LED亮度控制在视频显示中的应用

LED亮度控制在视频显示中的应用摘要：该技术是一种脉冲宽度调制导致的发光二极管的视频显示器的建议这个灰度级数和图像刷新频率显著增加大量的发光二极管是连续控制的。需要大量的灰度级和高刷新率解释。控制数据流和缓冲存储器的量是相同的二进制加权脉冲宽度调制。在时间内传播的开关脉冲，降低了电磁干扰。1、介绍几十年过去了从第一个发光二极管(LED)成像的应用程序。最新的追踪纸是泰德在1974年之前[1]。现在用于道路和LED显示屏铁路标志设施、银行、证券交易所、机场、乱发广告[2]。这个设备有限公司的最好的来美信,视频图像的宽视角和显明亮和清晰的图像[3]。然而,非线性特性依赖于二极管沃德电流。因此,脉宽调制(PWM)使用恒流驱动LED。然后光输出调节是线性的。这是主要的区别阴极射线管(CRT)等传统的成像设备。由于非线性的人类意义上的灯,LED显示屏像素亮度编码需要更高水平的数量因为一些代码必须删除创建所需的控制律。一个其他区别CRT,每个领导都有独立电源。在CRT这是通过电子梁触及屏幕顺序点。串行数据传输减少控制信号的数量。所需爆破取得的光脉冲传输限制最短宽度。LED显示刷新频率必须保持形象在一定的水平。这将限制实现的数量导致强度水平。本文的目的是提出一个LED调光方法适合提到的局限性的克服。2、问题描述人类的视觉或者说是人类大脑需要欺骗成像设备。因此,应该显示性能在某种程度上模拟人类的反应。这必须被纳入视频显示应用程序的帐户在LED调光。LED光产生的发光现象[4]。的领导需要由直流电流源以生成照明。正向电流影响发射波长,特别是InGaN,今天是赞成的最高的亮度。在恒流将LED操作确保屏幕颜色范围的稳定。在这种情况下,PWM可以替代LED光输出电流强度控制[5]。2.1线性PWMLED亮度控制平均功率的PWM脉冲线性比例持续时间。这提供了一个方便和简单的强度控制机制[6、7]。以100%的关税亮度Yn,其他工作周期将亮度Y与脉冲宽度成正比s比PWM周期T这一水平的稳定和可重复性很容易建立以来使用石英振荡器频率稳定度可以很容易地实现。只可用时间步骤的数量限制的数量暗淡的步骤。请参考图1线性PWM的解释。线性PWM有一个固有的缺点:无论什么像素强度将会有一个时刻(位置在图1。1)当所有led灯是打开的。大电流峰值将出现此时供电线,造成电磁干扰问题。2.2。Binary-weightedPWMbinary-weightedPWM(BPWM),离散PWM[7]或一些角度调制(BAM)[8]暗淡的使用不同的重量脉冲在一段时间内形成所需的责任。这种类型的变暗将减少EMI通过扩散电流冲击峰值。请参考图2为常规和加权PWM比较。每个单独的脉冲的宽度成正比的重量在相应的二进制代码。但总结脉冲传统PWM宽度是一样的。BPWM驾驶模拟器plifies系统设计,减少了所需的数量内存。2.3多个LED控制大多数的设计使用一个串行LED显示控制(6、9),每个显示控制器应该控制尽可能多的可能led[9]为了减少电子控制复杂密度和价格。控制器的串行数据转移为了达到LED。串行数据交付将减少数量的控制线路。请参考图3通用驱动程序绘画。直接(静态)[10]驱动技术。数据转移过程因此不应该是可见的屏幕上的司机通常包含两个存储水平(10-14)。第一层是移位寄存器,负责接收串行数据。它包含一个串行数据输入(SDI)节点移位寄存器数据输出(SDO)层叠和时钟信号(时钟)终端。最后一个级别是闩,负责任对以前的数据。自锁的移位寄存器上层门闩是由单独的控制线路(限公司)。一个输出阶段是使用数据从最后一层锁LED控制。恒定的输出电流dri最受欢迎版本拓扑结构如图4所示。恒流的水槽是由个人管理电流源。单一的外部电阻设置反向电流。电流源是打开当存储在一个逻辑“1”上层门闩。(高输出电流源是关闭的阻抗状态)如果锁包含逻辑“0”。当前所有水槽可以直接反感使用允许输出(OE)信号。表1总结了几个恒流拓扑领导司机在市场(10-14)。最大输出电流匹配指定的频道在同一IC之间ICs。OE信号传播时间tPHL和tPLH是很重要的本文的范围。最短的OE信号持续时间不会低于tPHL和tPLH的总和。从这一章可以得出以下结论:-数据交付给领导司机使用移位寄存器;——时钟速度受限于技术,目前25兆赫;——几乎所有的司机有OE信号;——司机驾驶速度允许大约200纳秒时间信号。2.4伽马校正场景的轻盈感觉L*人类视觉非线性[15]。它大概是一个幂函数的亮度yCIE出版[16]建议以下近似在Yn是白色的亮度参考。使用的相机图像捕捉模拟人类视觉系统的秩序感觉轻盈的人类的观众一样。传入的图像编码为c-corrected信号强度使最大的感知使用的通道。非线性信号转换回线性强度的显示与恒流输出使用的驱动程序固有的非线性响应voltage-to-intensityCRT。CRT的亮度Y约等于应用电压U提高到2.3--2.6的力量。的数值指数的幂函数被称为“伽马”和被希腊c校正函数的名称。在最简单的形式可以写Y¼Uc;ð3ÞY的RGB三色值R、G、B'指数表示的信号电压或代码和CRT索引自由光强度。CRTvoltage-to-intensity响应是大约luminance-to-lightness的倒数关系的愿景。因此图像时只需要轻微调整显示在阴极射线管。人工c修正是必须的图像显示在线性响应显示(例如PWM变暗)。2.5脉宽调制比特伽马校正数学inverse-gamma像素代码Cin转换纠正C代码c解析的N位可以表示为Cc¼轮Cin255c2Nð4Þ图呈现这样的结果转换为8,10,12,14、16和19位分辨率和2.5伽马校正提出了图5。图(图5)显示,只有代码使用19位分辨率是单调的能力差异:每一个增量的输入代码导致的增量输出代码。这样的伽马校正将展示一些近似误差即使高分辨率输出代码近似误差会大的低端输入错误代码:这可以清楚地看到在图形显示在无花果。分析误差分布范围和在输入代码输出代码解析可以总结在表2中。的最小代码数字确保γ的近似误差列出修正输出低于指定的限制。灰度可以称为亮度水平的数量(灰色地带的),以显示可用。参考[17]人眼能分辨的亮度之间的比例小至1.03水平。可以理解,亮度差别两个补丁可以检测到3%以上。只有PWM码34以上能满足这个要求。幸运的是,常见的定义是一个之间的亮度比1.4水平[17]。然后上面的脉宽调制编码三个会满足要求。伽马校正输出对应输入代码46为8位,28日10位,17了12位,9为14位,5为16位,419-bit伽马校正编码。表1表明了驱动电流不匹配可以达到6%。这意味着预期的亮度会扭曲了LED的驱动。因此没有意义在达到伽马校正曲线匹配得更好;这将对应于表25%。然后最好的选择似乎是14位编码是没有意义的使用16和19位伽马校正编码。2.6闪烁闪烁时的显示亮度的变化发生在频率低于的整合能力的眼睛。这发生的最低频率是至关重要的闪光融合频率(CFF)[17]CCF¼日志Laþb;ð6Þ一个=12.5(对于高环境光水平)或1.5(低环境光级),洛杉矶是图像的平亮度在cd/m2,或傻瓜,b=37。获得一个87HzCFFLED屏幕高亮度10000cd/m2,假设环境光的水平。在实践中图像刷新频率可达100赫兹。在专业的LED屏幕应用程序中,没有一个人类的视觉因素决定图像刷新频率。原因在于,通常几乎所有事件捕获在镜头剪辑名单变形或电视广播。相机可以控制灵敏度通过调整光圈大小rela场景背景时有效的。当现场变得非常明亮,孔径的大小减少是不够的,相机曝光时间必须是多种多样的。以防LED屏幕刷新慢而凸轮时代曝光时间,然后只帽PWM调光周期的一部分约束。这将创建的图像失真。同步视频设备频率是不够的。因此,刷新率要远远高于人类的规范要求tator。通常使用1000-400赫兹刷新频率。一些马努facturers索赔成功240Hz刷新[18]。2.7问题整改线性和binary-weightedPWM可以刷新周期细分为子框架构成(节拍)。这个支架数据(“1”或“0”)必须被传递到每一个LED驱动通道。这个数据通过驱动程序提供的串行数据转移寄存器。支架所需加载时间sloadshift-loadNREG频道LED的驱动改变时钟频率fCLK可以计算的sload¼fCLKNREG:ð7Þ这个时间是限制最低实现PWM的持续时间信号。例如,最短的时间将1280ns,32频道领导的司机,96年带领3840纳秒,等所需的刷新频率frefr定义了PWM周期持续时间Trefr反过来定义可用的数量水平nPWM¼Trefrsload:ð8Þ表3中的数据列表可用nPWM和相应的水平位数字与数量和驱动与刷新频率用于一些特定的情况下领导开车。注意的可用水平nPWM已经转化为Nb碎片。有些数字是圆形的。这个对应的刷新频率降低而围捕并增加如果舍入。减少的限制将增加75%和150%。否则,如果不必要的频率降低,1位的编码必须可用被牺牲掉。在线性PWM的情况下,子框架构成的数字就等于PWM步骤的数量。子框架构成的数字二进制的PWM是定义的二进制位数量。这意味着更少的数据必须在BPWM发送。2n水平通过2N加载操作的PWMN比特。比较这N负荷获得相同的2NBPWM的水平。因此BPWM技术似乎让视频更有吸引力显示控制,尤其要记住即将上任的视频数据通常会在二进制格式。应该注意的是,获得一个：LED的数字不适用。表3表明,最短的PWM脉冲持续时间是40ns如果转变是25兆赫频率。但可用的LED切换速度和所需的刷新频率极限可用任何类型的PWM的步骤的数量。厂家做的没有指定响应时间。的一项研究(19、20)表明,导致响应时间略低于100ns。表3数据分析表明,提高led的数量串行驱动将大大降低显示器的性能。led的合理数量(256)用于串行控制不允许超过10位上面的刷新率100赫兹。3、解决方案:封闭的脉宽调制因为最短的光脉冲的主要限制是数据加载时间,所以额外的LED照明的控制建议。这样的改进PWM利用OE信号持续时间可以比所需的时间更短加载整个支架数据。LED是偶然碰见只有很短股市持续时间(图7)在数据加载操作代替定义的PWM工期最短帧数据加载时间sload。这将对应于取代sloadEq。(8)在这样一个几乎无限数量的PWM水平可以实现。尽管这种技术可以应用线性PWM,大部分的性能是在组合实现的binary-weightedPWM。建议的方法命名在封闭的PWM(GPWM)。支架(勾)长度使用图7中所使用的是一样的图2所示。数据的比较表明,不仅刷新期减少(从15-10)而且数量水平增加(从15到63)。4、GPWM性能有两个因素限制下料的性能。两者都是最短实现LED闪光灯持续时间有关,其中一个是领导司机的反应。另一个限制因素LED响应时间。正如表2中提到的,最好的传播延迟高、低水平是100ns。应该使用200ns作为最小GPWM股市持续时间。研究[20]表明,发光二极管常用的视频屏幕下面有反应的时间100ns。请参考图8的解释可达到的水平计算。所需的刷新频率frefr定义了周期时间Trefr。可用的数量水平nG因为闸门进行是:剩下的数量水平纳米级别的数量是可以达到的,如果使用PWM或BPWM技术总的可用位nG和海里的总和。这将对应的比特数数据如表4所示列出GPWM比特。的最小值持续时间200ns。串行数据的时钟是相同的如表3中使用。在传统的注意GPWM性能改进PWM(表3)。为实现刷新频率和数量常规的PWM很大程度上取决于数量的水平数量的控制发光二极管。有一个显著的减少控制led的数量的影响在刷新量子quency数量和水平。例如,256年的连续控制led刷新只在100赫兹,只有10位(977年)实现对传统的PWM(以及BPWM)。GPWM技术可以达到16位(65536年)或64倍更多的条件。GPWM的另一优点是解释在图9中。就像在脉宽调制的情况下,表4中列出的比特数保留的舍入的数量水平。在传统的情况下PWM这意味着刷新频率必须降低围捕或增加,