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DIY:LED標(biāo)牌和LED矩陣顯示屏

發(fā)布時(shí)間:2015-07-06 責(zé)任編輯:tomruanduo

【導(dǎo)讀】隨著LED的標(biāo)牌和矩陣顯示屏的廣泛應(yīng)用,人們卻難以分辨絢麗奪目的視覺效果到底是高質(zhì)量顯示屏的靜止畫面,還是傳統(tǒng)的打印。我們來了解LED顯示屏系統(tǒng)的基礎(chǔ)技術(shù)原理,再探討如何使用分立LED燈泡整列的設(shè)計(jì)問題。

 

首先,我們要對比不同的LED驅(qū)動電路,以確定最佳方案。
連接電壓源
眾所周知,LED 燈(或二極管)在具有足夠正向電壓(VF)時(shí)開始導(dǎo)通。導(dǎo)通時(shí)其正向電流通常會發(fā)光。根據(jù)這個(gè)基本知識可以得出圖1a中的第一種選項(xiàng),不過這樣行不通。因?yàn)?LED 電流是其電壓偏置的指數(shù)函數(shù)(公式1),LED 燈的光強(qiáng)度對該電壓非常敏感。大多數(shù)情況下,大電流條件通常會將原本長壽命的LED變成昂貴的閃光燈泡。

下面是圖1a行不通的原因所在。在公式1中,IS、RS是常數(shù),取決于LED產(chǎn)品本身,與VT是熱電壓無關(guān)。假設(shè)串聯(lián)電阻RS是理想值零,那么僅0.1V的VF變化就會產(chǎn)生47倍的ILED差異。

例如,20mA的目標(biāo)LED電流值在其偏置電流出現(xiàn)僅0.1V的差異時(shí)就會跳變至1A。即使考慮實(shí)際RS值,真實(shí)LED器件在具有0.1V偏置差異時(shí)仍會出現(xiàn)10至20倍的差異。

圖 1.對比三種LED驅(qū)動電路

支持流限電阻器的電壓源
  
現(xiàn)在我們來看看圖1b。添加一個(gè)限流電阻器RLIMIT來保護(hù)LED燈。由于有限流電阻器,因此該燈不會被燒壞。在視頻顯示器應(yīng)用領(lǐng)域,這種方法在控制LED光強(qiáng)度方面仍然不夠好。LED曲線和RLIMIT產(chǎn)生的負(fù)載曲線可決定其LED電流值。如紅色或藍(lán)色標(biāo)記所示,該LED和電阻器分別存在制造誤差造成的正向電壓變化及電阻變化。這些誤差因素會使LED電流(綠)產(chǎn)生不可忽視的變化。
  
恒流源
  
圖1c采用恒流電路而非電阻器。該恒流驅(qū)動器電路可直接將LED電流調(diào)節(jié)為目標(biāo)值。無論LED燈在制造過程中會產(chǎn)生多少VF變化,LED都會傳導(dǎo)特定的電流值。LED燈的光強(qiáng)度與通過 PN 結(jié)點(diǎn)的電荷緊密相關(guān),因此該恒流驅(qū)動器是從LED燈獲得統(tǒng)一光輸出的理想方法。
  
此外,我們都知道集成電路(IC)可提供良好的匹配電路對。這也是選擇恒流法的另一個(gè)優(yōu)勢。圖2是LED驅(qū)動器的基本輸出級結(jié)構(gòu)。市場上很多LED驅(qū)動器IC都有參考電流設(shè)置端 IREF,該參考電流是鏡像到其輸出端的恒流。

 

圖 2. LED 驅(qū)動器IC的基本輸出配置

圖2是該討論的結(jié)果,即LED驅(qū)動器的基本輸出電路配置。

色彩驅(qū)動
  
到目前為止,我們已經(jīng)能夠確定如何驅(qū)動單個(gè)LED燈了。下一步是為視頻顯示系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)全色彩光輸出。通過組合光的不同深淺紅綠藍(lán)三原色(RGB),任何色彩都可生成。較為熟悉的示例是采用個(gè)人計(jì)算機(jī)(PC)上的色彩選擇工具。

  
數(shù)字或模擬的灰階控制
  
PC 操作系統(tǒng)將三種色彩混合為256個(gè)色階(每階8個(gè)二進(jìn)制位)或更多,以顯示全彩色像素。對于LED顯示系統(tǒng)而言,也需要采用相同概念的色階色彩強(qiáng)度控制,以便在LED驅(qū)動器設(shè)計(jì)中實(shí)現(xiàn)色階控制或灰階控制。
  首先應(yīng)決定使用數(shù)字控制還是模擬控制。前面已經(jīng)介紹過,經(jīng)過 PN 結(jié)點(diǎn)的總電荷數(shù)可決定光強(qiáng)度,因此數(shù)字和模擬方法均可控制光強(qiáng)度。圖3是數(shù)字和模擬法中的50%灰階控制。在總體256個(gè)色階的示例中,該50%表明了一個(gè)有128個(gè)灰階的目標(biāo)。

 

圖 3.數(shù)字和模擬的50%強(qiáng)度控制

LED 電流與色彩變化
  
這時(shí)候,需要考慮電流變化對LED光輸出波長值的影響。改變波長就意味著改變?nèi)搜劭吹降纳?。圖4是綠色LED燈的實(shí)例。通常在業(yè)界,510nm 廣泛代表綠色。因此,大部分LED燈制造商所設(shè)計(jì)的LED燈產(chǎn)品在最大額定電流下都具備510nm的波長。在圖4中,隨著LED電流的升高,波長可達(dá)到510nm。獲得綠色的最佳方法是盡量使燈的驅(qū)動電流接近最大額定值。這也就說明了為什么使用數(shù)字控制比使用模擬控制好。
  
選擇數(shù)字控制的另一個(gè)優(yōu)勢是便于以數(shù)字電路模塊的形式對LED驅(qū)動器IC實(shí)施控制。對于256階的灰階控制而言,數(shù)字控制的成本比模擬控制低。

圖 4.綠色LED電流與波長實(shí)例

這種ON/OFF 數(shù)字控制稱之為脈寬調(diào)制(PWM)控制,或者PWM調(diào)光。現(xiàn)將PWM控制開關(guān)添加至圖2。

RGB LED燈可平鋪構(gòu)成2維(2D)影像。
  
顯示系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

RGB LED燈可用于構(gòu)成正方形的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)或模塊。它通常包含一塊PCB以及一個(gè)16×16至64×64的像素陣列,不同的應(yīng)用有所不同??蓪⒍鄠€(gè)模塊組合在一起,構(gòu)成機(jī)械系統(tǒng)結(jié)構(gòu)或面板。LED顯示系統(tǒng)廠商通常提供各種面板。每個(gè)面板都有機(jī)械框架,可放置多個(gè)模塊。它包含一個(gè)或多個(gè)控制單元,用以提供電源分配、數(shù)據(jù)接口和處理器。在構(gòu)建體育場大屏幕或路邊廣告牌等顯示系統(tǒng)的現(xiàn)場,可安裝多塊面板構(gòu)成最終顯示屏。在施工現(xiàn)場,每塊面板的所有數(shù)據(jù)線和電源線都會集中在中央控制單元。

圖 5.LED 顯示系統(tǒng)由模塊/面板/顯示屏組成

像素間距

一套LED顯示系統(tǒng)包含大量的LED燈和一個(gè)大電源。設(shè)計(jì)系統(tǒng)時(shí)需要重點(diǎn)考慮LED燈的密度優(yōu)化問題。LED 燈的該密度稱為每個(gè)像素的距離或像素間距。如果像素間距太密,一旦超出了人眼能識別的精度,它就不會改善影像輸出質(zhì)量,而且會增加成本。人眼可識別的兩個(gè)單光源是在這兩點(diǎn)形成1個(gè)弧度的1/60(=1 弧分)時(shí)。

圖 6.人眼可識別的分辨率

圖6是如何計(jì)算人眼可分辨像素間距Dpp1。如公式3所示,其中L為視距。

在最佳實(shí)踐中,DPP1可視為過大,對于高質(zhì)量視頻系統(tǒng)而言三倍Dpp1就夠好了。在公式4中,DPP是指導(dǎo)標(biāo)準(zhǔn)。

公式4 的簡單記憶方法是:所需的像素間距(毫米:mm)=“視距”(米:m)

例如,5m視距的系統(tǒng)需要5mm像素間距來實(shí)現(xiàn)良好分辨率。另一個(gè)視覺實(shí)例如圖7所示,圖中展示了過低像素間距如何降低輸出影像質(zhì)量。像素間距為12.5mm 的影像(上)看起來很粗糙,無法近距離辨識。但保持一定的距離觀看時(shí)影像開始變得清晰,與觀看像素間距為5mm的影像(下)類似。這個(gè)實(shí)例清楚地說明了視距與像素間距的關(guān)系。

圖 7.不同像素間距與視距的對比
  

靜態(tài)驅(qū)動器與時(shí)分復(fù)用驅(qū)動器
從圖2可以看出,LED燈的陰極采用當(dāng)前市場常見的LED驅(qū)動器IC驅(qū)動。這里要討論LED燈的陽極驅(qū)動器電路。陰極采用恒流驅(qū)動器有優(yōu)勢,陽極希望也只提供足夠的電壓。但仍需做出如何驅(qū)動陽極的重要決定!
  
圖8 對比了靜態(tài)陽極驅(qū)動器系統(tǒng)與時(shí)分復(fù)用陽極驅(qū)動器系統(tǒng)。靜態(tài)陽極驅(qū)動器配置十分明確:一個(gè)LED驅(qū)動器IC驅(qū)動一個(gè)LED。在設(shè)計(jì)具有大量像素點(diǎn)的系統(tǒng)時(shí),靜態(tài)陽極驅(qū)動器需要大量LED驅(qū)動器IC。相反,時(shí)分復(fù)用陽極驅(qū)動器系統(tǒng)讓多個(gè)LED燈共享一個(gè)IC,因而使用的LED驅(qū)動器IC數(shù)量較少。時(shí)分復(fù)用驅(qū)動器的權(quán)衡在于輸出LED光強(qiáng)度會因分時(shí)而降低。
  
在戶外顯示系統(tǒng)中,需要極強(qiáng)的LED輸出來克服太陽光亮度,以便人眼能看清楚影像。在這種戶外系統(tǒng)中,更適合選用靜態(tài)陽極驅(qū)動器。另一方面,在室內(nèi)系統(tǒng)中,時(shí)分復(fù)用陽極驅(qū)動器則是降低系統(tǒng)構(gòu)建成本的好方法。

  

圖 8.靜態(tài)陽極驅(qū)動器與時(shí)分復(fù)用陽極驅(qū)動器
  

如何創(chuàng)建電影/視頻影像
幀速率/幀刷新率
老式模擬電視通常在一秒鐘內(nèi)顯示24張不同的靜態(tài)影像,幀速率為24。當(dāng)模擬電視攝像機(jī)拍攝另一個(gè)模擬電視屏幕時(shí),可產(chǎn)生由視頻影像與黑色條帶構(gòu)成的斑馬紋混合畫面(圖9)。這種現(xiàn)象由同步電視攝像機(jī)和電視屏幕掃描率引起。在拍攝LED屏幕的攝像機(jī)采用時(shí)分復(fù)用陽極驅(qū)動器時(shí),也會出現(xiàn)相同的問題。應(yīng)用實(shí)例包括使用電視攝像機(jī)拍攝背景墻壁上由LED顯示器放大演員的舞臺影像或者用電視攝像機(jī)拍攝體育場中體育賽事比分牌或標(biāo)牌等。要避免這個(gè)問題,LED顯示器現(xiàn)在需要比攝像機(jī)系統(tǒng)運(yùn)行得更快,特別是在專用LED顯示器市場。

 

圖 9. 電視攝像機(jī)拍攝另一個(gè)電視屏幕引起的黑色條帶

為滿足更快運(yùn)行這一要求,很多LED顯示系統(tǒng)都在一個(gè)幀周期內(nèi)反復(fù)顯示相同的影像,稱為幀刷新率。圖10是幀速率與刷新率的關(guān)系。只有兩張幀影像:A 和 B。每個(gè)幀重復(fù)“影像 x”兩次。因而本實(shí)例“幀刷新率”= 2 ד幀速率”。

 

圖 10.幀速率與幀刷新率
  

在普通LED顯示系統(tǒng)中,幀速率在50Hz至120Hz的范圍內(nèi),而幀刷新率則介于50Hz至2kHz之間。
  
ON/OFF 控制驅(qū)動器或 PWM 控制驅(qū)動器
為了滿足系統(tǒng)幀速率與刷新率的需求,需要在實(shí)施邏輯電路的兩種方法中做出選擇。第一種是ON/OFF控制驅(qū)動器,而第二種則是PWM控制驅(qū)動器。
圖11a是采用ON/OFF控制IC的系統(tǒng),具有每個(gè)位對應(yīng)于一個(gè)輸出的ON/OFF寄存器。寄存器位的邏輯高可打開對應(yīng)的輸出,而邏輯低則可將其關(guān)閉。
圖11b是采用PWM控制IC的系統(tǒng),具有一個(gè)可參考時(shí)鐘計(jì)數(shù)器的灰階參考時(shí)鐘輸入端。另外,該IC還具有一組保存灰階邏輯代碼的寄存器。PWM 比較器可通過計(jì)數(shù)器和灰階 (GS)寄存器比較和生成PWM輸出模式。
  
對于這兩種類型的驅(qū)動器IC而言,兩種工作都是并列執(zhí)行的:
- 恒流驅(qū)動器模塊根據(jù)當(dāng)前顯示周期數(shù)據(jù)的輸入驅(qū)動其LED燈陣列;
- 并將下一個(gè)顯示周期的數(shù)據(jù)接收在移位寄存器中。
 


圖 11.采用ON/OFF控制IC和PWM控制IC的LED顯示系統(tǒng)
總結(jié)

 縱觀全文,我們介紹單個(gè)LED燈的驅(qū)動器電路,再討論詳細(xì)的LED燈物理特性、顯示系統(tǒng)的物理布局與結(jié)構(gòu)以及靜態(tài)及時(shí)分復(fù)用控制,進(jìn)而得出完整的LED驅(qū)動器IC結(jié)構(gòu)。然后我們介紹影像處理控制器IC與LED驅(qū)動器IC之間的數(shù)據(jù)傳送,并舉出實(shí)例。還探討與LED顯示驅(qū)動器IC有關(guān)的特性主題。

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