668_Mamchev_G.V._Tekhnicheskie_sredstva_TV_vehhanija_

Драйвер строк (RD – Row Driver) содержит сдвиговый регистр на N разрядов, схему преобразования логических уровней в уровни управления строками, а также схему управления сменой полярности. Сигналом начала кадра в регистр записывается логическая «1». По заднему фронту сигнала строчной развертки «бегущая единица» будет сдвигаться по разрядам регистра, пока не достигнет последнего разряда. Для наращивания разрядности используется несколько микросхем драйверов строк. При каскадировании используются эстафетный механизм: как только в последнем разряде сдвигового регистра появится логическая «1», будет активизирована микросхема следующего драйвера и следующим импульсом сигнала строчной развертки логическая «1» запишется в первый разряд сдвигового регистра следующего драйвера строк.

Драйвер столбцов (CD – Column Driver) имеет другую структуру. Он содержит М-разрядный регистр, запись в который может производиться по 8-, 4-, 2- или одноразрядной шине данных. Конечно, 8-разрядная шина обеспечивает большую пропускную способность, но для этого требуется прокладка четырех лишних проводников данных. На практике, как правило, используются четырехразрядные шины данных. По сигналу тактирования производится последовательная запись в регистр данных драйвера столбцов. По сигналу строчной развертки данные из буферного регистра переписываются в выходной регистр. Логические уровни выходного регистра схемой смещения преобразуются в рабочие уровни напряжений для управления столбцами ЖКЭ.

Драйверы управления строками и столбцами могут быть выполнены как в виде отдельных микросхем, так и входить в состав одной микросхемы. Как правило, микросхемы драйверов монтируются на печатной плате или на гибком печатном шлейфе.

7.6. Современные цифровые дисплейные интерфейсы для жидкокристаллических экранов

7.6.1. Классификация дисплейных интерфейсов

Увеличение размеров и расширение шкалы яркостных градаций цветных жидкокристаллических дисплеев потребовало увеличения скорости передачи данных в интерфейсных шинах. Поэтому за последние годы рядом зарубежных фирм были проведены разработки дисплейных интерфейсов, предназначенных для поддержки новых форматов высокого разрешения для жидкокристаллических дисплеев.

Существуют два типа дисплейных интерфейсов – аналоговый и цифровой. В аналоговом интерфейсе информация представлена сигналами основных цветов R, G, B, а также сигналами строчной и кадровой разверток. Данный тип интерфейса широко используется для связи видеоконтроллера как с традиционными мониторами на ЭЛТ трубках, так и с дисплеями на ЖК TFT-типа.

Схема транспортировки данных от видеоконтроллера до схемы управления разверткой дисплея примерно одинакова для аналоговых и цифровых интер-

фейсов. Процессор формирует в буферном ОЗУ видеоконтроллера совокупность данных, соответствующих изображению. Каждому пикселю изображения, состоящему из трех цветных ячеек, соответствует от 6 до 8 разрядов на каждую ячейку в памяти видеобуфера. При шести разрядах на каждый цвет имеем 18 битов на пиксель, а при 8-битовом кодировании получаем 24 бита на один пиксель.

При реализации аналогового интерфейса данные, выбранные из ОЗУ, преобразуются с помощью трехканального быстродействующего цифроаналогового преобразователя (ЦАП) в аналоговую форму и затем передаются в схему управления монитором.

Вцифровых дисплейных интерфейсах транспортировка данных от видеоконтроллера до дисплея производится в цифровой форме. Формирование изображения на экране цветных жидкокристаллических мониторов TFT-типа производится столбцовыми и строчными драйверами. Строчные драйверы обеспечивают управление выборкой по строкам, а через столбцовые драйверы производится доставка данных в адресуемые пиксели ЖКЭ. Микросхемы современных столбцовых драйверов жидкокристаллических мониторов имеют цифровые шины данных. Поэтому для оптимального управления необходимо использовать цифровые дисплейные интерфейсы.

ВЖКЭ первого поколения, черно-белых и цветных, имеющих невысокое разрешение, для транспортировки данных от видеоконтроллера до столбцовых дисплейных драйверов использовалась шина на основе обычной КМОП-логики. Разрядность этой шины была от 4 до 16 бит. По мере расширения размеров мониторов, а также числа градаций яркости росла и скорость передачи данных. Возникли проблемы, связанные с обеспечением большей полосы пропускания, чем может обеспечить обычная КМОП-логика. Использование скоростных интерфейсов с большими уровнями сигналов и крутыми фронтами привело к высокому уровню электромагнитных помех и стало проблемой для электромагнитной совместимости радиодиапазона.

Для комплексного решения задач, связанных с транспортировкой потоков данных в канале управления высокоинформативными жидкокристаллическими дисплеями, был разработан ряд цифровых дисплейных технологий [32]. Цифровые дисплейные интерфейсы в зависимости от функционального назначения можно разделить на четыре группы:

интерфейс между видеоконтроллером и модулем ЖКЭ в переносных ПК (ноутбуках) (длина соединения 30…50 см);

интерфейс между платой видеоконтроллера компьютера и внешним жидкокристаллическим монитором (длина соединений 120…150 см);

внутренний дисплейный интерфейс между дисплейным контроллером и микросхемами драйверов столбцов (длина соединений 20…30 см);

и, наконец, интерфейс между видеоконтроллером и удаленным жидкокристаллическим монитором (длина соединений от нескольких метров до нескольких сот метров).

На рис. 7.40 показана типовая структура управления жидкокристалличе-

ским дисплеем TFT-типа.

Для ЖКЭ как с пассивной адресацией, так и с активной адресацией, имеющих разрешение до 640 480 пикселей, использовалась прямая передача данных между памятью видеоконтроллера и столбцовыми драйверами. При повышении дисплейного разрешения увеличились скорости передачи, и в состав монитора потребовалось ввести схему управления синхронизацией, приема и распределения данных по столбцовым драйверам – дисплейный контроллер (TCON – Timing Controller). Таким образом, дисплейный интерфейс стал состоять из двух шин:

шины передачи данных от видеоконтроллера (из видеобуфера) до дисплейного контроллера;

шины внутреннего дисплейного интерфейса, реализующего распределение и доставку данных от дисплейного контроллера до столбцовых драйверов ЖКЭ (рис. 7.41).

Рис. 7.40. Структура управления ЖКЭ TFT-типа

Любой интерфейс, в первую очередь, характеризуется полосой пропускания. Полоса пропускания, необходимая для передачи дисплейных данных, определяется форматом отображения, то есть числом воспроизводимых пикселей, длиной битового кодирования одного пикселя, а также частотой кадровой развертки. Для сравнительной оценки необходимой полосы пропускания в табл. 7.2 представлены основные параметры наиболее используемых в современных ЖКЭ графических форматов.

данные не передаются. Время, расходуемое на передачу синхросигналов, может достигать нескольких процентов для жидкокристаллических дисплеев и свыше 25% для мониторов на ЭЛТ. А это означает, что для передачи данных реально необходима полоса частот несколько больше рассчитанной выше и интерфейсная шина должна иметь дополнительный запас пропускной способности.

Для передачи таких объемов видеоинформации был разработан ряд новых интерфейсов, в которых используется дифференциальная низкоуровневая логи-

ка [32].

7.6.2. Цифровые дисплейные интерфейсы

Цифровой дисплейный интерфейс LVDS. Дифференциальный интер-

фейс для скоростной передачи данных LVDS (Low Voltage Differential Signaling) разработан фирмой National Semiconductor (США). Последовательная шина способна передавать до 24 бит информации на один пиксельный такт, конвертируя исходный поток для передачи по четырем дифференциальным парам с умножением исходной частоты в семь раз. Тактовая частота передается по отдельной дифференциальной паре проводов. Синхросигналы и управляющая информация передаются в поле дополнительных четырех бит (7 тактов 4 пары = 28 бит на такт). В ранней версии стандарта для шины регламентировалась максимальная тактовая пиксельная частота 40 МГц. Позднее частота была увеличена сначала до 65 МГц, а затем доведена и до 85 МГц. Уровни рабочих сигналов 345 мВ, выходной ток передатчика от 2,47 до 4,54 мА, нагрузка 100 Ом. Дифференциальная схема интерфейса между источником сигнала и приемником сигнала позволяет решить задачу надежной передачи сигналов со скоростью свыше 455 Мбит/с без искажения на расстояние нескольких метров.

Рис. 7.42. Структурная схема приемника ТFР403

Panel Bus фирмы Texas Instruments

Для реализации данного интерфейса фирма Texas Instruments (США) выпускает микросхемы приемников и передатчиков. Структурная схема приемника интерфейса LVDS фирмы Texas Instruments приведена на рис. 7.42.

Микросхема приемника содержит:

встроенные пары согласующих резисторов 50 Ом для каждого дифференциального приемника;

четырехканальный дифференциальный приемник последовательных данных;

схему фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ) делителя тактовой частоты на 7;

триггеры фиксации (LATCH – защелка) последовательных данных каналов

0…2 (Channel 0…Channel 2);

конвертор последовательного кода в параллельный десятибитовый код для трех каналов (CH0…CH2) (Data Recovery and Synchronization – восстановле-

ние данных и синхронизации);

декодер данных и восстановления синхросигналов развертки;

контроллер панельного интерфейса;

встроенный стабилизатор напряжения 1,8 В для питания цифрового ядра микросхемы.

Микросхема имеет питание 3,3 В. Входные и выходные цепи запитаны от источника 3,3 В, а цифровое ядро, работающее на высоких тактовых частотах, питается от встроенного источника напряжения 1,8 В.

Видеоинтерфейс GVIF фирмы Sony. GVIF (Gigabit Video InterFace) – раз-

работанный фирмой Sony стандарт цифрового дисплейного интерфейса. Достаточно простой и дешевый вариант цифрового интерфейса для использования в бытовой видеотехнике. Аналогично интерфейсу LVDS, здесь также применяется преобразование исходного параллельного потока видеоданных в последовательный код. Однако в качестве физической линии используется всего одна пара проводов в экране. Для передачи сигнала тактирования в этом интерфейсе не требуются отдельные провода. Сигналы тактирования содержатся в самом композитном сигнале, обеспечивая самосинхронизацию данных. Подобный способ синхронизации данных применяется в скоростных модемных интерфейсах. Физический канал GVIF обеспечивает пропускную способность до 1,5 Гбит/с. Такой пропускной способности достаточно даже для передачи видеоданных в стандарте разрешения 1024 768 24 60 = 1,13 Гбит/с. В принципе, интерфейс GVIF может обеспечивать передачу данных для дисплеев, имеющих еще большее разрешение при использовании методов компрессии данных, которые несут информацию о цветности. Однако фирма Sony предусмотрела более простой вариант для расширения скорости передачи данных своего интерфейса – в микросхемах приемника и передатчика предусмотрен режим поддержки второго канала. Для реализации интерфейса фирмой разработана микросхема передатчика CXB1451Q и приемника CXB1452Q. Схема реализации интерфейса на их основе представлена на рис. 7.43 [32]. Микросхемы приемника и передатчика обеспечивают режим передачи данных как с одним, так и двумя последовательными каналами.

Основными модулями в микросхемах приемника и передатчика являются:

кодер/декодер, то есть шифратор и дешифратор параллельного кода;

конвертор параллельного кода в последовательный;

драйвер шины (кабельной линии);

приемник кабельного сигнала;

ФАПЧ – синтезатор частот (умножение на 24 в передатчике, деление на 24 в приемнике).

Видеоинтерфейс GVIF применяется в следующих случаях:

интерфейсы компьютеров с жидкокристаллическими мониторами;

мультимедийное оборудование;

интерфейсы с видеопроекционными системами;

интерфейсы с цифровыми телевизионными мониторами.

Рис. 7.43. Структура видеоинтерфейса GVIF, реализованного на основе передатчиков и приемников фирмы Sony

Оптоволоконный цифровой дисплейный интерфейс Photon Link. Для поддержки дисплеев высокого разрешения с цифровым интерфейсом фирмой Photon Age была разработана технология гигабитного оптического цифрового канала Photon Link. Интерфейс предназначен для жидкокристаллических мониторов, находящихся на расстоянии от нескольких метров до нескольких сот метров от источника видеоинформации. Основной задачей в данной разработке

было создание максимально дешевого, простого и технологичного видеоинтерфейса для массового применения.

Оптическая связь основана на пятиканальной оптоволоконной линии, использующей относительно простой комплект микрооптических интегральных модулей приемников и передатчиков (рис. 7.44). Каждый оптический канал обеспечивает скорость передачи до 2,5 Гбит/с. По трем оптическим каналам передаются данные основных цветов R, G, B, по двум остальным – интегральный синхросигнал управления разверткой и частотой тактирования данных.

Со стороны передатчика находится микросхема кодера, которая преобразует входные параллельные потоки R, G, B данных цифрового интерфейса в последовательные потоки, формирует композитный сигнал синхронизации развертки, а также с помощью схемы ФАПЧ умножает на восемь сигнал тактирования последовательных потоков R, G, B данных.

Рис. 7.44. Структура интерфейса Photon Link

Все оптические соединения конструктивно находятся внутри кабельных соединителей. Соединение кабеля интерфейса Photon Link со стороны передатчика и со стороны приемника – электрическое контактное, как для обычных проводных линий.

Интерфейс Photon Link имеет следующие составляющие:

микросхема кодера – формирователя сигналов цифрового последовательного пятиканального интерфейса (находится на печатной плате источника видеосигнала);

семиконтактный электрический соединитель;

пятиканальный драйвер, преобразующий напряжение входных сигналов в ток управления лазерными светодиодами (находится в кабельном соединителе со стороны передатчика);

линейка лазерных светодиодов VCSEL (Vertical Cavity Surface Emitting Laser), находящаяся в кабельной части соединителя;

оптический переходник лазер – оптоволокно, устанавливаемый в кабельной части соединителя со стороны передатчика;

пятиканальный оптический кабель;

оптический переходник оптоволокно – фотодиод, находящийся в кабельной части соединителя со стороны приемника;

линейка фотодиодов, преобразующих токовый фотосигнал в сигнал напряжения;

усилители – формирователи фотосигналов;

семиконтактный электрический соединитель;

микросхема декодера – формирователя сигналов цифрового последовательного пятиканального интерфейса (находится на печатной плате приемника видеосигнала).

Вкачестве оптической среды для передачи данных на расстояние до нескольких метров может применяться дешевое пластиковое оптоволокно диаметром 250 мкм. Для передачи данных на большие расстояния – до нескольких сот метров – используется стеклянное оптоволокно диаметром 62 мкм. Измере-

ние уровня ошибок при испытании интерфейса на скорости передачи 2,5 Гбит/с дало величину менее 1 10–12. Тестирование проводилось при температуре 80 С и влажности 80%. Связь на основе оптоволоконного канала устойчива против осевого скручивания кабеля. Во время испытаний производилась осевая закрутка кабеля до 100 000 оборотов без ухудшения качества связи.

Основные достоинства интерфейса Photon Link заключаются в следующем:

полная гальваническая развязка источника видеосигнала и монитора;

при передаче сигналов отсутствуют электромагнитные помехи;

высокая скорость передачи данных на большие расстояния;

легкий, малого диаметра оптический кабель;

не требуется согласование импедансов компонентов, участвующих в соединении.

7.6.3. Интерфейсы внутренней дисплейной шины

Внутренний дисплейный интерфейс Mini LVDS. Внутренний последо-

вательно-параллельный интерфейс для жидкокристаллических дисплеев Mini LVDS разработан фирмой Texas Instruments (США). Конструкция данного интерфейса представлена на рис. 7.45 [32]. Данный интерфейс соединяет декодирующий контроллер видеоданных, стоящий на плате управления с драйверами столбцов дисплея (Column Driver – CD). Основу интерфейса составляет контроллер TCON, преобразующий входной формат данных шины LVDS в сигналы внутренней шины для загрузки данных в микросхемы столбцовых драйверов CD жидкокристаллического дисплея. Контроллер также формирует сигналы управления строчной разверткой (Row Driver Signals), которые поступают на отдельную плату строчных драйверов жидкокристаллического дисплея.

Интерфейс внутренней шины жидкокристаллического дисплея

CMADS. CMADS (Current Mode Advanced Differential Signaling) – название вы-

сокоскоростной малошумящей внутренней шины для интерфейса «приемник LVDS – столбцовые драйверы ЖКЭ», разработанной фирмой NEC Corporation (Япония). Шина, показанная на рис. 7.46, использует параллельно последовательную организацию для транспортировки данных от дисплейного контроллера

в столбцовые драйверы жидкокристаллического дисплея. Контроллер шины получает сигналы от приемника LVDS и затем преобразует их в последовательные потоки внутренней шины со своей синхронизацией. Внутренняя шина состоит из 14 дифференциальных пар проводников – двух пар синхронизации и 12 пар сигналов данных. На концах каждой из пар стоит согласующий резистор 100 Ом.

Источники тока находятся в приемниках столбцовых драйверов. Передатчик контроллера обеспечивает лишь коммутацию источников тока. За счет такого технического решения удалось снизить потребляемую мощность передатчиков в контроллере и распределить ее по столбцовым драйверам. В приемниках столбцовых драйверов имеются преобразователи ток – напряжение, которые и конвертируют токовые сигналы в сигналы напряжения КМОП-логики. Конструкция передатчика и приемника внутренней шины CMADS представле-

на на рис. 7.47 [32].

Рис. 7.45. Схема реализации внутреннего интерфейса ЖКЭ «контроллер LVDS – столбцовые драйверы»

Рис. 7.46. Структура шины CMADS