LED标牌和LED矩阵显示屏如何设计
弁言本文援用地点：
基于LED的标牌和矩阵显示屏为不竭增加的室表里利用带来了更多的功效和灿艳精明的视觉结果。 LED技能的最新成长令人们很难辨别出本身看到的究竟是其高质量显示屏的静止画面，仍是传统的打印或绘制告白牌。本文将具体先容LED显示屏体系的根基技能道理，和利用分立LED灯胆阵列设计它们必要斟酌的设计问题。
LED 驱动根本
起首，咱们要比拟分歧的LED驱动电路，以肯定最好方案。
毗连电压源
家喻户晓，LED 灯（或二极管）在具备足够正向电压減肥茶推薦,（VF）时起头导通。导通时其正向电畅通常会发光。按照这个根基常识可以得出图1a中的第一种选项，不外如许行欠亨。由于 LED 电流是其电压偏置的指数函数（公式1），LED 灯的光强度对该电压很是敏感。大大都环境下，大电流前提凡是会将本来长命命的LED酿成昂贵的闪光灯胆。
下面是图1a行欠亨的缘由地点。在公式1中，IS、RS是常数，取决于LED产物自己，与VT是热电压无关。假如串连电阻RS是抱负值零，那末仅0.1V的VF变革就会发生47倍的ILED差别。
比方，20mA的方针LED电流值在其偏置电流呈现仅0.1V的差别时就会跳变至1A。即便斟酌现实RS值，真实LED器件在具备0.1V偏置差别时仍会呈现10至20倍的差别。
图 1.比拟三种LED驱动电路
支撑流限电阻器的电压源
如今咱们来看看图1b。添加一个限流电阻器RLIMIT来庇护LED灯。因为有限流电阻器，是以该灯不会被烧坏。在视频显示器利用范畴，这类法子在节制LED光强度方面依然不敷好。LED曲线和RLIMIT发生的负载曲线可决议其LED电流值。如赤色或蓝色标识表记标帜所示，该LED和电阻器别离存在制造偏差酿成的正向电压变革及电阻变革。这些偏差身分会使LED电流（绿）发生不成轻忽的变革。
恒流源
图1c采纳恒流电路而非电阻器。该恒流驱动器电路可直接将LED电流调理为方针值。不管LED灯在制造进程中会发生几多VF变革，LED城市传导特定的电流值。LED灯的光强度与经由过程 PN 结点的电荷慎密相干，是以该恒流驱动器是从LED灯得到同一光输出的抱负法子。
别的，咱们都晓得集成电路（IC）可供给杰出的匹配电路对。这也是选择恒流法的另外一个上风。图2是LED驱动器的根基输出级布局。市场上不少LED驱动器IC都有参考电流设置端 IREF，该参考电流是镜像到其输出真个恒流。
图 2. LED 驱动器IC的根基输出设置装备摆设
图2是该会商的成果，即LED驱动器的根基输出电路设置装备摆设。
色采驱动
到今朝为止，咱们已可以或许肯定若何驱动单个LED灯了。下一步是为视频显示体系实现全色采光输出。经由过程组合光的分歧深浅红绿蓝三原色（RGB），任何色采均可天生。较为认识的示例是采纳小我计较机（PC）上的色采选择东西。
数字或摹拟的灰阶节制
PC 操作体系将三种色采夹杂为256个色阶（每阶8个二进制位）或更多，以显示全彩色像素。对付LED显示体系而言，也必要采纳不异观点的色阶色采强度节制，以便在LED驱动器设计中实现色阶节制或灰阶节制。
起首应决议利用数字节制仍是摹拟节制。前面已先容过，颠末 PN 结点的总电荷数可决议光强度，是以数字和摹拟法子都可节制光强度。图3是数字和摹拟法中的50%灰阶节制。在整体256个色阶的示例中，该50%表白了一个有128个灰阶的方针。
图 3.数字和摹拟的50%强度节制
LED 电流与色采变革
这时辰，必要斟酌电流变革对LED光输出波长值的影响。扭转波长就象征着扭转人眼看到的色采。图4 是绿色LED灯的实例。凡是在业界，510nm 遍及代表绿色。是以，大部门LED灯制造商所设计的LED灯产物在最大额定电流下都具有510nm的波长。在图4中，跟着LED电流的升高，波长可到达 510nm。得到绿色的最好法子是尽可能使灯的驱动电流靠近最大额定值。这也就阐明了为甚么利用数字节制比利用摹拟节制好。
选择数字节制的另外一个上风是便于以数字电路模块的情势对LED驱动器IC施行节制。对付256阶的灰阶节制而言，数字节制的本钱比摹拟节制低。
图 4.绿色LED电流与波长实例
这类ON/OFF 数字节制称之为脉宽调制（PWM）节制，或PWM调光。现将PWM节制开关添加至图2。
若何组成矩阵或2D图象
RGB LED灯可平铺组成2维（2D）影象。
显示体系布局
RGB LED灯可用于组成正方形的根本布局或模块。它凡是包括一块PCB和一个1616至6464的像素阵列，分歧的利用有所分歧。可将多个模块组合在一块儿，组成机器体系布局或面板。LED显示体系厂商凡是供给各类面板。每一个面板都有机器框架，可安排多个模块。它包括一个或多个节制单位，用以供给电源分派、数据接口和处置器。在构建运动场大屏幕或路边告白牌等显示体系的现场，可安装多块面板组成终极显示屏。在施工现场，每块面板的所稀有据线和电源线城市集中在中心节制单位。
图 5.LED 显示体系由模块/面板/显示屏构成
像素间距
一套LED显示体系包括大量的LED灯和一个大电源。设计体系时必要重点斟酌LED灯的密度优化问题。LED 灯的该密度称为每一个像素的间隔或像素间距。若是像素间距太密，一旦超越了人眼能辨认的精度，它就不会改良影象输出质量，并且会增长本钱。人眼可辨认的两个单光源是在这两点构成1个弧度的1/60（=1 弧分）时。
图 6.人眼可辨认的辨别率
图6是若何计较人眼可辨别像素间距Dpp1。如公式3所示，此中L为视距。
在最好实践中，DPP1可视为过大，对付高质量视频体系而言三倍Dpp1就够好了。在公式4中，DPP是引导尺度。
公式4 的简略影象法子是：
所需的像素间距（毫米：妹妹）=视距（米：m）
比方，5m视距的体系必要5妹妹像素间距来实现杰出辨别率。另外一个视觉实比方图7所示，图中展现了太低像素间距若何低落输出影象质量。像素间距为12.5妹妹 的影象（上）看起来很粗拙，没法近间隔辨识。但连结必定的间隔旁观时影象起头变得清楚，与旁观像素间距为5妹妹的影象（下）雷同。这个实例清晰地阐明了视距与像素间距的瓜葛。
图 7.分歧像素间距与视距的比拟
静态驱动器与时分复用驱动器
从图2可以看出，LED灯的阴极采纳当前市场常见的LED驱动器IC驱动。这里要会商LED灯的阳极賓果賓果,驱动器电路。阴极采纳恒流驱动器有上风，阳极但愿也只供给足够的电压。但仍需做出若何驱动阳极的首要决议！
图8 比拟了静态阳极驱动器体系与时分复用阳极驱动器体系。静态阳极驱动器设置装备摆设十分明白：一个LED驱动器IC驱动一个LED。在设计具备大量像素点的体系时，静态阳极驱动器必要大量LED驱动器IC。相反，时分复用阳极驱动器体系让多个LED灯同享一个IC，因此利用的LED驱动器IC数目较少。时分复用驱动器的掂量在于输出LED光强度会因分时而低落。
在户外显示体系中，必要极强的LED输出来降服太阳亮光度，以便人眼能看清晰影象。在这类户外体系中，更合适选用静态阳极驱动器。另外一方面，在室内体系中，时分复用阳极驱动器则是低落体系构建本钱的好法子。
时分复用已成为了当前利用最经常使用的技能，是以咱们将将其用于本文残剩部门会商的利用中。
图 8.静态阳极驱动器与时分复用阳极驱动器
若何建立片子/视频影象
以前咱们探究了若何显示静态影象。若是咱们不竭变革静态影象，便可将其变成片子或视频。
帧速度/帧刷新率
老式摹拟电视凡是在一秒钟内显示24张分歧的静态影象，帧速度为24。
当摹拟电视摄像机拍摄另外一个摹拟电视屏幕时，可发生由视频影象与玄色条带组成的斑马纹夹杂画面（图 9）。这类征象由同步电视摄像机和电视屏幕扫描率引发。在拍摄LED屏幕的摄像机采纳时分复用阳极驱动器时，也会呈现不异的问题。利用实例包含利用电视摄像机拍摄布景墙壁上由LED显示器放大演员的舞台影象或用电视摄像机拍摄运动场中体育赛事比分牌或标牌等。要防止这个问题，LED显示器如今必要比摄像机体系运行得更快，出格是在专用LED显示器市场。
图 9. 电视摄像机拍摄另外一个电视屏幕引发的玄色条带
为知足更快运行这一请求，不少LED显示体系都在一个帧周期内频频显示不异的影象，称为帧刷新率。图10是帧速度与刷新率的瓜葛。只有两张帧影象：A 和 B。每一个帧反复影象 x两次。因此本实例帧刷新率= 2 帧速度。
图 10.帧速度与帧刷新率
在平凡LED显示体系中，帧速度在50Hz至120Hz的范畴内，而帧刷新率则介于50Hz至2kHz之间。
ON/OFF 节制驱动器或 PWM 节制驱动器
为了知足体系帧速度与刷新率的需求，必要在施行逻辑电路的两种法真人發牌,子中做出选择。第一种是ON/OFF节制驱动器，而第二种则是PWM节制驱动器。
图11a是采纳ON/OFF节制IC的体系，具备每一个位对应于一个输出的ON/OFF存放器。存放器位的逻辑高可打开对应的输出，而逻辑低则可将其封闭。
图11b是采纳PWM节制IC的体系，具备一个可参考时钟计数器的灰阶参考时钟输入端。此外，该IC还具备一组保留灰阶逻辑代码的存放器。PWM 比力器可经由过程计数器和灰阶 （GS）存放器比力和天生PWM输出模式。
对付这两种类型的驱动器IC而言，两种事情都是并列履行的：
- 恒流驱动器模块按照当前显示周期数据的输入驱动其LED灯阵列；
- 并将下一个显示周期的数据接管在移位存放器中。
图 11.采纳ON/OFF节制IC和PWM节制IC的LED显示体系
总结
起首先容单个LED灯的驱动器电路，再会商具体的LED灯物理特征、显示体系的物理结构与布局和静态实时分复用节制，进而得出完备的LED驱动器IC布局。
在第2部门，咱们将先容影象处置节制器IC与LED驱动器IC之间的数据传送，并举出实例。此外还将探究与LED显示驱动器IC有关的特征主题。
頁:
[1]