数码管所需的发光电流（通常是微安级）。
  - 占空比驱动： 对于矩阵式LCD，也采用动态扫描（行扫描）。但核心驱动原理是给选中的行施加一个 选通电压 ，同时给需要开启（显示）的列施加一个与行电压相位差180° 的电压（产生最大压差）；给需要关闭（不显示）的列施加一个与行电压同相位的电压（产生最小压差）。这个压差就是作用在液晶单元上的有效电压（Vrms）。通过精确控制这个Vrms的大小，可以控制灰度（对于STN LCD）或保证稳定的开/关状态（对于TN LCD）。
  - 偏置电压： 为了在多路复用（动态扫描）时提高对比度和防止“鬼影”（非选中单元因压差而轻微开启），需要设计复杂的 偏置电压阶梯 。驱动芯片需要产生多个不同电平的电压（如1/3, 2/3 Vdd 等）。

3. 驱动电路的不同

数码管驱动电路：
- 核心元件： 电流源/电流阱能力强的器件。
- 常用方案：
  - 专用LED驱动IC： 内部集成恒流源、扫描逻辑、亮度控制（PWM）。
  - 晶体管阵列（如ULN2003）： 提供大电流灌入能力（共阴数码管）。
  - 逻辑门+限流电阻： 简单段码屏，MCU IO口直接驱动（需计算限流电阻，MCU IO电流能力要足够）。
- 特点： 电路相对简单，核心关注点是提供足够的驱动电流和 防止过流 。
单色液晶驱动电路：
- 核心元件： 能产生精确交流电压波形、多电平电压的器件。
- 必需组件： 专用LCD驱动控制器芯片 。
  - 内部集成：
    - 产生 交流驱动波形 （Frame Frequency）。
    - 产生多级 偏置电压 （通常通过电阻分压网络或电荷泵）。
    - 实现 多路复用的扫描时序 （行驱动）。
    - 包含 显示存储器 。
    - 电平转换器： 将逻辑电平（3.3V/5V）转换为LCD所需的更高驱动电压（Vlcd，通常3V-18V，取决于LCD类型和温度）。
    - 与微控制器的接口（并行、SPI、I2C）。
- 特点： 电路更复杂，核心关注点是 生成精确的交流电压波形 、 正确的偏置电压 、 避免直流分量 。

总结表格

特性	数码管 (LED/VFD)	单色液晶 (LCD)
核心原理	电流驱动发光(电致发光/阴极射线激发荧光)	电压控制光阀(电场改变液晶分子取向)
负载性质	阻性为主(需要恒定电流)	容性为主(需要电压摆幅)
驱动信号	直流(扫描时动态，点亮时直流)	必须交流方波(严格消除直流分量)
关键参数	驱动电流(mA级)	驱动电压(V级, RMS值) &偏置比
驱动核心	提供足够电流	提供精确交流电压波形 & 多电平偏置
主要威胁	过电流(烧毁)	直流电压(永久性损伤液晶)
驱动IC	相对简单 (恒流源、扫描逻辑)	复杂 (交流波形生成、偏置电压、电平转换、显存)
功耗	较高 (发光需要能量)	极低 (仅改变分子状态，不主动发光)

结论

虽然单色液晶矩阵和数码管矩阵在拓扑结构上相似（都是行/列交叉控制单元），但它们的 物理本质 （发光 vs 光阀）和 材料特性 （怕直流 vs 需电流）存在根本区别。数码管需要的是能提供稳定直流电流的驱动电路，而单色液晶则强制要求能产生精确交流电压波形、多电平偏置电压且严格避免直流分量的专用驱动电路。这种物理原理的差异是两者驱动方式迥异的根本原因。专用LCD驱动芯片就是为了解决这些核心需求（交流驱动、偏置电压、多路复用）而设计的复杂集成电路。