TWI760666B

TWI760666B - 量測液晶顯示器的反應時間的量測系統及方法

Info

Publication number: TWI760666B
Application number: TW108145293A
Authority: TW
Inventors: 陳雍之; 林偉智; 魏瑞德; 陳柏安
Original assignee: 瑞昱半導體股份有限公司
Priority date: 2019-12-11
Filing date: 2019-12-11
Publication date: 2022-04-11
Also published as: US20210183284A1; US11100828B2; TW202123696A

Abstract

一種量測液晶顯示器的反應時間的量測系統及方法。量測系統包含感光元件、類比數位轉換器、參考電壓源及傳輸介面。感光元件感測液晶顯示器之顯示面板的亮度的變化，以產生電壓訊號。類比數位轉換器將電壓訊號轉換成數位訊號。參考電壓源提供參考電壓至類比數位轉換器，以使類比數位轉換器依據參考電壓動態地調整類比數位轉換器對於其輸入電壓的可轉換電壓範圍。傳輸介面將數位訊號傳送至電腦，以使電腦依據所接收到的數位訊號，計算出液晶顯示器的反應時間。

Description

量測液晶顯示器的反應時間的量測系統及方法

本發明係有關於一種量測液晶顯示器的反應時間(response time)的量測系統及方法，尤指一種用以量測液晶顯示器的反應時間並可動態地調整其類比數位轉換器之電壓量測範圍的量測系統及方法。

液晶顯示器的反應時間是指液晶顯示器中液晶轉態所需耗費的時間，而反應時間的快慢會直接影響到使用者的觀看感受。近年來液晶顯示器更是會特別標註其反應時間為多少，而對於廠商或是使用者來說，一套適合用來開發產品或驗證產品的反應時間量測系統是不可或缺的。

目前市面上有能夠量測顯示器反應時間的儀器，但其造價往往相當昂貴，非一般使用者所能負擔。再者，一般量測液晶顯示器反應時間的設備，其精準度並無法動態地調整，故需要一種具有可動態調整精準度功能且可量測液晶顯示器反應時間的設備及方法。

本發明另一實施例提供一種量測液晶顯示器的反應時間的方法，其包含：將顯示訊號傳送至液晶顯示器，以使液晶顯示器依據顯示訊號顯示畫面；藉由感光元件感測液晶顯示器的顯示面板的亮度的變化，以產生電壓訊號；至少藉由類比數位轉換器，將電壓訊號轉換成數位訊號；藉由參考電壓源提供參考電壓至類比數位轉換器，以使類比數位轉換器依據參考電壓動態地調整類比數位轉換器對於其輸入電壓的可轉換電壓範圍；藉由傳輸介面將數位訊號傳送至電腦；以及電腦依據所接收到的數位訊號，計算出液晶顯示器的反應時間。

本發明另一實施例提供。量測系統包含感光元件、類比數位轉換器、參考電壓源及傳輸介面。感光元件用以感測液晶顯示器的顯示面板的亮度的變化，以產生電壓訊號。類比數位轉換器用以將電壓訊號轉換成數位訊號。參考電壓源用以提供參考電壓至類比數位轉換器，以使類比數位轉換器依據參考電壓動態地調整類比數位轉換器所能夠分辨的輸入電壓的最大值。傳輸介面用以將數位訊號傳送至電腦，以使電腦依據所接收到的數位訊號，計算出液晶顯示器的反應時間。

在本發明另一實施例中，上述量測系統還包含放大電路，用以將電壓訊號放大為放大電壓訊號。其中，類比數位轉換器則是用以將放大電壓訊號轉換成數位訊號。

本發明提出一套量測液晶顯示器的反應時間的系統架構，讓使用者可以透過簡單且易取得的元件來組裝出適合的量測系統。

第1圖是本發明一實施例的量測系統100與待測的液晶顯示器10及所連接的電腦20的功能方塊圖。量測系統100及液晶顯示器10耦接於電腦20。其中，液晶顯示器10包含控制電路14以及顯示面板12。控制電路14從電腦20接收顯示訊號Si，以依據所接收到的顯示訊號Si控制顯示面板12的多個像素顯示對應的畫面，而顯示面板12中的液晶則會在顯示面板12顯示不同的畫面時被控地進行轉態(即：極性轉換)，以避免液晶因發生極化現象而逐漸失去其旋光的特性。當顯示面板12的液晶進行轉態時，就會造成顯示面板12的亮度Lu變化。因此，藉由量測亮度Lu的變化，即可得到液晶顯示器10的反應時間(即液晶轉態時所需的時間)。量測系統100則是用以量測液晶顯示器10的亮度Lu的變化，並將所量測到的亮度Lu轉換成數位訊號D，並將數位訊號D傳送給電腦20，以使電腦20的中央處理器24所執行的應用程式22依據所接收到的數位訊號D計算出液晶顯示器10的反應時間Tr。

開始量測時，電腦20會發出訊號通知量測系統100開始量測，同時電腦20可以透過顯示訊號Si切換目標量測畫面，使顯示面板12的液晶開始轉態。量測系統100與電腦20之間的溝通可以是雙向或是單向，這取決於使用者所選擇的傳輸介面。當量測系統100接受到電腦20開始量測的訊號之後，便開始量測亮度Lu並將數位訊號D傳送給電腦20。量測的結束方式可以透過電腦20主動發起結束訊號以通知量測系統100停止量測。例如，當電腦20收到數位訊號D足夠的資料量之後，便主動通知量測系統100結束量測。此外，量測的結束方式也可以是當量測系統100發現顯示面板12的畫面已不再變化時，便主動地通知電腦20結束量測。

第2圖是第1圖之量測系統100的功能方塊圖。量測系統100包含感光元件110、類比數位轉換器(Analog to Digital Converter；簡稱ADC)130、傳輸介面150及參考電壓源160。感光元件110用以感測液晶顯示器10的顯示面板12的亮度Lu之變化，以產生電壓訊號Vs。感光元件110可以是電荷耦合器件(Charge-coupled Device；簡稱CCD)、互補式金屬氧化物半導體(Complementary Metal-Oxide-Semiconductor；簡稱CMOS)等感光元件。類比數位轉換器130則用以將電壓訊號Vs轉換成數位訊號D。傳輸介面150連接於電腦20，用以將數位訊號D傳送至電腦20，以使電腦20依據所接收到的數位訊號D，計算出液晶顯示器10的反應時間。參考電壓源160則是用以提供參考電壓Vref至類比數位轉換器130。

以下將就量測系統100的各元件要如何地選擇進行說明。首先，感光元件110在供應不同的工作電壓下，其所能偵測的最大亮度會有不同。假設感光元件110的工作電壓範圍為V_{seneor_min} 到V_{seneor_max} 伏特(Voltage)，而當感光元件11以V_{seneor_min} 伏特進行供電時，感光元件11所能偵測的最大亮度為Lv_{seneor_min} 燭光(Candela)；當感光元件11以V_{seneor_max} 伏特進行供電時，感光元件11所能偵測的最大亮度為Lv_{seneor_max} 燭光。倘若顯示面板12的亮度Lu的最小亮度與最大亮度分別為Lv_{LCD_min} 燭光與Lv_{LCD_max} 燭光，則只要Lv_{LCD_min} 與Lv_{LCD_max} 都介於Lv_{seneor_min} 與Lv_{seneor_max} 之間（如式1），則此感光元件110即符合所需。 Lv_{seneor_min} ≦Lv_{LCD_min} ≦Lv_{LCD_max} ≦Lv_{seneor_max} （式1）

此外，感光元件110的工作電壓只需要達到Lv_{LCD_max} 燭光所對應的V_{LCD_max} 伏特即可。其中，當感光元件110以V_{LCD_max} 伏特供電時，其所能偵測的最大亮度為Lv_{LCD_max} 燭光，而此時感光元件110的所輸出的電壓訊號Vs的電位也會等於V_{LCD_max} 伏特。

對於類比數位轉換器130來說，其選擇的重點在於其電壓擷取範圍及取樣頻率，而類比數位轉換器130又可從電壓擷取範圍延伸出類比數位轉換器130的數位解析度及其所使用的參考電壓。假設所選用的感光元件110的所輸出的電壓訊號Vs的電壓範圍為V_{s_min} 到V_{s_max} 伏特，而類比數位轉換器130的電壓擷取範圍為V_{ADC_min} 到V_{ADC_max} 伏特。其中，V_{s_min} 為電壓訊號Vs的最小值，V_{s_max} 為電壓訊號Vs的最大值，V_{ADC_min} 是類比數位轉換器130額定所能擷取的輸入電壓的最小值，而V_{ADC_max} 是類比數位轉換器130額定所能擷取的輸入電壓的最大值。只要V_{s_min} 與V_{s_max} 的值都介於V_{ADC_min} 與V_{ADC_max} 之間（如式2），即代表此類比數位轉換器130的電壓擷取範圍是符合需求的。 V_{ADC_min} ≦V_{s_min} ≦V_{s_max} ≦V_{ADC_max} （式2）

對於不同的類比數位轉換器130，其有著不同的數位解析度。例如：類比數位轉換器130的數位解析度可以是8位元、10位元、12位元、16位元等等。如何決定該採用哪種數位解析度的類比數位轉換器130，這取決於待測的顯示面板12的最低亮度。假設待測顯示面板12的最低亮度為Lv_{LCD_min} 燭光，而其次低亮度為Lv_{LCD_second_min} 燭光，此兩亮度由感光元件110所偵測出而輸出的電壓訊號Vs的電壓值分別為V_{LCD_min} 與V_{LCD_second_min} 伏特，而V_{LCD_min} 與V_{LCD_second_min} 之間的差值為

(如式3)。

（式3）其中最低亮度Lv_{LCD_min} 是當顯示面板12的所有像素以最小灰階值時，顯示面板12的亮度；而次低亮度Lv_{LCD_second_min} 則是當顯示面板12的所有像素以次低灰階值時，顯示面板12的亮度。舉例而言，在顯示訊號Si包含八位元的灰階資料的系統中，其灰階值的範圍為0至255共256個灰階，而上述的最小灰階值及次低灰階值即可分別為0和1。

假設所選用的類比數位轉換器130其數位解析度為N位元，而類比數位轉換器130的解析度以Resolution_ADC 表示。則Resolution_ADC 與N之間具有如下式4的關係：

（式4）

假設上述的差值

佔ADC的電壓範圍V_{ADC_min} 與V_{ADC_max} 的比例為Resolution_min ，其中Resolution_min 可由下列的式5表示：

（式5）

當Resolution_min 大於類比數位轉換器130的解析度Resolution_ADC 時，即滿足下列式6時，即表示此類比數位轉換器130的數位解析度是滿足需要的。 Resolution_min ＞Resolution_ADC （式6）

類比數位轉換器130的取樣頻率則取決於顯示面板12的反應時間與使用者所能接受的誤差，假設待測的顯示面板12之最短的反應時間為ResponseTime_{LCD_fast} 毫秒(millisecond)，類比數位轉換器130的取樣頻率為SampleRate_ADC 赫茲(Hz)，而類比數位轉換器130所能偵測的最短時間為

毫秒，則

可由下列的式7表示：

（式7）

假設類比數位轉換器130因為取樣頻率而產生的最大誤差為Error_max 個百分比(即Error_max %)，則Error_max 可由下列的式8表示：

（式8）只要最大誤差Error_max 在使用者可接受的最大誤差範圍內，即可認為此類比數位轉換器130是適用的。

當感光元件110以V_{LCD_max} 伏特供電時，感光元件110的所輸出的電壓訊號Vs的電位的最大值與最小值分別為V_{LCD_max} 及V_{LCD_min} 伏特。假設電壓訊號Vs的電位的最大電壓變化為

伏特，則

可由下列的式9表示：

（式9）

因顯示面板12的亮度Lu會有變化，故量測系統100要能夠分辨出亮度Lu不同的亮度變化。然而，若類比數位轉換器130將對應的最大電壓變化

伏特與最小電壓變化

伏特都套用同樣的解析度Resolution_ADC 的話，則可能會發生類比數位轉換器130可以解析

但卻無法解析

的問題。為此，量測系統100可以使用放大電路來增加電壓差，或是選用其參考電壓可被調整的類比數位轉換器130，以改變量測系統100解析電壓訊號Vs的準確度。

第3圖是本發明另一實施例之量測系統200的功能方塊圖。量測系統200與第2圖的量測系統100之間最主要的不同點在於量測系統200另包含放大電路120，用以將感光元件110所輸出的電壓訊號Vs放大為放大電壓訊號Va。之後，類比數位轉換器130再將放大電壓訊號Va轉換成數位訊號D。量測系統200適用於上述的

太小而無法被類比數位轉換器130正確解析的情況。藉由放大電路120，可將

放大為

，而使原本因

太小而無法對

正確解析的類比數位轉換器130，得以正確地解析

。

可由下列的式10表示：

（式10）其中，A_Amplifier 為放大電路120的增益，且A_Amplifier 大於1。

此外，假設上述的差值

佔ADC的電壓範圍V_{ADC_min} 與V_{ADC_max} 的比例為Resolution_{min_modify} ，而Resolution_{min_modify} 可由下列的式11表示：

（式11）其中，只要Resolution_{min_modify} 大於Resolution_ADC ，即可在不改變感光元件110與類比數位轉換器130的前提下，只透過加入放大電路120來讓量測系統200成功地量測電壓訊號Vs，並輸出數位訊號D。

此外，類比數位轉換器130本身對其輸入電壓的可轉換電壓範圍是依據參考電壓Vref而設定的。換言之，藉由調整參考電壓Vref，即可對類比數位轉換器130的可轉換電壓範圍進行調整。參考電壓Vref會等於類比數位轉換器130的可轉換電壓範圍的上限值，並小於或等於類比數位轉換器130額定所能擷取的輸入電壓的最大值V_{ADC_max} ，如下列式12所示。 Vref≦V_{ADC_max} （式12）

此外，當感光元件110所輸出的電壓訊號Vs不大且未超過最大值V_{ADC_max} 時，為了節能並提高類比數位轉換器130對於電壓訊號Vs進行類比數位轉換的精準度，參考電壓Vref可設定為低於V_{ADC_max} 。而當調降參考電壓Vref後，類比數位轉換器130的可轉換電壓範圍也就隨著縮小。由於類比數位轉換器130的類比數位轉換器130的數位解析度的位元長度不變，故當類比數位轉換器130的可轉換電壓範圍縮小時，就可以提高類比數位轉換器130對於其輸入訊號進行類比數位轉換的精準度。因此，藉由改變參考電壓Vref，可以提升類比數位轉換器130所能解析出的最小電壓差值的能力，例如當Resolution_min 小於Resolution_ADC 時，藉由改變參考電壓Vref，使

佔V_{ADC_min} 與Vref間的比例Resolution_ref (式13)大於Resolution_ADC (式14)，就可以讓原本解析度不足的類比數位轉換器130得以分辨出待測顯示面板12的亮度Lu之變化。

（式13） Resolution_ADC ＜Resolution_ref （式14）

此外，顯示訊號Si一般包含多個像素的灰階值的資料，而每個畫素在一畫框週期(frame period)內的灰階值的資料通常為八位元，用以表示0至255共256個灰階。畫素的灰階值越大，其顯示的亮度越高；畫素的灰階值越小，其顯示的亮度越低。以顯示面板12的所有像素都顯示相同的灰階為例，顯示訊號Si所包含的各像素同一畫框週期的灰階值會相同，而灰階值越大，代表顯示面板12的亮度Lu會越亮；反之，灰階值越小，代表顯示面板12的亮度Lu會越暗。此外，感光元件110所輸出的電壓訊號Vs的電位與亮度Lu成正相關。因此，當顯示訊號Si的灰階值範圍越廣時，感光元件110所輸出的電壓訊號Vs的電位之變動範圍也會越大；而當顯示訊號Si的灰階值範圍越窄時，感光元件110所輸出的電壓訊號Vs的電位之變動範圍也會越小。為了使類比數位轉換器130的可轉換電壓範圍能匹配電壓訊號Vs的變化範圍，電腦20可依據顯示訊號Si所包含的多個像素的灰階值之範圍，動態地調整參考電壓Vref，進而動態地調整類比數位轉換器130的可轉換電壓範圍。由於參考電壓Vref會等於類比數位轉換器130的可轉換電壓範圍的上限值，故可依據顯示訊號Si所包含的多個像素的灰階值之最大值，設定類比數位轉換器130的可轉換電壓範圍之上限值（即設定參考電壓Vref）。

第4圖是第2圖量測系統的類比數位轉換器130及參考電壓源160之功能方塊圖。參考電壓源160的輸入端接收多個參考電壓V1至Vn，其中每個參考電壓V1至Vn的電壓值彼此不同。電腦20依據顯示訊號Si的灰階值的範圍產生控制訊號Sc，而參考電壓源160依據控制訊號Sc從多個參考電壓V1至Vn中選出參考電壓Vref，以提供給類比數位轉換器130。

另外，傳輸介面150可以是內積體電路(Inter-Integrated Circuit；簡稱IIC或I2C)介面、通用非同步收發傳輸(Universal Asynchronous Receiver/Transmitter；簡稱UART)介面、序列週邊介面(Serial Peripheral Interface；簡稱SPI)、通用序列匯流排(Universal Serial Bus；簡稱USB)介面，但本發明並不以此為限。此外，雖然不同的傳述介面有不同的傳輸速度，但傳輸介面150的傳輸速度並沒有使用上的限制。舉例來說，若是傳輸介面150的傳輸速度大於類比數位轉換器130的取樣頻率，則可以在類比數位轉換器130取得一筆資料後馬上傳給電腦20；而即使是在傳輸介面150的傳輸速度低於類比數位轉換器130的取樣頻率的情況，量測系統200可另包含儲存裝置140，用以暫存數位訊號D的資料。之後數位訊號D從儲存裝置140被讀取後再傳送給電腦20。

第5圖是本發明一實施例用於量測第1圖之液晶顯示器10的反應時間之方法500的流程圖。方法500包含下列步驟：

步驟S510：將顯示訊號Si傳送至液晶顯示器10，以使液晶顯示器10依據顯示訊號Si顯示畫面；

步驟S512：提供參考電壓Vref至類比數位轉換器130，以使類比數位轉換器130依據參考電壓Vref動態地調整類比數位轉換器130對於其輸入電壓的可轉換電壓範圍；

步驟S520：藉由感光元件110感測液晶顯示器10的亮度，以產生電壓訊號Vs；

步驟S530：至少藉由類比數位轉換器130，將電壓訊號Vs轉換成數位訊號D；

步驟S540：藉由傳輸介面150將數位訊號D傳送至電腦20；以及

步驟S550：電腦20依據所接收到的數位訊號D，計算液晶顯示器10的反應時間Tr。

其中，在步驟S530中，可先透過放大電路120將電壓訊號Vs放大為放大電壓訊號Va後，再由類比數位轉換器130將放大電壓訊號Va轉換成數位訊號D。或者，直接透過類比數位轉換器130將電壓訊號Vs轉換成數位訊號D。

綜上所述，本發明之量測系統可依據傳送給液晶顯示器的顯示訊號之灰階範圍，決定提供給類比數位轉換器之參考電壓的大小，以動態地調整類比數位轉換器對於其輸入電壓的可轉換電壓範圍。藉此，可動態地調整類比數位轉換器對於其輸入訊號進行類比數位轉換的精準度。以上所述僅為本發明之較佳實施例，凡依本發明申請專利範圍所做之均等變化與修飾，皆應屬本發明之涵蓋範圍。

10:液晶顯示器 12:顯示面板 14:控制電路 20:電腦 22:應用程式 24:中央處理器 100、200:量測系統 110:感光元件 120:放大電路 130:類比數位轉換器 140:儲存裝置 150:傳輸介面 160:參考電壓源 500:方法 S510至S550:步驟 D:數位訊號 Lu:亮度 Si:顯示訊號 Sc:控制訊號 Tr:反應時間 V1至Vn、Vref:參考電壓 Va:放大電壓訊號 Vs:電壓訊號

第1圖是本發明一實施例的量測系統與待測的液晶顯示器及所連接的電腦之功能方塊圖。第2圖是第1圖之量測系統的功能方塊圖。第3圖是本發明另一實施例之量測系統的功能方塊圖。第4圖是第2圖量測系統的類比數位轉換器及參考電壓源之功能方塊圖。第5圖是本發明一實施例用於量測第1圖之液晶顯示器的反應時間之方法的流程圖。

500:方法

S510至S550:步驟

Claims

一種量測一液晶顯示器的反應時間的方法，該方法包含：將一顯示訊號傳送至該液晶顯示器，以使該液晶顯示器依據該顯示訊號顯示畫面；藉由一感光元件感測該液晶顯示器的一顯示面板的亮度的變化，以產生一電壓訊號；至少藉由一類比數位轉換器，將該電壓訊號轉換成一數位訊號；藉由一參考電壓源提供一參考電壓至該類比數位轉換器，以使該類比數位轉換器依據該參考電壓動態地調整該類比數位轉換器對於其輸入電壓的可轉換電壓範圍；藉由一傳輸介面將該數位訊號傳送至一電腦；以及該電腦依據所接收到的該數位訊號，計算出該液晶顯示器的反應時間。
如請求項1所述的方法，其中至少藉由該類比數位轉換器，將該電壓訊號轉換成該數位訊號包含：藉由一放大電路將該電壓訊號放大為一放大電壓訊號，再藉由該類比數位轉換器將該放大電壓訊號轉換成該數位訊號。
如請求項1所述的方法，其中當該顯示訊號的灰階值的範圍為一第一範圍時，該參考電壓為一第一參考電壓，且該可轉換電壓範圍為一第一可轉換電壓範圍；以及其中當該顯示訊號的灰階值的範圍為一第二範圍時，該參考電壓為一第二參考電壓，且該可轉換電壓範圍為一第二可轉換電壓範圍；其中該第一範圍大於該第二範圍，該第一參考電壓大於該第二參考電壓，且該第一可轉換電壓範圍大於該第二可轉換電壓範圍。
如請求項1所述的方法，另包含：在藉由該傳輸介面將該數位訊號傳送至該電腦之前，將該數位訊號的資料儲存在一儲存裝置中；以及從該儲存裝置讀取該數位訊號的資料。
一種量測一液晶顯示器的反應時間的量測系統，該量測系統包含：一感光元件，用以感測該液晶顯示器的一顯示面板的亮度的變化，以產生一電壓訊號；一類比數位轉換器，用以將該電壓訊號轉換成一數位訊號；一參考電壓源，用以提供一參考電壓至該類比數位轉換器，以使該類比數位轉換器依據該參考電壓動態地調整該類比數位轉換器對於其輸入電壓的可轉換電壓範圍；以及一傳輸介面，用以將該數位訊號傳送至一電腦，以使該電腦依據所接收到的該數位訊號，計算出該液晶顯示器的反應時間。
一種量測一液晶顯示器的反應時間的量測系統，該量測系統包含：一感光元件，用以感測該液晶顯示器的一顯示面板的亮度的變化，以產生一電壓訊號；一放大電路，用以將該電壓訊號放大為一放大電壓訊號；一類比數位轉換器，用以將該放大電壓訊號轉換成一數位訊號；一參考電壓源，用以提供一參考電壓至該類比數位轉換器，以使該類比數位轉換器依據該參考電壓動態地調整該類比數位轉換器對於其輸入電壓的可轉換電壓範圍；以及一傳輸介面，用以將該數位訊號傳送至一電腦，以使該電腦依據所接收到的該數位訊號，計算出該液晶顯示器的反應時間。
如請求項5或6所述的量測系統，其中該參考電壓是基於該顯示訊號所包含的多個像素的灰階值之範圍而被調整。
如請求項7所述的量測系統，其中該可轉換電壓範圍的上限值是依據該顯示訊號所包含的多個像素的灰階值之最大值而被設定。
如請求項5或6所述的量測系統，其中該電腦依據該顯示訊號的灰階值的範圍產生一控制訊號，而該參考電壓源依據該控制訊號從多個參考電壓中選出提供給該類比數位轉換器的該參考電壓。
如請求項5或6所述的量測系統，其中當該顯示訊號的灰階值的範圍為一第一範圍時，該參考電壓為一第一參考電壓，且該可轉換電壓範圍為一第一可轉換電壓範圍；以及其中當該顯示訊號的灰階值的範圍為一第二範圍時，該參考電壓為一第二參考電壓，且該可轉換電壓範圍為一第二可轉換電壓範圍；其中該第一範圍大於該第二範圍，該第一參考電壓大於該第二參考電壓，且該第一可轉換電壓範圍大於該第二可轉換電壓範圍。