Трептене (ШИМ) на LCD - анализ чрез USB осцилоскоп

Въведената от нас методика за отчитане на трептенето на подсветката на дисплеите се оказа много по-ефективна, точна и информативна от другите разпространени методики. Напомняме, че в нейната основа стои фотодатчик, който е свързан към софтуерен осцилоскоп през входа за микрофона на звуковата карта. Повече за нашата методика и уредите за отчитане на ШИМ при дисплеите може да прочетете в тези материали:

• Трептенето на дисплея в следствие на ШИМ - безотговорност на производителя или технологична неизбежност? 
• ThinkPad X61 Tablet - приложение като софтуерен осцилоскоп.

Въпреки, че формата на сигнала и измерената честота от софтуерният осцилоскоп почти съвпадат с данните от аналогов уред, все пак остават някои съмнения относно точността на отчетените резултати. Съмненията идват от това, че не винаги отчетените софтуерно стойности са постоянни във времето, налични са някои необясними паразитни смущения, честотата при много от дисплеите се променя в зависимост от нивото на яркост, докато би трябвало да се изменя само коефициентът на запълване и евентуално амплитудата.
Затова решихме да въведем в нашите следващи измервания истински осцилоскоп, с по-добра точност и възможности за визуализация и анализ. Необходим ни бе уред от реномиран производител, чиито показания да не будят съмнения за коректност.
Предпочетохме USB осцилоскоп пред аналогово или цифрово самостоятелно устройство. USB осцилоскопът има следните предимства спрямо другите уреди:

• той е значително по-компактен и мобилен, няма нужда от допълнително захранване; 
• много по-лесна визуализация за читателите ни чрез скрийншотове; 
• голям брой параметри за анализ на пулсациите, сред които честота, амплитуда, коефициент на запълване и много други; 
• възможност за бъдеща модернизация чрез ъпгрейд на софтуера. 

USB осцилоскопът 

След продължителни проучвания на модели и мнения за тях, се спряхме на USB осцилоскопът DSO-2090 на популярният китайски производител на измервателна техника Hantek. Компанията има богат асортимент от USB осцилоскопи като цената им варира в зависимост от честотната лента и максималната честота на дискретизация. Ние избрахме най-базовият модел, защото ШИМ в дисплеите има честота в порядъка на 160-400 Hz, тоест честотната лента от 40MHz е предостатъчна за нашите цели.

Така изглежда отвътре Hantek DSO-2090: скромно, но качествено. Лично аз очаквах малко повече от уред, който струва немалко пари, но вероятно в цената е включен и качественият софтуер към продукта.

За визуализация на резултатите запазихме лаптопа, който изпълняваше ролята на софтуерен осцилоскоп преди новата придобивка. ThinkPad X200 Tablet има прекрасен AFFS (IPS) дисплей с отлични ъгли на видимост и ненадминато качество и надеждност. Тоест и да искаме, не можем да изберем по-компактен и сигурен лаптоп в ролята на измервателен уред.

Сравнение на показанията от софтуерния и от USB осцилоскопите

HP EliteBook 8540w (TN+Film, LED), 50% яркост

Започваме направо с най-трудната задача за осцилоскопите - анализ на ШИМ на мобилната работна станция HP EliteBook 8540w, която има рекордна за лаптоп честота от 1500Hz. За "арбитър" на резултатите от двата цифрови осцилоскопа използваме античен аналогов съветски уред.
USB и софтуерният осцилоскоп засичат еднаква честота от 1500Hz. След груби сметки с броене на деления и умножение с калкулатор, получаваме честота от аналоговият уред около 1538Hz.
Амплитудата, отчетена от USB осцилоскопа е 65 mV, докато тази от софтуерният осцилоскоп е 164.8 mV. Аналоговият уред показва амплитуда 66mV (груби сметки). Това е логично предвид наличната компенсация по ниво на микрофонния вход на лаптопа.
Формата на сигнала от аналоговият и USB осцилоскопите е напълно еднаква.

DELL U2410 (H-IPS), 50% яркост

При DELL U2410 имаме форма близка между аналоговият и USB осцилоскопа. Разлика в измерената честота от цифровите уреди няма (180Hz), след някои изчисления се получава честота 179Hz. Амплитудата при аналоговият уред е 42-49 mV (много дебела линия), докато при USB осцилоскопа тя е 34.7 mV.

 Alienware M18x R1 (TN+Film, LED), 50% яркост

Софтуерният осцилоскоп се справя отлично и с отчитане на честотата на трептене на LED подсветка (200Hz), но формата на сигнала се отличава значително от тази, регистрирана от USB и аналоговият осцилоскопи. Аналоговият уред също отчита 200Hz. Амплитудата от съветския осцилоскоп е около 88 mV, при USB уреда е 97.5 mV.

 Alienware M18x R1 (TN+Film, LED), минимална яркост

При минимална яркост на Alienware M18x виждаме еднакво отчетени честоти (200Hz) и напълно еднаква форма на сигнала от аналоговия и USB осцилоскопите.

 ThinkPad W510 (TN+Film, RGB LED), минимална яркост

При ThinkPad W510 няма никаква промяна спрямо показанията по-горе: всички уреди коректно отчитат честотата, USB и аналоговият осцилоскоп показват еднаква форма на сигнала, софтуерният осцилоскоп не умее да показва правилната амплитуда.

HP 2035 (S-IPS), 50% яркост

При HP 2035 грешки няма - това е един от малкото монитори без ШИМ.

Измервателни и аналитични възможности на Hantek DSO-2090 

Вертикални и хоризонтални параметри за отчитане

USB осцилоскопът има много повече параметри за отчитане (вижте двата скрийншота), откъдето идва и подобрената възможност за анализ на трептенето на подсветката. Вече можем коректно да отчитаме амплитудата, коефициента на запълване, времето за палене и гасене на лампите.

CCFL (DELL 2408WFP) срещу RGB LED (ThinkPad W510) подсветка: палене/гасене и амплитуда

Чрез USB осцилоскопа можем да направим интересно сравнение на времето за палене и гасене на флуоресцентна лампа срещу светодиод. CCFL в демонстрирания случай пали за 1.21ms срещу 136us за LED - 8.89 пъти разлика! CCFL се гаси за 1.54ms срещу 776us за LED - 1.98 пъти разлика.
CCFL има амплитуда 48.1mV, докато LED е с амплитуда 115mV - 2.39 пъти разлика. Ето защо LED с ШИМ е истински шок за зрението на човек спрямо CCFL с ШИМ: при по-висока амплитуда на пулсациите, LED реагират много по-бързо на измененията и тяхната светлина е много по-агресивна. CCFL поради своята инертност и малка амплитуда на изменение са предпочитани от всеки потребител, който е работил с двата вида подсветки.
За съжаление CCFL дисплеите оцеляха само в професионалният клас на мониторите, докато при лаптопите вече всичко е LED.
Пример. Потребителите изпитват носталгия по ThinkPad T60 (CCFL), имайки наличен ThinkPad T420 (LED), защото дисплеят на по-старият модел не изморява очите им толкова бързо. Това не е внушение - вижда се ясно от резултатите на USB осцилоскопа.

Заключение. 
Проблемът с трептенето на подсветката на дисплеите става все по-обсъждан в световната мрежа, поради своето пагубно влияние върху човешкото зрение. Производителите премълчават за този проблем и затова много потребители и независими ресурси търсят начини за отчитане и анализ на ШИМ.
USB осцилоскопът дава на нашата методика за отчитане на ШИМ при дисплеите още повече възможности за анализ, както и по-точни резултати. Показанията му са много близки до тези от аналогов уред, което говори добре за неговата коректност.
Поради широкото разпространение на  USB осцилоскопите на Hantek имаме възможност да обменяме данни с хора от целия свят, които използват тази методика.

Благодарение на по-горе описаната методика, Rmania е единственият търговски ресурс в света, който дава информация за трептенето на подсветката на монитори и лаптопи.