快速了解数字式显示器件和显像管技术

1.数字式显示器

数字设备的应用越来越广泛，许多数字设备中使用了数字式显示器，用来指示数字等信息。

显示电路主要由译码器、驱动器电路和显示器三部分组成。

（1）译码器。它的作用是将二进制数“翻译”成平时熟悉的十进制数字和符号。

（2）驱动器。经过译码器“翻译”的信号电平还是很小的，一般不能直接去驱动显示器件，为使有足够的电流或电压驱动显示器件，加一级驱动器电路进行电流或电压的放大。

（3）显示器件。显示电路最终通过显示器表现出文字、数字或符号，显示器件是用来显示文字、数字、符号等的器件。

显示电路根据所采用的数码显示器件不同而不同。数码显示器简称数码管，它是数字式显示系统中是不可缺少的器件，应用极其广泛，发展速度很快，数码管朝着小型化、平面化、多功能化和低耗电方面发展。

2.字形重叠式数码管

它的特点是将不同的数字、字母等符号的电极重叠起来，当需要哪一个符号显示时，就驱动该符号的电极，使之发光显示，此时其他符号电极不发光。这种数码管有辉光放电管和边光显示管等。

3.分段式数码管

它的特点是将一个数字分成若干个笔划，通过驱动相应的笔划发光来显示某一个数字，如荧光数码管就是这种类型的。分段式数码管有八段式和七段式两种。在数字显示方面，分段式数码管是主要显示器件。

4.点矩阵式数码显示器件

它由一些可发光的点阵排列而成，利用发光点不同排列和组合显示数字或字符，如场致发光数字板就是这种显示器件。

5.分段式发光二极管数码管

如图2-232所示是分段式发光二极管数码管实物图，它由半导体发光二极管构成，所以称为发光二极管（LED）数码管，或发光二极管显示器。

图2-232 示意图

6.荧光数码管

如图2-233所示是YS-18-3型荧光数码管外形和引脚排列示意图。这是一个八段式荧光数码管。

图2-233 示意图

荧光数码管是一种电真空器件，其工作原理与普通的电子管相似，它的灯丝就是阴极（为直热式阴极），当灯丝通电后灯丝就会发热（即阴极发热），由于在阴极表面涂有一层逸出功很小的氧化物，于是在阴极发热后会发射大量的电子。

荧光数码管内设置有一个栅极，在栅极上加有+20V直流电压，栅极电压相对阴极而言为正电压，这样阴极发射出来的大量电子受到栅极正电场的吸收而得到加速。

荧光数码管的阳极也是接+20V直流电压（实际电路中栅极与阳极在外电路中直接相连），这样受到电场加速的绝大多数电子冲过网状的栅极，高速轰击阳极表面。在阳极表面涂有一层荧光粉（为氧化锌材料），荧光粉在受到高速轰击的电子作用下而发出光。

荧光数码管内的笔划就是阳极，所以八段式荧光数码管就有8个阳极。当某一个或某几个阳极受到高速电子轰击后发光，就能显示出某一个数字。具体有哪几个阳极发光，这是需要译码器输出的信号来控制。

荧光数码管的优点是工作电压低，驱动电流小，显示清晰悦目，视角大，工作可靠性好，寿命长，但是机械强度差，使用安装不方便。

7.重叠式辉光数码管

如图2-234所示是辉光数码管实物图，辉光数码管是一种字形重叠式气体放电显示器件。这种数码管与分段式数码管不同，它将各种不同的数字或字符直接置于玻璃壳内，通过译码器和驱动器电路直接将某一数字或字符点亮即可显示。

辉光数码管外壳为透明的玻璃材料，外形矮胖，管内充有惰性气体，不需要灯丝加热，靠辉光放电来显示数码。

在辉光数码管工作时，阳极上接有+180V直流电压，当某一个阴极在外电路中接地时，该阴极与阳极之间有+180V直流电压，这样阳极与该阴极之间进行气体放电，此时该接地阴极就能发出桔红色辉光数字，达到显示目的。

在某一个阴极接地时，其他各阴极处于悬空或高电位状态，它们的阴极不能发光显示。

图2-234 示意图

8.液晶数码管

如图2-235所示是液晶数码管实物图。利用液晶的动态散射效应可以制成液晶数码管。液晶数码管有两种：一是分段式液晶数码管，二是点阵式液晶数码管。

液晶是液态晶体的简称，液晶是一种有机化合物。在一定的温度范围内，液晶具有液体的流动性，又有晶体的某些光学特性，液晶的透明度和颜色随电场、光、磁场和温度等外界条件变化而变化。显示器是利用液晶在电场作用下光学性能变化的特性而制成。液晶在电场作用下会出现电光效应。

如果在液晶数码管的正面电极和背面电极之间加上一定大小的直流电压，那么两电极之间的液晶段由于光学性能的变化而呈现反差，显示出相应字段。正面各电极上的电压有还是没有由分段式数码管译码器电路控制，这样就能在液晶数码管中完成分段式数字或字符的显示。

图2-235 示意图

9.液晶显示器

液晶显示器（LCD）就是白色光通过红绿蓝滤光片产生红绿蓝三色光，然后依靠液晶的翻转来实现光通道的控制，实现彩色显像。液晶与光电器件及寻址控制电路集成在一起即称LCD。

液晶材料本身并不发光，所以在显示屏两边都设有作为光源的灯管，而在液晶显示屏背面有一块背光板（或称匀光板）和反光膜，背光板是由荧光物质组成的可以发射光线，其作用主要是提供均匀的背景光源。

背光板发出的光线在穿过第一层偏振过滤层之后进入包含成千上万液晶液滴的液晶层。

10.液晶显示器特点

1）没有电磁辐射。液晶显示器在防止辐射方面具有先天的优势，因为它根本就不存在辐射。在电磁波的防范方面，液晶显示器也有自己独特的优势，它采用了严格的密封技术将来自驱动电路的少量电磁波封闭在显示器中。

2）显示质量高。由于液晶显示器每一个点在收到信号后就一直保持那种色彩和亮度，恒定发光，液晶显示器画质高而且绝对不会闪烁，把眼睛疲劳降到最低。

3）画面效果好。液晶显示器一开始就使用纯平面的玻璃板，其显示效果是平面直角的。液晶显示器更容易在小面积屏幕上实现高分辨率，例如，17in的液晶显示器就能很好地实现1280×1024分辨率。

4）功率消耗小。液晶显示器的功耗主要消耗在其内部的电极和驱动集成电路上，耗电量比传统显示器也要小得多。

5）可视面积大。对于相同尺寸的显示器来说，液晶显示器的可视面积要更大一些。液晶显示器的可视面积跟它的对角线尺寸相同。

6）数字式接口。液晶显示器都是数字式的，使用液晶显示器不需要把数字信号转化成模拟信号。理论上，这会使色彩和定位都更加准确完美。

7）超薄显示成为现实。液晶显示器通过显示屏上的电极控制液晶分子状态来达到显示目的，即使屏幕加大，它的体积也不会成正比地增加，而且在重量上比相同显示面积的传统显示器要轻得多。

11.液晶显示器种类

常见的液晶显示器按物理结构分为四种：

1）扭曲向列型（TN-Twisted Nematic）。

2）超扭曲向列型（STN-Super TN）。

3）双层超扭曲向列型（DSTN-Dual Scan Tortuosity Nomograph）。

4）薄膜晶体管型（TFT-Thin Film Transistor）。

其中TN-LCD、STN-LCD和DSTN-LCD属于同一类型，基本显示原理都相同，只是液晶分子的扭曲角度不同而已。STN-LCD的液晶分子扭曲角度为180°甚至270°。

TFT-LCD则是与前三种LCD截然不同的显示方式。

按LCD显示技术分有两大类：

1）有源矩阵类黑矩阵。采用防光泄漏的特殊镀膜，结合有源矩阵技术，用以加深黑度、提高对比度、减少高亮眩光的最新显示技术，主要用于高档笔记本电脑。

2）无源矩阵类。如双扫无源矩阵类。

12.TN型液晶显示器

TN型采用的是液晶显示器中最基本的显示技术。

TN型的显像原理是：将液晶材料置于两片贴附光轴垂直偏光板的透明导电玻璃间，液晶分子会依附向膜的细沟槽方向，按序旋转排列。

如果电场未形成，光线就会顺利地从偏光板射入，液晶分子将其行进方向旋转，然后从另一边射出。

如果在两片导电玻璃通电之后，玻璃间就会形成电场，进而影响其间液晶分子的排列，使分子棒进行扭转，光线便无法穿透，进而遮住光源。这样得到光暗对比的现象，就叫做扭转式向列场效应，简称TNFE（twisted nematic field effect）。

电子领域中所用的液晶显示器，几乎都是用扭转式向列场效应原理制成的。

它是目前应用最广泛的LCD类型，价格便宜，广泛应用于手表、时钟、电子计算机、电话、传真机等一般家电用品的数字显示。

这种LCD的分辨率很低，一般用于显示数字、字符等，很难用于显示图形图像。

13.STN型液晶显示器

STN型的显示原理与TN相类似。不同的是，TN扭转式向列场效应的液晶分子是将入射光旋转90°，而STN超扭转式向列场效应是将入射光旋转180°～270°。

单纯的TN液晶显示器本身只有明暗两种情形（或称黑白），并没有办法做到色彩的变化。

STN液晶显示器由于液晶材料的关系，以及光线的干涉现象，因此显示的色调都以淡绿色和橘色为主。

如果在传统单色STN液晶显示器加上一彩色滤光片（color filter），并将单色显示矩阵的任一像素（pixel）分成三个子像素（sub-pixel），分别通过彩色滤光片显示红、黄、蓝三原色，再经由三原色比例的调和，也可以显示出全彩模式的色彩。

STN-LCD在分辨率和色彩数目上都受到限制，应用也局限在一些对图像分辨率和色彩要求不是很高的领域。

当前以移动电话、PDA、掌上型电脑、汽车导航系统、电子辞典风高品质产品之中小尺寸电子显示应用为主。

STN型液晶显示器也是采用单纯矩阵驱动方式。

14.DSTN STN型液晶显示器

DSTN是通过双扫描方式来扫描扭曲向列型液晶显示器。由于DSTN采用双扫描技术，因此显示效果相对STN来说，有大幅度提高。

现在STN主要有CSTN和DSTN之分。

CSTN即Color STN，一般采用传送式（transmissive）照明方式，传送式屏幕要使用外加光源照明，称为背光（backlight），照明光源要安装在LCD的背后。(www.xing528.com)

传送式LCD在正常光线及暗光线下，显示效果都很好。但在户外，尤其在日光下，很难辨清显示内容而背光需要电源产生照明光线，要消耗电功率。

DSTN（double-layer super-twisted nematic）即双层STN，也是一种无源显示技术，使用两个显示层。这种显示技术解决了传统STN显示器中的漂移问题，而且由于DSTN还采用了双扫描技术，因而显示效果较STN有大幅度的提高。由于DSTN分上下两屏同时扫描，所以在使用中有可能在显示屏中央出现一条亮线。

所谓双扫是指把屏幕水平分为两个区域，上半和下半同时并行扫描，因此当上下更新不同步时，屏幕中央会有一条模糊的水平线。

15.TFT型液晶显示器

TFT型液晶显示器采用有源矩阵，即薄膜晶体管（TFT——Thin Film Transistor）技术。

TFT型液晶显示器较为复杂，主要是由：荧光管、导光板、偏光板、滤光板、玻璃基板、配向膜、液晶材料、薄模式晶体管等构成。

首先，液晶显示器必须先利用背光源，也就是荧光灯管投射出光源，这些光源会先经过一个偏光板然后再经过液晶。这时液晶分子的排列方式就会改变穿透液晶的光线角度，然后这些光线还必须经过前方的彩色的滤光膜与另一块偏光板。

因此只要改变刺激液晶的电压值就可以控制最后出现的光线强度与色彩，这样就能在液晶面板上变化出有不同色调的颜色组合了。

FT-LCD的每个像素点都是由集成在自身上的TFT来控制的，它们是有源像素点。因此，不但反应时间可以极大地加快，起码可以到80ms左右，对比度和亮度也大大提高，同时分辨率也得到了空前的提升。

因为它具有更高的对比度和更丰富的色彩，荧屏更新频率也更快，所以称之为“真彩”。

在TFT型液晶显示器中，信号电流不直接驱动液晶，而是利用电流控制薄膜晶体管的开关状态，因此需要额外电源给薄膜晶体管供电，故其称作有源矩阵LCD。

TFT型LCD反应时间快、显示品质较佳，适用于大型动画显示，被广泛应用于笔记本电脑、电脑显示器、液晶电视、液晶投影机及各式大型电子显示器产品。

近年来，由于手机、PDA、数码相机及摄像机等手持类设备对显示屏的要求不断提高，TFT型LCD在这些领域也有了很大的应用。

16.等离子体显示器

如图2-236所示是等离子体显示器实物图，等离子体显示器简称PDP（Plasma Display Panel）是近几年发展起来的新型显示器件，它利用气体放电产生的紫外线激发荧光粉发光显示图像。等离子是一种自发光显示技术，不需要背景光源。

PDP具有超薄的外形、平面显示、高亮度、重量轻、图像质量高、全彩色显示、不受磁场影响，以及大屏幕化等优点。

PDP是利用加在阴极和阳极间一定的电压使气体产生辉光放电而制成的，与荧光灯的辉光放电机理相近。

PDP的发光原理与CRT更为接近，属于主动发光。

17.等离子体显示器特点

1）工作寿命长，是显像管的好几倍，一般的单色PDP可达10万h，彩色PDP可达3万h之多。

2）容易制成大面积的显示屏，现在已经能制成约70in（英寸）的大屏幕。

图2-236 示意图

3）显示屏的厚度很薄，因为PDP屏的自身厚度只有1cm左右，远远小于显像管的厚度，因此可做成平板式显示器。

4）具有存储功能，因此它可以工作在存储方式中，使显示屏的亮度得到提高。

5）无X射线辐射。

18.等离子体显示器

1）它的响应速度和CRT几乎完全一样，也就意味着观看高速移动的画面，几乎没有拖尾。

2）等离子的色彩更加柔和，亮度适中。

3）PDP的观看距离近（42′约为1.8～2.5m），而且立体感强。

PDP由于是紫外线激发荧光粉方式，长时间的静止或高亮画面会导致荧光粉的老化，造成亮度衰减（烧屏）。

19.等离子体显示器种类

PDP分为直流（DC）驱动型和交流（AC）驱动型两种不同方式。目前的主流彩色PDP为三电极表面交流放电型。

直流型电极与放电气体直接接触，紫外线的产生效率高，但是显示屏的结构比较复杂，在目前商用彩色PDP中已很少用。

交流型的电极表面涂敷一层介质层，使其结构类似于一个电容器。交流型PDP又分对向放电和表面放电两种。

按类型划分就是下列三种：

1）脉冲存储直流PDP。

2）单基板式（又称表面放电式）交流PDP。

3）双式（又称对向放电式）交流PDP。

20.有机发光二极管（OLED）

有机发光二极管（OLED，Organic Light-Emitting Diode）又称为有机电激光显示（Organic Elec-troluminesence Display，OELD）。

OLED显示技术与传统的LCD显示方式不同之处是无需背光灯，采用非常薄的有机材料涂层和玻璃基板，当有电流通过时，这些有机材料就会发光。

目前在OLED的两大技术体系中，低分子OLED技术为日本掌握，而高分子的PLED则由英国的科技公司CDT掌握，两者相比PLED产品的彩色化上仍有困难。

OLED构造可以这样形象地说明，即可以将每个OLED单元比做一块汉堡包，发光材料就是夹在中间的蔬菜。每个OLED的显示单元都能受控制地产生三种不同颜色的光。

因为具备轻薄、省电等特性，OLED屏幕具备了许多LCD不可比拟的优势，如图2-237所示是OLED屏幕示意图。

21.OLED主要优点

1）厚度可以小于1mm，仅为LCD屏幕的1/3，并且重量也更轻。

2）固态机构，没有液体物质，因此抗振性能更好，不怕摔。

3）几乎没有可视角度的问题，即使在很大的视角下观看，画面仍然不失真。

4）响应时间是LCD的千分之一，显示运动画面绝对不会有拖影的现象。

5）发光效率更高，能耗比LCD要低。

图2-237 OLED屏幕示意图

22.OLED主要缺点

1）寿命通常只有5000h，要低于LCD至少1万h。

2）存在色彩纯度不够的问题，不容易显示出鲜艳、浓郁的色彩。

23.OLED的驱动方式

OLED有源驱动（主动式）和无源驱动（被动式）之分。有源驱动方式下，OLED单元后有一个薄膜晶体管（TFT），发光单元在TFT驱动下点亮。主动式OLED应该比被动式OLED省电，且显示性能更佳。无源驱动方式下由行列地址选中的单元被点亮。

1）无源驱动（PM OLED）。无源驱动分为静态驱动电路和动态驱动电路。

①静态驱动方式。在静态驱动的有机发光显示器件上，一般各有机电致发光像素的阴极是连在一起引出的，各像素的阳极是分立引出的，这就是共阴的连接方式。静态驱动电路一般用于段式显示屏的驱动上。

②动态驱动方式。在动态驱动的有机发光显示器件上把像素的两个电极做成了矩阵型结构，即水平一组显示像素的同一性质的电极是共用的，纵向一组显示像素的相同性质的另一电极是共用的。通常采用逐行扫描的方式，行扫描，列电极为数据电极。

2）有源驱动（AM OLED）。有源驱动的每个像素配备具有开关功能的低温多晶硅薄膜晶体管，而且每个像素配备一个电荷存储电容，外围驱动电路和显示阵列整个系统集成在同一玻璃基板上。

24.黑白显像管（CRT）

显像管是电视机中最重要的器件。如图2-238所示是黑白显像管实物图，目前黑白电视机采用静电聚焦、电磁偏转的显像管，静电聚焦是指利用静电场将电子流会聚成一束。

按照电子枪划分黑白显像管有三极式和四极式两种，23cm的显像管用三极式的电子枪，31cm、40cm、47cm等显像管则用四极式的电子枪。

图2-238 示意图

25.彩色显像管

如图2-239所示是彩色显像管实物图，彩色显像管的基本结构和工作原理同黑白显像管相似，它也是用灯丝加热阴极，使阴极发射电子，这些电子被加速极加速，并由聚焦极形式的电子聚焦透镜聚焦成很细的电子束，再在高压阳极的强电场作用下进一步加速，电子束轰击荧光粉，完成电—光转换。

彩色显像管与黑白显像管重要区别如下：

1）黑白显像管只显示黑白图像，故每个像素中只有一个荧光点，而彩色显像管要显示彩色图像，所以每个像素中有红、绿、蓝三种不同的荧光粉。

2）彩色显像管有红、绿、蓝三个电子束，可以采用三枪三束方式，也可以采用单枪三束方式，而黑白显像管只有一个电子束。彩色显像管有三个阴极，有三套视放电路，黑白显像管只有一个阴极，只有一套视频放大电路。

图2-239 示意图

3）彩色显像管利用空间混色原理获得彩色效果。屏幕上每个像素由三种不同颜色的荧光粉点（或条）构成，这样的像素共有40多万个。对每个像素而言，因3个不同发光点（或条）相距很近，加上观看距离较远，便使观看者感觉到是一个点的颜色而不是三个不同色点，这便是空间混色原理。

26.三种彩色显像管

彩色显像管主要有三种：

1）三枪三束管。它也是荫罩管。这种显像管是20世纪50年代发明的，生产工艺比较成熟，图像质量较好，但由于它的会聚电路复杂、调整麻烦，所以一般彩色电视机中不采用这种彩色显像管，它主要用于高清晰度电视机和监视器中。

2）单枪三束管。这是20世纪60年代初期发明的。它的三束电子束一字形排列，会聚电路简化了，调整也简单了一些，但调整仍然比较麻烦。

3）自会聚彩色显像管。这是目前大量使用的彩色显像管，它是20世纪70年代初发明的，是在单枪三束彩色显像管基础上发展起来的。它是利用特殊的偏转线圈，配以显像管内部精密的电子枪，使三束电子束能较好地实现会聚。因而这种显像管没有会聚电路，调整方便，会聚稳定。