摘要：针对动态无源驱动的STN型液晶显示器的交叉效应现象，基于动态无源驱动液晶显示屏的工作原理，综合分析液晶屏的像素点阵单元等效为由线路阻抗及液晶电容构成的RC阻容低通滤波网络对驱动电压波形的影响、液晶透过率-电压特性关系以及V50因素，研究不同驱动电压和反转行数对交叉效应的影响。通过控制变量，保持驱动电压或反转行数一致的情况下改变另一项参数，观察液晶显示器图像显示质量并分析改变参数带来的影响。结果表明：正显状态下，通过适当提高驱动电压能有效减轻交叉效应，调节nLine对交叉效应的改善并不明显；负显状态下，降低驱动电压能减轻交叉效应，通过调试并设置合适的nLine，可进一步降低交叉效应造成的影响，上述方法均可有效提升STN液晶屏的显示质量。

　　关键词：STN型液晶显示屏；交叉效应；驱动电压；反转行数

　　0引言

　　液晶显示器作为目前最主流的人机交互信息显示终端的重要组件，具备功耗低、体积小、无电磁辐射等优势，已被广泛应用于车载、工控、家电及办公设备等领域[1]。其中，向列扭曲(TN)与超扭曲向列型(STN)液晶显示器更是以高对比度、宽视角、高透光率、高性价比及制程工艺成熟稳定等特点，获得了较高的市场占有率。但是，采用动态[2]无源矩阵驱动方式[3]的液晶显示器件在相邻像素电路上存在相互干涉，从而产生一种伪显示现象，即交叉效应(Crosstalk)[4]，它会影响液晶显示器的显示质量，严重时甚至无法识别图像。业内为提高TN型或STN型液晶显示器的产品性能，针对交叉效应问题，提出了一系列的改善方案，最普遍的是平均电压法、最佳偏压法等[5]。这些方案在一定程度上起到了积极作用，解决了大部分的问题，但在一些高性能要求或高驱动路数的产品上，交叉效应依旧存在，对用户造成困扰。

　　本文基于液晶显示器驱动原理，通过分析液晶显示器电气等效模型、液晶屏透过率-电压特性曲线、V50特性等影响因素，深入剖析交叉效应机制，对动态无源驱动的STN型液晶显示器的交叉效应问题做进一步的研究，提出相应的改善方案并进行有效性确认，为解决类似问题提供快速、可靠的解决方法。

　　1交叉效应

　　根据液晶显示驱动原理，液晶屏的像素点阵单元可等效为由线路阻抗及液晶电容构成的RC阻容低通滤波网络[6]。如图1所示，同一列的像素由1个信号线驱动，驱动电压[7]通过1个像素时会受到同一列其他像素的影响，当通过同一行不同像素的电压不同时，交叉效应现象就会产生，特别是加载到液晶屏之间的驱动电压波形受液晶阻容滤波网络充电过程而产生指数衰减，如图2所示，导致均方值有效电压波形出现失真，从而加重交叉效应。对于行列数量较多的显示矩阵，则上述半选择点、非选择点还会出现更多电压等级[8]，使得显示更加不均匀。

　　交叉效应现象不仅干扰了正常画面显示，还将降低显示屏对比度与视角特性[9]，使正常显示的图像与背景之间的过渡不清晰，特别是从显示器的侧视角观察更加突出。在不考虑液晶频率响应的前提下，液晶单元的显示只与单元上的均方根电压有关，但同时液晶的电压还与施加电压的频率相关，当液晶显示屏的亮度变化达到最大变化的10%和90%时，所施加的电压分别对应阈值电压V10和饱和电压V90。在V10和V90间，透光亮度对电压十分敏感，即电光特性[10]对频率变化敏感，因此通常将中间值V50作为一个重要的评测指标[11]。

　　电光特性曲线如图3所示。由图可知，像素单元对阈值电压V10至饱和电压V90范围内的电压变化非常敏感，当电压在V10以下时，像素为非显示状态，当电压在V90以上时则为全显示状态，若电压介于两者之间，则像素处于半显态，便会产生交叉效应。对此通常采用饱和电压与阈值电压的比值来衡量液晶显示器的陡度，陡度γ的计算公式[12]为：

　　液晶屏陡度越小，则电光特性曲线越陡峭，对电压的敏感性也就越大，即在驱动电压超过阈值V10后，只需稍增加电压，即可改变该像素单元的显示状态。因此，改善液晶屏电光特性曲线的陡度也是改善交叉效应问题的常用手段。

　　在液晶的驱动频率方面，当频率较低时，由于液晶分子的弛豫现象，V50较低；当频率升高到一定范围内，V50相对稳定，不会随着频率的提升而产生较大的变化；当频率达到更高的范围时，V50则随着频率升高而迅速增加，并且阈值在同样的电压驱动下上升，因此过高的V50将导致驱动不足，从而使图像显示画面出现交叉效应，致使图像质量明显下降。综上，提升液晶屏的响应速度，能够在一定程度改善交叉效应问题，通过原理数学推导，可推算出如式(2)所示的液晶显示驱动波形响应时间T的公式：

　　式中：UC为液晶单元电容部分之间的电压；f为驱动波形的帧频；PIC为驱动芯片输出功率。即可通过增加帧频，提高芯片驱动功率等，加快响应速度。

　　另一方面，显示图像的复杂程度也会对STN液晶屏的成像质量造成影响。当显示图像画面比较简单时，如液晶显示屏上只显示1个点，对应显示单元上的电压频率就会比较低，相应频谱集中在低频区间，这时液晶屏的V50也比较低，显示较亮；当图像变得复杂时，相应频谱集中在较高频率，这时显示的图像不仅会变暗，而且在图像的上下、左右均会存在交叉效应现象。针对交叉效应的量化指标，通常采用如下公式进行测量及计算。

　　上述为每帧倒相1次的情况。经验证，假如将倒相行数提高，例如每7行倒相1次，对应的交叉效应现象就会减轻，这时无论是显示简单图像或复杂图像，频谱都集中在电光特性对频率不敏感的区域，图像显示相对正常。另外，还需要注意的是，在显示屏显示模式为负型时，因为对比度更高，这种现象相对于正型模式产品会更明显，更加容易观察到交叉效应的存在。

　　2机制分析

　　根据无源驱动液晶显示屏的工作原理，当要在图像上显示一个点时，即向该像素点单元两极施加一定电压，那么该像素点变为全显状态，对角的像素点为不显状态，与其相邻的像素点本应为不显状态，但是由于液晶像素的双向导通特性，交叉线路互相影响，会变为半显状态。即当给一个像素点施加电压时，附近的像素点都会受到影响并被施加一定电压。当附近像素点被施加的电压只是略高于阈值电压V10的时候，电压仍会被施加在该点上，周围像素点受影响很小；当被施加的电压进一步增加，高于阈值电压V10较多时，由于液晶阻容网络对其产生了阻碍作用，电光曲线达不到理想状态，且电压又不足以到达饱和电压V90，此时呈现出介于全显和不显中间的半显状态，导致部分非显示半选点横竖方向对比度偏高，造成显示的暗线或暗影问题。这种交叉效应现象在液晶显示器无源多路驱动中，主要由多路通信中两条互不相干的线路互相影响而产生。

　　图4所示为仅显示1个像素点的简单图像，当显示复杂图像时，驱动像素点变多，交叉效应问题就会叠加，将会变得更加严重，极大地降低了图像显示质量。针对交叉效应问题，在驱动电压设计维度，通常主要采用平均电压法和最佳偏压法进行设计图4交叉效应原理示意改善。其中，平均电压法通过驱动波形的设计，使得在每个帧内施加在半选择点和非选择点上的有效电压都平均一致，依照电光特性曲线，使其透光率处于同一水平上，从而改善显示不均的问题。上述提及的有效电压为驱动波形的均方根积分平均值，可以采用式(4)计算，并由此推导出像素选态有效电压VON和像素非选态有效电压VOFF的计算公式[13]。因此，通过设计驱动电压电路，使得满足VON高于V10且VOFF低于V10，便可改善由于非选态与半选态存在电压差而导致的交叉效应问题。

　　此外，为进一步获得更高的显示对比度，还可采用最佳偏压法，通过计算VON与VOFF的比值，结合极值条件可推导出最佳偏压比公式如式(7)所示，并在最佳偏压条件下，推算出最大工作容限αmax与驱动行数N之间的关系式。

　　采用平均电压法及最佳偏压法对抑制无源驱动液晶显示器件的交叉效应有一定程度的作用，但在实际效果上仍会存在交叉效应现象，特别是对于高驱动路数的产品则更为明显。因此下文将进一步研究优化改善方案。

　　3改善效果验证

　　由STN型液晶显示屏的驱动原理可知，交叉效应无法完全规避，只能设法减轻。式(5)~(6)表明，驱动电压直接影响VON和VOFF；而适当的翻转行数[14]nLine在高驱动路数产品上起稳定V50的作用，为进一步探究改善交叉效应的关键影响因子，分别从驱动电压和反转行数nLine两方面进行研究。

　　3.1驱动电压调节

　　验证不同电压对图像质量影响状况，将反转行数保持为7，分别对处于负、正显状态的显示器施加17.60 V(高压)和16.72 V(低压)的驱动电压，结果如图5~6所示。由图可知，在显示器处于负显状态、nLine数值不变的情况下，降低驱动电压对交叉效应有一定改善作用；在显示屏处于正显状态、nLine数值不变的情况下，升高驱动电压对交叉效应有所改善，但与显示屏处于负显时的变化趋势相反。

　　3.2反转行数设置

　　如上文所述，当频谱集中在电光特性对频率不敏感的区域内时，图像显示较稳定。因此，为让画面图像质量更好，可在软件驱动中通过设置反转行数nLine对交叉效应进行改善，这种操作会让频谱往频率的中段靠近，使图像显示都集中在电光特性不敏感区域，因而显示画面更加稳定。系统原理框图如图7所示，采用行极性反转的交流驱动方式，即按逐行扫描并按列选通，由扫描电极驱动电路输出行选或非选电平，列信号电极驱动电路输出列选择或非选电平，使得每个像素在1帧周期内只选通1次。当对被扫描的像素加载驱动电压后，未被选择的像素点通过其他像素点也与信号端连接并被施加上部分信号电压，从而产生交叉效应问题。但通过采用N行反转的方法，可以减少扫描周期内影响像素的行数量，从而达到改善交叉效应的目的。

　　针对负显及正显模式，在保持电压不变的情况下，通过多次实验更改驱动中的反转行数，验证显示屏画质改善情况。

　　(1)负显模式

　　奇数nline驱动时负显状态效果如图8所示。由图可知，反转行数越大，负载越小，交叉效应明显改善。即通过适当增加反转行数可以有效减轻交叉效应，获得更好的图像质量。

　　(2)正显模式

　　偶数nline驱动时正显状态效果如图9所示。由图可知，当nLine增加时，交叉效应未能有效减轻，且存在局部显示异常；如图(b)所示的反转行数更大，但显示画面出现异常，这种现象常见于设置使用偶数反转行数的情况。

　　由图10可知，与负显模式相同，在正显模式下，在一定范围内随着反转行数的增加，交叉效应呈减轻趋势，但是在部分反转行数设置中会出现显示异常。

　　4结束语

　　通过STN型液晶显示器原理和实验分析可知，交叉效应无法直接规避，但是可以通过多种方法减轻，除了提升芯片驱动能力、降低液晶内的电容和ITO线阻，导入平均电压法及最佳偏压法设计等方法外，还可以在软硬件方面进行改进，如调整驱动电压和反转行数nline，同时需要注意区分正显与负显模式设置不同。本文提出的验证改善方案对实际产品显示效果调试具备现实参考意义。

　　在正显状态下，适当提高驱动电压能有效减轻交叉效应，nLine行反转设置在正显状态下时的影响则不明显；在负显状态下，降低驱动电压能减轻交叉效应，可减少由于电压过高而使像素处于半显状态得现象，同时通过调试并设置合适的nLine，可进一步降低交叉效应造成的影响，从而有效提升STN液晶屏的显示质量。

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