中心議題：

• LED點(diǎn)陣灰度級(jí)產(chǎn)生原理
• LED 灰度級(jí)實(shí)現(xiàn)
• LED控制板的硬件實(shí)現(xiàn)

本文在深入研究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。

圖1 為LED 正向偏向電壓的伏安特性圖

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。
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(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??？赏ㄟ^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。
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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。
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3 LED 控制板的硬件實(shí)現(xiàn)

L ED 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。