灰阶响应时间测量不确定度的评定

韩 东，韩杨飞

(1.国家广播电视产品质量监督检验中心，北京 100015;2.武警通信总站，北京 100089)

液晶显示器的响应时间的典型测量是在黑白和白黑之间切换的时间。然而这种情况下的响应时间并非最长的响应时间，灰阶之间切换的响应时间可能是黑白之间响应时间的数倍之长。测量灰阶时间响应和测量黑白变换的时间响应的主要区别是，灰阶响应时间测量要求测量非常小的亮度变化(尤其在测量一个或两个灰度级变化的响应时间时)，而且这些亮度变化伴随着大量的噪声，所以正确的测量方法和滤波技术变得尤为重要。而由于测量方法和滤波等信号处理技术而带来的对测量结果可靠程度的影响是必须考虑的问题［1］。

1 测量方法简述

灰阶响应时间在测量小亮度变化范围时，对测量方法和设备的要求比测量黑白响应时间更高。正确测量灰阶响应时间需要适当的信号发生器和测量装置，以及适当的测量技术及自动化的数据处理方法。

如图1所示，视频信号发生器产生在两个灰阶之间变换的信号，来驱动被测的显示设备。快速的测光装置把显示器发出的光转换成模拟电压信号来表示被测设备的响应时间变化。一个数据采集卡采集时间变化信号并将其数字化，响应时间的定义是信号在两个阈值电压之间变化所用的时间。典型的阈值电压是信号幅度的10%和90%，当然阈值是可以改变的。确定响应时间首先用软件确认脉冲的基线和顶线(即脉冲幅度的0%和100%)，然后根据这个值来确定响应时间的阈值，进而计算出两个阈值之间的变化时间，并用上升时间和下降时间表示。

图1 灰阶响应时间测量框图

2 测量不确定度的来源

1)噪声。在进行灰阶响应时间测量时一个主要的问题就是如何处理好噪声对测量的影响，灰阶响应时间要求测量出存在于大量噪声之中的亮度的微小变化。被测量的信号常常存在于噪声电平的下方。在LCD显示器的测量中有两种典型的噪声存在。一种是随机噪声，主要由亮度闪烁噪声和热暗噪声组成。另一种是显示器的闪烁，这是一种由于显示器自动刷新引起的周期性波动。随机性的噪声可以通过波形的多次平均或低通滤波器或二者的结合进行滤除。

2)亮度测量装置的响应时间。亮度测量装置里的一个重要元器件是光电转换管，它的响应时间直接影响测量结果的准确性。笔者曾看到过一款国外生产的灰阶响应时间测量系统，其本身的光电转换时间大概在40 μs。这对典型的灰阶响应时间来说，基本可以忽略。当然也有针对更小的毫秒级的响应时间测量的光电转换器。

3)脉冲信号底值和顶值的测量不确定度。如图2所示，测量亮度变化引起的脉冲信号的上升时间首先要确定信号的底部和顶部的准确值，然后才能确定最大幅度值的10%和90%点的位置，进而读出两点间的时间差。显然，整个信号的底值和顶值测量存在不确定度，该不确定度必然传递到阈值，使得10%到90%之间的变化时间有所偏差。

图2 脉冲信号波形

3 测量不确定度评定

1)用滤波器对噪声处理过程中导致的波形失真引入的不确定度。现有灰阶响应时间测量系统中都选用了一种滤波技术，很好地修正了滤波引起的响应时间测量失真，而且显著改进了响应时间小于1/2滤波宽度时的测量不确定度。再结合重复测量，使得滤波过程对响应时间测量的不确定度影响可以忽略。

3)脉冲信号底值和顶值的测量不准引入的不确定度u2

［3］。如图2所示，假设xL和xH分别代表最大值的10%和90%，则(tH－tL)就是上升时间，xT和xB分别代表脉冲信号的最小值和最大值

由xL在阶跃波形曲线上以线性插值法找到相对应的时刻tL，由xH在阶跃波形曲线上以线性插值法找到相对应的时刻tH。则阶跃信号上升时间为

可以认为xT和xB的测量误差在区间［－0.5Δx，0.5Δx］内服从均匀分布，则xT和xB的测量不确定度为

xT与xB做不相关处理，则由式(1)、(2)可得

其不确定度为

其实验方差为

其协方差为

其相关系数为

由 dx=x'(t)dt，得

不确定度为

实验标准偏差为为

实验协方差为

相关系数为

实际上，上升波形曲线在区间［tL，tH］内可以近似认为是一条直线，则有

最后可得

4)合成不确定度uc

各个不确定度分量按不相关考虑，其中uA是根据实际措辞测量数据用贝塞尔法或其他统计方法计算得到的，具体方法和公式JJF1059.1—2012“测量不确定度评定与表示”中详细规定，此处不再赘述。

4 实验举例

结合一台灰阶响应专用测试系统测量某LCD显示器的灰阶响应时间的测量，对测量结果的不确定度进行评定。

4.1 测量不确定度的A类评定

如表1所示，进行10次重复测量，应用贝塞尔法求出重复性测量引入的实验标准偏差。

表1 测量不确定度A类不确定度

平均值:=16.65 ms。

用贝塞尔公式计算单次测量的实验标准偏差［2］为

平均值的实验标准偏差［2］为

A类不确定度为

4.2 测量不确定度的B类评定

1)亮度测量装置响应时间引入的不确定度u1。由仪器技术资料得该测量仪器的广电转换时间为40 μs，由此引入的不确定度按均匀分布考虑，则2)脉冲信号底值和顶值的测量不准引入的不确定度u2。由式(19)得

3)合成不确定度

4)扩展不确定度

5 总结

本文通过对灰阶响应时间的测量过程的过程描述和测量仪器的性能分析，研究了显示器的灰阶响应时间的测量不确定度的主要来源和评定方法，并结合一个实例进一步阐述了灰阶响应时间测量不确定度的评定步骤。当然，在实践应用中应该根据所使用的测试条件和仪器的实际情况和测量方法具体分析不确定度的来源。

:

［1］温娜，张谷一.灰阶响应时间测量［J］.电视技术，2009，33(12):112－114.

［2］中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局.JJF1059.1—2012测量不确定度评定与表示［M］.北京:中国标准出版社，2013.

［3］梁志国.方波上升时间的测量不确定度［J］.计测技术，2006(3):43－45.