TFT-LCD系統時序控制模塊的設計

摘要：說明時序控制模塊和LCD系統中其它子模塊之間的關系，對時序控制模塊所要解決的時序問題進行分析。在分析問題的基礎上提出一種適用于中、小尺寸液晶顯示系統時序控制模塊的實現結構。對時序控制模塊進行功能驗證，給出FPGA邏輯功能驗證結果，證明設計可行。

LCD技術已成為平板顯示的主流技術，其中，中、小尺寸液晶產品成為開發的主流。中、小型LCD的應用將更加廣泛。

應用于中、小尺寸液晶顯示的主要技術有：
(1)STN-LCD(Super Twisted Nematic，超扭轉向列式液晶)；
(2)TFT-LCD(Thin Film Transistor，薄膜晶體管液晶顯示器)；
(3)LTPS(Low TemperaturePoly Silicon，低溫多晶硅)等三種。而其中技術最為成熟的是TFT-LCD。

由于TFT電流較低，無法直接在TFT上設計線路，因此，為了使TFT-LCD工作，需要外建IC控制電路。目前大多數有關TFT-LCD控制IC的

資料中對于時序控制器的介紹都很簡略，對其時序的控制和產生的原理缺乏深入分析。事實上，時序控制器TCON(Timing Controller)所產生的同步控制信號是決定TFT-LCD能否正常顯示的關鍵，因此它是TFT-LCD模塊組成中的核心控制部分之一，即控制中心。

本文首先粗略介紹液晶顯示系統組成，之后重點分析應用于中、小尺寸TFT-LCD的時序控制器(TCON)的工作原理，并在原理的基礎提出了一種TCON模塊的結構框圖，最后給出TCON模塊的FPGA驗證。

2 TFT-LCD系統的一般結構

TFT-LCD系統由兩個部分組成：LCD控制模塊和LCD面板模塊。實際應用中液晶面板又分兩種，傳統面板和智慧整合型面板，結構如圖1所示。

圖1 TFT-LCD系統結構框圖

TFT-LCD Monitor系統包括模數轉換器，處理PC顯卡輸出的模擬信號、數字視頻接口、視頻解碼器(處理視頻信號)、TMDS接收器、在屏顯示、控制單元、時序控制器、背光Source驅動器、Gate驅動器等組成。

TFT-LCD顯示器工作時，前端部分的控制電路模塊主要工作是將PC主機或是影音裝置(如DVD Player)輸出的訊號進行轉換，例如由PC顯示

卡輸出的模擬訊號，經由ADC組件的轉換，成為數字訊號；類似地，影音訊號則經由Video Decoder的轉換，成為相同的數字訊號，這些訊號再經過Scaler IC作放大或縮小的動作，并進行數字影像處理，再由cable線傳輸訊號到液晶模塊，然后通過時序控制器產生所需要的時序控制信號驅動縱向的驅動Ic和橫向的驅動IC，其中縱向的驅動IC負責控制數據的寫入，由橫向的驅動IC控制晶體管的開/關，并配合其它組件，如供電模塊，即可正確顯示圖像。

3 TCON模塊的設計分析

對于大尺寸的液晶顯示面板，TCON模塊的設計相對復雜。因為在高分辨率顯示系統中，時鐘頻率很高，所以在基于時鐘信號產生時序控制信號以前，需要先對同步時鐘進行擴頻處理，以減小EMI(Electromagnetic Interference，電磁干擾)，使其通過EMC測試。由于同步時鐘經過了擴頻處理，則視頻數據也要通過相應的處理才能正常顯示，否則就會遺失數據。

中、小尺寸LCD的TCON控制相對簡單，基本的工作過程是首先由輸入的信號確定TFT-LCD屏幕的分辨率、工作模式、顯示模式等信息，然后根據這些信息來確定合適的參數值，最后產生所需要的控制信號，無需對視頻數據做處理就可以使TFT-LCD正常工作。

本文只對適用于中、小尺寸LCD的時序控制模塊進行討論。

3.1 模式選擇

由于不同分辨率的LCD、不同工作模式所需要的輸出控制信號有所不同，因此TCON工作時，首先要做出判斷，選擇正確的工作模式，以便于產生相應合適的控制信號。這些選擇包括LCD分辨率選擇、外部/鎖相環電路(PLL)時鐘模式選擇、分離/復合工作模式選擇、NTSC/PAL制式選擇及高分辨率下的顯示模式選擇 。

LCD分辨率選擇：在實際的顯示系統中，TFT-LCD有不同的尺寸與分辨率，一般中、小尺寸的TFT-LCD的分辨率有480*234(2.5、3.5)、

960*234(3.6、5、6.4)、1200*234(6.5)、1440*234(6.2、7)、1920*234(9)等。對于不同分辨率的LCD，所需要的某些控制信號會有不同。

外部/PLL時鐘模式選擇：工作時鐘源的提供有兩種方式：鎖相環電路(PLL)模式和外部時鐘模式。在PLL工作模式中，VCO電路產生振蕩，通過鎖相環電路調相后給TCON提供穩定的工作時鐘；在外部工作模式中，工作時鐘由外部提供。

分離/復合模式選擇：輸入同步信號可分為復合同步信號和分離同步信號，這兩種同步信號的同步脈沖標志位不相同。

NTSC/PAL制式選擇：NTSC和PAL制式的每幀行數和同步脈沖的標志位完全不同，因此在處理輸入信號及產生控制信號以前應做出判斷選擇。高分辨率下的顯示模式選擇：高分辨率下有Full Mode、Normal Center Mode、Normal Wide Mode、Normal Left Mode、Normal Right Mode、Zooml Mode、Zoom2 Mode及Zoom3 Mode 8種不同的顯示模式，不同顯示模式下，其顯示區域、輸出控制信號脈寬會有所不同。

3.2 Gate Driver及Source Driver陣列控制

TFT-LCD面板等效電路如圖2所示，其中每一個TFT和電容代表一個顯示的點，而一個基本的顯示單元pixel，則需要三個這樣顯示的點，分別來代表RGB三原色。以一個480*234分辨率的TFT-LCD來說，共需要480*234*3個這樣的點組合而成。整個面板的大致結構如圖2。

圖2 液晶面板等效電路