จอภาพคริสตัลเหลวเป็นภาพประเภทหนึ่งที่สร้างด้วยไฟฟ้าบนจอแบนบาง LCD เครื่องแรกซึ่งออกมาในปี 1970 เป็นหน้าจอขนาดเล็กที่ใช้เป็นหลักในเครื่องคิดเลขและนาฬิกาดิจิตอลที่แสดงตัวเลขสีดำบนพื้นหลังสีขาว แอลซีดีสามารถพบได้ทุกที่ในระบบอิเล็กทรอนิกส์ภายในบ้าน โทรศัพท์มือถือ กล้อง และจอคอมพิวเตอร์ ตลอดจนนาฬิกาและโทรทัศน์ ทีวีจอแบน LCD อันล้ำสมัยในปัจจุบันได้เข้ามาแทนที่ CRT ขนาดใหญ่แบบเดิมๆ ในโทรทัศน์เป็นส่วนใหญ่ และสามารถผลิตภาพสีความละเอียดสูงได้สูงถึง 108 นิ้วในแนวทแยงมุมของหน้าจอ
ประวัติผลึกเหลว
ผลึกเหลวถูกค้นพบโดยบังเอิญในปี 1888 โดยนักพฤกษศาสตร์ F. Reinitzer จากออสเตรีย เขาพบว่าคอเลสเตอรอลเบนโซเอตมีจุดหลอมเหลวสองจุด กลายเป็นของเหลวขุ่นที่อุณหภูมิ 145 ° C และที่อุณหภูมิสูงกว่า 178.5 ° C ของเหลวจะโปร่งใส ถึงหาคำอธิบายสำหรับปรากฏการณ์นี้ เขาให้ตัวอย่างกับ Otto Lehmann นักฟิสิกส์ ด้วยการใช้กล้องจุลทรรศน์ที่ติดตั้งระบบทำความร้อนแบบขั้นบันได Lehman แสดงให้เห็นว่าสารมีคุณสมบัติทางแสงของผลึกบางชนิด แต่ยังคงเป็นของเหลว และด้วยเหตุนี้ คำว่า "ผลึกเหลว" จึงถูกสร้างขึ้นมา
ในช่วงปี ค.ศ. 1920 และ 1930 นักวิจัยได้ศึกษาผลกระทบของสนามแม่เหล็กไฟฟ้าที่มีต่อผลึกเหลว ในปี 1929 นักฟิสิกส์ชาวรัสเซีย Vsevolod Frederiks แสดงให้เห็นว่าโมเลกุลของพวกมันในฟิล์มบางที่ประกบระหว่างแผ่นเปลือกโลกสองแผ่นเปลี่ยนการจัดตำแหน่งเมื่อสนามแม่เหล็กถูกนำไปใช้ มันเป็นบรรพบุรุษของจอแสดงผลคริสตัลเหลวแรงดันไฟฟ้าที่ทันสมัย ความก้าวหน้าของการพัฒนาเทคโนโลยีตั้งแต่ต้นปี 1990 เป็นไปอย่างรวดเร็วและเติบโตอย่างต่อเนื่อง
เทคโนโลยี LCD ได้พัฒนาจากขาวดำสำหรับนาฬิกาและเครื่องคิดเลขธรรมดาๆ ไปจนถึงหลากสีสำหรับโทรศัพท์มือถือ จอคอมพิวเตอร์ และโทรทัศน์ ปัจจุบัน ตลาด LCD ทั่วโลกกำลังเข้าใกล้ 100 พันล้านดอลลาร์ต่อปี เพิ่มขึ้นจาก 60 พันล้านดอลลาร์ในปี 2548 และ 24 พันล้านดอลลาร์ในปี 2546 ตามลำดับ การผลิตจอแอลซีดีทั่วโลกกระจุกตัวอยู่ในตะวันออกไกลและเติบโตในยุโรปกลางและยุโรปตะวันออก บริษัทอเมริกันเป็นผู้นำในด้านเทคโนโลยีการผลิต การแสดงของพวกเขาตอนนี้ครองตลาดและไม่น่าจะมีการเปลี่ยนแปลงในอนาคตอันใกล้นี้
ฟิสิกส์ของกระบวนการตกผลึก
ผลึกเหลวส่วนใหญ่ เช่น โคเลสเตอริลเบนโซเอต ประกอบด้วยโมเลกุลที่มีโครงสร้างคล้ายแท่งยาว โครงสร้างพิเศษของโมเลกุลของเหลวนี้ผลึกระหว่างฟิลเตอร์โพลาไรซ์สองตัวสามารถแตกออกได้โดยใช้แรงดันไฟฟ้าที่อิเล็กโทรด องค์ประกอบ LCD จะทึบแสงและยังคงมืดอยู่ ด้วยวิธีนี้ ส่วนประกอบการแสดงผลที่หลากหลายสามารถเปลี่ยนเป็นสีอ่อนหรือสีเข้มได้ โดยจะแสดงตัวเลขหรือตัวอักษร
การรวมกันของแรงดึงดูดที่มีอยู่ระหว่างโมเลกุลทั้งหมดที่เกี่ยวข้องกับโครงสร้างคล้ายแท่งทำให้เกิดเฟสผลึกเหลว อย่างไรก็ตาม ปฏิกิริยานี้ไม่แข็งแรงพอที่จะทำให้โมเลกุลอยู่กับที่อย่างถาวร ตั้งแต่นั้นมา มีการค้นพบโครงสร้างผลึกเหลวหลายประเภท บางส่วนถูกจัดเรียงเป็นชั้น ๆ อื่น ๆ ในรูปแบบของดิสก์หรือคอลัมน์แบบฟอร์ม
เทคโนโลยี LCD
หลักการทำงานของจอแสดงผลคริสตัลเหลวขึ้นอยู่กับคุณสมบัติของวัสดุที่มีความอ่อนไหวทางไฟฟ้าที่เรียกว่าผลึกเหลว ซึ่งไหลเหมือนของเหลว แต่มีโครงสร้างเป็นผลึก ในของแข็งผลึก อนุภาคที่เป็นส่วนประกอบ - อะตอมหรือโมเลกุล - อยู่ในอาร์เรย์ทางเรขาคณิต ในขณะที่อยู่ในสถานะของเหลว พวกมันสามารถเคลื่อนที่แบบสุ่มได้อย่างอิสระ
อุปกรณ์แสดงผลคริสตัลเหลวประกอบด้วยโมเลกุลซึ่งมักมีรูปร่างเป็นแท่งซึ่งจัดเป็นแนวเดียวแต่ยังสามารถเคลื่อนที่ได้ โมเลกุลผลึกเหลวทำปฏิกิริยากับแรงดันไฟฟ้าที่เปลี่ยนทิศทางและเปลี่ยนลักษณะทางแสงของวัสดุ คุณสมบัตินี้ใช้กับ LCD
โดยเฉลี่ย แผงดังกล่าวประกอบด้วยองค์ประกอบภาพนับพัน (“พิกเซล”) ซึ่งขับเคลื่อนด้วยแรงดันไฟฟ้าแยกกัน บางกว่า เบากว่า และมีแรงดันไฟในการทำงานต่ำกว่าเทคโนโลยีการแสดงผลอื่นๆ และเหมาะอย่างยิ่งสำหรับอุปกรณ์ที่ใช้แบตเตอรี่
เมทริกซ์แบบพาสซีฟ
จอแสดงผลมีสองประเภท: เมทริกซ์แบบพาสซีฟและแอกทีฟ ตัวแบบพาสซีฟถูกควบคุมโดยอิเล็กโทรดเพียงสองขั้วเท่านั้น เป็นแถบ ITO โปร่งใสที่หมุน 90 เข้าหากัน ซึ่งจะสร้างเมทริกซ์ไขว้ที่ควบคุมแต่ละเซลล์ LC แยกกัน การระบุตำแหน่งทำได้โดยตรรกะและไดรเวอร์แยกจาก LCD ดิจิทัล เนื่องจากไม่มีประจุในเซลล์ LC ในการควบคุมประเภทนี้ โมเลกุลของผลึกเหลวจึงค่อยๆ กลับสู่สถานะเดิม ดังนั้นแต่ละเซลล์จึงต้องถูกตรวจสอบเป็นระยะๆ
Passive มีเวลาตอบสนองค่อนข้างนานและไม่เหมาะกับการใช้งานทางโทรทัศน์ ไม่ควรติดตั้งไดรเวอร์หรือส่วนประกอบสวิตชิ่ง เช่น ทรานซิสเตอร์ไว้บนพื้นผิวแก้ว การสูญเสียความสว่างเนื่องจากการแรเงาโดยองค์ประกอบเหล่านี้ไม่เกิดขึ้น ดังนั้นการทำงานของ LCD จึงง่ายมาก
Passive ใช้กันอย่างแพร่หลายกับตัวเลขและสัญลักษณ์ที่แบ่งกลุ่มสำหรับการอ่านขนาดเล็กในอุปกรณ์เช่นเครื่องคิดเลข เครื่องพิมพ์ และรีโมทคอนโทรล ซึ่งส่วนใหญ่เป็นแบบขาวดำหรือมีเพียงไม่กี่สี การแสดงภาพขาวดำและกราฟิกแบบพาสซีฟถูกใช้ในแล็ปท็อปรุ่นแรกๆ และยังคงใช้เป็นทางเลือกแทนเมทริกซ์แบบแอกทีฟ
จอแสดงผล TFT ที่ทำงานอยู่
แอกทีฟแมทริกซ์แสดงการใช้ทรานซิสเตอร์หนึ่งตัวในการขับเคลื่อนและตัวเก็บประจุเพื่อเก็บประจุ ในเทคโนโลยี IPS (In Plane Switching) หลักการทำงานของตัวบ่งชี้ผลึกเหลวใช้การออกแบบโดยที่อิเล็กโทรดไม่ติดกัน แต่จะตั้งอยู่ติดกันในระนาบเดียวกันบนพื้นผิวแก้ว สนามไฟฟ้าทะลุโมเลกุล LC ในแนวนอน
จัดวางขนานกับพื้นผิวหน้าจอ ซึ่งช่วยเพิ่มมุมมองอย่างมาก ข้อเสียของ IPS คือแต่ละเซลล์ต้องการทรานซิสเตอร์สองตัว ซึ่งจะช่วยลดพื้นที่โปร่งใสและต้องใช้แสงไฟที่สว่างกว่า VA (Vertical Alignment) และ MVA (Multi-Domain Vertical Alignment) ใช้ผลึกเหลวขั้นสูงที่จัดเรียงในแนวตั้งโดยไม่มีสนามไฟฟ้า ซึ่งก็คือตั้งฉากกับพื้นผิวหน้าจอ
แสงโพลาไรซ์ผ่านได้แต่โพลาไรซ์ด้านหน้าบังบังไว้ ดังนั้น เซลล์ที่ไม่มีการกระตุ้นจะเป็นสีดำ เนื่องจากโมเลกุลทั้งหมด แม้แต่โมเลกุลที่อยู่ตรงขอบของซับสเตรต ถูกจัดเรียงในแนวตั้งอย่างสม่ำเสมอ ค่าสีดำที่ได้จึงมีค่ามากในทุกมุม ไม่เหมือนกับเมทริกซ์แบบพาสซีฟจอแสดงผลคริสตัลเหลว จอแสดงผลแอกทีฟเมทริกซ์มีทรานซิสเตอร์ในแต่ละพิกเซลย่อยสีแดง สีเขียว และสีน้ำเงิน ซึ่งจะคงระดับความเข้มที่ต้องการไว้จนกว่าจะระบุแถวนั้นในเฟรมถัดไป
เวลาเปลี่ยนเซลล์
เวลาตอบสนองของการแสดงผลเป็นปัญหาใหญ่เสมอมา เนื่องจากผลึกเหลวมีความหนืดค่อนข้างสูง เซลล์ LCD จึงเปลี่ยนได้ค่อนข้างช้า เนื่องจากภาพมีการเคลื่อนไหวอย่างรวดเร็ว จึงทำให้เกิดลายทาง ผลึกเหลวความหนืดต่ำและการควบคุมเซลล์ผลึกเหลวดัดแปลง (โอเวอร์ไดรฟ์) มักจะแก้ปัญหาเหล่านี้ได้
เวลาตอบสนองของ LCD สมัยใหม่ในปัจจุบันอยู่ที่ประมาณ 8 มิลลิวินาที (เวลาตอบสนองที่เร็วที่สุดคือ 1 มิลลิวินาที) เปลี่ยนความสว่างของพื้นที่ภาพจาก 10% เป็น 90% โดยที่ 0% และ 100% เป็นความสว่างของสถานะคงที่ ISO 13406 -2 คือผลรวมของเวลาในการเปลี่ยนจากสว่างเป็นมืด (หรือกลับกัน) และในทางกลับกัน อย่างไรก็ตาม เนื่องจากกระบวนการเปลี่ยนซีมโทติก ต้องใช้เวลาเปลี่ยน <3 มิลลิวินาทีเพื่อหลีกเลี่ยงแถบสัญญาณที่มองเห็นได้
เทคโนโลยีโอเวอร์ไดรฟ์ช่วยลดเวลาในการเปลี่ยนเซลล์ผลึกเหลว เพื่อจุดประสงค์นี้ แรงดันไฟฟ้าที่สูงกว่าจะถูกนำไปใช้กับเซลล์ LCD ชั่วคราวเกินความจำเป็นสำหรับค่าความสว่างจริง เนื่องจากจอแสดงผลคริสตัลเหลวมีไฟกระชาก ผลึกเหลวเฉื่อยจะแตกออกจากตำแหน่งและปรับระดับได้เร็วกว่ามาก สำหรับระดับกระบวนการนี้ อิมเมจต้องถูกแคชไว้ พร้อมออกแบบพิเศษให้สอดคล้องกันค่าการแก้ไขการแสดงผล ความสูงของแรงดันไฟฟ้าที่สอดคล้องกันขึ้นอยู่กับแกมมาและถูกควบคุมโดยตารางค้นหาจากตัวประมวลผลสัญญาณสำหรับแต่ละพิกเซล และคำนวณเวลาที่แน่นอนของข้อมูลภาพ
องค์ประกอบหลักของตัวชี้วัด
การหมุนในโพลาไรซ์ของแสงที่เกิดจากคริสตัลเหลวเป็นพื้นฐานสำหรับการทำงานของ LCD โดยทั่วไปแล้ว LCD มีสองประเภทคือ Transmissive และ Reflective:
- ส่งกำลัง
- เกียร์
การส่งสัญญาณ LCD แสดงการทำงาน ทางด้านซ้าย ไฟหลังจอ LCD จะปล่อยแสงที่ไม่มีขั้ว เมื่อผ่านโพลาไรเซอร์ด้านหลัง (โพลาไรเซอร์แนวตั้ง) แสงจะกลายเป็นโพลาไรซ์ในแนวตั้ง จากนั้นแสงนี้จะกระทบกับผลึกเหลวและจะบิดโพลาไรซ์หากเปิดไว้ ดังนั้น เมื่อแสงโพลาไรซ์ในแนวตั้งผ่านส่วนผลึกเหลว ON ก็จะกลายเป็นโพลาไรซ์ในแนวนอน
ถัดไป - โพลาไรเซอร์ด้านหน้าจะปิดกั้นแสงโพลาไรซ์ในแนวนอน ดังนั้นส่วนนี้จะดูมืดสำหรับผู้สังเกต หากปิดส่วนผลึกเหลว โพลาไรซ์จะไม่เปลี่ยนโพลาไรซ์ ดังนั้นแสงจะยังคงโพลาไรซ์ในแนวตั้ง ดังนั้นโพลาไรเซอร์ด้านหน้าจึงส่งแสงนี้ จอแสดงผลเหล่านี้ โดยทั่วไปเรียกว่า LCD ย้อนแสง ใช้แสงแวดล้อมเป็นแหล่งกำเนิด:
- นาฬิกา
- จอ LCD สะท้อนแสง
- เครื่องคิดเลขมักใช้จอภาพประเภทนี้
ส่วนบวกและลบ
ภาพบวกถูกสร้างขึ้นโดยพิกเซลสีเข้มหรือส่วนต่างๆ บนพื้นหลังสีขาว ในนั้นโพลาไรเซอร์จะตั้งฉากกัน ซึ่งหมายความว่าหากโพลาไรเซอร์ด้านหน้าเป็นแนวตั้ง โพลาไรเซอร์ด้านหลังจะเป็นแนวนอน ดังนั้น OFF และพื้นหลังจะปล่อยให้แสงผ่าน และเปิดจะปิดกั้น จอภาพเหล่านี้มักใช้ในแอปพลิเคชันที่มีแสงโดยรอบ
นอกจากนี้ยังสามารถสร้างจอแสดงผลแบบโซลิดสเตตและคริสตัลเหลวด้วยสีพื้นหลังที่แตกต่างกัน ภาพเนกาทีฟถูกสร้างขึ้นด้วยพิกเซลแสงหรือส่วนต่างๆ บนพื้นหลังสีเข้ม ในนั้นโพลาไรเซอร์ด้านหน้าและด้านหลังจะรวมกัน ซึ่งหมายความว่าหากโพลาไรเซอร์ด้านหน้าเป็นแนวตั้ง ด้านหลังก็จะเป็นแนวตั้งและในทางกลับกันด้วย
ดังนั้น ส่วน OFF และพื้นหลังจะปิดกั้นแสง และส่วน ON จะปล่อยให้แสงส่องผ่าน ทำให้เกิดการแสดงแสงบนพื้นหลังสีเข้ม จอ LCD แบบแบ็คไลท์มักใช้ประเภทนี้ ซึ่งใช้ในที่ที่มีแสงโดยรอบน้อย นอกจากนี้ยังสามารถสร้างสีพื้นหลังที่แตกต่างกันได้
แสดง RAM หน่วยความจำ
DD คือหน่วยความจำที่เก็บอักขระที่แสดงบนหน้าจอ ในการแสดงอักขระ 2 บรรทัด จำนวน 16 ตัว ที่อยู่จะถูกกำหนดดังนี้:
| Line | มองเห็นได้ | ล่องหน |
| บน | 00H 0FH | 10H 27H |
| ต่ำ | 40H - 4FH | 50H 67H |
ให้คุณสร้างอักขระได้สูงสุด 8 ตัวหรือ 5x7 อักขระ เมื่อโหลดอักขระใหม่ลงในหน่วยความจำแล้ว จะสามารถเข้าถึงได้เหมือนกับว่าเป็นอักขระปกติที่จัดเก็บไว้ใน ROM CG RAM ใช้คำกว้าง 8 บิต แต่มีเพียง 5 บิตที่มีนัยสำคัญน้อยที่สุดเท่านั้นที่ปรากฏบน LCD
ดังนั้น D4 เป็นจุดซ้ายสุดและ D0 คือเสาทางด้านขวา ตัวอย่างเช่น การโหลด RAM byte CG ที่ 1Fh จะเรียกจุดทั้งหมดในบรรทัดนี้
การควบคุมโหมดบิต
มีโหมดการแสดงผลสองแบบให้เลือก: 4 บิตและ 8 บิต ในโหมด 8 บิต ข้อมูลจะถูกส่งไปยังจอแสดงผลโดยใช้หมุด D0 ถึง D7 สตริง RS ถูกตั้งค่าเป็น 0 หรือ 1 ขึ้นอยู่กับว่าคุณต้องการส่งคำสั่งหรือข้อมูล ต้องตั้งค่าเส้น R/W เป็น 0 เพื่อระบุการแสดงผลที่จะเขียน มันยังคงส่งพัลส์อย่างน้อย 450 ns ไปยังอินพุต E เพื่อระบุว่ามีข้อมูลที่ถูกต้องอยู่บนพิน D0 ถึง D7
หน้าจอจะอ่านข้อมูลที่ขอบด้านล่างของอินพุตนี้ หากจำเป็นต้องอ่าน ขั้นตอนจะเหมือนกัน แต่คราวนี้เส้น R/W ถูกตั้งค่าเป็น 1 เพื่อขออ่าน ข้อมูลจะถูกต้องในบรรทัด D0-D7 ในสถานะบรรทัดสูง
โหมด 4 บิต ในบางกรณี อาจจำเป็นต้องลดจำนวนสายไฟที่ใช้ในการขับเคลื่อนจอแสดงผล เช่น เมื่อไมโครคอนโทรลเลอร์มีพิน I/O น้อยมาก ในกรณีนี้ สามารถใช้โหมด LCD แบบ 4 บิตได้ ในโหมดนี้เพื่อส่งข้อมูลและอ่านข้อมูล เฉพาะ 4 บิตที่สำคัญที่สุด (D4 ถึง D7) ของจอแสดงผลเท่านั้นที่ใช้
4 บิตที่สำคัญ (D0 ถึง D3) เชื่อมต่อกับกราวด์ ข้อมูลจะถูกเขียนหรืออ่านโดยส่งสี่บิตที่สำคัญที่สุดตามลำดับ ตามด้วยสี่บิตที่มีนัยสำคัญน้อยที่สุด ต้องส่งชีพจรบวกอย่างน้อย 450 ns ในบรรทัด E เพื่อทดสอบแต่ละ nibble
ในทั้งสองโหมด หลังจากแต่ละการกระทำบนจอแสดงผล คุณสามารถมั่นใจได้ว่าจะสามารถประมวลผลข้อมูลต่อไปนี้ได้ ในการดำเนินการนี้ คุณต้องขออ่านในโหมดคำสั่งและตรวจสอบแฟล็ก Busy BF เมื่อ BF=0 จอแสดงผลพร้อมที่จะยอมรับคำสั่งหรือข้อมูลใหม่
อุปกรณ์แรงดันไฟดิจิตอล
ตัวระบุคริสตัลเหลวแบบดิจิทัลสำหรับผู้ทดสอบประกอบด้วยแผ่นกระจกบางๆ สองแผ่น บนพื้นผิวที่หันเข้าหากันซึ่งใช้รางนำไฟฟ้าแบบบาง เมื่อมองกระจกจากด้านขวาหรือเกือบเป็นมุมฉาก จะมองไม่เห็นรอยทางเหล่านี้ แต่บางมุมก็มองเห็นได้
แผนภาพวงจรไฟฟ้า
เครื่องมือทดสอบที่อธิบายในที่นี้ประกอบด้วยออสซิลเลเตอร์สี่เหลี่ยมที่สร้างแรงดันไฟฟ้ากระแสสลับที่สมมาตรอย่างสมบูรณ์แบบโดยไม่มีส่วนประกอบ DC ใดๆ เครื่องกำเนิดลอจิกส่วนใหญ่ไม่สามารถสร้างคลื่นสี่เหลี่ยมได้ แต่จะสร้างรูปคลื่นสี่เหลี่ยมที่มีวัฏจักรหน้าที่ผันผวนประมาณ 50% 4047 ที่ใช้ในเครื่องทดสอบมีเอาต์พุตสเกลาร์แบบไบนารีที่รับประกันความสมมาตร ความถี่ออสซิลเลเตอร์ประมาณ 1 kHz
ใช้ไฟ 3-9V ได้ ปกติจะเป็นแบตเตอรีแต่พาวเวอร์ซัพพลายแบบแปรผันก็มีข้อดี มันแสดงให้เห็นแรงดันไฟฟ้าที่ผลึกเหลวของตัวบ่งชี้แรงดันไฟฟ้าทำงานได้อย่างน่าพอใจ และยังมีความสัมพันธ์ที่ชัดเจนระหว่างระดับแรงดันไฟฟ้ากับมุมที่มองเห็นได้ชัดเจนของจอแสดงผล ผู้ทดสอบดึงไม่เกิน 1 mA.
แรงดันทดสอบต้องเชื่อมต่อระหว่างขั้วทั่วไปเสมอ เช่น ระนาบด้านหลัง และส่วนใดส่วนหนึ่ง หากไม่ทราบว่าเทอร์มินัลใดเป็นแบ็คเพลน ให้เชื่อมต่อโพรบของผู้ทดสอบกับเซกเมนต์ และโพรบอื่น ๆ กับเทอร์มินัลอื่นทั้งหมดจนกระทั่งมองเห็นเซกเมนต์
