16位分辨率仿真改善視頻顯示中的LED亮度控制

　　引言

　　為了得到更好的功效和色彩一致性，LED亮度通常通過調(diào)節(jié)LED驅(qū)動(dòng)器的PWM周期占空比控制。一個(gè)PWM周期可以劃分成2的“控制位”次方(2CONTROL BITS)個(gè)時(shí)鐘周期。消費(fèi)類電子應(yīng)用中，控制位分辨率通常是8位。8位PWM分辨率可對(duì)應(yīng)提供256個(gè)不同的亮度電平，相應(yīng)的PWM周期由256個(gè)時(shí)鐘周期組成。如消費(fèi)類電子產(chǎn)品中，典型的時(shí)鐘頻率是32kHz，則PWM周期為256/32kHz或8ms。因此，PWM刷新率大約是125Hz，由此得到的PWM分辨率和刷新率足以支持亮度調(diào)整，并可消除人眼能夠覺察的閃爍。

　　為L(zhǎng)ED驅(qū)動(dòng)器提供16位分辨率

　　對(duì)于要求同時(shí)達(dá)到16位PWM分辨率和2kHz刷新率的應(yīng)用，設(shè)計(jì)將面臨諸多挑戰(zhàn)。16位分辨率要求一個(gè)PWM周期包含216 = 65,536個(gè)時(shí)鐘周期。2kHz的PWM刷新率要求時(shí)鐘頻率為2000 × 65,536 = 131.072MHz。通過CMOS接口以這個(gè)速度發(fā)送數(shù)據(jù)，即使在合理的傳輸距離上，也會(huì)造成數(shù)據(jù)通信的不可靠。而實(shí)際應(yīng)用中，LED驅(qū)動(dòng)器的輸出端口不可能提供如此高的開/關(guān)速度支持LED的加載和相關(guān)的連接。沒有精確的開/關(guān)時(shí)序，也無法實(shí)現(xiàn)16位分辨率的優(yōu)勢(shì)。歡迎轉(zhuǎn)載，本文來自電子發(fā)燒友網(wǎng)(http://www.elecfans.com )

　　作為一個(gè)折衷方案，利用一組PWM周期分辨率低于16位的信號(hào)仿真16位PWM周期。通過這種方式在每個(gè)PWM周期內(nèi)減少一定數(shù)量的時(shí)鐘，可以采用低時(shí)鐘頻率達(dá)到所要求的2kHz PWM速率。一旦PWM刷新率高于幾百赫茲，人眼將無法區(qū)分其變化/閃爍，從而保持16位分辨率的視覺效果。

　　以攝像機(jī)為例，攝像機(jī)工作在(或接近于) 1/2000的快門速度。攝像機(jī)將以較低的分辨率抓拍幀畫面，但這仍然比在抓拍黑屏?xí)r的低刷新率要好得多。雖然快門速度可以非常高，但攝像機(jī)仍然可以每秒抓拍60幀，多幀圖像的平均效果非常接近16位分辨率的圖像。

　　16位分辨率可以分為不同的MSB/LSB (最高/最低有效位)比值進(jìn)行仿真，由此可以得到幾個(gè)分辨率為MSB的PWM周期：2的“最高有效位”次方(2MSB)。周期數(shù)等于LSB的分辨率：2的LSB次方(2LSB)。還可以按照其它不同的分配形式得到PWM的仿真組，比較簡(jiǎn)單的方法是由LSB決定每組中的最后一個(gè)時(shí)鐘周期的開/關(guān)狀態(tài);MSB決定其余的時(shí)鐘周期。簡(jiǎn)而言之，所有組的由MSB決定的時(shí)鐘周期開/關(guān)次數(shù)是相同的。

　　測(cè)試示例

　　利用2/2分割仿真4位分辨率，舉例說明上述方案。圖1顯示了由4位分辨率實(shí)現(xiàn)的16點(diǎn)PWM波形模板。

　　圖1. 傳統(tǒng)的4位和16點(diǎn)PWM波形圖

　　2/2分割仿真產(chǎn)生4組4點(diǎn)PWM周期。2個(gè)LSB用來選擇哪一組的最后一個(gè)時(shí)鐘周期應(yīng)該處于導(dǎo)通狀態(tài);2個(gè)MSB用來決定其余3個(gè)時(shí)鐘周期的開/關(guān)模板。圖2顯示了當(dāng)2個(gè)MSB為0時(shí)，2個(gè)LSB在仿真PWM波形中的效果。

　　圖2. 2/2分割4位仿真的LSB效果

　　圖3顯示了當(dāng)2個(gè)LSB為0時(shí)，2個(gè)MSB在仿真PWM波形中的效果。

　　圖3. 2/2分割4位仿真的MSB效果[!--empirenews.page--]

　　這個(gè)方法可以配合MAX6975 LED驅(qū)動(dòng)器的內(nèi)置LVDS接口，仿真16位分辨率，采用14/2分割實(shí)現(xiàn)。16位視頻幀將以4個(gè)14位視頻幀顯示，四個(gè)視頻幀在每個(gè)時(shí)鐘周期具有不同的開/關(guān)時(shí)間。以16位PWM碼作為輸入，通過簡(jiǎn)單的編碼產(chǎn)生14位PWM碼。編碼器將14位MSB作為14位基礎(chǔ)碼，加上其它由2個(gè)LSB模板產(chǎn)生的位。圖4顯示了仿真編碼器，第一個(gè)14位PWM碼與MSB相同;第二個(gè)碼是增加了這兩個(gè)LSB的MSB;第三個(gè)碼加上了前兩個(gè)碼的“或”操作;第四個(gè)碼加上了“與”操作。

　　圖4. 14/2分割的16位仿真編碼器架構(gòu)

　　這種仿真方案存在兩個(gè)小的缺點(diǎn)。

　　首先，在最高亮度區(qū)是會(huì)損失一些PWM碼。如圖2所示，當(dāng)MSB和LSB合成時(shí)，有些仿真PWM碼處于完全導(dǎo)通，而MAX6975的原始設(shè)計(jì)無法支持這種完全導(dǎo)通操作。但是，人們通常注意不到這些代碼的丟失，因?yàn)榻咏翣顟B(tài)的代碼并不常見。即使用到這些代碼，人的視覺對(duì)于高亮度背景下的輕微變化并不敏感。

　　另外，如需保持60幀/秒的刷新率，向MAX6975發(fā)送數(shù)據(jù)的速率需要提高4倍甚至更快。MAX6975的數(shù)據(jù)接口速度仍然足以支持多芯片串聯(lián)鏈路，但須適當(dāng)減少鏈路上的芯片數(shù)。時(shí)鐘頻率為32MHz時(shí)，同一鏈路能夠掛接的MAX6975芯片數(shù)為：32,000,000/(14 × 24 × 60) = 1,587片，圖像刷新速率為60幀/秒。如果四個(gè)仿真幀需要發(fā)送給每個(gè)視頻幀，芯片數(shù)將減少到396片。 一個(gè)32 × 32或最高56 × 56象素的視頻陣列仍然可以在一條串行鏈路上通過單個(gè)數(shù)據(jù)接口驅(qū)動(dòng)所有芯片?！　∽詈螅c通用仿真方案相比，仍然存在一些小的差異值得注意。每個(gè)PWM幀通常作為子幀重復(fù)32次，用于控制MAX6975的全局亮度。因此，MAX6975的14/2、16位分辨率仿真也需要把4個(gè)PWM仿真幀的每一幀重復(fù)32次。

　　結(jié)論

　　本文介紹了一種尚未公開，但已經(jīng)被多數(shù)LED視頻顯示廠商采納的高分辨率仿真方案，并以MAX6975芯片為例給出了實(shí)施方案。