AD536A在液晶屏测试仪中的应用

    摘要：介绍了TH-LCD Tester液晶屏测试仪。该测试仪可对各种规格的液晶屏进行阈值电压的目测、响应特性的目测、全屏功耗电流的测量和各电极之间的短路检查。讨论了液晶屏测试仪的工作原理；剖析了RMS/DC转换集成电路AD536A的工作原理和典型应用。

    关键词：测试仪器 有效值 LCD

TH-LCD Tester液晶屏测试仪是在生产线上对各种规格的液晶屏进行质量检查的必备仪器。该仪器可进行阈值电压的目测、响应特性的目测（闪光试验）；全屏功耗电流的测量和各电极之间的短路检查。其中后两项是测试全显电流和段电流的有效值。由于液晶屏的背电极和段电极之间是灌注了液晶材料的，因此在外加电压驱动下，可等效为一个电容负载。所以，液晶零有电流采样电路是一个典型的微分电路，其输出电压是一个窄脉序列，使用RMS/DC转换集成电路AD536A可以实时测试不同窄脉冲电压的有效值。

1 液晶屏测试仪的系统组成
    系统的组成可分为三部分。其一，是产生驱动LCD样品的不同频率、不同幅度的对称方波电压，主要由DAC1、DAC2和波形变换电路组成；其二，是选择待测LCD样品的不同背电机和段电极的开关矩阵电路；其三，是测量选中的背电极和段电极之间的功耗电流电路，主要由LM411电流采样电路、RMS/DC转换电路和测量电路组成。所有这三部分皆是在主控CPU（8032）的控制下有序地工作。液晶测试仪原理方框图如图1所示。其中，LM411构成典型的微分电路，AD574A构成数据采集电路，大家很熟悉，这里不再讨论。RMS/DC转换电路AD536A则是本文讨论的重点。

2 功耗电流测量电路

    功耗电流测量电路原理方框图见图2.

    因为待测的LCD样品是容性负载，则由外接的精密测量电阻R、LCD样品的等效电容C和LM411AH构成的电流采样电路是典型的微分电路，其输出电压Vout的典型波形见图3.

    由于电流采样电路的输出电压是占空比很小的微分窄脉冲序列，所以电流测量就有两种方案：一是测量其平均值（MAD），这是美国R.P.G.Electronics公司3200型LCD测试仪取的方案；二是测量其有效值（RMS），这是本仪器采用的方案。两者的测试结果是不同的，而且与电流采样电压脉冲的形状和占空比关系极大。

    本方案采用RMS/DC转换集成电路AD536A对复杂的电压波形（交流成分加直流成分）的有效值进行测量。而平均值（MAD）和有效值（RMS）之间的关系是随波形的形状不同而不同的，从表1几个例子可以看出。

3 RMS/DC转换芯片AD536A介绍

3.1 AD536A的工作原理

    AD536A是将真有效值转换成直流的单片集成电路，可以连续、实时地计算输入信号平方、平均值，且得到的直流电压值正比于输入信号的有效值RMS。

    AD536A计算RMS时，首先求行绝对值（整流电路）、第二步进行平方计算；第三步是平均计算，即除以反馈回来的输出电压；最后再经滤波器得出结果。这里很重要的一条是要求平均的时间常数要远大于待测信号的周期，这样才能保证测试的精度。

3.2 AD536A电路分析

    AD536A的典型RMS连接图如图4所示。AD536A由以下四部分组成：

    ·绝对值电路（整流电路）；

    ·平方电路和平均电路；

    ·电流镜电路；

    ·缓冲放大器电路。

    AD536A的电路原理图如图5所示。

    运算放大器A1、A2和晶体管Q6的B-E结及电阻R3、R4、R5、R6组成的部分是典型的求绝对值电路，该电路的主要作用是实现绝对值的电压/电流转换。

    I1=|VIN|/R4 (1)

    运算放大器A3和晶体管Q1、Q2、Q3、Q4组成的是单象限乘法/除法（平均）电路。I1流过晶体管Q1、Q1、I3流过Q3，分别作用于Q4的发射极和基极，从而得到：

    I4=I1 2/I3 (2)

    电流I4流过低通滤波电路R1和CAV（外接电容）后，又返回驱动电流镜产生I3，当时间常数R1CAV远大于待测信号的周期时，则I3就是I4的平均值。

    由有效值的定义和式（2）可知，I4实际上就是I1的有效值I1rms。

    电压输出是由Iout产生的。从电流镜电路可知Iout=2I4，即Iout=2I1rms。经过电阻R2，转换成输出电压：

    Vout=IoutR2=2L1rms×1/2R4=I1rmsR4=(VIN)rms (3)

    式中，R4=50kΩ

    R2=25kΩ

3.3 AD536A测量精度分析

    AD536A使用极其方便，只有一个外接电容CAV。因此，求平均值时的时间常数是R1CAV.时间常数的大小是影响测量精度的主要因素。

    若输入信号是变化缓慢的直流信号，AD536A的输出能够准确地跟踪输入信号。

    对于较高频率变化的输入信号，AD536A的输出就近似等于输入信号的有效值RMS，存在直流误差和波纹起伏。

    直流误差的大小取决于输入信号的频率和外接电容CAV的值。

    输出信号尚有波纹的起伏变化。有两种方式可减小波纹：一是增加外接电容CAV的。因为波纹的大小是反比于CAV值的，所以增加CAV的值可以有效地减小波纹的大小。对于测量低占空比的脉冲系列（这下是液晶屏采样电流脉冲的特点）的输入信号，要求平均的时间常数R1CAV至少等于7倍输入信号周期。

4 TH-LCD Tester和3200型LCD测试仪的比较

   在实际测量中，LCD驱动电压信号的频率一般是128Hz，采样周期为7.8ms。而LCD样品的测量电压波形持续的平均时间略小于10μs，则样品的电流采样脉冲电压的占空比η<0.01，所以RMS的测量值约十几倍于MAD的测量值。若待测的样品是阻性负载，则RMS的测量值约等于MAD的测量值。

    表2是对两种测试方法的比较。在这里，美国3200型LCD测试仪器测量的样品的MAD值；TH-LCD Tester测量的样品的RMS值；待测的样品是象素LCD和电阻；测试条件是驱动电压为3V，频率为128Hz。

表1 两种测试方法比较

    通过对以上测试数据的比较可知：

    ·MAD和RMS测试数据与电流采样脉冲的形状和占空比关系极大。

    ·两种测试仪对电阻R进行MAD才RMS测试的数据基本相同。

    ·两种测试仪对单象素进行MAD和RMS测试的数据相差约十几倍。

    ·由于LCD是对驱动电压的有效值响应的，所以对于功耗电流，测量其有效值更有意义。