高密度LED顯示屏灰度顯示方案設(shè)計(jì)

深入研究LED器件的半導(dǎo)體特性，對(duì)高密度L ED 矩陣顯示屏提出了實(shí)現(xiàn)灰度顯示的解決方案，并給出了測(cè)試電路對(duì)該方案進(jìn)行驗(yàn)證。實(shí)驗(yàn)表明，通過這種方案實(shí)現(xiàn)的LED灰度顯示可以同時(shí)兼顧顯示屏的亮度和灰度。

　　信息顯示是信息科學(xué)技術(shù)的重要環(huán)節(jié)之一，光電綜合顯示作為人機(jī)聯(lián)系的橋梁得到了越來越廣泛的應(yīng)用。在相當(dāng)長的一段時(shí)間內(nèi)，信息顯示技術(shù)停留在陰極射線顯像管(CRT) 時(shí)代，但CRT 作為真空器件，其自身一些固有的缺點(diǎn)限制了它在某些領(lǐng)域的應(yīng)用范圍。為了解決CRT 顯示器帶來的這些問題，國內(nèi)外都在加緊進(jìn)行平板顯示器( FDP) 的研制與開發(fā)。在眾多的FDP 中，發(fā)光二極管(LED) 顯示器有其自身固有的一些優(yōu)點(diǎn):工作電源低、響應(yīng)速度快、工作溫度范圍寬、全固體器件功耗低、體積小、抗沖擊、高可靠、壽命長等。同時(shí)它本身就是半導(dǎo)體器件，故可與IC 電路完全兼容，控制和驅(qū)動(dòng)電路易集成在平板顯示器中，進(jìn)一步降低顯示器的體積，也可以方便實(shí)現(xiàn)信號(hào)的多路傳輸。在深入研究LED 器件發(fā)光特性的基礎(chǔ)上，介紹了一種在高位高密度LED 平板顯示器上實(shí)現(xiàn)灰度顯示的解決方案，并對(duì)該方案進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，實(shí)驗(yàn)表明，通過這種方案實(shí)現(xiàn)的LED 灰度顯示可以同時(shí)兼顧顯示器的亮度和灰度。

　　1 、LED 點(diǎn)陣灰度級(jí)產(chǎn)生原理

　　LED 點(diǎn)陣的每一個(gè)像素點(diǎn)由紅(R) 、綠( G) 、藍(lán)(B) 三色LED 組成，對(duì)應(yīng)著視頻圖像的一個(gè)像素點(diǎn)。在與計(jì)算機(jī)CRT 同步顯示時(shí)，若L ED 點(diǎn)陣每一個(gè)像素的紅、綠、藍(lán)LED 的發(fā)光亮度隨CRT 對(duì)應(yīng)像素點(diǎn)R、G、B 信號(hào)變化而變化，就能同步顯示出相應(yīng)的CRT 圖像。若用灰度級(jí)來描述單色LED 的亮度變化，則灰度級(jí)越多，圖像色彩就越多，層次越豐富。LED 正向伏安特性與普通二極管大致相同，電壓的開啟點(diǎn)以前無電流，電壓一旦超過開啟點(diǎn)便顯示出導(dǎo)通特性，這時(shí)正向電流I與正向電壓U 的關(guān)系式如下:

　　式中m 為復(fù)合因子， I0為反向飽和電流， UT =kT/e 稱為溫度電壓當(dāng)量，在熱力學(xué)溫度T = 300 K時(shí)，UT = 26 mV1 在寬禁帶半導(dǎo)體中， 當(dāng)I 0. 1 mA時(shí)，通過結(jié)內(nèi)深能級(jí)進(jìn)行復(fù)合的空間復(fù)合電流起支配作用，這時(shí)m = 2 ;電流增大后擴(kuò)散電流占優(yōu)勢(shì)時(shí)m = 1.U 為外加電壓。

　　由圖1 可以看出，L ED 從導(dǎo)通開始直到它不被燒毀的最大電流為止，其伏安特性一般是線性的。在這個(gè)線性區(qū)域內(nèi)，L ED 的發(fā)光強(qiáng)度基本正比于它的電流強(qiáng)度1有兩種方法實(shí)現(xiàn)L ED 的亮度控制:

　　(1) 通過調(diào)節(jié)L ED 的正向電流，得到L ED 的亮度調(diào)制。如把L ED 的正向?qū)娏靼匆欢ú介L調(diào)節(jié)，其發(fā)光亮度就可以分為若干個(gè)灰度級(jí)。但這種方式所需的驅(qū)動(dòng)電路太復(fù)雜，在實(shí)際應(yīng)用中并不可行，在此不予討論。

　　(2) 控制單位時(shí)間內(nèi)L ED 的導(dǎo)通時(shí)間。L ED具有快速時(shí)間響應(yīng)特性，最高可達(dá)數(shù)十兆赫茲，可以用脈沖方式驅(qū)動(dòng)L ED 發(fā)光，例如用1 MHz ，占空比為0. 25 % ，峰值電流為1 A 的脈沖去驅(qū)動(dòng)L ED ，與用25 mA 的直流驅(qū)動(dòng)，其發(fā)光亮度是一致的。顯然，調(diào)節(jié)驅(qū)動(dòng)脈沖的占空比，可獲得不同的灰度級(jí)，那么如果用CRT 圖像信號(hào)各像素點(diǎn)的離散圖像數(shù)據(jù)去控制對(duì)應(yīng)L ED 的導(dǎo)通時(shí)間，即可獲得多灰度級(jí)顯示圖像1圖2 表示周期時(shí)間T 內(nèi)，占空比分別為1 、4P7 、2P7 、1P7 的脈沖去驅(qū)動(dòng)L ED ，顯然獲得亮度比為7∶4∶2∶1 ，這樣最高灰度級(jí)為7 ，共可獲得8 個(gè)灰度級(jí)。

　　圖2a 只表示了7 、4 、2 、1 這四個(gè)灰度級(jí)L ED 的導(dǎo)通情況，這種直接調(diào)節(jié)驅(qū)動(dòng)脈寬以獲得顯示圖像灰度的方法一般不易實(shí)現(xiàn)，只有用間接的方法使L ED 的驅(qū)動(dòng)脈沖占空比受制于圖像數(shù)據(jù)，以獲得顯示圖像灰度級(jí)。

　　圖2b 表示在T 時(shí)間內(nèi)用一個(gè)脈沖竄去驅(qū)動(dòng)L ED ，控制時(shí)間內(nèi)脈沖個(gè)數(shù)就能控制L ED 的亮度，當(dāng)各個(gè)T 時(shí)間內(nèi)驅(qū)動(dòng)脈沖個(gè)數(shù)為7 、4 、2 、1時(shí)，獲得的亮度比為7∶4∶2∶1 ，同樣也會(huì)獲得8 個(gè)灰度級(jí)。但是，不難看出，用這種方法，驅(qū)動(dòng)脈沖的占空比要下降，這就意味著各灰度級(jí)的L ED 亮度要下降，圖2b 是用對(duì)稱方法驅(qū)動(dòng)的，那么與圖2a 相比，導(dǎo)通時(shí)間縮短了一半，在同樣的正向?qū)ǚ逯惦娏飨铝炼缺厝幌陆狄话?。可通過提高峰值電流的方法來彌補(bǔ)亮度損失，但重要的是這種調(diào)制脈沖個(gè)數(shù)以獲得圖像灰度的方法在電路實(shí)現(xiàn)上也有較大困難。

　　圖2c 為另一種目前已在等離子體顯示中應(yīng)用的方法，當(dāng)所攝圖像亮度化為八級(jí)時(shí)，可用三位二進(jìn)制碼“a3 a2 a1 ”表示，最高亮度表示為“111”，最低亮度為“000”，那么，可以將周期T 分為3 個(gè)小的時(shí)間間隔t ，在t 時(shí)間內(nèi)分別用二進(jìn)制碼a3 ，a2 ，a1 來控制L ED的導(dǎo)通狀態(tài)“， 1”表示導(dǎo)通“， 0”表示斷開，同時(shí)a3 ，a2 ，a1 是有權(quán)碼，對(duì)應(yīng)的權(quán)值分別為4 、2 、1。如果a3 ，a2 ，a1 不僅僅控制t 時(shí)間內(nèi)L ED 的導(dǎo)通，而且還控制導(dǎo)通時(shí)間，其導(dǎo)通時(shí)間長短依據(jù)所對(duì)應(yīng)的權(quán)重，就可以有8 個(gè)灰度級(jí)。如圖2c 所示，第一個(gè)周期T表示最高亮度，其二進(jìn)制碼為“111”，那么每一個(gè)t時(shí)間內(nèi)，L ED 都導(dǎo)通，其導(dǎo)通時(shí)間之比為4∶2∶1 ，第二個(gè)周期T 表示4P7 最高亮度， 其二進(jìn)制碼為“100”，顯然，其導(dǎo)通時(shí)間只有第一個(gè)t 時(shí)間內(nèi)L ED導(dǎo)通，與圖2a 相比，不難發(fā)現(xiàn)， T 時(shí)間內(nèi)，L ED 導(dǎo)通時(shí)間仍減少了，所以在同一峰值電流下每灰度級(jí)的亮度都下降了，因而這種犧牲顯示圖像亮度的辦法對(duì)L ED 點(diǎn)陣顯示是不利的。

　　圖2d 表示，如果將每一周期等分成7 個(gè)小的時(shí)間間隔，每一時(shí)間間隔電平的高低決定著L ED 的亮滅，那么，可以獲得8 個(gè)灰度級(jí)1 例如，當(dāng)7 個(gè)時(shí)間間隔電平全為高，L ED 亮度為最高，有6 個(gè)時(shí)間間隔電平為高，另一個(gè)為低時(shí)，獲得6P7 最高亮度，依次類推，7 個(gè)時(shí)間間隔電平全為低，為全黑1 圖2d也表示的是亮度之比為7∶4∶2∶1 ，與2a 圖相比對(duì)應(yīng)的導(dǎo)通時(shí)間是相等的，因而顯示圖像亮度沒有損失1在實(shí)驗(yàn)中，作者采用的正是這種方法。具體實(shí)現(xiàn)如下。

　　2、 LED 灰度級(jí)實(shí)現(xiàn)

　　CRT 圖像是按幀頻來刷新的，每一幀的圖像可由一個(gè)M 行N 列的矩陣來表示，對(duì)應(yīng)著一幀M ×N 像素點(diǎn)的視頻圖像。 每一場(chǎng)圖像不一樣，矩陣元素的值也會(huì)發(fā)生相應(yīng)的變化，矩陣的表達(dá)式為

　　矩陣(2) 中的每一元素代表著M ×N 點(diǎn)CRT圖像中對(duì)應(yīng)像素點(diǎn)的圖像亮度信息，而元素在矩陣中的位置恰恰是該像素點(diǎn)在CRT 圖像中的位置。其中A 、B 、C 代表著具有單位亮度的R、G、B 三原色，系數(shù)aij 、bij 、cij 為零和正整數(shù)，它決定著混成該像素點(diǎn)顏色所需R、G、B 三色的亮度份額，如果將該圖像白電平亮度所含R、G、B 三原色的亮度分別等分成N 級(jí)，那么每份亮度就是A 、B 、C ， 即單位亮度， aij 、bij 、cij 的取值分別為從0 到N ，表示用aij 份的單元亮度紅色， bij 份的單位亮度綠色和cij 份的單位亮度藍(lán)色，可混成該元素所對(duì)應(yīng)像素點(diǎn)的顏色。根據(jù)矩陣運(yùn)算法則，矩陣(2) 又可表示為

　　它表示一場(chǎng)圖像可分解為R、G、B 單色圖像，同樣，用R、G、B 單色圖像在空間或時(shí)間上疊加，可恢復(fù)原來所對(duì)應(yīng)的彩色圖像。

　　式(3) 中的各項(xiàng)分別代表紅、綠、藍(lán)單色圖像，是具有若干灰度級(jí)的，如果aij 、bij 、cij 的取值分別從0 到N ，那么，每一單色圖像的灰度級(jí)為N + 1。根據(jù)矩陣運(yùn)算法則有

其中aij ( n) = 0 或1 ，且aij = aij (1) + aij (2) + ...+ aij ( n) 。

　　從式(4) 看出，一個(gè)單色圖像數(shù)據(jù)矩陣可分解為若干二值矩陣(矩陣中每一個(gè)元素均為0 或1) 的和，每一個(gè)二值矩陣代表著一具有單位亮度的單色二值圖像，那么式(4) 的意義為:具有( N + 1) 灰度級(jí)的單色圖像可有若干N 個(gè)具有單位亮度的單色二值圖像在時(shí)間上疊加而成，顯然，在空間疊加是不現(xiàn)實(shí)的1 這意味著可將一電視場(chǎng)的單色視頻圖像分成若干個(gè)單色二值圖像，再將這些單色二值圖像順序顯示出來，根據(jù)人眼的積分效應(yīng)，又可復(fù)現(xiàn)出原來的單色視頻圖像1 同樣的方法，同時(shí)恢復(fù)出R、G、B單色視頻圖像，再使它們?cè)诳臻g疊加就可以獲得彩色視頻顯示圖像。

　　具體來說，如果每一單色像素的灰度級(jí)數(shù)為N+ 1 ，灰度級(jí)由低到高分別為0 ，1 ， ...， N ，對(duì)每一級(jí)灰度規(guī)定一串N 位‘0’、‘1’控制碼與其對(duì)應(yīng)，而在每一控制碼中，‘1’的總數(shù)與其對(duì)應(yīng)灰度級(jí)的編號(hào)相等，即灰度級(jí)越高，其控制碼中‘1’越多。

　　再將L ED的每個(gè)顯示周期分為等間隔的N 段，每一段用一位控制碼控制L ED 的通斷，‘1’是控制L ED通‘， 0’是控制L ED斷1由于不同灰度級(jí)中‘1’的個(gè)數(shù)不同，故在一周期內(nèi)，L ED 導(dǎo)通的時(shí)間不同，通過人眼視覺的積分效應(yīng)，就產(chǎn)生了亮度的差別。

　　由此類推，把CRT 顯示的一幀單色畫面分成N場(chǎng)在L ED 點(diǎn)陣屏上顯示，每場(chǎng)顯示的時(shí)間為TPN ，在各場(chǎng)中，各像素由其對(duì)應(yīng)的控制碼來控制L ED 的通斷，通過視覺的積分效應(yīng)，就產(chǎn)生了整個(gè)畫面的灰度效果。

　　3 、LED 控制板的硬件實(shí)現(xiàn)

　　LED 板的硬件設(shè)計(jì)框圖如圖3示

　　CRT 的紅色信號(hào)經(jīng)采樣量化后形成紅色4 位二進(jìn)制數(shù)，因此經(jīng)量化的亮度有16 級(jí)，如把CRT 的一幀圖像在LED 點(diǎn)陣屏幕上分為15 場(chǎng)來顯示，通過控制15 場(chǎng)中LED 像素點(diǎn)亮次數(shù)來形成不同的亮度等級(jí)1 如15 場(chǎng)中某一像素點(diǎn)全不點(diǎn)亮，即為黑點(diǎn)亮一次，表現(xiàn)為僅高于黑的圖像亮度;點(diǎn)亮兩次，亮度又高一級(jí);全部點(diǎn)亮，即為最亮1 在實(shí)際電路中，考慮到電路的復(fù)雜性，將L ED 屏分成16 場(chǎng)顯示，第一場(chǎng)始終不點(diǎn)亮，這樣當(dāng)然會(huì)損失一些亮度，但簡化了設(shè)計(jì)。

　　4 、結(jié)論

　　在完成其測(cè)試系統(tǒng)研制的基礎(chǔ)上， 對(duì)高密度LED 矩陣顯示屏進(jìn)行了部分性能參數(shù)的測(cè)試，實(shí)驗(yàn)表明，通過這種方案實(shí)現(xiàn)的LED 灰度顯示可以同時(shí)兼顧顯示屏的亮度和灰度。