液晶電視照度感應器之

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姓名

米正光(Cheng-Kuang Mi) 查詢紙本館藏

畢業系所

光電科學與工程學系

論文名稱

液晶電視照度感應器之
(Noise Reduction & Analog to Digital Converter Circuit for Ambient Light Sensor of LCD TV)

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摘要(中)

目前市面上，規格比較好的液晶電視，都會配有照度感應器，其功能主要是依照環境光源照度的變化，來自動調整電子產品螢幕背光亮度，使人類眼睛接受到舒適的光線。此元件不單可節省能源，更可讓使用者觀看電視時更清晰亮麗，得到更漂亮畫質的效果。這個元件如人類的眼睛一樣，可識別四周環境的照度，以控制顯示器的背光亮度。
但由於照度感應器之輸出訊號送到接收 IC 為類比訊號，因此容易受到電路上其他雜訊的干擾，進而讓接收 IC 容易判斷錯誤環境光源的強度，使得電視自動背光調整的結果，並不符合當時的環境，這樣電視反而讓使用者看起來更不舒服。
本論文提出了一個雜訊濾波以及類比、數位轉換電路，可避免照度感應器受到雜訊干擾而隨意改變面背光，因此可大大增強電視對周圍環境光源偵測的準確性，營造出良好之觀賞空間。
此研究之設計 (濾波 + 類比/ 數位轉換電路)，優點有二：
1. 採用較低成本之電子元件，電路架構不至於太過複雜，應用在現有量產電視上，不會對終端售價產生太大的變化，業界接收、導入的意願高。
2. 電路架構為業界首創，幾乎配有照度感應器的電子產品，均可用此設計解決背光調整不穩定的問題，大大增加電子產品的賣點以及達到省電、節能的效果。

摘要(英)

At present on the market, the LCD TV with better specification, already all have the function of 〝Ambient Light Sensor〞.
Its function is mainly to use for adjusting the backlight luminance of electronic product automatically according to the change of the environmental illumination of light source and make human eyes accept the comfortable light.
This component not only save the energy, but also let the user feel clearer and receive more beautiful result of picture quality when consumer watching the TV. The component almost the same as eyes of mankind, can discern the illumination of environment all around and in order to control the backlight luminance of the display.
Because Ambient Light Sensor output is analog signal to send to the receive IC, so this analog signal is easy to be interference by the other ripple and noise on circuit. Cause the receive IC didn’t correct to estimate the environmental illuminance of light source. The result making the TV automatic backlight adjust function, does not fit with the environment at that time. In this way the TV picture lets the user look more uncomfortable.
This research to show a kind of method for noise reduction and analog to digital converter circuit. It could prevent the ambient light sensor interference by noise and ripple, cause arbitrary change backlight luminance. So this study can strengthen the accuracy of TV for detected surrounding environment illuminance and build out good view space.

關鍵字(中)

★ 照度

關鍵字(英)

★ Light
★ Sensor

論文目次

摘要 .................................................... I
Abstract .............................................. III
誌謝 .................................................... V
目錄 ................................................... VI
圖目錄 ................................................. IX
表目錄 ................................................. XI
符號說明 .............................................. XII
第一章緒論 1
1.1 研究背景 1
1.2 研究動機 3
1.3 研究貢獻 4
1.4 論文架構 4
第二章液晶電視背光亮度調整功能原理 6
2.1 液晶電視背光種類 6
2.1.1 冷陰極螢光燈管（Cold Cathode Fluorescent Lamp，縮寫：CCFL） 6
2.1.2 發光二極體（Light-Emitting Diode，縮寫：LED） 7
2.2 液晶電視背光亮度調整方式 8
第三章照度感應器基本架構及功能說明 11
3.1 照度感應器基本架構 11
3.2 照度感應器各個元件功能說明 12
3.2.1 光電二極體 (Photo Diode)： 12
3.2.2 電流放大器 (Current Amp)： 13
3.2.3 外部連接之輸出阻抗 RL 以及輸出電容 CL 13
3.3 照度感應器重要參數 14
3.3.1 亮度感應範圍 14
3.3.2 光譜響應 (Spectral Response)： 14
3.3.3 輸出電壓對輸入亮度之曲線圖 15
第四章電子產品常用之照度感應器電路及其缺點 17
4.1 照度感應器之電路設計 17
4.2 現行照度感應器電路設計之缺點 19
第五章雜訊抑制及類比數位轉換電路設計及分析 22
5.1 雜訊抑制以及類比數位轉換電路基本架構 22
5.1.1 Noise Filter (雜訊以及漣波濾波電路) 22
5.1.2 8 Bits Analog to Digital Converter (縮寫：ADC) 22
5.2 雜訊抑制電路分析 23
5.2.1 電路設計基本架構說明 23
5.2.2 電路設計零件之選用 24
5.2.3 電路濾波功能分析 29
5.3 8 BITS 類比數位轉換 (ADC) 電路分析 33
5.3.1 類比數位轉換電路設計基本設計說明 33
5.3.2 類比數位轉換 (ADC) 電路設計架構 35
第六章改善後之實驗結果與分析 53
6.1 Π 型低通濾波器對雜訊抑制之實驗數據與波形 54
6.1.1 電路圖以及 PCB 之製作 54
6.1.2 電子材料之焊接 55
6.1.3 π 型低通濾波器之輸出 VDC 波形驗證 55
第七章結論與未來展望 60
7.1 結論 60
7.2 未來展望 60
參考文獻 62

圖目錄
圖1-1：具有照度感應器之液晶電視內部電路板 1
圖2-1：早期市售面板之 CCFL 背光源排列方式 7
圖2-2：市售 LCD 面板之 LED 背光源規格 8
圖2-3：不同比例的 PWM 開關變化 9
圖2-4：脈波週期 T (s) 或是脈波頻率 f (Hz) 9
圖2-5： Duty Cycle (責任週期或工作週期) = τ/T (%) 10
圖3-1：照度感應器外型 11
圖3-2：照度感應器電路架構方塊圖 12
圖3-3：亮度 vs 光電流特性曲線 13
圖3-4：照度感應器光譜響應特性曲線圖 15
圖3-5：輸出電壓對 Illuminance 變化之特性曲線圖 16
圖4-1：一般電子產品常見之照度感應器電路設計 17
圖4-2： Light Sensor Vout 在High DC Level 時 PWM Duty 變化 18
圖4-3： Light Sensor Vout 在 Low DC Level 時 PWM Duty 變化 19
圖4-4： Light Sensor Vout 被雜訊或漣波干擾時之 PWM 波形變化 20
圖5-1：雜訊抑制以及類比數位轉換電路方塊圖 22
圖5-2： CRC 組成之 π 型低通濾波電路 24
圖5-3：尚未通過 C1 之 Light Sensor Vout 訊號波形 27
圖5-4：通過 C1 之 Light Sensor Vout 訊號波形 27
圖5-5： π 型低通濾波器之直流等效電路 30
圖5-6： π 型低通濾波器之交流等效電路 30
圖5-7： π 型低通濾波器簡化後之交流等效電路 31
圖5-8： π 型低通濾波器之截止頻率 ω = 1000 rad/s 33
圖5-9：市面上常見之液晶電視照度感應器設計位置 34
圖5-10：照度感應器至 MicroP 之訊號走線示意圖 35
圖5-11：類比數位轉換 (ADC) 電路設計架構 36
圖5-12：環境光照度 (Illuminance) 對面板亮度 (Luminance) 52
圖6-1：實驗流程方塊圖 53
圖6-2：電子元件焊接實品圖 55
圖6-3：實驗儀器設備圖 56
圖6-4：三種不同條件下之 Vout 對面板亮度值 59

表目錄
表2-1：早期市售面板之 CCFL 背光源規格 6
表5-1： CRC 組成之 π 型低通濾波電路元件列表 25
表5-2： Chip 電阻以及電容尺寸以及功率表 25
表5-3： VDC 訊號轉換成 8 bits 數位訊號之 256 階對照表 37
表6-1：照度感應器 PCB 製作規格 54
表6-2：無雜訊干擾時之各項數值 57
表6-3：有雜訊干擾，但無 π 型 LPF 時之各項數值 57
表6-4：有雜訊干擾，且有 π 型 LPF 時之各項數值 58

參考文獻

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指導教授

張榮森(Rong-Seng Chang)

審核日期

2017-1-18

推文