LCD TV

Ich war schon seit langem auf der Suche nach einem günstigen Ersatz für Monitor der Überwachungskamera, da dessen Stromverbrauch bei fast 15 Betriebsstunden doch recht hoch ist. Anfangs dachte ich an einen TFT Monitor, aber einen Farbmonitor für eine Schwarzweis Kamera zu verwenden, das wäre eine Verschwendung. Und etwas fertiges kaufen, das ist doch langweilig. Obwohl aktive TFT LCDs gegenüber passiven LCDs einige Vorteile haben, kann man auch aus einem Standard LCD noch einiges rausholen, wie dieses Beispiel zeigt.

Bei dem LCD handelt es sich um LM038QB1R10 von Sharp das für etwa 8€ bei Pollin erhältlich ist. Bei diesem LCD handelt es sich um ein normales 320x240 LCD mit 4bit Anschluss. Da es sich um ein passives LCD handelt, kann es keine Graustufen darstellen, sondern nur schwarz und weiß. Ursprünglich war das LCD für einen PDA gedacht, weshalb es nur 4mm dick ist !
Um diese Dicke zu erreichen, wurde leider bei den Bauteilen auf dem Modul gespart: Man muss daher nicht nur die negative Spannung von etwa -20V für das LCD erzeugen, sondern jede der 5 Teilspannung einzeln. Bei diesem LCD ist es sogar noch komplizierter, da das LCD nicht nur eine negative Spannung benötigt, sondern auch noch eine positive.
Im Vergleich zu anderen 320x240 LCDs benötigt dieses LCD verhältnismäßig viel Spannung, dafür ist auch der Kontrast sehr gut und auch der Blickwinkel ist für ein passive Grafik LCD beachtlich.

 


Die Aufgabe der Schaltung ist es, aus dem TV Signal die entsprechenden Pixeldaten und Timingsignale für das LCD zu erzeugen. Angefangen habe ich mit einigen Versuchen, das LCD direkt mit dem TV Signal zu betrieben. Allerdings war das Ergebnis nicht so ganz optimial, da aufgrund der hohen Zeilenanzahl vom TV Bild von 288 Halbzeilen der Kontrast des LCDs schlechter wurde, und aufgrund des digitalen LCD Ansteuerung nur an und aus für die Pixel möglich war. Dadurch waren eigentlich nur Umrisse mit starkem Kontrast zu erkennen.

Dieser Konverter macht das ganze besser:
Der Schaltungsaufwand hält sich dank dem Einsatz eines CPLDs in Grenzen. So werden nur ein ADC für die digitalisierung des Videosignals, ein SRAM als Bildspeicher, die LCD Spannungserzeugung und der CPLD benötigt.

Kurz zusammengefasst, speichert die Schaltung das TV Bild mit 256 Graustufen im SRAM ab, und belegt daher 1Byte pro Pixel. Gleichzeitig wird das Bild wieder ausgelesen und mit verschiedenen Techniken in 64 Pseudograustufen umgerechnet und ans LCD übertragen. Das Timing wird dabei komplett neu erzeugt.

Als Zeitbasis dient ein 18,432MHz Takt, der in 3 Taktphasen unterteilt wird.
In der 3. Taktphase wird ein Pixel/Byte vom ADC eingelesen und ins SRAM geschrieben.
In der 1. und 2. Taktphase werden je ein Pixel wieder aus dem SRAM geladen. Dabei werden nur die 6 höherwertigen Bits verwendet, da selbst 64 Graustufen auf dem LCD nicht unterscheidbar sind.
Diese 64 Graustufen werden jetzt in 2 Graustufen (an/aus) umgerechnet. Dazu dienen 2 Techniken, die jeweils 8 Graustufen erzeugen. Die 8 großen Stufen werden mittels Framerate Modulation erzeugt. Dies entspricht dem üblichen PWM: Je nach Wert wird ein Pixel nur in 0/7, 1/7, 2/7, 3/7, 4/7, 5/7, 6/7 oder 7/7 der Frames eingeschaltet. Der Vorteil dieser Technik ist die Einfachheit: Man benötigt nur einen Vergleicher und einen Zähler der in jedem Frame erhöht wird. Allerdings gibt es auch einen Nachteil: Die Effektive Bildwiederholrate ist vom Bildinhalt abhängig und wird im Extremfall auf 1/7 reduziert. Daher läuft das LCD mit einer etwas erhöhten Framerate von etwa 157Hz:
18,432MHz * 2/3 / (324Pixel pro Zeile) / (241 Zeilen pro Bild) = 157Hz
Dies ergibt mit der Framerate Modulation minimal etwa 22,5Hz, was an der unteren Flimmergrenze ist.
Die unteren 8 Graustufen werden mitteld Dithering erzeugt. Im Prinzip ist das nichts anderes als ein Multibit Delta-Sigma DAC: Dazu wird der Wert von jedem Pixel zum vorhergehenden Ergebnis aufaddiert und das Ergebnis zum nächstniedrigeren Wert der mittels Frameratemodulation darstellbar ist abgerundet und angezeigt. Die Differenz bleibt erhalten und wird für die nächste Berechnung verwendet. Hier mal ein Beispiel:
Es soll der Pixelwert 12 dargestellt werden. Es lassen sich aber nur die Werte 0, 8, 16, 24, 32, 40, 48, 56 darstellen. Daher wird der Wert 8 dargestellt, man erhält die Differenz 4. Beim nächsten Pixel soll der Wert 13 dargestellt werden. Dazu werden die 4 vom letzen Pixel addiert, und man erhält 17. Nun wird der Wert 16 angezeigt. Dieses Streuraster macht sich die Tatsache zu nutze, dass nebeneinanderliegende Pixel zu einem verschwimmen, wenn sie ausreichend klein sind. Der gesehene Farbwerte entspricht dann dem Verhältnis zwischen hellen und dunklen Pixeln.
Allerdings kann sich so ein ungewünschtes Muster ergeben. Da das Videosignal normalerweise aber ausreichend stark verrauscht ist, und das LCD träge genug ist um diese Muster in Unschärfe umzuwandeln, stellt dies kein Problem dar. Der Farbträger bei einem FBAS Signal verursacht ebenfalls ein Rauschen, das hilft die Quantisierungsfehler zu verringern.

 

 

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