中心議題：

• LED點陣灰度級產生原理
• LED 灰度級實現(xiàn)
• LED控制板的硬件實現(xiàn)

本文在深入研究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,L ED 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,L ED 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)L ED 的正向電流,得到L ED 的亮度調制。如把L ED 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。
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(2) 控制單位時間內L ED 的導通時間。L ED具有快速時間響應特性,最高可達數十兆赫茲,可以用脈沖方式驅動L ED 發(fā)光,例如用1 MHz ,占空比為0. 25 % ,峰值電流為1 A 的脈沖去驅動L ED ,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據去控制對應L ED 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,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據,以獲得顯示圖像灰度級。

圖2b 表示在T 時間內用一個脈沖竄去驅動L ED ,控制時間內脈沖個數就能控制L ED 的亮度,當各個T 時間內驅動脈沖個數為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L ED 的導通,而且還控制導通時間,其導通時間長短依據所對應的權重,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,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L ED導通,與圖2a 相比,不難發(fā)現(xiàn), T 時間內,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。
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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aij 、bij 、cij 為零和正整數,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,一個單色圖像數據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’的個數不同,故在一周期內,L ED 導通的時間不同,通過人眼視覺的積分效應,就產生了亮度的差別。

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,就產生了整個畫面的灰度效果。
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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 的紅色信號經采樣量化后形成紅色4 位二進制數,因此經量化的亮度有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。