一, Grundlagen der technischen Zusammenarbeit: Fahreigenschaften und Anforderungen an die analoge Signalverarbeitung defekter LCDs
1. Das treibende Wesen von LCD mit defektem Code: AC-elektrische Feldsteuerung
Jedes Anzeigesegment eines LCD mit gebrochenem Code besteht aus transparenten Elektroden, und sein Funktionsprinzip basiert auf den elektrischen Feldreaktionseigenschaften von Flüssigkristallmolekülen: Wenn eine bestimmte Frequenz und Amplitude eines elektrischen Wechselfelds angelegt wird, ändert sich die Anordnung der Flüssigkristallmoleküle und die Lichtdurchlässigkeit ändert sich entsprechend, wodurch eine Anzeige erreicht wird. Diese Eigenschaft stellt strenge Anforderungen an das Fahrsignal:
Spannungsbereich: normalerweise 3 V bis 5 V (TN-Typ) oder höher (STN-Typ erfordert 10 V oder mehr);
Frequenzanforderung: Die typische Antriebsfrequenz beträgt 32 Hz bis 256 Hz, um Gleichstromkomponenten zu vermeiden, die eine elektrochemische Verschlechterung des Flüssigkristalls verursachen;
Symmetrie der Wellenform: Die Amplitude positiver und negativer Impulse muss genau gleich sein, um sicherzustellen, dass die Netto-DC-Vorspannung Null ist.
2. Die Kernaufgabe der analogen Signalverarbeitung
Die analoge Signalverarbeitungsschaltung muss drei Hauptfunktionen erfüllen:
Signalaufbereitung: Verstärken Sie das vom Sensor ausgegebene schwache Signal (z. B. das Thermoelementsignal mit mV-Pegel) auf den Spannungsbereich, der zum Ansteuern des LCD erforderlich ist.
Rauschunterdrückung: Beseitigen Sie Netzfrequenzstörungen (50 Hz/60 Hz) oder hochfrequentes Rauschen durch Filterschaltungen.
Pegelumwandlung: Konvertieren Sie Nicht-standardisierte Signale (z. B. 0-10-V-Industriesignale) in Logikpegel, die von LCD-Treiberchips erkannt werden.
2, Schlüsselschaltungsdesign: Komplette Signalkette vom Sensor zum LCD
1. Signalerfassungs- und Verstärkungsschaltung
Am Beispiel des Temperaturmesssystems sieht die typische Signalkette wie folgt aus:
Sensorschnittstelle: Der PT100-Platinwiderstand ist über ein Dreileitersystem mit dem Konstantstromquellenkreis verbunden, um Leitungswiderstandsfehler zu vermeiden.
Instrumentenverstärker: Verwendung rauscharmer Operationsverstärker wie AD620, um kleine Spannungsänderungen (z. B. 0–100 mV entsprechend 0–100 Grad) auf 0–5 V zu verstärken;
Anti-Aliasing-Filterung: Ein Butterworth-Tiefpassfilter zweiter Ordnung (Grenzfrequenz 10 Hz) unterdrückt hochfrequentes Rauschen und vermeidet Sampling-Aliasing.
2. Analog-Digital-Umwandlung und Logikverarbeitung
ADC-Auswahl: 12-Bit-ADC vom Typ SAR (z. B. ADS7841) bietet ausreichende Auflösung, um analoge Signale in digitale Größen umzuwandeln;
Mikrocontroller-Verarbeitung: STM32F103 und andere MCUs wandeln Temperaturwerte mithilfe einer Nachschlagetabellenmethode in LCD-Treibercodes um und implementieren gleichzeitig Funktionen wie Grenzwertüberschreitungsalarme;
Referenzspannungsquelle: Präzisionsreferenzquellen wie ADR434 liefern eine Referenzspannung von 4,096 V, um die Genauigkeit der ADC-Umwandlung sicherzustellen.
3. LCD-Treibersignalerzeugung
Spezialisierter Treiberchip: HT1621 und andere Treiber-ICs integrieren Ladungspumpen, die die Logikspannung von 3,3 V auf 15 V erhöhen können, um LCDs vom Typ STN anzutreiben;
Erzeugung von Kommunikationswellenformen: Komplementäre PWM-Signale werden über MCU-Timer ausgegeben, und Rechteckwellen mit der erforderlichen Frequenz und dem erforderlichen Arbeitszyklus werden durch die interne Logik des Treiberchips synthetisiert.
Backplane-Scanning: Der Treiberchip aktiviert das COM-Terminal im Zeitmultiplexverfahren und arbeitet mit dem SEG-Terminalsignal zusammen, um eine Mehrbitanzeige zu erreichen.
4. Stromverwaltungsschaltung
Design mit mehreren Spannungsdomänen: LDO (z. B. AM11117-3.3) stellt eine digitale 3,3-V-Stromversorgung bereit, und eine Ladungspumpe (z. B. SGM3209) erzeugt eine Backplane-Vorspannung von -5 V;
Hintergrundbeleuchtungstreiber: Boost-Schaltkreis (z. B. AP3603) erhöht den 5-V-Eingang auf 18 V, um die LED-Hintergrundbeleuchtung anzutreiben, und unterstützt PWM-Dimmen, um den Stromverbrauch zu reduzieren.
3, Typische Anwendungsszenarien: Praktische Fälle von Industrieinstrumenten und medizinischen Geräten
1. Industrieller Drucktransmitter
Signalkette: piezoresistiver Sensor → Instrumentenverstärker → 24 Bit Δ - ∑ ADC → MCU → LCD-Treiber;
Schlüsseldesign:
Verwendung einer 4-20-mA-Stromschleife zur Übertragung von Signalen und zur Verbesserung der Anti-Interferenz-Fähigkeiten;
Der Treiberchip verfügt über eine integrierte Temperaturkompensationsschaltung, um den Einfluss von Temperaturänderungen auf die Reaktionseigenschaften des Flüssigkristalls zu eliminieren.
Implementieren Sie digitale Filterung durch Software (z. B. einen gleitenden Durchschnittsalgorithmus), um die Anzeigestabilität weiter zu verbessern.
2. Tragbares elektronisches Blutdruckmessgerät
Signalkette: Piezoelektrischer Sensor → Ladungsverstärker → Bandpassfilter (0,5–5 Hz) → ADC → MCU → LCD-Treiber;
Schlüsseldesign:
Verwendung einer dualen Operationsverstärkerarchitektur (z. B. OPA2350), um eine Ladungsspannungsumwandlung zu erreichen und das Signal-Rausch-Verhältnis zu verbessern;
Der Treiberchip unterstützt Teilanzeigemodi und aktiviert nur blutdruckbezogene Segmente, um den Stromverbrauch zu senken;
Integrierte Watchdog-Schaltung zur Vermeidung von Systemabstürzen und Anzeigeanomalien.
4, Technische Herausforderungen und Lösungen
1. Reaktionsverzögerung der Anzeige in Umgebungen mit niedrigen{1}}Temperaturen
Problem: Die Viskosität des Flüssigkristalls nimmt mit sinkender Temperatur zu, was zu einer längeren Reaktionszeit führt;
Lösung:
Der Treiberchip bietet eine Übersteuerungsfunktion, indem er kurzzeitig eine Hochspannung anlegt, um die Ausrichtung des Flüssigkristalls beim Umschalten der Anzeige zu beschleunigen.
Durch die Verwendung von Flüssigkristallmaterialien mit breitem Temperaturbereich (z. B. VA-Typ) wird der Arbeitstemperaturbereich auf -40 bis +85 Grad erweitert.
2. Durch elektromagnetische Störungen verursachte verstümmelte Zeichen werden angezeigt
Problem: Durch Schaltnetzteile oder Motoren erzeugtes Rauschen gelangt durch räumliche Kopplung in die Signalleitung;
Lösung:
Platzieren Sie TVS-Dioden (z. B. SMAJ5.0A) in der Nähe des LCD-Anschlusses, um vorübergehende Hochspannung zu absorbieren.
Verwendung von Magnetkügelchen (z. B. BLM18PG121SN1) zur Isolierung digitaler und analoger Netzteile;
Die Schlüsselsignalleitung (z. B. der SEG-Anschluss) ist in Reihe mit einem 22-Ω-Widerstand geschaltet, um einen RC-Tiefpassfilter zu bilden.
3. Optimierung des Low-Power-Designs
Problem: Tragbare Geräte erfordern einen Langzeitbetrieb und reagieren empfindlich auf den Stromverbrauch.
Lösung:
Der Treiberchip unterstützt den Schlafmodus und der statische Strom kann auf unter 1 μA reduziert werden;
Verwendung eines reflektierenden LCD (keine Hintergrundbeleuchtung erforderlich), kombiniert mit einem Umgebungslichtsensor, um eine automatische Steuerung der Hintergrundbeleuchtung zu erreichen;
Die MCU wechselt in den Shutdown-Modus und aktualisiert Daten nur über die zeitgesteuerte RTC-Aktivierung.
