摘 要: 介紹了TH-LCD Tester液晶屏測試儀。該測試儀可對各種規格的液晶屏進行閾值電壓的目測、響應特性的目測、全屏功耗電流的測量和各電極之間的短路檢查。討論了液晶屏測試儀的工作原理;剖析了RMS/DC轉換集成電路AD536A的工作原理和典型應用。
關鍵詞: 測試儀器 有效值 LCD
TH-LCD Tester液晶屏測試儀是在生產線上對各種規格的液晶屏進行質量檢查的必備儀器。該儀器可進行閾值電壓的目測、響應特性的目測(閃光試驗);全屏功耗電流的測量和各電極之間的短路檢查。其中后兩項是測試全顯電流和段電流的有效值。由于液晶屏的背電極和段電極之間是灌注了液晶材料的，因此在外加電壓驅動下，可等效為一個電容性負載。所以，液晶屏的電流采樣電路是一個典型的微分電路，其輸出電壓是一個窄脈沖序列，使用RMS/DC轉換集成電路AD536A可以實時測試不同窄脈沖電壓的有效值。
1 液晶屏測試儀的系統組成
系統的組成可分為三部分。其一，是產生驅動LCD樣品的不同頻率、不同幅度的對稱方波電壓，主要由DAC1、DAC2和波形變換電路組成;其二，是選擇待測LCD樣品的不同背電極和段電極的開關矩陣電路;其三，是測量選中的背電極和段電極之間的功耗電流電路，主要由LM411電流采樣電路、RMS/DC轉換電路和測量電路組成。所有這三部分皆是在主控CPU(8032)的控制下有序地工作。液晶測試儀原理方框圖如圖1所示。其中，LM411構成典型的微分電路，AD574A構成數據采集電路，大家很熟悉，這里不再討論。RMS/DC轉換電路AD536A則是本文討論的重點。
2 功耗電流測量電路
功耗電流測量電路原理方框圖見圖2。
因為待測的LCD樣品是容性負載，則由外接的精密測量電阻R、LCD樣品的等效電容C和LM411AH構成的電流采樣電路是典型的微分電路，其輸出電壓Vout的典型波形見圖3。
由于電流采樣電路的輸出電壓是占空比很小的微分窄脈沖序列，所以電流測量就有兩種方案:一是測量其平均值(MAD)，這是美國R.P.G.Electronics公司3200型LCD測試儀采取的方案;二是測量其有效值(RMS)，這是本儀器采用的方案。兩者的測試結果是不同的，而且與電流采樣電壓脈沖的形狀和占空比關系極大。
本方案采用RMS/DC轉換集成電路AD536A對復雜的電壓波形(交流成分加直流成分)的有效值進行測量。而平均值(MAD)和有效值(RMS)之間的關系是隨波形的形狀不同而不同的，從表1幾個例子可以看出。
3 RMS/DC轉換芯片AD536A介紹
3.1 AD536A的工作原理
AD536A是將真有效值轉換成直流的單片集成電路，可以連續、實時地計算輸入信號的平方、平均值，且得到的直流電壓值正比于輸入信號的有效值RMS。
AD536A計算RMS時，首先求得絕對值(整流電路);第二步進行平方計算;第三步是平均計算，即除以反饋回來的輸出電壓;最后再經濾波得出結果。這里很重要的一條是要求平均的時間常數要遠大于待測信號的周期，這樣才能保證測試的精度。
3.2 AD536A電路分析
AD536A的典型RMS連接圖如圖4所示。AD536A由以下四部分組成:
·絕對值電路(整流電路);
·平方電路和平均電路;
·電流鏡電路;
·緩沖放大器電路。
AD536A的電路原理圖如圖5所示。
運算放大器A1、A2和晶體管Q6的B-E結及電阻R3、R4、R5、R6組成的部分是典型的求絕對值電路，該電路的主要作用是實現絕對值的電壓/電流轉換。
運算放大器A3和晶體管Q1、Q2、Q3、Q4組成的是單象限乘法/除法(平均)電路。I1流過晶體管Q1、Q2，I3流過Q3，分別作用于Q4的發射極和基極，從而得到:
電流I4流過低通濾波電路R1和CAV(外接電容)后，又返回驅動電流鏡產生I3，當時間常數R1CAV遠大于待測信號的周期時，則I3就是I4的平均值。
由有效值的定義和式(2)可知，I4實際上就是I1的有效值I1rms。
3.3 AD536A測量精度分析
AD536A使用極其方便，只有一個外接電容CAV。因此，求平均值時的時間常數是R1CAV。時間常數的大小是影響測量精度的主要因素。
若輸入信號是變化緩慢的直流信號，AD536A的輸出能夠準確地跟蹤輸入信號。
對于較高頻率變化的輸入信號，AD536A的輸出就近似等于輸入信號的有效值RMS，存在直流誤差和波紋起伏。
直流誤差的大小取決于輸入信號的頻率和外接電容CAV的值。
輸出信號尚有波紋的起伏變化。有兩種方法可減小波紋: 一是增加外接電容CAV的值。因為波紋的大小是反比于CAV值的，所以增加CAV的值可以有效地減小波紋的大小。對于測量低占空比的脈沖系列(這正是液晶屏采樣電流脈沖的特點)的輸入信號，要求平均的時間常數R1CAV至少等于7倍輸入信號周期。例如脈沖序列是100Hz，取R1CAV≥100ms，CAV約為4μF。二是采用后接濾波器的方式，可以是一階或二階濾波器。這里要說明的是，在使用中要由實驗來選定CAV的值，因為直流誤差是取決于CAV值的，而不受后接濾波器的影響。
4 TH-LCD Tester和3200型LCD測試儀的比較
在實際測量中，LCD驅動電壓信號的頻率一般是128Hz，采樣周期為7.8ms。而LCD樣品的測量電壓波形持續的平均時間略小于10μs，則樣品的電流采樣脈沖電壓的占空比η<0.01，所以RMS的測量值約十幾倍于MAD的測量值。若待測的樣品是阻性負載，則RMS的測量值約等于MAD的測量值。
表2是對兩種測試方法的比較。在這里，美國3200型LCD測試儀測量的是樣品的MAD值;TH-LCD Tester測量的是樣品的RMS值;待測的樣品是象素LCD和電阻;測試條件是驅動電壓為3V，頻率為128Hz。
通過對以上測試數據的比較可知:
· MAD和RMS測試數據與電流采樣脈沖的形狀和占空比關系極大。
· 兩種測試儀對電阻R進行MAD和RMS測試的數據基本相同。
· 兩種測試儀對單象素進行MAD和RMS測試的數據相差約十幾倍。
· 由于LCD是對驅動電壓的有效值響應的，所以對于功耗電流，測量其有效值更有意義。
參考文獻
1 Special Linear Reqerence Manual. ADC公司，1997
2 Operators Manual Model 3200 LCD Tester.R.P.G.Electronics，1995
3 雷有華，張百哲，梁振波等.THLC-2型液晶特性測試儀的研制.電子技術應用，1999；25(11):35～37