基于LCoS芯片的微型电视系统设计与实现

© 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net 第 19 卷　第 6 期 2004 年 12 月　　 　　　　 　　 　　 　液 　晶 　与 　显 　示　Chinese Journal of Liquid Crystals and Displays 　　　　 　 　　 Vol. 19 ,No. 6 　Dec. ,2004 文章编号 :100722780 (2004) 0620458204 基于 L CoS 芯片的微型电视系统设计与实现 耿卫东 ,张永利 ,代永平 ,孙钟林 (南开大学 信息学院 光电子所 ,天津市光电子·电子薄膜器件与技术重点实验室 , 天津　300071 ,E2mail :gengwd @nankai. edu. cn) 摘 　要 :介绍了 LCoS芯片在电视接收系统中的应用 ,重点讨论了 LCoS 芯片的结构与特点。 自主开发的 LCoS模块采用模拟视频接口、兼容隔行和逐行扫描方式 ,可以简化系统电路设 计 ,降低系统功耗。同时论述了 LCoS 微型电视机在信号接收、模拟视频处理、时序控制和音 频电路等方面的特点 ,并给出了相关电路的 设计方案 关于薪酬设计方案通用技术作品设计方案停车场设计方案多媒体教室设计方案农贸市场设计方案 。 关 键 词 :硅上液晶 ; 电视 ;微型显示器 中图分类号 : TN949. 192 　　　文献标识码 :A 　　收稿日期 :2004207206 ;修订日期 :2004207228 　　基金项目 :天津市自然基金资助项目 (No. 033600711) ;天津市科委攻关项目 (No. 033187011) 1 　引　　言 硅上液晶 (LCoS)是一种新型液晶显示技术 , 可以实现投影显示[1 ]和微型显示 ,与传统的液晶 显示器相比 ,LCoS 是在单晶硅材料上制作显示器 件 ,不但具有低功耗、低成本的特点 ,而且可以在 很小的屏幕面积 (小于 2. 54 cm (1 in) ) 实现高分 辨率图像显示。利用 LCoS 技术 ,人们可以把高 分辨率显示器戴在头上做成头盔显示器 ( Head mounted display) ,放在眼镜上做成近眼显示器 (Near to eye) 。LCoS 技术使各种超便携移动设 备实现高质量图像的显示成为现实。人们可以把 高清晰度电视机戴在头上 ,在长途乘车疲劳的旅 途中欣赏精彩的球赛或者喜爱的 DVD 电视剧 , 而不会影响到其他人。随着技术的不断发展 ,各 种具有个性的信息显示器件将会开辟新的应用领 域 ,给人们带来新的视觉享受。大屏幕液晶电视 技术近年来取得了根本性的进展[2 ] ,而 LCoS 技 术的发展会使得电视机真正微型化。本文介绍了 一种采用 LCoS 芯片的微型电视机系统设计方 案 ,论述了 LCoS 微型显示器在电视技术领域的 应用。事实上 ,由于 LCoS 微显示器基于超大规 模集成电路制造方法 ,因此还可以把视频、音频和 控制电路等直接做在 LCoS 芯片上面 ,实现系统 的集成化。 2 　系统结构 本文介绍的微型电视系统结构如图 1 所示 , 为了体现 LCoS 的特点 ,整机尽量采用简洁的设 计 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 ,以满足系统功耗低、体积小的要求。系统 主要由 3 部分构成 :前端电视信号接收 单元 初级会计实务单元训练题天津单元检测卷六年级下册数学单元教学设计框架单元教学设计的基本步骤主题单元教学设计 、视频 信号处理控制电路和 LCoS 微型显示屏。LCoS 显示屏和紧凑的光学组件构成显示模块 ,通过专 门设计的支架可以戴在头上 ,调节与眼睛的相对 位置以便得到最好的观看角度 ;电视信号接收和 视频处理电路设计成一个单元模块 ,可以挎在人 的腰部 ,通过天线接收电视信号 ,输出经过反转处 理的模拟视频信号和 LCoS 所需要的时序控制信 号。天线端子也可以连接有线电视匹配器 ,直接 收看有线电视节目。 图 1 　LCoS微型电视系统结构 Fig. 1 　LCoS mini TV system structure 3 　L CoS 微型显示器 LCoS 微型显示器采用天津南开大学研制的 LCoS 模块。该微型显示器具有如下特点 : © 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net (1) 高集成度 :在 1. 5 cm (0. 6 in)的硅片面积 上 ,集成了 800 ×600 分辨率的有源显示矩阵和驱 动电路 ,600 组行驱动单元电路位于显示器的一 边 ,相邻的两边各布置了 400 个列驱动单元电路。 为了减少外引线 ,减小时钟的干扰 ,内建时钟分配 电路和模拟视频输入缓冲电路 ,可以在单时钟的 控制下 ,实现视频信号分奇偶列写入。 (2) 采用模拟视频接口 :LCoS 芯片的视频信 号接口有数字和模拟两种 ,采用数字视频信号可 以减少信号衰减 ,提高图像质量 ,但是需要大量的 布线资源 ,占用较大的芯片面积 ,由于内建高速 D/ A 转换器 ,使系统功耗增加。采用模拟视频信 号可以节省电路资源 ,采用 DRAM 像素结构 ,可 以直接把视频图像信号写入像素单元 ,不需要对 信号进行 A/ D 和 D/ A 转换 ,使系统简化 ,功耗降 低。采用行反转的驱动方式 ,可以避免图像的闪 烁 ,在近眼显示的场合 ,是一种优化设计方案。 (3) 兼容隔行和逐行扫描 :LCoS 芯片内部的 行扫描驱动电路设计了隔行和逐行扫描的切换电 路 ,通过 VCH 信号的控制可以兼容隔行和逐行 扫描方式 ,当 VCH 为高电平时 LCoS 工作在隔行 扫描方式 ,我们可以把隔行扫描的视频图像信号 直接输入 LCoS 的视频输入端口。当显示控制电 路检测到第一个奇场信号到来时 ,显示器开始工 作 ,行扫描驱动电路依次开启 1 ,3 ,5 ⋯⋯奇数行 , 在偶场信号到来时 ,依次开启 2 ,4 ,6 , ⋯⋯偶数 行。当 VCH 信号为低电平时 ,内置的开关电路 设置 LCoS 工作在逐行扫描方式 ,实现逐行扫描 图像信号的显示。 该 LCoS 微型显示器带有一个紧凑的微型光 学系统[3 ] ,使用了一个偏振分光棱镜 ( PBS) 和一 个简单的光学透镜。当系统工作时 ,由白色 L ED 点光源发出的光 ,经过漫反射板后变成平行光 ,然 后通过 PBS 起偏后 ,其 S2偏光照射到 LCoS 微显 示屏。LCoS 显示屏作为反射式图像调制器件 ,根 据视频图像信息驱动液晶 ,经过像素反射面的反 射和液晶的旋光作用 ,入射的 S2偏光变成携带视 频信息的 P2偏光穿过 PBS ,经光学透镜放大后 , 观看者就可以看到电视图像。 4 　电视信号接收单元 电视信号的接收采用了 Philips 公司的集成 一体化电视信号处理器 FI21256M K2 ,具有体积 小 ,结构紧凑 ,性能稳定的特点[4 ] 。FI21256M K2 具有全频道 (V HF ,U HF) 调谐器和中频 ( IF) 解调 器 ,内部采用了 3 片专用集成电路 , TSA5523M 是单片频率合成调谐器 ,可以利用 I2C 总线对内 部 PLL 锁相环调谐系统进行编程 , 实现系统的 调谐和控制 ; TDA5736M 是 U HF/ V HF 振荡控制 器 ,具有高、中、低 3 个不同频段的振荡器实现混 频输出 ,混频器输出一个中频信号 , 送入中频放 大器进行放大 ;中频放大器采用 TDA9800 ,这是 Philips 公司的单芯片视频和音频处理器 ,内部具 有视频解调器 ,对中频信号进行处理后可直接输 出 CVBS 视频信号和电视伴音音频信号。 本文介绍的电视系统采用单 5 V 供电 , FI2 1256M K2 也是单 5 V 组件 ,因此使用起来非常方 便 ,用普通单片机模拟 I2C 总线编程就可以实现 对高频头工作的控制。从系统体积和功耗方面来 考虑 ,可以对 FI21256M K2 进行二次开发 ,采用手 动的方法来实现对 FI21256M K2 的控制 ,由于 FI2 1256M K2 已经具有内部 33 V 升压器 ,通过一上 拉电阻强迫起动内部升压器 ,并采用外接电位器 实现频率调谐。关于 FI21256M K2 电视信号处理 器的使用和二次开发的方法 ,建议参考有关资 料[5 ,6 ] ,本文不再赘述。 5 　视频信号处理和控制电路 视频信号处理和控制电路把 FI21256M K2 输 出的全电视信号分两路进行处理 ,一路经过同步 分离 ,得到行场同步和奇偶场标志信号 ,利用可编 程逻辑器件产生 LCoS 显示屏所需要的各种扫描 时序 ,实现对显示屏的驱动控制 ;另一路经过陷波 器滤除视频信号中的色副载波信号 (在彩色系统 中需要进行 Y2C 分离) ,然后对得到的图像亮度 信号进行放大、电平移位和反场处理 ,最后输出符 合 LCoS 显示屏所要求的模拟视频信号。图 2 是 视频信号处理和控制电路原理框图。 由于该系统不需要复 合同 劳动合同范本免费下载装修合同范本免费下载租赁合同免费下载房屋买卖合同下载劳务合同范本下载 步信号 ,同步分离 电路采用了 Gennum 公司的 GS4982 ,该电路内建 副载波滤波器 ,具有优异的抗干扰性能 ,可以自动 探测视频输入信号 ,在有效的视频信号存在时 , GS4892 直接输出行 (horizontal) 、场 (vertical) 同步 信号和奇偶场标志信号 (odd/ even) 。当输入视频 信号无效时 ,输出噪声抑制电路使所有输出信号 保持在高电平状态。 954第 6 期 　　　　　　　　　　　耿卫东 ,等 :基于 LCoS芯片的微型电视系统设计与实现 © 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net 控制时序处理器根据 GS4982 输出的行场同 步信号和时钟信号产生 LCoS 显示屏所需要的扫 描时序信号 VS、VCK、HS、HCK ,同时要根据奇 偶场标志信号 O/ E 和行同步信号 Hs 生成奇偶行 识别信号 OE 和视频信号反转控制信号 F 和 NF , 当 OE 信号为高电平时 , 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 明是奇场视频 ,LCoS 内部的行扫描电路应依次选中奇数行 ;当 OE 信 号为低电平时 ,表明是偶场视频 ,LCoS 内部的行 扫描电路应依次选中偶数行。在隔行扫描方式 , 为了实现视频信号的反转 ,如果第一个奇场的第 一行视频信号是正极性 ,则要求第二个奇场的第 一行视频信号是负极性 ,所以在相邻的两个奇场 中开始的 F (NF)信号是相反的。 图 2 　视频信号处理和控制电路框图 Fig. 2 　Schematic of video and controller 　　在亮度信号处理通道 , Y2C 分离电路仅设置 了副载波吸收电路 ,并采用无源元件 ,以便降低系 统功耗。亮度信号处理器对图像信号进行放大 , 并在场反转信号的控制下进行反转处理和电平移 图 3 　视频信号反转及输入输出波形图 Fig. 3 　Video inversion circuit and in/ out waveform 位 ,如图 3 所示 ,控制信号 F 和 NF 是互反的 ,当 F 为高电平时 ,NF 为低电平 ,放大器 A1 被使能 ,输 出正极性图像信号 ;当 F 为低电平时 ,NF 为高电 平 ,放大器 A2 被使能 ,输出负极性图像信号 ,这 样 ,经过 A3 缓冲器输出的图像信号就可以直接送 入 LCoS 的视频图像信号输入端。 6 　音频信号的处理 FI1256 电视信号处理器可以直接输出电视 伴音信号 ,在 8Ω负载上可以提供 20 mW 的音频 功率 ,谐波失真小于 0. 5 % ,从延长电池寿命 ,简 化电路设计考虑 ,可以直接通过耳机收听电视伴 图 4 　音频电路图 Fig. 4 　Schematic of audio circuit 064 液 　　晶 　　与 　　显 　　示 　　　　　　　　　　　　　　　第 19 卷 © 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net 音。为了可以进行音量调节 ,本文利用美国 TI 公 司设计的 TPA711 音频功率缓冲器 ,如图 4 所示。 TPA711 可以采用 5 V (或 3. 3 V) 单电源工作 ,是 TI 专为低电压场合应用而开发的音频放大器[7 ] , 可以工作在桥式 (B TL)或单端 (SE)输出方式。本 设计采用 5 V 电源工作 ,单端输出方式 ,推动 32Ω 耳机 ,可以输出 85 mW 的连续功率。选用 8 脚 SOIC封装的 TPA711 仅占用 3 mm ×5 mm 的 PCB 面积。 7 　结　　语 由于具有体积小、功耗低、显示容量大等特 点 ,LCoS 显示技术可以应用于各种便携式设备和 个人显示终端。本文探讨了 LCoS 显示器在微型 电视系统中的应用 ,给出了采用单色 LCoS 芯片 设计的微型黑白电视机系统方案 ,整个系统样机 外型为 90 mm ×60 mm ×30 mm ,采用手动调谐 选台和音量控制 ,可以接收 49. 75～863. 25 MHz 范围内的调频电视信号。 参 　考 　文 　献 : [ 1 ] 黄锡珉. LCOS 技术的发展[J ] . 液晶与显示 , 2002 ,17 (1) :125. [ 2 ] 费民权. 液晶电视技术的发展现状分析[J ] . 液晶与显示 , 2003 ,18 (5) :3792386. [ 3 ] 代永平 ,华强 ,孙钟林. 基于 LCoS 技术的微型显示器[J ] .电视技术 ,2004 , (260) :55257. [ 4 ] Philips DATA sheet . FI1256 M K2 Desktop video tuner system CCIR D/ K[ Z] . 1996. 26. [ 5 ] 苏凡珍. 482870MHZ二次变频调频接收机[ EB/ OL ] . http :/ / myradio . 51. net/ tpradio2. htm ,200326215. [ 6 ] 薛少丽 ,沈金根. 新型高频头 Tuner FI1256 及其应用[J ] . 国外电子元器件 ,1997 , (11) :43244. [ 7 ] 路秋生. 700 mW 低电压音频功率放大器 TPA711 的特性及其应用[J ] .电子产品世界 ,2003 (3) :31234. Design and Realization of Subminiature TV Receiver Based on LCoS Chip GEN G Wei2dong , ZHAN G Yong2li , DAI Yong2ping , SUN Zhong2lin ( The Tianji n Key L aboratory f or Photoelect ronic and Elect ronic Thin Fil m Devices and Technology , Instit ute of Photoelect ronics , Inf ormation College , Nankai U niversity , Tianji n 　300071 , China , E2mail : gengw d @nankai . edu. cn) Abstract The application of LCoS microdisplay in TV receiver system was introduced. The structure and fea2 tures of LCoS chip were discussed. In order to reduce system’s complexity and consumed power , the LCoS modules made by ourselves have analog video interface circuit and support both interleaved and non2inter2 leaved TV signal. The scheme of U HF receiver , video conversion , LCoS interface controller and audio cir2 cuit of subminiature TV receiver were discussed. Key words :LCoS ;television ;microdisplay 作者简介 :耿卫东 (1955 - ) , 男 , 河北沧州人 ,教授 ,主要从事光电子技术应用和 LCoS液晶微型显示系统的研究。 164第 6 期 　　　　　　　　　　　耿卫东 ,等 :基于 LCoS芯片的微型电视系统设计与实现