等离子显示屏的结构及驱动原理

资料员

  等离子显示屏构造示意图见下图，这是一种852×480点阵规模显示屏，图中示出了彩色像元的排列位置、距离、形状、大小及三种电极的引出方向。


  等离子显示屏是典型的点阵式结构显示屏，是在前后两块16：9的玻璃基板上，经过高精密度的加工以后合并制成的。
  以42英寸的852×480点阵规模为例，先在底层玻璃上形成预制的垂直间隔，然后在间隔内敷设红、绿、蓝三色荧光粉条结构，在显示屏的垂直方向，每列彩条下面都有相应的数据电极引出，实现每一列彩色像素在垂直方向的连接；在前面玻璃板上则根据480行的均布距离，在水平方向上 间隔交错地敷设维持电极和扫描电极，该两种电极是透明材料制成的，从而在水平方向把每一行像素在间隔的空间上面予以定位，并且非接触性地实际连接在一起。把后面涂有彩条的玻璃板和前面敷有透明电极的玻璃板拼合后，在完全封闭之前充入低压的氖和氙气体，烧合之后就制成了等离子显示屏。
  另外一种方法是预先制作按照点阵规模均布的，面积大小约为一平方毫米的能容纳三个彩色像元的间隔，或预制成每个像元都独立的间隔，然后喷涂红、绿、蓝三色荧光粉彩条，拼成约为1mm平方的彩色像素，从而在整个显示屏上形成大规模的彩色像素点阵。
    该两种结构即是适合所谓交流和直流方式驱动的显示屏。不管采用何种驱动方式，其结构都是一个固定在硬质铝合金基板上的玻璃显示屏，显示屏的左右两侧分别引出480行维持电极和480行扫描电极，显示屏的下面引出852×3列数据电极；如果是1024×768或1366×768的点阵结构，则除了左右引出线增至768行之外，显示屏分为上下两半，上下都有1024×3或是1366×3列数据电极的引出线。

  等离子显示屏是以单色像元为单位独立发光的，其发光原理如上图所示的过程。以某个像元的空间结构为例，首先是初始化：在每个副场开始，显示屏写人数据之前，首先必须进行显示屏清除，在维持电极加上一个高压尖脉冲，就能与扫描电极之间进行放电，清除残余电荷。然后是数据的写入：在数据电极的正向脉冲和扫描电极的负向脉冲相互作用下，在扫描电极留下正电荷，数据电极留下负电子，形成了点亮的条件一壁电压Vw。之后是放电维持过程：扫描电极上的正向脉冲和维持电极上的负向脉冲的电位差Vs加上壁电压Vw产生放电点亮该像元，熄灭后留下扫描电极的负电子和维持电极的正电荷维持壁电压；这时在扫描电极和维持电极上分别施加与前面脉冲极性相反的脉冲，Vs加上Vw会形成再次放电点亮像元，并在熄灭后得到相反极性的壁电压；在维持电极上再次施加的负向脉冲就能再次放电，这样周而复始地，不断改变极性的放电维持脉冲就能不断点亮像元，故可称为交流驱动方式。
    上图为等离子显示屏驱动原理图，这只是一个水平剖面示意图，请读者不要根据此图去推测显示屏的实际构造。    等离子显示屏的驱动方式是很独特的，每个像元(每个像素由红、绿、蓝三个像元组成)都有三根电极决定其二维位置，扫描电极和数据电极轮流给每一行的每个像元写入由图像内容决定的开或关的高低电位以后，维持电极给整个显示屏输入高压，点亮带有高电位的像元，即由高压放电点亮每个像元上部空间里的气体，气体点亮后产生的紫外线激发荧光粉发光，大量发光的像素拼成显示屏。如果控制每个像元在单位时间内的发光时间长短，就能用数字技术很精确地把单位发光时间分割为256级，实现256级不同的亮度，称为256级灰度，3个颜色的256级灰度变化就能形成16777216种不同的颜色组合(256×256×256≈16777216)。因此等离子显示屏也是一种比较理想的高清晰度显示设备，具有高亮度，高饱和度的彩色显示能力，几何失真几乎为零，没有会聚失真。
  等离子显示屏的扫描方式是每秒刷新60场(幅)，所谓的逐行扫描指的并不是发光方式，而是数据写入方式，每场图像的最大点亮时间(包括清除和写入时间)为16.67ms即16670μs，把每场分为8个副场，每个副场的点亮时间按二进制数率倍增(即1、2、4、8、16、32、64、128)，就能实现点亮时间的256级精确控制。电视标准中都以灰度来表达亮度等级，即亮度最高时为最低的灰度1，相反如果每个副场都不发光，亮度为1，灰度则为256；依此类推，就可以明白等离子显示屏的数字化控制灰度的工作原理。像元的发光是由维持电极上的高压点亮进行的，控制维持电极的电压开关状态，就能直接控制8个副场的时间。因为8个副场的发光时间是全显示屏同时进行的，所以全显示屏的所有480．根维持电极由显示屏左面引出以后就全部连接在一起，由X主板同时推动，X主板的作用其实和显像管的加速极相似，都是以控制显示屏亮度为主要用途。
  等离子显示屏工作原理示意图见下图，这是一个组合图，分别给出了等离子显示屏的具体构造，与显像管的差别，以及每个副场的工作周期。图中显示屏的解剖图是示意图，实际的扫描电极和维持电极应该旋转90度，请读者注意。

  维持电极在每个副场时间里都点亮显示屏一次，即每场图像需要点亮显示屏8次，与显像管每秒钟刷新60场图像(隔行扫描)的速度相比，等离子显示屏需要每秒钟点亮480次，才能完成60场图像(逐行扫描)的刷新，这就是等离子显示屏驱动电路工作原理。在这个控制模式下，所需要注意的是高压电源的快速开关，以及图像数据的高速传送。
  等离子显示屏设计成8个发光时间不同的副场来形成一个图像场，其根本原因在于等离子发光只能有亮和暗两种状态，每个像元的发光强度是很难实现像显像管那样以电压调制的，只能以单位时间内发光时间所占的比例来实现亮度的线性控制，以发光时间的相对长度积累来得到亮度。
  等离子显示屏的8个副场原理直接来自二进制数字。在一组8位两进制数字里，每位都有1或0两种状态，各种组合正好有256种，因而就能表达256个十进制数，每位数字轮流为1时，就可得到一个有趣的排列：00000001、00000010、00000100、00001000、00010000、00100000、01000000、10000000一共8个数字正好相当于十进制的1、2、4、8、16、32、64、128。当以1为亮，以0为暗时，就能得到8种基本亮度，当其他几个位数上也出现1时，就能得到上述数字相加的结果，实现l～256之间所有的不同数字所对应的亮度变化。把屏幕点亮时间分为256个基本单位时间，屏幕点亮1个单位时间，得到亮度为1，点亮2个单位时间，得到亮度为2，以此类推，如果点亮256个单位时间，就能得到亮度为256。这样就能把8个副场的发光时间与亮度的控制直接联系起来：以8位二进制不同位数取1时对应的不同基本量作为8个副场的发光时间，就能直接表现8位二进制数字所代表的256级亮度。


  
上图为等离子显示屏副场扫描原理示意图。图中以黑色框图表示了8个副场期间显示屏点亮时间的二进制比例关系，其中寻址期应该包括初始化放电及写入时间，其时间宽度比例只是一种示意。图中的1366×768点阵显示屏的刷新过程示意，表达的是每次图像数据的写入过程，上下两半显示屏同时从上到下地写入，以达到缩短写入时间，保持显示屏亮度。
  从上图可以看出，模拟式图像信号由模／数转换器转换成8位数字信号流以后，可以很方便地和这种8个副场的扫描方式配合起来：以亮度信号为例，以l为亮，以0为暗时，当8位数字中只有最低位为1即00000001时， 亮度最低为1；次低位为1时即00000010时，亮度为2，而只有最高位为1即10000000时，亮度为128级，其余类推。而8个副场中，第1副场发光时间最短，正好与最低位数据相符，第二副场发光时间为2，正好与次低位数据相符，第8副场发光时间最长，正好与最高位数据相配，因此以8位数字图像信号和8个副场扫描系统相配合，就能发挥等离子显示屏的特点，以简单直接的方式实现每个像元的灰度显示，从而完成图像的再现。从图中的8个副场中黑色驱动的成比例宽度变化能够看到二进制位数与副场点亮时间的关系，图中以黑色表示，是因为白色难于有清楚的图示表达。
  已知一场图像刷新时间为16670μs，根据上面所说的8个副场的总共发光时间为10240μs，则每个副场用于初始化和写入显示屏数据的时间为(16670～10240)／8=804(μs)。
  具体的电路工作过程为：在第一副场写入期间，数据传送链指向场图像数据储存器里最低位的数据口，逐行提取每行图像，然后逐行写入显示屏所有像元，在全显示屏应该点亮的像元位置留下高电平以后，公共维持电极引入高压使全显示屏进行第一副场放电发光，时间为一个场周期的256分之一，即40μs(不包括写入时间)；然后进入第二副场写入期，数据传送链逐行读出储存器中的次低位数据，逐行写入显示屏所有像元位置以后，显示屏进行第二副场的放电发光，时间为80μs；依次类推，直至最高位的数据写入显示屏，完成第8副场的5120μs放电发光时间，就完成了一个整场图像的显示屏刷新。可以看出，这种全数字化的控制方式在电路上是比较容易实现的，而且信号数字化后就能够直接进行显示控制，不用再像液晶屏或者显像管之类要转换成模拟信号，就避免了信号的来回转换引起的损失。