Схема работы TFT монитора

Большинство современных LCD мониторов имеют достаточно простое построение, если рассматривать его на уровне чипов, т.е. в мониторе мы видим сейчас две или три крупных микросхемы. Функциональное назначение этих микросхем в большинстве случаев является типовым, несмотря на то, что выпускаются они разными производителями и имеют различную маркировку. А так как микросхемы выполняют одинаковые функции, то их входные/выходные сигналы будут практически идентичными, т.е. основное отличие микросхем заключается в их характеристиках и цоколевке корпуса. Именно поэтому к большинству современных LCD мониторов, невзирая на множество их торговых марок и множество различных моделей, можно применять одинаковые подходы при диагностике неисправностей и ремонте. Кроме идентичной функциональной схемы, почти все LCD мониторы имеют одну и ту же схему компоновки, т.е. практически все производители пришли к одинаковой схеме распределения электронных компонентов монитора по различным печатным платам.

 

Общая схема современного монитора

Современный LCD монитор, как правило, состоит из самой LCD-панели и 3 печатных платы (схема 1):

 

Схема 1 — Общая схема современного монитора

• основную плату управления и обработки сигналов (Main PCB)
• плату блока питания и инвертора задней подсветки (Power PCB)
• плату лицевой панели управления

 

Межблочные связи в мониторе 

Связи при такой компоновке монитора демонстрирует схема 2.

 

Схема 2 — Межблочные связи

 

Многие современные мониторы могут использоваться как USB-хаб, к которому могут подключаться различные USB устройства. Поэтому в составе монитора может появиться еще одна печатная плата, соответствующая USB-хабу, но наличие этой платы, естественно, является опциональным.

На основной плате управления располагаются микропроцессор монитора и скалер. Этой платой осуществляется обработка входных сигналов монитора и преобразование их в сигналы управления LCD-панелью. Именной этой платой во многом определяется качество изображения, воспроизводимого на экране монитора. Основное отличие моделей мониторов друг от друга заключается в конфигурации этой печатной платы, в типе установленных на ней микросхем и в их «прошивке».

Плата лицевой панели управления представляет собой узкую печатную плату, на которой расположены только лишь кнопки и светодиод.

 

Плата питания монитора

Плата источников питания (в документации LG ее обозначают, как LIPS), представляет собой комбинированный источник питания, который состоит из двух импульсных преобразователей: основного блока питания и инвертора задней подсветки. Этой платой формируются все основные напряжения, необходимые для работы и основной платы, и LCD-панели, а также формируется высоковольтное напряжение для ламп задней подсветки. Именно эта печатная плата дает наибольшее количество различных проблем и отказов LCD-мониторов.

Но существует и второй вариант компоновки, при котором кроме LCD-матрицы в мониторе имеется четыре печатные платы:

• основная плата управления и обработки сигналов (Main PCB)
• плата блока питания (Power PCB)
• плата инвертора задней подсветки (Back Light Inverter PCB)
• плата лицевой панели управления

В данном варианте компоновки блок питания и инвертор задней подсветки представляют собой отдельные печатные платы (схема 3).

 

Схема 3 — Основные платы монитора

 

Межблочные связи, характерные для такой компоновки монитора, представлены на схеме 4. В качестве примера здесь можно представить мониторы LG FLATRON L1810B и L1811B.

 

Схема 4 — Межблочные связи

Прежде чем говорить о различных вариантах схемотехники LCD дисплеев, дадим краткие характеристики основным компонентам, из которых они состоят.

 

Микропроцессор

Микропроцессором, который в различных источниках может обозначаться как CPU, MCU и MICOM, осуществляется общее управление монитором. Основными его функциями являются:

• формирование сигналов для включения и выключения задней подсветки
• управление яркостью ламп задней подсветки
• настройка режима работы скалера
• формирование сигналов управляющих работой скалера
• обработка и контроль входных синхросигналов HSYNC и VSYNC
• определение режима работы монитора
• определение типа входного интерфейса (D-SUB или DVI)
• обработка сигналов от лицевой панели управления

Управляющая программа микропроцессора, как правило, находится в его внутреннем ПЗУ, т.е. эта программ «прошита» в микропроцессоре. Однако часть управляющего кода, и особенно различные данные и переменные хранятся во внешней энергонезависимой памяти, которая представляет собой электрически перепрограммируемое ПЗУ – EEPROM. Микропроцессор имеет прямой доступ к микросхемам EEPROM.

Микропроцессор, как правило, является 8-разрядным и работает на тактовых частотах порядка 12 – 24 МГц. Микропроцессор, на самом деле, является однокристальным микроконтроллером, в составе которого, кроме CPU имеются еще:

• многоцелевые цифровые порты ввода/вывода с программируемыми функциями
• аналоговые входные порты и цифро-аналоговый преобразователь
• тактовый генератор
• ПЗУ
• ОЗУ и другие элементы

 

EEPROM

В энергонезависимой памяти, в первую очередь, хранятся данные о настройках монитора и заданные пользователем установки. Эти данные извлекаются из EEPROM в момент включения монитора и инициализации микропроцессора. При каждой настройке монитора и установке нового пользовательского значения какого-либо параметра изображения, эти новые значения переписываются в EEPROM, что позволяет их сохранить. В современных мониторах в качестве EEPROM , в основном, применяются микросхемы с последовательным доступом по шине I2C (сигналы SDA и SCL). Это микросхемы типа 24C02, 24C04, 24C08 и т.д.

 

DDC- EEPROM

Все современные мониторы поддерживают технологию Plug&Play, которая предполагает передачу от монитора в сторону ПК паспортной и конфигурационной информации о мониторе. Для передачи этих данных используется последовательный интерфейс DDC, которому на интерфейсе соответствую сигналы DDC-DATA (DDC-SDA) и DDC-CLK (DDC-SCL). Сама паспортная информация хранится в еще одном EEPROM, который, практически, напрямую соединен с интерфейсным разъемом. В качестве EEPROM используются те же микросхемы 24C02, 24C04, 24C08, а также может использоваться и более специализированная – 24C21.

 

Формирователь RESET

Схема формирования сигнала RESET обеспечивает контроль питающего напряжения микропроцессора. Если это напряжение становится ниже допустимого значения, работа микропроцессора блокируется установкой сигнала REST в низкий уровень. В качестве формирователя сигнала чаще всего используется микросхема Low Drop стабилизатора, типа KIA7042 или KIA7045.

 

Скалер монитора

Микросхемой скалера осуществляется обработка сигналов, приходящих от ПК. Скалер в большинстве случаев представляет собой многофункциональную микросхему, в состав которой обычно входят:

• микропроцессор;
• ресивер (приемник) TMDS, которым обеспечивается прием и преобразование в параллельный вид данных, передаваемых по интерфейсу DVI;
• аналого-цифровой преобразователь – АЦП (ADC), которым осуществляется преобразование входных аналоговых сигналов R/G/B;
• блок ФАПЧ (PLL), который необходим для корректного аналого-цифрового преобразования и синхронного формирования сигналов на выходе АЦП;
• схема масштабирования (Scaler), которая обеспечивает преобразования изображения с входным разрешением (например, 1024х768) в изображение с разрешением LCD-панели (например, 1280х1024);
• формирователь OSD;
• трансмиттер (LVDS), который осуществляет преобразование параллельных данных о цвете в последовательный код, передаваемый на LCD-панель по шине LVDS.

Кроме этих основных элементов, в составе некоторых скалеров можно выделить еще схему гамма-коррекции, интерфейс для работы с динамической памятью, схему фрейм-граббера, схемы конвертации форматов (например, YUV в RGB) и т.п.

Фактически, скалер является микропроцессором, оптимизированным под выполнение вполне определенных задач – обработку изображения. Скалер настраивается на формат входных сигналов, получая соответствующие команды от центрального процессора монитора.

Если в составе монитора имеется фрейм-буфер (оперативная память), то работа с ним является функцией именно скалера. Для этого многие скалеры оснащаются интерфейсом для работы с динамической памятью.

Пример функциональной схемы скалера GM5020, используемого в мониторе LG FLATRON L1811B, представлен на схеме 5. Особенностью этого скалера является то, не содержит внутреннего LVDS-трансмиттера, и формирует сигналы цвета в виде параллельного 48-разрядного потока цифровых данных. При использовании скалера GM5020 требуется еще и внешний LVDS-трансмиттер, представляющий собой специализированную микросхему.

 

Схема 5 — Схема скалера

 

Фрейм-буфер

Фрейм-буфер – это оперативная память достаточно большой емкости, которая используется для сохранения образа изображения, выводимого на экран. Эта память требуется при преобразовании (масштабировании) изображения, т.е. когда входное разрешение не совпадает с разрешением LCD-панели. В качестве фрейм-буфера используется память динамического типа, чаще всего SDRAM. Емкость этой памяти определяет разработчиком, исходя из формата LCD-панели и ее цветовых характеристик.

 

DC-DC преобразователь

Этим модулем обеспечивается формирование всех постоянных напряжений, необходимых для работы монитора. Этими напряжениями являются: +5V, +3.3V, +2.5V или +1.8V. Преобразователи представляю собой либо линейные, либо импульсные преобразователи постоянного напряжения.

 

Буфер синхросигналов

Буфер синхросигналов, представляют собой усилители, выполненные либо на транзисторах, либо на микросхемах мелкой логики. Буфером обеспечивается усиление и буферизация входных сигналов синхронизации HSYNC и VSYNC. Часто буферы управляются микропроцессором, что позволяет выбрать источник сигнала, а также выбрать тип синхронизации (раздельная, композитная или SOG).

 

Инвертор

Инвертор формирует высоковольтное и высокочастотное напряжение для ламп задней подсветки. Представляет собой импульсный высокочастотный преобразователь, который из напряжения +12V создает импульсное напряжение амплитудой около 800В.

 

Блок питания

Блоком питания из переменного напряжения сети формируются постоянные напряжения +12В и +5В, используемые для питания всех каскадов монитора. Блок питания является импульсным и может представлять собой как внешний сетевой адаптер, так и внутренний модуль монитора, хотя в мониторах, представленных в данном обзоре, блок питания является внутренним.

 

Подавляющее большинство LCD мониторов можно отнести к одному из 3-х базовых вариантов схемотехники, которые попытаемся охарактеризовать.

 

1) Первый вариант — Микросхемы микропроцессора и скалера

характеризуется наличием на MAIN BOARD двух основных микросхем: микросхемы микропроцессора и микросхемы скалера. Микропроцессором осуществляется общее управление компонентами монитора, а скалер осуществляет преобразование цветовых сигналов, т.е. осуществляет подстройку изображения под разрешение LCD-панели. При этом скалер обрабатывает данные «на лету», т.е. без предварительного сохранения образа изображения в промежуточной памяти. Поэтому микросхемы памяти в таком варианте схемотехники не используются. Блок-схема такого LCD-монитора демонстрируется на рис.6.

 

Схема 6 — Микросхемы микропроцессора и скалера

 

2) Второй вариант — Микросхемы микропроцессора, скалера и памяти

отличается от первого наличием в мониторе микросхем памяти, которые часто называют буфером фрейма (Frame Buffer). Наличие микросхем памяти характерно для мониторов более высокого класса, которые способны работать с изображениями различных входных форматов, в том числе и телевизионных. К этому классу мониторов в большей степени относятся 18-дюймовые мониторы, например FLATRON L1811B.

 

Схема 7 — Микросхемы микропроцессора, скалера и памяти

 

3) Третий вариант — Активная микросхема

Характеризуется наличием на основной плате MAIN BOARD всего одной «активной» микросхемы. Под термином» активная микросхема» мы подразумеваем микросхему, имеющую собственную систему команд, программируемую под выполнение различных функций и способную выполнять какую-либо обработку сигналов. В некоторых мониторах (например, в FLATRON L1730B и L1710S), мы видим всего одну такую микросхему, которая совмещает в себе и функции микропроцессора и функции скалера. Так как подобные микросхемы могут использоваться в различных моделях мониторов, и так как в составе микросхемы имеется микропроцессор, для работы которого требуется наличие управляющих кодов, то на плате MAIN BOARD мы найдем еще и микросхему постоянного запоминающего устройства – ПЗУ (ROM). Эта микросхема, которая чаще всего является 8-разрядным ПЗУ с параллельным доступом, содержит управляющую программу для работы комбинированной микросхемы скалера-микропроцессора. Часто микросхема ПЗУ является электрически перепрограммируемой, и поэтому ее часто обозначают, как FLASH. Практически во всех мониторах LG в качестве ПЗУ используются микросхема семейства AT49HF. Блок-схема мониторов с такой схемотехникой представлена на схеме 8.

 

Схема 8 — Активная микросхема

 

Дополнительный вариант — Скалер без встроенного LVDS-трансмиттера

Кроме этих трех вариантов построения монитора можно ввести и еще один вариант. Он отличается тем, что в мониторе используется такой скалер, который не имеет встроенного LVDS-трансмиттера. В этом случае трансмиттеру соответствует отдельная микросхема, которая устанавливается на основной плате между скалером и LCD-панелью. LVDS-трансмиттер осуществляет преобразование параллельного (24 или 48 разрядного) цифрового потока данных, сформированного скалером, в последовательные данные шины LVDS. LVDS-трансмиттер представляет собой микросхему общего применения, которая может использоваться в любых мониторах. Такая схемотехника, с внешним LVDS-трансмиттером, также характерна, в большей степени, для мониторов более высокого класса, т.к. в них применяются специализированные скалеры с меньшим количеством дополнительных функций. Пример блок-схемы монитора с подобной схемотехникой представлен на схеме 9. В качестве примере монитора с таким построением, можно назвать модель LG FLATRON L1811B.

 

Схема 9 — Скалер без встроенного LVDS-трансмиттера

 

Здесь были рассмотрены лишь базовые варианты современной схемотехники, хотя во всем многообразии моделей и торговых марок LCD-мониторов можно встретить самые различные комбинации представленных блок-схем. В сводной таблице 1 отражены типы применяемых микросхем и особенности схемотехники наиболее массовых моделей мониторов LG.

 

Таблица 1 — Особенности схемотехники TFT мониторов компании LG

Модель монитора	Вариант компоновки	Вариант схемотехники	Типы основных микросхем			Тип используемой LCD панели
			CPU	Скалер	LVDS
L1510S	см. рис.1	см. рис.6	MTV312	MST9011	—	LM150X06-A3M1
L1510P	см. рис.1	см. рис.6	MTV312	MST9051	—	LM150X06-A3M1
L1511S	см. рис.1	см. рис.9	MTV312	GMZAN2	THC63LVDM83R	1) LM150X06-A3M1 2) LM150X07-B4
L1520B	см. рис.1	см. рис.6	MTV312	MST9011	—	LM150X06-A4C3
L1710S	см. рис.1	см. рис.8	—	GM2121	—	1) HT17E12-100  2) M170EN05
L1710B	см. рис.1	см. рис.6	MTV312	MST9151	—	1) LM170E01-A4 2) HT17E12-100 3) M170EN05V1
L1715/16S	см. рис.1	см. рис.6	MTV312	MST9111	—	LM170E01-A4
L1720B	см. рис.1	см. рис.6	MTV312	MST9111	—	1) LM170E01-A4 2) LM170E01-A5K6 3) LM170E01-A4K4 4) LM170E01-A5
L1730B	см. рис.1	см. рис.8	—	GM5221	—	1) LM170E01-A5K6 2) LM170E01-A5N5 3) LM170E01-A5KM
L1810B	см. рис.3	см. рис.6	MTV312	MST9151	—	1) LM181E06-A4M1 2) LM181E06-A4C3
L1811B	см. рис.3	см. рис.9	68HC08	GM5020	THC63LVD823	1) LM181E05-C4M1 2) LM181E05-C3M1
L1910PL	см. рис.1	см. рис.6	MTV312	MST9151	—	FLC48SXC8V-10
L1910PM	см. рис.1	см. рис.6	MTV312	MST9151	—	FLC48SXC8V-10

 

Выводы

Аналитический обзор данных, представленных в таблице 1, позволяет сделать несколько интересных выводов.

Во-первых, практически все, представленные в таблице 1 мониторы, имеют одинаковую схему компоновки, которая, кстати, характерна практически для всех современных мониторов, независимо от фирмы-производителя.

Во-вторых, LG в своих мониторах в качестве управляющего процессора использует, преимущественно, микроконтроллер MTV312, разработанный фирмой MYSON TECHNOLOGY. Этот микроконтроллер в своей основе имеет известнейший микропроцессор 8051. Кроме того, в состав микроконтроллера входят ОЗУ, Flash-ПЗУ, АЦП, процессор синхронизации, цифровые порты и целый ряд других элементов.

В-третьих, необходимо отметить, что в некоторых моделях мониторов могут использоваться различные типы LCD-панелей. Так, например, под крышкой мониторов, продаваемых под торговой маркой FLATRON 1710B, можно встретить LCD-панели трех разных типов: LM170E01-A4, HT17E12-100, M170EN05V1, и это является весьма распространенной практикой практически всех производителей мониторов. Но интересным является тот факт, что иногда фирма LG в своих мониторах использует панели других производителей, являясь при этом крупнейшим мировым их производителем. Принадлежность LCD-панели можно определить по ее маркировке, первые буквы которой и определяют производителя:

• LM – панели производства LG-PHILIPS
• HT – панели производства HITACHI
• M – панели производства AUO
• FLC – панели производства FUJITSU

 

Источник: mirpu.ru