一种实用的段码式LCD驱动电路的硬件设计

一 、概述
 仪器仪表中常用的显示器有两种，一是发光二极管（LED）,二是液晶显示器（LCD）。这两种显示器成本低廉，配置灵活，与单片机接口方便，而后者驱动电流小，功耗低、寿命长、字形美观、显示清晰、视角大、驱动方式灵活、应用广泛【1】。但在控制上LCD较复杂，因为LCD电极之间的相对电压直流平均值必须为0【2】，否则易引起LCD氧化，因此LCD不能简单地用电平信号控制，而要用一定波形的方波序列来控制。LCD显示有静态和时分割两种方
式，前者简单，但是需要较多的口线；后者复杂，但所需口线较少，这两种方式由电极引线的选择方式确定。下面以电子表的液晶显示为例，其显示面板如图（1）所示,小时的高位同时灭或亮，分钟的高位在显示数码1～5时，其顶部和底部也是同时灭或亮，两个dot点也是同时亮或灭，其驱动方式是偏置比为1/2的时分割驱动，共有11个段电极和两个公共电极。

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图（1）
二 、LCD的显示原理
一般物质可分为气体，液体及固体。但有些物质的特性不属于这3种，液晶就是其中的一种，它不是完全的液体，也不是完全的固体。它能像液体般流动，又具有固体状的结晶。在自然状态下，液晶分子放置于很细的凹曹内，液晶分子会依照凹槽方向排列【3】。LCD显示器就是利用液晶的这些性质工作的。在LCD显示器的上下两电极间加有液晶材料，液晶分子呈平行排列，具有旋光性，平时呈透明态，当上下电极间加上一定电压时，液晶分子转成垂直排列，失去旋光性而呈黑色【4】。为了防止液晶氧化，要求LCD电极之间的相对电压直流平均值必须为零【1】，因此LCD不能简单用电平信号驱动，而要用一定的方波序列来驱动。其驱动波形是很讲究的，以偏置比为1/2的时分割方式为例。 图（2）示出了欲使某一笔画亮或不亮在段极和公共电极上应该产生的波形。从图（2）中可以看出，B1与COM2的波形方向，所以B1亮；B3与COM1的波形同向，所以B3灭【5】。（其中，B1和B3共用一个SEG端口）
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图（2）
一般COM端口的波形总是固定的，对动态1/2时分割方式，COM1和COM2端的波形是反相的，要控制各笔画的显示与熄灭，就必须在相应电极上产生合适的波形。波形的实现有如下特点：1）、两根公共电极上看出，两根公共电极有3种电平，它们分别是0V，1.5V和3V三种电压；2）、两根公共电极COM1和COM2波形是方向的；3）、公共电极和段码的驱动波形的周期是相同的，其中公共电极每个周期变化4次，段码每个周期变化两次，是方波信号。因为公共电极的驱动波形的特点，在业界，大都采用单片机和相应的软件来产生公共电极的驱动波形，而对于ASIC的设计来说，如果采用上述方法，就占用了很大的芯片面积，增加了成本。因此，本文将要介绍一种实用的数字和模拟电路作为段码式LCD的驱动 。
三 、LCD显示驱动电路设计
1. COM1和COM2波形产生电路
设计要点：正如在显示原理部分所述，两个公共电极的波形是固定的，它有3种电平，分别是0V，1.5V，3V，每个周期变化4次，COM1和COM2的波形是方向的。图（3）给出了解决方案，该电路由NMOS管和3态控制门构成，DA的频率是d3的2倍，其中NMOS管接1.5V电压，3态门用3V电压，这样就能够产生每个周期变化4次，有3种电平的固定公共电极波形。为了能够被人眼识别，d3的频率采用了10Hz，由该电路产生的HSPICE波形如图（3－1）所示（用1.5V电源供电，3V的电压由外围的倍压电路产生）。达到这样的设计要求，图（3）中，N管的W/L＝28uM/4uM，3态门的两个P管的W/L＝8uM/3uM，两个N管的W/L＝4uM/3uM。
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图（3）[!--empirenews.page--]

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图 （3 －1）
2. SEG口电路和波形
技术要点：11个段极和2个公共电极共同驱动电子表的显示，段极和公共电极周期要保持相同。其解决方案如图（4）所示，图 （4）是段极驱动电路，它是由一个异或门和一个非门电路搭成，为了让公共电极和段极周期保持一致，输入信号d3和COM电路中的d3是同一个信号，都是频率为10Hz的周期方波；D1的信号是由译码电路产生，它决定电子表显示数码译码，产生的结果由三种类型，恒为高电平1，恒为电平0，周期方波（其频率为d3的2倍，周期为其1/2），图 （4－1）,图（ 4－2）,图（ 4－3）分别是上面3种情况对应的verilog_xl产生的波形。SEG口就是用数字电路来实现的，对于晶体管的尺寸没有要求。

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图（4）

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从公共电极和段码电极的仿真波形可以看出，设计的电路符合液晶显示原理的要求，公共电极每个周期变化4次和3种不同的电平，公共电极和段极的周期要保持一致，欲使某一笔划亮或者不亮,则段极（SEG）和（COM）口要满足一定关系，其关系如下表所示：当SEG口和COM1口反相的时候，对应的段极亮，同相时，对应的段极灭。
四 、总结
   本文介绍的LCD驱动电路完全由硬件实现,而且由很少的晶体管搭建,设计精巧,它可以很好的集成在专用集成电路中,作为LCD的驱动电路LCD,这减少了成本,具有市场竞争优势。这是和市场上其他由硬件和软件共同实现LCD驱动不同的地方。我们已将该LCD驱动电路模块集成在ASIC咖啡壶芯片中,该芯片已经完成了FPAG验证和布局布线，并在上华进行MPW。