摘 要: 介紹了TH-LCD Tester液晶屏測試儀。該測試儀可對(duì)各種規(guī)格的液晶屏進(jìn)行閾值電壓的目測、響應(yīng)特性的目測、全屏功耗電流的測量和各電極之間的短路檢查。討論了液晶屏測試儀的工作原理;剖析了RMS/DC轉(zhuǎn)換集成電路AD536A的工作原理和典型應(yīng)用。
關(guān)鍵詞: 測試儀器 有效值 LCD
TH-LCD Tester液晶屏測試儀是在生產(chǎn)線上對(duì)各種規(guī)格的液晶屏進(jìn)行質(zhì)量檢查的必備儀器。該儀器可進(jìn)行閾值電壓的目測、響應(yīng)特性的目測(閃光試驗(yàn));全屏功耗電流的測量和各電極之間的短路檢查。其中后兩項(xiàng)是測試全顯電流和段電流的有效值。由于液晶屏的背電極和段電極之間是灌注了液晶材料的，因此在外加電壓驅(qū)動(dòng)下，可等效為一個(gè)電容性負(fù)載。所以，液晶屏的電流采樣電路是一個(gè)典型的微分電路，其輸出電壓是一個(gè)窄脈沖序列，使用RMS/DC轉(zhuǎn)換集成電路AD536A可以實(shí)時(shí)測試不同窄脈沖電壓的有效值。
1 液晶屏測試儀的系統(tǒng)組成
系統(tǒng)的組成可分為三部分。其一，是產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)LCD樣品的不同頻率、不同幅度的對(duì)稱方波電壓，主要由DAC1、DAC2和波形變換電路組成;其二，是選擇待測LCD樣品的不同背電極和段電極的開關(guān)矩陣電路;其三，是測量選中的背電極和段電極之間的功耗電流電路，主要由LM411電流采樣電路、RMS/DC轉(zhuǎn)換電路和測量電路組成。所有這三部分皆是在主控CPU(8032)的控制下有序地工作。液晶測試儀原理方框圖如圖1所示。其中，LM411構(gòu)成典型的微分電路，AD574A構(gòu)成數(shù)據(jù)采集電路，大家很熟悉，這里不再討論。RMS/DC轉(zhuǎn)換電路AD536A則是本文討論的重點(diǎn)。
2 功耗電流測量電路
功耗電流測量電路原理方框圖見圖2。
因?yàn)榇郎y的LCD樣品是容性負(fù)載，則由外接的精密測量電阻R、LCD樣品的等效電容C和LM411AH構(gòu)成的電流采樣電路是典型的微分電路，其輸出電壓Vout的典型波形見圖3。
由于電流采樣電路的輸出電壓是占空比很小的微分窄脈沖序列，所以電流測量就有兩種方案:一是測量其平均值(MAD)，這是美國R.P.G.Electronics公司3200型LCD測試儀采取的方案;二是測量其有效值(RMS)，這是本儀器采用的方案。兩者的測試結(jié)果是不同的，而且與電流采樣電壓脈沖的形狀和占空比關(guān)系極大。
本方案采用RMS/DC轉(zhuǎn)換集成電路AD536A對(duì)復(fù)雜的電壓波形(交流成分加直流成分)的有效值進(jìn)行測量。而平均值(MAD)和有效值(RMS)之間的關(guān)系是隨波形的形狀不同而不同的，從表1幾個(gè)例子可以看出。
3 RMS/DC轉(zhuǎn)換芯片AD536A介紹
3.1 AD536A的工作原理
AD536A是將真有效值轉(zhuǎn)換成直流的單片集成電路，可以連續(xù)、實(shí)時(shí)地計(jì)算輸入信號(hào)的平方、平均值，且得到的直流電壓值正比于輸入信號(hào)的有效值RMS。
AD536A計(jì)算RMS時(shí)，首先求得絕對(duì)值(整流電路);第二步進(jìn)行平方計(jì)算;第三步是平均計(jì)算，即除以反饋回來的輸出電壓;最后再經(jīng)濾波得出結(jié)果。這里很重要的一條是要求平均的時(shí)間常數(shù)要遠(yuǎn)大于待測信號(hào)的周期，這樣才能保證測試的精度。
3.2 AD536A電路分析
AD536A的典型RMS連接圖如圖4所示。AD536A由以下四部分組成:
·絕對(duì)值電路(整流電路);
·平方電路和平均電路;
·電流鏡電路;
·緩沖放大器電路。
AD536A的電路原理圖如圖5所示。
運(yùn)算放大器A1、A2和晶體管Q6的B-E結(jié)及電阻R3、R4、R5、R6組成的部分是典型的求絕對(duì)值電路，該電路的主要作用是實(shí)現(xiàn)絕對(duì)值的電壓/電流轉(zhuǎn)換。
運(yùn)算放大器A3和晶體管Q1、Q2、Q3、Q4組成的是單象限乘法/除法(平均)電路。I1流過晶體管Q1、Q2，I3流過Q3，分別作用于Q4的發(fā)射極和基極，從而得到:
電流I4流過低通濾波電路R1和CAV(外接電容)后，又返回驅(qū)動(dòng)電流鏡產(chǎn)生I3，當(dāng)時(shí)間常數(shù)R1CAV遠(yuǎn)大于待測信號(hào)的周期時(shí)，則I3就是I4的平均值。
由有效值的定義和式(2)可知，I4實(shí)際上就是I1的有效值I1rms。
3.3 AD536A測量精度分析
AD536A使用極其方便，只有一個(gè)外接電容CAV。因此，求平均值時(shí)的時(shí)間常數(shù)是R1CAV。時(shí)間常數(shù)的大小是影響測量精度的主要因素。
若輸入信號(hào)是變化緩慢的直流信號(hào)，AD536A的輸出能夠準(zhǔn)確地跟蹤輸入信號(hào)。
對(duì)于較高頻率變化的輸入信號(hào)，AD536A的輸出就近似等于輸入信號(hào)的有效值RMS，存在直流誤差和波紋起伏。
直流誤差的大小取決于輸入信號(hào)的頻率和外接電容CAV的值。
輸出信號(hào)尚有波紋的起伏變化。有兩種方法可減小波紋: 一是增加外接電容CAV的值。因?yàn)椴y的大小是反比于CAV值的，所以增加CAV的值可以有效地減小波紋的大小。對(duì)于測量低占空比的脈沖系列(這正是液晶屏采樣電流脈沖的特點(diǎn))的輸入信號(hào)，要求平均的時(shí)間常數(shù)R1CAV至少等于7倍輸入信號(hào)周期。例如脈沖序列是100Hz，取R1CAV≥100ms，CAV約為4μF。二是采用后接濾波器的方式，可以是一階或二階濾波器。這里要說明的是，在使用中要由實(shí)驗(yàn)來選定CAV的值，因?yàn)橹绷髡`差是取決于CAV值的，而不受后接濾波器的影響。
4 TH-LCD Tester和3200型LCD測試儀的比較
在實(shí)際測量中，LCD驅(qū)動(dòng)電壓信號(hào)的頻率一般是128Hz，采樣周期為7.8ms。而LCD樣品的測量電壓波形持續(xù)的平均時(shí)間略小于10μs，則樣品的電流采樣脈沖電壓的占空比η<0.01，所以RMS的測量值約十幾倍于MAD的測量值。若待測的樣品是阻性負(fù)載，則RMS的測量值約等于MAD的測量值。
表2是對(duì)兩種測試方法的比較。在這里，美國3200型LCD測試儀測量的是樣品的MAD值;TH-LCD Tester測量的是樣品的RMS值;待測的樣品是象素LCD和電阻;測試條件是驅(qū)動(dòng)電壓為3V，頻率為128Hz。
通過對(duì)以上測試數(shù)據(jù)的比較可知:
· MAD和RMS測試數(shù)據(jù)與電流采樣脈沖的形狀和占空比關(guān)系極大。
· 兩種測試儀對(duì)電阻R進(jìn)行MAD和RMS測試的數(shù)據(jù)基本相同。
· 兩種測試儀對(duì)單象素進(jìn)行MAD和RMS測試的數(shù)據(jù)相差約十幾倍。
· 由于LCD是對(duì)驅(qū)動(dòng)電壓的有效值響應(yīng)的，所以對(duì)于功耗電流，測量其有效值更有意義。
參考文獻(xiàn)
1 Special Linear Reqerence Manual. ADC公司，1997
2 Operators Manual Model 3200 LCD Tester.R.P.G.Electronics，1995
3 雷有華，張百哲，梁振波等.THLC-2型液晶特性測試儀的研制.電子技術(shù)應(yīng)用，1999；25(11):35～37