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摘要
LCD（很多種）已經使用30多年了，其驅動方式已為大家所熟悉，并在過去的20年里一直保持不變。然而，LCD材料的進步以及對密度調制新的認識，使得可以有新的數字方法，其可以升級到芯片過程，可以有更具成本效益的設計。這篇文章將會介紹傳統的實現方式，將介紹兩種只需要數字信號來驅動LCD的方法。第一種方法依賴于不同頻率信號的相關與不相關性，而第二種方法是通過LCD玻璃的低通濾波屬性允許它由密度調制信號驅動。我們會介紹這兩種技術的優點，如識別率、供電電壓的開關電壓極限，將會介紹多種電平，多種類型。我們還會示范三種常用的類型。
傳統上，LCD控制在微控制器中已經完成，主要通過兩種不同方式，但只要是模擬方式實現。這些實現方式包括一個梯形電阻或電流泵，業界更常用的是梯形電阻。使用梯形電阻，一系列的電阻彼此堆疊，形成一個很大的分壓器，在這里可以獲得多個電平，然后在恰當的時間集合到適當的GPIO，從而產生所需的LCD控制波形，這取決于LCD的MUX值。梯形電阻阻值的選定由芯片實現，在功耗與圖象顯示品質上都很有效。
LCD是一種理想的電容負載。通過選擇一個很大的電阻，由于電容負載不斷的充放電，所以會產生失真波形。這可能導致生成不恰當的LCD控制波形，這會影響LCD的顯示，因為某些segment可能顯得可定義的比其他的多。通過減少電阻值，波形失真可以減少，但代價是增加了功耗。關鍵是要找到節能和LCD控制波形完整性之間的平衡點。此外，實施LCD驅動模擬子系統需要的成本會變得非常昂貴（由于片內子系統尺寸）。以PSoC 3控制器為例， LCD架構會占用大約~350k平方微米。
當模擬LCD系統主導市場時，與新技術和LCD背后的制造過程相匹配的密度調制理解的增長，使得需要有一個有效驅動LCD的新方法。例如，純數字LCD控制技術可應用于產生LCD控制信號，當察看LCD時，不能和模擬方法區分開來。與此同時，數字方式還可提供額外的好處。有兩個不同但類似的實現方式，包括數字相關和密度調制。
原理
傳統上，LCD電流泵或電阻分壓器可以產生多個偏置電壓，如而產生如圖1所示的梯形波形。
圖1 ： 傳統的模擬控制波形
確切的電壓階數取決于期望的偏置電平。偏置是適用于LCD的電壓臺階數目。精確的數目依賴于Mux比率，即LCD中common數目的倒數。例如，一個4common的LCD mux比率是1/4。然后使用這些多重電壓來保持適當的電平，以保持某段的開或關。每common所需的偏置數量可以通過方程1計算出來。
方程1
這種方法的優勢是可以產生高識別率，但它會造成潛在的功耗成本和芯片實現成本的提高。使用數字相關技術，不是使用多個模擬電平，而是使用標準數字邏輯電平， LCD控制波形在合適的時候在Vdd和地之間切換。這種方法有兩個主要優勢。首先，使用這種技術，可以用非常有限的硬件實現（如定時器或PWM)，使用DMA或微控制器控制固件和ISR。目前市場上可用的微控制器和FPGA具備實現這種控制技術所需的資源。這種方法的第二個主要優勢是，這種實現也可以很容易地在低功率模式下使控制系統驅動LCD。當器件由定時器ISR觸發喚醒開始下一楨時，控制器件只需要調整GPIO到邏輯高電平或低電平，然后返回低功率模式。GPIO將會保持進入低功耗模式時的引腳狀態，因此在低電源模式不需要大量的內部部件處于active。由于數字相關的LCD控制所需的管理步驟很簡單，active模式需要的時間就很少，所以可以最大限度地節省功耗。下圖給出了使于數字相關控制波形的一個例子，見圖2。
圖2 數字相關控制波形
控制波形是這樣產生的，選中底板(common)時是segment波形相關信號，不選是不相關信號。在子楨周期結束的時候，實現停滯狀態。與傳統的模擬方法不同，可以用DAC產生各種偏置水平，需要調整LCD RMS的電壓來產生適當的開關電平。由于經過segment的電壓與的segment and common(Seg-Com)的電壓不同，通過驅動這兩條線到相同的電平， 5 V或0 V，就會產生一段時間的0 V，從而影響到經過segment的RMS電壓。LCD的每一segment都有一個Von和Voff閾值電平。這些閾值電平可以通過下列方程計算，這里“ d”代表停滯狀態數目，“ n ”代表common數。
方程2
方程3
識別率是很重要的參數，其定義為VRMS(On) 和VRMS(Off)之間的比率。其差距較大，將會顯示越多的定義了的開關segment。如果這兩個參數太接近，它就很難區分開和關的segment。計算數字相關識別率的方程如下。
方程4
從這個方程可以看出，隨著LCD common數量的增加，識別率會降低。在任何控制方法中識別率都是這樣的。識別率并不像理想的模擬控制方法那么有效率，不過對于當今的4common LCD來說已經足夠了。
使用密度調制，由系統內PWM組成，可以產生類似傳統模擬方法的波形。理想情況下，LCD模型是一個電容。然而，由于LCD玻璃的固有特性， LCD模型更像一個濾波器。LCD的這些固有特性在這種情況下是有利的。通過改變PWM參數，LCD的濾波器特性可用于生產直流電壓。通過這種方法，產生的波形和圖1所示的傳統模擬方法非常相似。
該方法的最大優勢是成本。由于是數字硬件來產生波形，數字元件比模擬硬件占用的die要小。開始PSoC3給出的值是近似~ 350 k 平方微米。通過切換到純粹的數字系統，估計這個數字會降低到大約5.5 k平方微米。實現數字系統比相應模擬器件來說還會明顯減少芯片設計風險。請注意，這一切隨之而來的代價是更高的功率消耗，這是由于PWM需要更高速度的時鐘。然而，在LCD管腳添加額外的外部電阻可以平衡這種實現的功耗。
方程5
方程6
這種方法的識別率比數字相關更高，可以產生更多的可定義的顯示，如方程7所示。
方程7
實現
下面的工程范例是使用PSoC 3/5在PSoC Creator環境中實現和配置的。這個項目配置為可以實現數字相關和密度調制兩種方法，1/2 和1/3偏置。在工程文件中通過簡單地改變一些參數，工程文件就可以實現任何LCD控制技術。有兩個主要的LCD控制部分。第一個驅動控制排序，如圖3所示。第二部分是引腳驅動邏輯，見圖4，其獲得各種控制和驅動信號，并用適當的邏輯結合來生產所需的驅動波形。
圖 3 數字LCD控制控制和驅動排序
序列器是用來指示正在生成控制波形子幀，同時決定波形信號是否需要倒置。這個模塊扮演了一個連續循環的狀態機角色。一旦整個LCD波形產生，它會翻轉并重新開始。圖3中所示為4 common 顯示配置。然而，通過增加SubFrame[0..1]的尺寸，這個序列器可以擴展到多達16common。
PWM的停滯狀態主要是用于控制差異，可以通過調整之前提到的RMS電壓實現。通過改變PWM停滯時間參數，將common 和segment驅動為低的時間增加，從而降低LCD控制的RMS電壓。
PWM偏置產生了兩個PWM信號：一個高電平信號和一個低電平信號。當提到LCD為1/2， 1/3，或1/4偏置時，指的是結合系統的高、低電平產生所需的最終電平。
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