灰階響應時間測量不確定度的評定

韓 東，韓楊飛

(1.國家廣播電視產品質量監督檢驗中心，北京 100015;2.武警通信總站，北京 100089)

液晶顯示器的響應時間的典型測量是在黑白和白黑之間切換的時間。然而這種情況下的響應時間并非最長的響應時間，灰階之間切換的響應時間可能是黑白之間響應時間的數倍之長。測量灰階時間響應和測量黑白變換的時間響應的主要區別是，灰階響應時間測量要求測量非常小的亮度變化(尤其在測量一個或兩個灰度級變化的響應時間時)，而且這些亮度變化伴隨著大量的噪聲，所以正確的測量方法和濾波技術變得尤為重要。而由于測量方法和濾波等信號處理技術而帶來的對測量結果可靠程度的影響是必須考慮的問題［1］。

1 測量方法簡述

灰階響應時間在測量小亮度變化范圍時，對測量方法和設備的要求比測量黑白響應時間更高。正確測量灰階響應時間需要適當的信號發生器和測量裝置，以及適當的測量技術及自動化的數據處理方法。

如圖1所示，視頻信號發生器產生在兩個灰階之間變換的信號，來驅動被測的顯示設備。快速的測光裝置把顯示器發出的光轉換成模擬電壓信號來表示被測設備的響應時間變化。一個數據采集卡采集時間變化信號并將其數字化，響應時間的定義是信號在兩個閾值電壓之間變化所用的時間。典型的閾值電壓是信號幅度的10%和90%，當然閾值是可以改變的。確定響應時間首先用軟件確認脈沖的基線和頂線(即脈沖幅度的0%和100%)，然后根據這個值來確定響應時間的閾值，進而計算出兩個閾值之間的變化時間，并用上升時間和下降時間表示。

圖1 灰階響應時間測量框圖

2 測量不確定度的來源

1)噪聲。在進行灰階響應時間測量時一個主要的問題就是如何處理好噪聲對測量的影響，灰階響應時間要求測量出存在于大量噪聲之中的亮度的微小變化。被測量的信號常常存在于噪聲電平的下方。在LCD顯示器的測量中有兩種典型的噪聲存在。一種是隨機噪聲，主要由亮度閃爍噪聲和熱暗噪聲組成。另一種是顯示器的閃爍，這是一種由于顯示器自動刷新引起的周期性波動。隨機性的噪聲可以通過波形的多次平均或低通濾波器或二者的結合進行濾除。

2)亮度測量裝置的響應時間。亮度測量裝置里的一個重要元器件是光電轉換管，它的響應時間直接影響測量結果的準確性。筆者曾看到過一款國外生產的灰階響應時間測量系統，其本身的光電轉換時間大概在40 μs。這對典型的灰階響應時間來說，基本可以忽略。當然也有針對更小的毫秒級的響應時間測量的光電轉換器。

3)脈沖信號底值和頂值的測量不確定度。如圖2所示，測量亮度變化引起的脈沖信號的上升時間首先要確定信號的底部和頂部的準確值，然后才能確定最大幅度值的10%和90%點的位置，進而讀出兩點間的時間差。顯然，整個信號的底值和頂值測量存在不確定度，該不確定度必然傳遞到閾值，使得10%到90%之間的變化時間有所偏差。

圖2 脈沖信號波形

3 測量不確定度評定

1)用濾波器對噪聲處理過程中導致的波形失真引入的不確定度。現有灰階響應時間測量系統中都選用了一種濾波技術，很好地修正了濾波引起的響應時間測量失真，而且顯著改進了響應時間小于1/2濾波寬度時的測量不確定度。再結合重復測量，使得濾波過程對響應時間測量的不確定度影響可以忽略。

3)脈沖信號底值和頂值的測量不準引入的不確定度u2

［3］。如圖2所示，假設xL和xH分別代表最大值的10%和90%，則(tH－tL)就是上升時間，xT和xB分別代表脈沖信號的最小值和最大值

由xL在階躍波形曲線上以線性插值法找到相對應的時刻tL，由xH在階躍波形曲線上以線性插值法找到相對應的時刻tH。則階躍信號上升時間為

可以認為xT和xB的測量誤差在區間［－0.5Δx，0.5Δx］內服從均勻分布，則xT和xB的測量不確定度為

xT與xB做不相關處理，則由式(1)、(2)可得

其不確定度為

其實驗方差為

其協方差為

其相關系數為

由 dx=x'(t)dt，得

不確定度為

實驗標準偏差為為

實驗協方差為

相關系數為

實際上，上升波形曲線在區間［tL，tH］內可以近似認為是一條直線，則有

最后可得

4)合成不確定度uc

各個不確定度分量按不相關考慮，其中uA是根據實際措辭測量數據用貝塞爾法或其他統計方法計算得到的，具體方法和公式JJF1059.1—2012“測量不確定度評定與表示”中詳細規定，此處不再贅述。

4 實驗舉例

結合一臺灰階響應專用測試系統測量某LCD顯示器的灰階響應時間的測量，對測量結果的不確定度進行評定。

4.1 測量不確定度的A類評定

如表1所示，進行10次重復測量，應用貝塞爾法求出重復性測量引入的實驗標準偏差。

表1 測量不確定度A類不確定度

平均值:=16.65 ms。

用貝塞爾公式計算單次測量的實驗標準偏差［2］為

平均值的實驗標準偏差［2］為

A類不確定度為

4.2 測量不確定度的B類評定

1)亮度測量裝置響應時間引入的不確定度u1。由儀器技術資料得該測量儀器的廣電轉換時間為40 μs，由此引入的不確定度按均勻分布考慮，則2)脈沖信號底值和頂值的測量不準引入的不確定度u2。由式(19)得

3)合成不確定度

4)擴展不確定度

5 總結

本文通過對灰階響應時間的測量過程的過程描述和測量儀器的性能分析，研究了顯示器的灰階響應時間的測量不確定度的主要來源和評定方法，并結合一個實例進一步闡述了灰階響應時間測量不確定度的評定步驟。當然，在實踐應用中應該根據所使用的測試條件和儀器的實際情況和測量方法具體分析不確定度的來源。

:

［1］溫娜，張谷一.灰階響應時間測量［J］.電視技術，2009，33(12):112－114.

［2］中華人民共和國國家質量監督檢驗檢疫總局.JJF1059.1—2012測量不確定度評定與表示［M］.北京:中國標準出版社，2013.

［3］梁志國.方波上升時間的測量不確定度［J］.計測技術，2006(3):43－45.