高密度LED平板顯示器上實現(xiàn)灰度顯示的解決方案

信息顯示是信息科學技術的重要環(huán)節(jié)之一，光電綜合顯示作為人機聯(lián)系的橋梁得到了越來越廣泛的應用。在相當長的一段時間內(nèi)，信息顯示技術停留在陰極射線顯像管（CRT） 時代，但CRT 作為真空器件，其自身一些固有的缺點限制了它在某些領域的應用范圍。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：工作電源低、響應速度快、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。同時它本身就是半導體器件，故可與IC 電路完全兼容，控制和驅動電路易集成在平板顯示器中，進一步降低顯示器的體積，也可以方便實現(xiàn)信號的多路傳輸。在深入研究LED 器件發(fā)光特性的基礎上，介紹了一種在高位高密度LED 平板顯示器上實現(xiàn)灰度顯示的解決方案，并對該方案進行了實驗驗證，實驗表明，通過這種方案實現(xiàn)的LED 灰度顯示可以同時兼顧顯示器的亮度和灰度。

1 LED 點陣灰度級產(chǎn)生原理

LED點陣的每一個像素點由紅（R） 、綠（ G） 、藍（B） 三色LED 組成，對應著視頻圖像的一個像素點。在與計算機CRT 同步顯示時，若L ED 點陣每一個像素的紅、綠、藍LED 的發(fā)光亮度隨CRT 對應像素點R、G、B 信號變化而變化，就能同步顯示出相應的CRT 圖像。若用灰度級來描述單色LED 的亮度變化，則灰度級越多，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，電壓的開啟點以前無電流，電壓一旦超過開啟點便顯示出導通特性，這時正向電流I與正向電壓U 的關系式如下：

式中m 為復合因子， I0為反向飽和電流， UT =kT/e 稱為溫度電壓當量，在熱力學溫度T = 300 K時，UT = 26 mV1 在寬禁帶半導體中， 當I 《0. 1 mA時，通過結內(nèi)深能級進行復合的空間復合電流起支配作用，這時m = 2 ;電流增大后擴散電流占優(yōu)勢時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，LED從導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。在這個線性區(qū)域內(nèi)，LED 的發(fā)光強度基本正比于它的電流強度1有兩種方法實現(xiàn)L ED 的亮度控制：

（1） 通過調節(jié)LED的正向電流，得到LED的亮度調制。如把LED的正向導通電流按一定步長調節(jié)，其發(fā)光亮度就可以分為若干個灰度級。但這種方式所需的驅動電路太復雜，在實際應用中并不可行，在此不予討論。

（2） 控制單位時間內(nèi)LED 的導通時間。LED具有快速時間響應特性，最高可達數(shù)十兆赫茲，可以用脈沖方式驅動LED發(fā)光，例如用1 MHz ，占空比為0. 25 % ，峰值電流為1 A 的脈沖去驅動LED ，與用25 mA 的直流驅動，其發(fā)光亮度是一致的。顯然，調節(jié)驅動脈沖的占空比，可獲得不同的灰度級，那么如果用CRT 圖像信號各像素點的離散圖像數(shù)據(jù)去控制對應LED的導通時間，即可獲得多灰度級顯示圖像1圖2 表示周期時間T 內(nèi)，占空比分別為1 、4P7 、2P7 、1P7 的脈沖去驅動L ED ，顯然獲得亮度比為7∶4∶2∶1 ，這樣最高灰度級為7 ，共可獲得8 個灰度級。

圖2a 只表示了7 、4 、2 、1 這四個灰度級L ED 的導通情況，這種直接調節(jié)驅動脈寬以獲得顯示圖像灰度的方法一般不易實現(xiàn)，只有用間接的方法使L ED 的驅動脈沖占空比受制于圖像數(shù)據(jù)，以獲得顯示圖像灰度級。

圖2b 表示在T 時間內(nèi)用一個脈沖竄去驅動L ED ，控制時間內(nèi)脈沖個數(shù)就能控制L ED 的亮度，當各個T 時間內(nèi)驅動脈沖個數(shù)為7 、4 、2 、1時，獲得的亮度比為7∶4∶2∶1 ，同樣也會獲得8 個灰度級。但是，不難看出，用這種方法，驅動脈沖的占空比要下降，這就意味著各灰度級的L ED 亮度要下降，圖2b 是用對稱方法驅動的，那么與圖2a 相比，導通時間縮短了一半，在同樣的正向導通峰值電流下亮度必然下降一半?？赏ㄟ^提高峰值電流的方法來彌補亮度損失，但重要的是這種調制脈沖個數(shù)以獲得圖像灰度的方法在電路實現(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用的方法，當所攝圖像亮度化為八級時，可用三位二進制碼“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 個小的時間間隔t ，在t 時間內(nèi)分別用二進制碼a3 ，a2 ，a1 來控制L ED的導通狀態(tài)“， 1”表示導通“， 0”表示斷開，同時a3 ，a2 ，a1 是有權碼，對應的權值分別為4 、2 、1。如果a3 ，a2 ，a1 不僅僅控制t 時間內(nèi)L ED 的導通，而且還控制導通時間，其導通時間長短依據(jù)所對應的權重，就可以有8 個灰度級。如圖2c 所示，第一個周期T表示最高亮度，其二進制碼為“111”，那么每一個t時間內(nèi)，L ED 都導通，其導通時間之比為4∶2∶1 ，第二個周期T 表示4P7 最高亮度， 其二進制碼為“100”，顯然，其導通時間只有第一個t 時間內(nèi)L ED導通，與圖2a 相比，不難發(fā)現(xiàn)， T 時間內(nèi)，L ED 導通時間仍減少了，所以在同一峰值電流下每灰度級的亮度都下降了，因而這種犧牲顯示圖像亮度的辦法對L ED 點陣顯示是不利的。

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

2 LED 灰度級實現(xiàn)

CRT 圖像是按幀頻來刷新的，每一幀的圖像可由一個M 行N 列的矩陣來表示，對應著一幀M ×N 像素點的視頻圖像。 每一場圖像不一樣，矩陣元素的值也會發(fā)生相應的變化，矩陣的表達式為

矩陣（2） 中的每一元素代表著M ×N 點CRT圖像中對應像素點的圖像亮度信息，而元素在矩陣中的位置恰恰是該像素點在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，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 份的單位亮度藍色，可混成該元素所對應像素點的顏色。根據(jù)矩陣運算法則，矩陣（2） 又可表示為

它表示一場圖像可分解為R、G、B 單色圖像，同樣，用R、G、B 單色圖像在空間或時間上疊加，可恢復原來所對應的彩色圖像。

式（3） 中的各項分別代表紅、綠、藍單色圖像，是具有若干灰度級的，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為N + 1。根據(jù)矩陣運算法則有

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（矩陣中每一個元素均為0 或1） 的和，每一個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） 灰度級的單色圖像可有若干N 個具有單位亮度的單色二值圖像在時間上疊加而成，顯然，在空間疊加是不現(xiàn)實的1 這意味著可將一電視場的單色視頻圖像分成若干個單色二值圖像，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，又可復現(xiàn)出原來的單色視頻圖像1 同樣的方法，同時恢復出R、G、B單色視頻圖像，再使它們在空間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數(shù)為N+ 1 ，灰度級由低到高分別為0 ，1 ， 。..， N ，對每一級灰度規(guī)定一串N 位‘0’、‘1’控制碼與其對應，而在每一控制碼中，‘1’的總數(shù)與其對應灰度級的編號相等，即灰度級越高，其控制碼中‘1’越多。

再將L ED的每個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由于不同灰度級中‘1’的個數(shù)不同，故在一周期內(nèi)，L ED 導通的時間不同，通過人眼視覺的積分效應，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場在L ED 點陣屏上顯示，每場顯示的時間為TPN ，在各場中，各像素由其對應的控制碼來控制L ED 的通斷，通過視覺的積分效應，就產(chǎn)生了整個畫面的灰度效果。

3 LED 控制板的硬件實現(xiàn)

L ED 板的硬件設計框圖如圖3示

CRT 的紅色信號經(jīng)采樣量化后形成紅色4 位二進制數(shù)，因此經(jīng)量化的亮度有16 級，如把CRT 的一幀圖像在LED 點陣屏幕上分為15 場來顯示，通過控制15 場中LED 像素點亮次數(shù)來形成不同的亮度等級1 如15 場中某一像素點全不點亮，即為黑點亮一次，表現(xiàn)為僅高于黑的圖像亮度;點亮兩次，亮度又高一級;全部點亮，即為最亮1 在實際電路中，考慮到電路的復雜性，將L ED 屏分成16 場顯示，第一場始終不點亮，這樣當然會損失一些亮度，但簡化了設計。

4 結論

在完成其測試系統(tǒng)研制的基礎上， 對高密度LED矩陣顯示屏進行了部分性能參數(shù)的測試，實驗表明，通過這種方案實現(xiàn)的LED 灰度顯示可以同時兼顧顯示屏的亮度和灰度。
來源；電子工程網(wǎng)