详解LCD显示原理和结构

一路上

一、前言

LCD 全名称为：液晶体显示屏（Liquid-Crystal Display），由1888 年奥地利化学家Friedrich Reinitzer 发现了液晶体的特性，经过几十年的研究，在1964 年，George H. Heilmeier 在美国无线电公司实验室完成了第一部动态散射模式液晶体显示屏。在1971 年，International Liquid Xtal Company 量产了第一部使用旋转向列场效应的液晶体显示屏。在八十年代起，液晶体显示屏就开始真正流行，有TFT、UFB、TFD、STN等几种类型的液晶显示屏。

LCD的构造是在两片平行的玻璃基板当中放置液晶盒，下基板玻璃上设置TFT(薄膜晶体管)，上基板玻璃上设置彩色滤光片，通过TFT上的信号与电压改变来控制液晶分子的转动方向，从而达到控制每个像素点偏振光出射与否而达到显示目的。LCD是一种介于固态与液态之间的物质，本身是不能发光的，需借助要额外的光源才行，灯管数目关系着液晶显示器亮度。

二、液晶显示器的结构

液晶显示器（Liquid Crystal Display）的构造如下图所示，如果我们将液晶显示器的某一部分放大，可以得到许多正方形的「画素（Pixel）」，同时将每个画素再切割成红（R）、绿（G）、蓝（B）三种不同颜色的「次画素（Sub-pixel）」，不停地反覆的排列，和其他种类的显示器是类似的。

液晶显示器的外观

当我们从侧面观察液晶显示器的一个画素，可以得到如下图的构造，由液晶显示器的后方向前方，依序为背光模组、后偏光片、后导电玻璃（后玻璃基板＋后透明电极）、薄膜电晶体（主动矩阵式的液晶显示器才有）、前导电玻璃（前玻璃基板＋前透明电极）、彩色滤光片、保护玻璃、前偏光片等。

液晶显示器的构造示意图

• 背光模组：背光模组包括光源、反射板、导光板等元件组成，使光源均匀分布在整个液晶显示器的画面上，看起来整个画面亮度相同。
• 后偏光片：由于光源发出来的白光为「非极化光」，后偏光片主要的目的在使非极化光变成「极化光（Polarized light）」。
• 后导电玻璃：在玻璃基板上使用溅镀法（Sputter）成长「氧化铟锡（ITO：Indium Tin Oxide）」形成可以导电的玻璃，称为「导电玻璃」。
• 薄膜电晶体：在导电玻璃的上面使用半导体制程技术成长「开关元件」，我们称为「薄膜电晶体（TFT：Thin Film Transistor）」。
• 前导电玻璃：与后导电玻璃相同。
• 彩色滤光片：在塑胶薄片上涂布红（R）、绿（G）、蓝（B）三种不同颜色的颜料，不停地反覆排列在显示器的整个画面上，称为「彩色滤光片（Color filter）」。
• 前偏光片：前偏光片主要的目的在决定是否要让旋转后的极化光通过，如果可以通过则眼睛看起来是「亮（白）」，如果无法通过则眼睛看起来是「暗（黑）」。
  

三、液晶显示工作原理

当不向液晶分子施加电场时，LCD 单元中的分子会扭曲 90 度。来自环境光或来自背光的光通过第一偏光片时，光被液晶分子层偏振和扭曲；它到达第二个偏振器时，它被阻挡，观看者看到显示器是黑色的。

当向液晶分子施加电场时，它们会解开。当偏振光到达液晶分子层时，光线直接通过，没有扭曲；它到达第二个偏光片时，它也将通过，观看者看到显示屏很亮。

光通过液晶分子在不同电场示意图

简单来说，就是利用了液晶分子能随不同电场产生不同排列的特性，扭转液晶分子来控制由面板背光发出的光路，并穿过面板上方的偏光片，来调节单个像素的亮度，进而以多个不同颜色、亮度的像素点共同营造彩色的画面。

早期无源矩阵液晶显示器有很多局限性，比如视角窄、响应速度慢、暗淡，但功耗很大。为了改善这些缺点，科学家和工程师开发了有源矩阵 TFT LCD 技术。 最著名的是IPS（平面切换）LCD，IPS模式是针对在玻璃基板上水平配置的液晶，添加水平方向的横向电场，使得液晶分子在平行于玻璃基板的方向上旋转；具有超广视角、出众的图像画质、响应速度快、对比度大、烧屏缺陷少等特点。由于LCD技术使用电场而不是电流（电子通过），因此功耗低。

TFT 是“薄膜晶体管”的缩写，彩色TFT液晶显示器的晶体管是由沉积在玻璃上的非晶硅薄膜组成。它作为一个控制阀，为各个子像素提供适当的电压到液晶上，这就是为什么TFT LCD 也被称为有源矩阵显示器。

TFT-LCD基本等效电路

Clc：液晶电容，液晶分子构成的等效电容，通过改变施加在Clc两端的电场(Source Driver提供的电压和VCOM电压的压差)控制液晶分子的偏转角度，从而改变光线的透过率，以呈现不同的亮度(灰阶)。

Cst：存储电容，这个电容一般会比Clc大很多，用于保持Clc的电量；因为液晶电容比较小，由于TFT的特性存在漏电问题，需要Cst电容及时给液晶电容充能。

基本工作方式：Scan Driver(又称Gate Driver)依照时序逐行打开TFT，同时Source Driver依照时序逐行对Clc,Cst充电；每充完一行该行的TFT就会关闭，将Clc,Cst的电场锁定，即完成对这一行的画面显示。依次对每一行都进行上述操作，即可完成整帧(Frame)画面的显示。

四、LCD硬件工作原理

可以图片看作由一个个点(即像素pixel)组成。每行有xres个像素，有yres行，则这个图片的分辨率(resolution)是：xres * yres。

液晶显示屏幕上的点称为像素，屏幕后面有电子枪【红绿蓝】，一边移动一边发出颜色。每来一个像素时钟信号（DCLK），电子枪就移动一个像素点；然后接收数据使能信号线（DE），电子枪就知道这时由这三组信号线（RGB）确定的颜色是有效的，可以发射到该像素点。

当接收到水平同步信号（HSYNC），电子枪就跳到下一行的最左边；当接收到垂直同步信号线（VSYNC），电子枪就由屏幕右下脚跳到左上角（原点）。

控制信号：R[0:7]（红）、G[0:7]（绿）、B[0:7]（蓝）、DE（数据使能）、VSYNC（场同步－垂直）、HSYNC（行同步－水平）、CLK（时钟信号）。

五、颜色基本知识

颜色有很多颜色模型，颜色模型相当于用不同的格式来描述一个颜色，一个像素点上包含了RGB三种数据。

常见的有RGB、YUV、HSV、HSI等，我们从RGB入手。三个数据合一即一个像素点上的数据，这就出现了一个概念：bpp(bits per pixel)，每个像素用多少位来表示。

例如：可以用24位数据来表示红绿蓝，也可以用16位……

24bpp：RGB888实际上会用到32位，其中8位未使用，其余24位中分别用8位表示红(R)、绿(G)、蓝(B)。

16bpp：RGB565（用5位表示红、6位表示绿、5位表示蓝），RGB555（16位数据中用5位表示红、5位表示绿、5位表示蓝，浪费一位）。

六、LCD典型连接方式

接口部分（RGB），电源管理部分（DC-DC，LDO），信号传输或处理部分（解串器，MCU）等。LCD 屏幕上的动画是通过显示多个连续的静止图像来实现的，这些图像被称为帧。帧率就是显示新帧的速率，它通常表示为每秒变化的帧数，简称为 FPS。帧率越高，每秒显示的帧就越多，动画变化得也更平滑、更逼真。

帧率的高低不仅取决于主控的性能，还取决于 LCD 的接口类型和主控的数据传输带宽，通常在外设接口初始化完成后就会固定，因此可以通过公式计算得出：

接口帧率 = 接口的数据传输带宽 / 一帧图像的数据大小

1. 8080接口：是由英特尔设计，是一种并行、异步、半双工通信协议，作用是用于外扩RAM、ROM，也用于LCD接口。对于LCD的接口8080非常简单，就和内存差不多，可以参照《LCD1602液晶显示程序》

80接口帧率 = （时钟频率*数据线位数）/（色彩位数*水平分辨率*垂直分辨率）

并行8080接口主要信号线如下表所示：

信号名称	说明
CS	片选信号（如果有多片可接译码器，通过地址进行访问）
D/I（DC）	命令/数据标志（0，读写命令；1，读写数据）
WR	写入数据控制信号（连接CPU的RD或IOR）
RD	读取数据控制信号（连接CPU的WR或IOW）
RST(RES)	复位线（连接系统总线RESET）
DATA[0:7]	8位双向数据线（连接CPU数据总线）

8080接口的时序操作包括起始信号、地址线传输、控制信号传输、数据线传输、状态确认和结束信号等步骤。通过这些步骤，可以实现计算机与外部设备之间的数据传输，从而实现各种输入输出操作。

2. RGB接口：是红(R)、绿(G)、蓝(B)分三原色输入的图像和视频显示接口，按传输方式可分为串行(serial)RGB接口和并行(parallel)RGB接口；一般为TTL（3.3V）电平，需要同步信号，传输距离较短，抗干扰性不强。

RGB接口帧率 ＝ （时钟频率*数据线位数）/（色彩位数*水平周期*垂直周期）

水平周期＝水平脉冲宽度+水平后廊+水平分辨率+水平前廊

垂直周期＝垂直脉冲宽度+垂直后廊+垂直分辨率+垂直前廊

并行(parallel)RGB接口信号如下表所示：

信号名称	说明
R[7:0]	Red数据(8位)
G[7:0]	Green数据(8位)
B[7:0]	Blue数据(8位)
DCLK	像素同步时钟信号
HSYNC	行同步信号（HV同步模式）
VSYNC	场同步信号（HV同步模式）
DE	数据有效使能信号（DE同步模式）
RST(RES)	复位线（连接系统总线RESET）

上面是两种并行传输接口，在LCD连接方式也有很多种串行接口，常见的SPI、LVDS、MIPI等。

七、Framebuffer和LCD控制器

Framebuffer是用一个视频输出设备从包含完整的帧数据的一个内存缓冲区中来驱动一个视频显示设备。也就是说Framebuffer是一块内存保存着一帧的图像，向这块内存写入数据就相当于向屏幕中写入数据，如果使用32位的数据来表示一个像素点（使用BBP表示），假设屏幕的显示频分辨率为1920x1080，那么Framebuffer所需要的内存为1920x1080x32/8=8,294,400字节约等于7.9M。

通过前面知道了LCD显示图片就是修改LCD上的每一个像素。全部LCD像素数据合起来存储的地方叫做Framebuffer，frame为帧，一幅图片可叫做一帧，buffer为缓存。LCD控制器(LCD Controller)从Framebuffer中取出数据，然后改变LCD显示如下图。

八、结语

到这大家就明白了，无论是哪一类的LCD，我们需要做的工作最复杂是设置LCD控制器，准备数据。根据不同LCD手册来确定不同的驱动方式和数据格式，下面是LCD工作原理思维导图。

随着技术的不断进步，新型显示技术如OLED、MicroLED等将逐渐普及，推动显示器行业向更高清、更轻薄、更节能的方向发展。关于OLED更多内容请看《详解OLED显示原理和结构》。