CN1181571A - 灰阶信号发生电路和液晶显示器 - Google Patents

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Abstract

一个波形表示一定数量的图象帧内的象素灰度,在每个帧内的一定时间间隔期间扫描该象素。每个间隔划分为几个部分。该波形在每个间隔的每个部分或具有高电平或具有低电平。根据象素的灰度,在上述数量帧的整个时间间隔内共有该波形的高电平部分数量按一个部分的步幅改变。在矩阵地址型显示器中,改变该波形使并排象素的波形不会一致地变高和变低。

Description

灰阶信号发生电路和液晶显示器
本发明涉及产生脉宽调制型灰阶信号的电路以及采用该电路的矩阵寻址式液晶显示器。
在许多液晶显示器中，每个象素仅有通和断状态，故中间灰度是通过反复将象素切换到通和断并控制该通-断占空比而显示的。该项技术称作帧速控制，或更通常地称为脉宽调制。在彩色显示诸如彩色液晶电视机中，通过混合不同强度的红、蓝和绿色，可以用该项技术显示大量色彩。即使涉及到色彩，术语“灰阶”仍通常用来表示这些强度。液晶电视机采用点阵寻址，其中，显示屏上的象素每次扫描一行。
现有的问题在于显示大量灰度需要自然的显示外景，期间扫描象素的时间间隔必须精细划分，要求有高频定时时钟信号。高频时钟信号的采用增加了显示器的功耗。此外，液晶材料必须能够以够得上定时时钟信号速度的速度响应于电压的变化，但具有极快响应时间的液晶材料却不易找到。
因此，本发明的目的在于减低通过脉宽调制产生灰阶信号所需定时时钟信号的频率。
本发明的另一目的在于避免产生闪烁。
根据本发明产生的灰阶信号表示连续多帧中显示的一幅图象中的象素灰度，在每一帧中的一定间隔期间扫描象素。这些间隔的每一间隔被划分为第一数目部分。产生一个波形跨越第二数目帧内的这些间隔，所述波形在每个帧内每个间隔的每个部分具有高电平或低电平。这样，该波形的部分总数等于第一数目乘以第二数目。在该部分总数中，响应于象素的灰度，该波形对于按一个部分步幅可变的部分数为高。灰阶信号由该波形产生。
当本发明的方法应用于驱动显示器内的多个象素时，改变灰阶信号的时序，使之即使有一定数目的并排象素具有相同的灰度，其灰阶信号的波形也非一致地为高和低。
附图中：
图1是本发明第一个实施例的灰阶信号发生电路的方框图；
图2是第一个实施例中灰阶波形发生器和选择器的示意图；
图3是说明第一个实施例操作的定时图；
图4是说明第一个实施例当用于驱动液晶显示器中两列相邻象素时其操作的定时图；
图5是说明常规的灰阶信号发生电路操作的定时图；
图6是本发明第二个实施例中灰阶信号发生电路的方框图；
图7是第二个实施例中帧时钟分配器、灰阶波形发生器和选择器的示意图；
图8是说明第二个实施例操作的定时图；
图9是说明第二个实施例当用于驱动液晶显示器中4列相邻象素时其操作的定时图。
以下将参照附图描述本发明的两个实施例。该两个实施例产生彩色液晶显示器中所用的灰阶信号。第一个实施例输出8个灰度。第二个实施例输出16个灰度。
参见图1，第一个实施例包括数据输入端1、定时时钟(TCLK)输入端2、帧时钟(FCLK)输入端3、灰阶存储器4、灰阶波形发生器5、选择器6、输出驱动器7以及输出端8。灰阶存储器4、灰阶波形发生器5和选择器6构成灰阶控制电路9。
输出驱动器7耦合到液晶显示器(未图示)中的列电极，并驱动一种原色(红、蓝或绿)中的一列象素。一次一行扫描显示器，一行包括一排象素。显示器具有各别输出驱动器7用于每一列中的每种原色，并同时扫描所有的列。
所显示的图象信号例如是数字电视信号，它划分为连续的帧，每帧包括连续的行，每行包括连续的象素。为了转换成液晶显示器中所用的一次一行扫描方式，必须将信号存储在存储器内。灰阶存储器4为一种原色，为一帧的一列中的至少一个象素存储数据。
由灰阶波形发生器5接收的帧时钟的一个周期相等于两个帧周期。这类帧时钟信号可以由帧脉冲信号产生，它包括位于每帧开头的一个脉冲，通过将作为时钟信号的脉冲馈到一个如此构成的触发电路，输出一个信号，在每个脉冲的高与低状态之间转换。
定时时钟的一个周期等于一个行扫描间隔的四分之一持续时间。在每个行扫描间隔期间，灰阶波形发生器5输出8个脉宽调制灰阶波形。选择器6根据从灰阶存储器4读得的用于一个象素的数据，选择这些波形之一，并由此产生灰阶波形G。输出驱动器7将波形G转换为灰阶信号，它具有驱动液晶显示器所需的电压电平。
灰阶存储器4具有3条输出信号线，每条信号线运送一位输出数据。这些位表示从0到7的8个灰度，如表1所示。
表1
灰度  位2   位1  位0
 0     0     0    0
 1     0     0    1
 2     0     1    0
 3     0     1    1
 4     1     0    0
 5     1     0    1
 6     1     1    0
 7     1     1    1
图2表示灰阶波形发生器5和选择器6的内部结构。
灰阶波形发生器5包括互连的一对D触发器11和12，以将定时时钟信号(TCLK)的频率除以2和4；反相器13，将帧时钟信号(FCLK)反相；8个逻辑门，诸如3输入端或门14、2输入端或门15、2输入端与门16和3输入端与门17，对触发器11和12以及反相器13的输出执行逻辑操作。这些操作产生了8个不同波形，加到选择6。
选择器6包括8个三输入端与门，对来自灰阶存储器4的位信号进行解码。例如，与门18对位0、1和2的反相值进行逻辑与。
选择器6还包括8个两输入端与门，从与门19至与门20。当从灰阶存储器4收到的位0、位1和位2均为低时，两输入端与门19响应于三输入端与门18的输出，选择来自灰阶波形发生器5的始终为低的接地波形。根据选择器6中其他三输入端与门的输出，选择器6中的其他两输入端与门选择灰阶波形发生器5中逻辑电路产生的波形。
这些两输入端与门19至与门20的输出采用线-或结构耦合，以产生灰阶波形G。波形G的电位，当选择器6中所有两输入端与门的输出均为低时，其为低；当选择器6中至少一个两输入端与门的输出为高时则为高。
接下来将描述第一个实施例的操作。
图3表示定时时钟信号(TCLK)、帧时钟信号(FCLK)、由反相器13产生的反相帧时钟信号( F C L K)、触发器11的输出 Q11、触发器12的输出 Q12以及相对输入数据值从0(‘000’)至7(‘111’)时的选择器6的输出G。在两个连续帧的第一行扫描间隔TS1和TS2期间，输出波形G表示为：偶数帧2n和接下来的奇数帧2n+1。每个波形中，高电平对应于逻辑1，低电平对应于逻辑0。
假定该象素的数据不在帧2n和2n+1之间变化，输出波形G表示第一行中一个象素的灰度。以下将参照图2和图3描述两个输出波形的产生。
如果灰度为0(‘000’)，选择器6中与门18的输出变高，使与门19选择由波形发生器5输出的低电平波形。选择器6中其他所有与门的输出为低。因此，选择器6输出的波形G在间隔TS1和TS2期间保留为低。
如果灰度为1(‘001’)，门18上的三输入端与门的输出变高，使门19上的两输入端与门选择灰阶波形发生器5中与门17的输出。当 F C L K， Q11和 Q12均为高，即在行间隔TS1的第一定时时钟周期Tc期间所发生的一种情况时该输出为高。
通过类似的逻辑运算产生其他输出波形，这可以由图2很容易地得到证实。如图3所示，第一个实施例在具有两个连续帧的一个周期内执行对灰阶波形G的脉宽调制，由此获得8个灰度，尽管定时时钟信号TCLK将每个行扫描间隔划分为仅仅4部分持续时间Tc。这是因为该波形跨越了两个行扫描间隔，包括8部分持续时间Tc和若干波形为高的这些部分可以以一个部分的步骤改变。
当然，灰阶波形G不仅包括用于第一扫描行中象素的一个波形，而且包括用于其他扫描行中相同列中象素的其他波形，在每个帧中一个接一个。
如果象素的灰度例如从帧2n中的0(‘000’)改变为帧2n+1中的4(‘100’)，输出信号G将自始至终在间隔TS2维持为低，好像没有发生过改变一样。然而，如果下一帧2n+2中灰度维持为4(‘100’)或较高灰度，输出信号G将自始至终在帧2n+2的第一行扫描间隔变为高。因此，在新的灰度输出中有一帧延迟，但是按电视帧速这一延迟并不明显。
当采用第一个实施例驱动液晶显示器时，例如用图2所示的电路结构驱动偶数列。在奇数列中，通过从灰阶波形发生器5中去除反相器13而改变电路结构。图4表示去除反相器13后的结果，它表示从零(‘000’)至7(‘111’)每个灰度的偶数列2k和相邻奇数列2k+1中的灰阶波形G。可见，去除反相器13使奇数列中一半波形G的偶数帧和奇数帧相反。因此，即使列2k中的象素和列2k+1中相邻象素具有相同的灰度，它们的灰阶波形也不会一致变高和变低。
这种设置避免了闪烁。例如，考虑一个显示器，其中所有灰度均为从0(‘000’)至4(‘100’)的范围。如果所有输出驱动器7都接收图3所示的波形G，则高电平部分将集中于偶数帧；在奇数帧期间整个屏幕将变成灰度0，由此产生明显的闪烁。然而，至于图4中的波形，高电平部分相等地分布在奇数帧和偶数帧中，消除了闪烁。
顺便而言，尽管每一列要求有独立的输出驱动器7、选择器6和灰阶存储器4，但偶数列中多个选择器6可以共用一个灰阶波形发生器5，奇数列中的多个选择器6可以共用一个无反相器13的灰阶波形发生器5。
与第一个实施例比较，图5表示在一帧内通过脉宽调制产生8个灰度的常规方法。为了将行扫描间隔Ts划分为8个部分，必须使定时时钟信号的频率为第一个实施例的两倍那样高，功耗也相应增大。
接下来将描述第二个实施例。第二个实施例采用与第一个实施例相同的定时和帧时钟信号，但获得了两倍那样多的灰度。
参见图6，第二个实施例具有与第一个实施例相同的输入端1、2和3，输出端8以及输出驱动器7。第二个实施例中的灰阶存储器输出4位数据，位3为最有效位。帧时钟分配器22将帧时钟(FCLK)频率除以2。灰阶波形发生器23将16个灰阶波形提供给选择器24，后者根据灰阶存储器21的输出选择这些波形之一。灰阶存储器21、帧时钟分配器22、灰阶波形发生器23和选择器24构成灰阶控制电路25。
图7表示帧时钟分配器22、灰阶波形发生器23和选择器24的内部结构。
帧时钟分配器22包括D触发器31。该触发器的Q输出信号的频率为帧时钟信号(FCLK)之频率的一半。诸如或非门32和与非门33之类的逻辑门对FCLK以及触发器31的反相和同相的输出( Q31和Q31)完成逻辑操作，以产生帧时钟分配器22的输出信号。
灰阶波形发生器23包括一对互连的D触发器34和35将定时时钟信号(TCLK)的频率除以2和4，以及各种逻辑门例如或非门36、与门37和与非门38。这些门电路对触发器34和35的同相输出(Q34和Q35)，触发器35的反相输出( Q35)以及从帧时钟分配器22收到的输出信号完成逻辑操作，产生16个灰阶波形送到选择器24。
选择器24包括4个反相器39和16个5输入端与门40，该4个反相器对来自灰阶存储器21的位信号(位3、位2、位1和位0)进行反相。5输入端与门40根据位信号的值选择灰阶波形发生器23的16个输出信号之一。5输入端与门40的输出与线“或”逻辑组合产生灰阶波形G，当5输入端与门40的任一输出为高时其为高。
图8表示定时时钟(TCLK)、帧时钟(FCLK)、由触发器31输出的分帧时钟Q31，由触发器34和35的Q输出端输出的分定时信号Q34和Q35的波形，以及在4个连续帧的第一行扫描间隔(TS1、TS2、TS3或TS4)中输出的灰阶波形G，灰度为0(‘0000’)至15(‘1111’)。帧的编号为4n至4n+3。
由于图8所示的波形可以直接从图7执行的逻辑操作中得到验证，故省略对第二个实施例之操作的详细描述。
当采用第二个实施例驱动一个液晶显示器时，用图7所示的电路结构驱动每第四列，例如驱动列号为4k的列，其中k为整数。
在接下来邻近的一列(4k+1)，通过将一个反相器加到帧时钟分配器22使波形时序偏移一个帧，并用反相的帧时钟信号(FCLK-)代替同相的帧时钟信号(FCLK)。
在下一个邻近列(4k+2)，FCLK未反相，但触发器31的反相输出( Q31)与同相输出(Q31)连接互换。由此使波形时序相对图8偏移2帧。
再下一个邻近列(4k+3)，FCLK为反相， Q31与Q31的连接也互换。由此使波形时序偏移3帧。
图9表示在4个连续帧4n，4n+1，4n+2和4n+3的第一行扫描间隔期间，以4个列4k，4k+1，4k+2和4k+3为一组的灰阶波形时序。
如果灰度为0至3，则在相对列4k的帧4n、相对列4k+1的帧4n+1、相对列4k+2的帧4n+2或相对列4k+3的帧4n+3产生宽度为行扫描间隔的零至四分之三的脉冲，如图9第一组4个波形中的虚线箭头所示。
如果灰度为4至7，则相对列4k在帧4n产生宽度为一个行扫描间隔的脉冲，继之以在帧4n+1是较窄的脉冲。这些脉冲相对列4k+1滞后至帧4n+1和4n+2，相对列4k+2滞后至帧4n+2和4n+3。相对列4k+3，帧4n+3出现宽脉冲，帧4n出现较窄的脉冲。
在灰度8至11和12至15可见类似的时序偏移量。如第一个实施例那样，通过趋向于将高输出电平均匀地分布于各帧，该波形的偏移量可以避免闪烁。
与仅在一帧内通过脉宽调制产生灰阶信号的常规方法相比，该第二个实施例将所需的定时时钟频率减少到四分之一。采用此种方式可以节省相当的电力，而且大大放宽了对液晶材料响应速度的要求。
本发明并不局限于上述两个实施例。
灰阶波形发生器和选择器并不局限于图2和图7所示的逻辑电路结构，还可以有许多变换。
图7所示由帧时钟分配器22根据分配的帧时钟信号，并根据这些信号和帧时钟信号执行逻辑操作，但这些逻辑操作也可以由灰阶波形发生器23执行。
通过既从列到列又从行到行位移输出时序，还可以改善图4和图9所示的时序偏移方案以防止垂直行的闪烁。例如，第一个实施例中，可以在灰阶波形发生器内提供附加逻辑，在交替的行扫描间隔内使帧时钟信号反相。
液晶电视是本发明可以实际应用的诸多应用领域之一。液晶投影机是本发明的另一潜在应用领域。本发明还潜在地适用于能显示连续图象帧，利用脉宽调制控制图象象素灰度的任何矩阵地址型器件。
根据所采用的扫描类型，某些应用可以取消灰阶存储器。
本领域的熟练人员应当明白，在所附权利要求书的范围内还可作出进一步的变换。

Claims (17)

1.一种产生灰阶信号的方法，该灰阶信号表示图象象素的灰度，该图象以连续的帧显示，在每个帧的一定时间间隔期间扫描所述的象素，其特征在于所述方法包括以下步骤：
将每个所述间隔划分为第一数目部分；
产生一个波形跨越第二数目所述帧内的每个所述间隔，所述波形的电平从每个所述部分的高电平与低电平中选择，这样，所述波形的部分总数等于所述第一数目乘以所述第二数目，其中，响应于所述灰度，对于按一个部分步幅可变的部分数目而言所述波形的部分总数为高；以及
由所述波形产生所述灰阶信号。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于所述方法用于为置于一行内的多个象素产生灰阶信号，并使所述灰阶信号的时序偏移成即使所述象素具有相同的灰度，所述灰阶信号的波形也不一致变为高和低。
3.如权利要求2所述的方法，其特征在于所述多个象素包括所述第二数目的象素，由此为相同灰度所产生的波形按一帧的步幅相互偏移。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于所述产生波形的步骤包括以下步骤：
接收一个周期等于所述部分之一的定时时钟信号；
在频率上划分所述定时时钟信号以生成至少一个划分的定时信号；
接收一个周期等于两帧的帧时钟信号；
对所述划分的定时信号和所述帧时钟信号执行逻辑操作，由此产生多个不同波形；以及
通过按所述灰度从所述不同的波形中进行选择而生成所述波形。
5.如权利要求4所述的方法，其特征在于所述产生波形的步骤包括进一步划分所述帧时钟信号以生成划分的帧时钟信号的步骤，所述逻辑操作还依据所述划分的帧时钟信号执行。
6.一种产生灰阶信号的灰阶信号发生电路，该灰阶信号表示图象象素的灰度，该图象以连续的帧显示，在每个帧的一定时间间隔期间扫描所述的象素，其特征在于包括：
灰阶控制电路，将每个所述间隔划分为第一数目部分，并产生一个波形跨越第二数目所述帧内的每个所述间隔，所述波形的电平从所述部分的每个部分的高电平与低电平之间选择，这样，所述波形的部分总数等于所述第一数目乘以所述第二数目，其中，响应于所述灰度，对于按一个部分步幅可变的部分数目而言所述波形的部分总数为高。
7.如权利要求6所述的灰阶信号发生电路，其特征在于进一步包括耦合到所述所述灰阶控制电路的输出驱动器，用以接收由所述灰阶控制电路产生的波形，并由其产生灰阶信号驱动液晶显示器。
8.如权利要求6所述的灰阶信号发生电路，其特征在于所述灰阶控制电路包括：
灰阶波形发生器，它接收定时时钟信号和帧时钟信号，所述定时时钟信号的周期等于所述部分的一个部分，所述帧时钟信号的周期等于所述帧的两帧，所述灰阶波形发生器按频率划分所述定时时钟信号，产生至少一个划分的定时信号，并根据所述划分的定时信号和所述帧时钟信号执行逻辑操作，由此产生多个不同的波形；以及
耦合到所述灰阶波形发生器的选择器，通过从所述灰阶波形发生器产生的不同波形中进行选择，生成由所述灰阶控制电路产生的波形。
9.如权利要求8所述的灰阶信号发生电路，其特征在于所述灰阶控制电路进一步包括耦合到所述灰阶波形发生器的帧时钟分配器，它用以按频率划分所述帧时钟信号以生成划分的帧时钟信号，所述灰阶波形发生器还根据所述划分的帧时钟信号执行逻辑操作，以产生所述多个不同波形。
10.如权利要求8所述的灰阶信号发生电路，其特征在于所述灰阶控制电路进一步包括耦合到所述选择器的灰阶存储器，用以存储表示所述象素灰度的数据，并将所述数据加到每个所述帧内的所述选择器。
11.一种矩阵地址型液晶显示器，其象素按行和列排列，它用以显示由连续的帧组成的图象，在每个帧内连续扫描所述的行，每个行用一定的时间间隔扫描，所述象素用不同的灰度显示，其特征在于每个列包括：
灰阶控制电路，将每个所述间隔划分为第一数目部分，并产生一个波形跨越第二数目的所述帧，所述波形的电平从所述部分的每个部分的高电平与低电平之间选择，这样，对于所述列中的每个象素，所述波形的部分总数等于所述第一数目乘以所述第二数目，其中，响应于所述象素灰度，对于按一个部分步幅可变的部分数目而言所述波形的部分总数为高。
12.如权利要求11所述的液晶显示器，其特征在于每个所述列进一步包括耦合到灰阶控制电路的输出驱动器，用以根据由所述灰阶控制电路产生的各个波形驱动所述列中的象素。
13.如权利要求11所述的液晶显示器，其特征在于进一步包括：
至少一个灰阶波形发生器，它接收定时时钟信号和帧时钟信号，所述定时时钟信号的周期等于所述部分的一个部分，所述帧时钟信号的周期等于所述帧的两帧，它用以按频率划分所述定时时钟信号，以生成至少一个划分的定时信号，并根据所述划分的定时信号和所述帧时钟信号执行逻辑操作，由此产生多个不同波形；其中
每个所述灰阶控制电路有一个选择器耦合到一个灰阶波形发生器，根据所述象素灰度，通过从所述灰阶波形发生器产生的波形中进行选择，生成由所述灰阶控制电路产生的波形。
14.如权利要求13所述的液晶显示器，其特征在于进一步包括耦合到所述灰阶波形发生器的帧时钟驱动器，它用以按频率划分所述帧时钟信号，以生成划分的帧时钟信号，所述灰阶波形发生器还根据所述划分的帧时钟信号执行逻辑操作，以产生所述多个不同波形。
15.如权利要求13所述的液晶显示器，其特征在于每个所述灰阶控制电路进一步包括用以存储一列内至少一个象素的灰阶存储器。
16.如权利要求13所述的液晶显示器，其特征在于包括如权利要求11所述的至少两个灰阶波形发生器，所述灰阶波形发生器执行不同的逻辑操作，由此产生多个不同的波形，其中：
将所述的列划分为组；
在每个组内将用于每个列的灰阶控制电路耦合到不同的灰阶波形发生器；以及
使所述灰阶波形发生器所产生的波形各不相同，这样，即使一行内的所有象素都具有相同的灰度，但在各个列的每个组内，由不同灰阶控制电路产生的波形非一致地变为高和低。
17.如权利要求16所述的液晶显示器，其特征在于：
每个所述组包括所述第二数目的列；以及
相对相同的灰度，用于同一组内不同列的所述灰阶控制电路所产生的波形以一帧的步幅相互偏移。
CNB971211345A 1996-10-16 1997-10-16 灰阶信号发生电路及方法和液晶显示器 Expired - Fee Related CN1159691C (zh)

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