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L'afficheur LCD  piloté par 68HC11
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LCD = Liquid Cristal Display
(Afficheur à cristaux liquides)
 1. Introduction Visualiser une information ou une donnée est une étape courante sur les appareils modernes. Que ce soit avec un tube cathodique, un galvanomètre ou des afficheurs sept segments, la méthode est des plus variées et doit être adaptée à la restitution de l'information.

L'utilisation d'afficheurs sept segments s'est avérée être la mieux adaptée pour la restitution de valeurs numériques variant lentement dans le temps pour obtenir une lecture simple et rapide.

Malheureusement, la structure même de ces afficheurs est vite devenue son inconvénient majeur par une forte consommation et un format figé.

Pour remédier à ces problèmes est apparu l'afficheur LCD, moins gourmand en énergie et ayant le pouvoir de prendre très simplement toutes les formes possibles et inimaginables jusqu'a même remplacer les tubes cathodiques.
 
 

 2. Principe de fonctionnement

2.1. Généralités

Tous les corps qui existent dans la nature peuvent se présenter sous trois formes différentes:

Solide, liquide ou gazeuse.

Le passage d'un état à l'autre s'opère grâce à la température. Exemple de transition matérielle franche de l'eau:

* 0°C passage de l'état solide à l'état liquide,

* 100°C passage de l'état liquide à l'état gazeux.

L'intérêt des cristaux liquides réside dans la facilité avec laquelle on peut agir sur leur structure. Les modifications qui apparaîtront dans l'orientation des molécules traduiront un changement des propriétés optiques de la substance et plus particulièrement la transmission de la lumière.

L'état nématique est celui qui est utilisé actuellement dans la majorité des afficheurs LCD.

Principe de fonctionnement:

En absence de champ électrique les molécules s'orientent dans le sens du champ, et la substance devient parfaitement transparente.

Sous l'influence d'un champ électrique suffisamment élevé, on crée un désordre du milieu et la substance s'obscurcit.

Ce mode de visualisation (DSM: Diffusion Scarttering Mode) présente l'inconvénient d'un faible contraste, de tensions élevées et une durée de vie limitée. La technologie utilisée sera l'afficheur nématique à hélice développé au paragraphe suivant.
 
 

 2.2. Technologie de l'afficheur nématique à hélice Il existe plusieurs principes d'afficheurs LCD et le plus courant d'entre eux est le TNFE-LCD (Twisted Nematic Field Electrique - Liquid Cristal Display).

Principe de fonctionnement d'un afficheur nématique en hélice:
 
 
Le cristal liquide est inséré entre deux plaques de verre distantes de 10µm. Les plaques de verre comportent des électrodes transparentes, électriquement conductrices.

En l'absence de champ électrique sur les électrodes,

les molécules du cristal sont orientées parallèlement aux plaques de verre. L'orientation des molécules est déviée de 90° sur les deux plaques de façon à former une hélice. Des polariseurs extérieurs en matière synthétique sont collés de part et d'autre de la cellule, dont le sens de polarisation est généralement dévié de 90°, de sorte que la lumière puisse entrer par le polariseur de dessous et sortir par le polariseur du dessus.

En présence d'un champ électrique de quelques volts sur les électrodes,

les molécules du cristal liquide s'alignent perpendiculairement aux plaques. La déviation de lumière n'existe plus et la lumière est absorbée dans le second polariseur. L'affichage apparaît en sombre.
 
 

 Remarque:
 
On peut inverser l'affichage en positionnant les deux polariseurs en parallèle soit une rotation de 90° du filtre.

* Fond noir Þ Contraste négatif.

* Fond blanc Þ Contraste positif.

 

2.3. Propriétés et modes de fonctionnement

2.3.1. Tension de commande L'afficheur LCD doit être alimenté en tension alternative pour éviter les réactions d'électrolyse sur le cristal liquide qui peuvent le détruire ou réduire fortement la durée de vie.

La fréquence est limitée vers le bas » 30 hz par un effet de scintillement sur l'oeil est vers le haut » 200Hz par la constante de temps RC. R étant la résistance des pistes conductrices et de l'alimentation et C la capacité des segments.

2.3.2. Tension de seuil Le contraste de l'affichage ne varie qu'à partir d'une certaine tension de fonctionnement. La tension pour laquelle une variation du contraste de 0 à 10% apparaît est appelée tension de seuil. Elle dépend du cristal liquide, des surfaces, des cellules et de la température. En général, la tension de seuil baisse de quelque mV par °C d'élévation de température. Les valeurs typiques de la tension sont d'environ 1 à 2 volts. 2.3.3. Tension et courant de fonctionnement Une augmentation de la tension de fonctionnement:

- augmente le contraste,

- diminue le temps de démarrage (ton) mais augmente d'autant le temps d'arrêt (toff),

- réduit considérablement la durée de vie.

L'afficheur LCD constitue une charge capacitive pour la source de tension; le courant de fonctionnement est de ce fait, linéairement dépendant de la tension et de la fréquence de commande. La faible capacité » 1,5 nF/cm² entraîne une très faible consommation de courant »  1 µA/cm².

2.3.4. Contraste Définition: Le contraste est le rapport de brillance pour une tension appliquée par rapport à l'absence de tension. Il dépend de plusieurs paramètres définis ci-dessous.

* En fonction de la tension. Le contraste croît quand la tension de fonctionnement augmente.

* En fonction du mode d'éclairage, on en différencie trois types:
 
 
Les afficheurs transmissifs
Les afficheurs réflectifs
Les afficheurs translectifs
  L'afficheur est éclairé par l'arrière

(Neon, fibre optique, lampe ...

 Une feuille réfléchissante est placée derrière l'afficheur Une feuille semi-transparente est placée derrière l'afficheur
 
* En fonction de la qualité des polariseurs. La transmission et le rendement de polarisation définissent la luminosité et le contraste de l'afficheur. Plus la transmission est grande, plus l'affichage est clair, mais le contraste maximal accessible est proportionnellement plus faible.

* En fonction de l'angle de vision.
 
 

2.3.5. Réalisation des contacts et montage Caoutchouc conducteur: Les afficheurs sans broches de connexion sont reliés à la plaque conductrice simplement par un caoutchouc conducteur. Le cadre qui recouvre le bord de l'afficheur presse le caoutchouc conducteur contre le circuit imprimé.

Contacts enfichables: Des afficheurs avec pistes conductrices au pas de 2,54 (1/10") peuvent être prévus avec des broches "dual in line". De tels contacts sont soit rapportés soit collés.

2.3.6. Temps de réponse Le temps de réponse défini le retard à l'apparition ou à la disparition de l'affichage par rapport à la présence de la commande U sur les électrodes de l'afficheur.
td = Temps de retard au démarrage

tr = Temps de montée

ton = Temps de démarrage

ts = Temps de retard à l'arrêt

tf = Temps de retombée

toff = Temps d'arrêt

Remarque:

Les temps de réponse sont fonction de la viscosité de la substance ainsi que de l'épaisseur de la cellule. 

La viscosité et les temps de réponse décroissent quand la température croit.
A 25°C, le temps de réponse est d'environ 40ms pour le temps d'établissement et de 40 à 80ms pour le temps de disparition. Ce paramètre représente un gros inconvénient des afficheurs LCD.

Comparaisons avec afficheur DEL avec un temps de réponse » 500 ns

2.3.7. Plage de température Les afficheurs fonctionnent dans une plage de température typique pour le cristal liquide (plage nématique). Tableau récapitulatif
Les afficheurs sont classés en deux catégories:

- Gamme standard: 

Fonctionnement de -10°C à +60°C

Stockage de -25°C à +70°C 

- Gamme étendue:

Fonctionnement de -25°C à +80°C

Stockage de -40°C à +90°C 
2.3.8. Maniement - Température de stockage pouvant produire des effets irréversibles.

- Fragilité aux rayures et aux solvants des polariseurs en matière plastique qui se trouvent au premier plan sur la face avant.

- Les segments non utilisés doivent être reliés à l'électrode arrière (Back-plane) pour empêcher les allumages intempestifs.
 
 

 2.4. Mise en oeuvre 2.4.1. Schéma équivalent d'un segment LCD
R1: Résistance série des électrodes » 10kW .

R2: Résistance du cristal » 1MW /cm²

C: Capacité de la substance nématique » 1,5nF/cm²

V: Tension de commande alternative +Vcc, -Vcc

Vcc est généralement compris entre 3 V et 6 V
Remarques:

- La composante continue de la tension alternative V ne doit pas dépasser 100mV pour éviter la destruction de l'afficheur.

- La limite inférieure de la fréquence de commande V ne doit pas dépasser 30 Hz pour éviter tout scintillement.

- La limite supérieure de la fréquence de commande V est donnée notamment par les limites de consommation que l'on se fixe.

2.4.2. Commande directe avec un décodeur BCD/7seg cf page suivante. 2.4.3. Commande directe avec un décodeur spécialisé Plusieurs circuits spécialisés sont disponibles sur le marché pour piloter directement un afficheur LCD. Soit à partir d'un convertisseur analogique numérique comme le 7106 ou tout simplement à partir d'un simple décodeur BCD/7segments comme le 4543 ou à l'aide d'un circuit contenant 3 ou 4 décodeurs intégrés comme le 7211.

Etude du 7211: (Lecture de la doc. constructeur)

Traduction de la description générale:

Le circuit 7211 appartient à la famille des décodeurs de "commande d'affichage" non multiplexées pour 4 afficheurs 7 segments.

Le circuit 7211 est configuré pour piloter un afficheur LCD standard par la connexion d'un oscillateur externe ou interne (par une division de fréquence), d'une commande backplane, et des 28 sorties des segments.

Les deux circuits LCD ou LED sont disponibles en deux versions, dont l'une à entrée de commande multiplexé et l'autre interfaçé pour recevoir un microprocesseur.

- La version multiplexée offre une information d'entrée (data) sur 4 bits et la sélection d'un des quatre digits (select input). Cette configuration (multiplexée) est convenable ...

- La version microprocesseur peut "mémoriser des données d'entrées" (data input latches) et "mémoriser les adresses ou digits sélectionnés" (Digit address latches) sous le contrôle des entrées de sélection des boîtiers (chip select) actives sur un front descendant. Ce circuit simplifie la mise en oeuvre et l'exécution pour un moindre coût ...

Les circuits "standards" peuvent donner 2 configurations de décodages différents:

- Le circuit de base converti le code binaire naturel des 4 bits d'entrées en code 7 segments pour un affichage hexadécimal en sortie,

- La version "A" converti les sortie en "code B", soit de 0 à 9, traits "Dash" E, H, L, P éteint "blank".

2.5.4. Commande multiplexée Ce type de commande a pour objectif de réduire le nombre de connexions sur l'afficheur lorsque le nombre de digits est élevé. Les afficheurs multiplexé sont spécifiques et nécessitent une autre mise en oeuvre plus complexe. Ils sont communément utilisés avec un multiplexage en trois phases. Par cette méthode trois segments au moins sont reliés ensemble par le principe d'une matrice. Soit 18 segments à mettre en oeuvre donne (18/3)+3=9 connexions. 2.5 Commande directe d'un afficheur LCD 7 segments (suite du 2.4.2)

Schéma de commande d'un afficheur LCD avec un décodeur BCD / 7 segments (standard).





Chronogrammes du 2.4.2.: