LED驅(qū)動(dòng)芯片中提升視覺(jué)刷新率的邏輯電路設(shè)計(jì)

高立民，王衛(wèi)東

（桂林電子科技大學(xué) 信息與通信學(xué)院，廣西 桂林 541004）

作為信息顯示產(chǎn)品，LED顯示屏以其大屏幕及高清晰度被廣泛應(yīng)用在高樓、廣場(chǎng)、體育場(chǎng)館等空間開(kāi)闊的場(chǎng)所來(lái)顯示豐富多彩的信息。為了提高畫面的質(zhì)量，LED顯示屏對(duì)畫面的灰度等級(jí)和刷新率的要求越來(lái)越高，如要求畫面更加細(xì)膩、色彩更加豐富且在播放畫面時(shí)人眼不會(huì)感到閃爍。提升視覺(jué)刷新率的方法有提高灰階時(shí)鐘頻率、降低畫面灰階數(shù)和將脈沖打散[1]。由于硬件的限制，灰階時(shí)鐘頻率的提升幅度有限，而降低畫面的灰階會(huì)降低畫面的分辨率，因此本文采用脈沖打散的方法設(shè)計(jì)了一種提升視覺(jué)刷新率的邏輯電路。

1 脈沖打散原理

計(jì)數(shù)模式如圖1所示。傳統(tǒng)的PWM計(jì)數(shù)方式在一個(gè)周期里計(jì)數(shù)一次，LED燈只點(diǎn)亮1次，如圖1中模式3所示。這對(duì)GCLK的要求較高，當(dāng)GCLK的頻率達(dá)不到要求時(shí)，LED顯示屏就會(huì)因?yàn)樗⑿侣什粔蚨霈F(xiàn)閃爍。

打散的PWM計(jì)數(shù)方式把一個(gè)PWM周期分解成最重要位（MSB）與最不重要位（LSB）的灰階周期，因?yàn)镸SB的數(shù)據(jù)在圖像顯示中起主要作用，故將MSB的計(jì)數(shù)打散以提高視覺(jué)刷新率[2]（與之類似的有Dispersed PWM算法[3]）。MSB的計(jì)數(shù)周期打散后重復(fù)更新多次，再加上一次LSB的計(jì)數(shù)周期，便可達(dá)到和未分解成MSB與LSB的PWM一樣的高位分辨率。圖1中，高6 bit為MSB，低 6 bit為 LSB。模式 0時(shí)，將 MSB打散 64次，一個(gè)打散的 PWM周期為（26-1）×26+26GCLK，恰好為一個(gè)傳統(tǒng)的PWM計(jì)數(shù)周期，這樣就將刷新率提高了64倍。

圖1 計(jì)數(shù)模式

圖2 12 bit計(jì)數(shù)器

通過(guò)改變脈沖打散的次數(shù)，可以得到不同的刷新率。在下面的邏輯電路中設(shè)計(jì)了4種打散方式，分別為64次、16次、4次和1次，以供用戶在使用時(shí)根據(jù)實(shí)際需要靈活地進(jìn)行選擇。

2 邏輯電路實(shí)現(xiàn)

2.1 計(jì)數(shù)器

12 bit加法計(jì)數(shù)器設(shè)計(jì)電路如圖2所示。其中，gclock為計(jì)數(shù)時(shí)鐘，por_up是上電復(fù)位信號(hào)，用來(lái)對(duì)D觸發(fā)器初始化。CLRN為觸發(fā)器的低電平清零端，當(dāng)por_up為 0時(shí)，12 bit輸出 n[11..0]=111111 111111；當(dāng) por_up為 1時(shí)，n[11..0]開(kāi)始加 1計(jì)數(shù)。

利用12 bit計(jì)數(shù)器的輸出值產(chǎn)生一個(gè)選擇信號(hào)。高6 bit n[11..6]=111111時(shí)，con=1，計(jì)數(shù)值從 4 032到 4 095共64個(gè)GCLK，此時(shí)選擇輸出LSB的比較結(jié)果。剩余 4 032個(gè)GCLK，con=0，選擇MSB的比較結(jié)果。

63計(jì)數(shù)器的設(shè)計(jì)原理如下。圖1中，LSB計(jì)數(shù)時(shí)，其周期為64個(gè)GCLK，此時(shí)的計(jì)數(shù)值恰好為12 bit計(jì)數(shù)器的低6 bit n[5..0]。而對(duì)于MSB的計(jì)數(shù)，打散后一個(gè)周期是63個(gè)GCLK，必須設(shè)計(jì)一個(gè)63計(jì)數(shù)器。本文利用n bit m序列周期為2n-1的特性來(lái)產(chǎn)生一個(gè)清零信號(hào)，進(jìn)而得到63計(jì)數(shù)器。雖然m序列在一個(gè)周期內(nèi)產(chǎn)生的數(shù)值是無(wú)規(guī)律變化的，但不同周期的m序列在同一個(gè)狀態(tài)上數(shù)值是相同的[4]。因此，在每一個(gè)m序列周期的固定值處產(chǎn)生一個(gè)清零信號(hào)，將一個(gè)二進(jìn)制計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)到62時(shí)進(jìn)行清零，便得到了一個(gè)63計(jì)數(shù)器。

選擇特征方程為 f（x）=x6+x+1的 m序列發(fā)生器，其電路如圖3所示。por_upb為por_up取反（本文中所有的邏輯門均用負(fù)邏輯來(lái)表示[5]），clru是抓取con的上升沿產(chǎn)生的信號(hào)，兩個(gè)信號(hào)相“或非”作為m序列的清零信號(hào)，清零時(shí)，m序列的輸出b[5..0]=000001。一個(gè)周期的m 序列輸出為 1、2、5、10、21、…、48、32、0。

圖3 6 bit的m序列發(fā)生器

清零信號(hào)產(chǎn)生電路如圖 4所示。 將 b5、b4、b3、b2、b1、b0相“或非”，當(dāng) b[5..0]=000000 時(shí)，輸出 xx為 0，作為63計(jì)數(shù)器的清零信號(hào)，D觸發(fā)器用來(lái)清除 “或非”后產(chǎn)生的毛刺。

圖4 清零信號(hào)產(chǎn)生電路

異步計(jì)數(shù)器在清零時(shí)會(huì)多出一個(gè)狀態(tài)，所以利用全加器設(shè)計(jì)同步63計(jì)數(shù)器，如圖5所示。

圖5 63計(jì)數(shù)器

當(dāng)清零信號(hào) xx為 0時(shí)，輸出 c[5..0]=000000；當(dāng) xx為1時(shí)，c[5..0]加1計(jì)數(shù)，計(jì)數(shù)到62，計(jì)數(shù)周期為63 GCLK。為了和一個(gè)完整的PWM計(jì)數(shù)周期同步，在con的下降沿，c[5..0]必須從0開(kāi)始計(jì)數(shù)，其清零是通過(guò)控制m序列來(lái)實(shí)現(xiàn)的。在圖3電路中，m序列在清零時(shí)會(huì)多出一個(gè)狀態(tài)，所以選擇b[5..0]=000001前一個(gè)狀態(tài)的值，即b[5..0]=000000時(shí)來(lái)產(chǎn)生63計(jì)數(shù)的清零信號(hào)。如圖4電路所示，D觸發(fā)器在清除毛刺的同時(shí)延遲了一個(gè)周期，所以在con的上升沿時(shí)xx=0，c[5..0]清零。又因?yàn)閙序列在清零時(shí)多出一個(gè)狀態(tài)的緣故，在64個(gè)GCLK之后下一個(gè)清零信號(hào)xx才產(chǎn)生。于是，在con為1時(shí)，c[5..0]從 0計(jì)數(shù)到 63，共 64個(gè) GCLK；在 con為 0時(shí)，c[5..0]從0計(jì)數(shù)到62，為63個(gè)GCLK。這樣一個(gè)PWM 周期為 64×63 GCLK+1×64 GCLK=4 096 GCLK，從而實(shí)現(xiàn)了計(jì)數(shù)同步。

另外，根據(jù)m序列的周期為63 GCLK的特性，將x作為計(jì)數(shù)電路的時(shí)鐘，產(chǎn)生高位的計(jì)數(shù)器，如圖6所示。clrd為抓取con的下降沿后取反獲得的信號(hào)，和por_upb“或非”后對(duì)計(jì)數(shù)器清零。在 con的下降沿 c[11..6]從 0開(kāi)始計(jì)數(shù)，由于時(shí)鐘x的原因，c[11..6]的每個(gè)狀態(tài)有63個(gè) GCLK，因此，在 con為 0時(shí)的 4 032個(gè) GCLK就完成了0到63計(jì)數(shù)。在con為1時(shí)，LSB的比較只用到計(jì)數(shù)器n[5..0]的值，因此此時(shí)不需要對(duì) c[11..6]的數(shù)值進(jìn)行處理，只需在 con的下降沿將c[11..6]清零，實(shí)現(xiàn)各個(gè)計(jì)數(shù)器之間的同步。

圖6 高位計(jì)數(shù)電路

2.2 模式選擇電路

計(jì)數(shù)器 c[11..6]和 c[5..0]同步，可以通過(guò)對(duì)計(jì)數(shù)器位的選擇得到4種不同模式的計(jì)數(shù)電路，如圖7所示。

圖7 模式選擇電路

當(dāng)輸入信號(hào) sel[1..0]=00時(shí)，conb0=0，此時(shí) cnt[11..6]=cb[5..0]，MSB周期為 63 GCLK，打散 64次；當(dāng) sel[1..0]=01 時(shí)，conb1=0，此時(shí) cnt[11..6]=cb[7..2]，計(jì)數(shù)器左移了兩位，頻率變?yōu)樵瓉?lái)的1/4，MSB周期為252 GCLK，打散 16次；當(dāng) sel[1..0]=10時(shí)，conb2=0，此時(shí) cnt[11..6]=cb[9..4]，計(jì)數(shù)器左移了 4位，頻率變?yōu)樵瓉?lái)的 1/16，MSB周期為 1 008 GCLK，打散 4次；當(dāng) sel[1..0]=11時(shí)，conb3=0，此時(shí) cnt[11..6]=nb[11..6]，為 12 bit計(jì)數(shù)器的高6 bit，進(jìn)行正常的PWM計(jì)數(shù)，脈沖未打散。

2.3 比較器

將輸入影像數(shù)據(jù)與計(jì)數(shù)值進(jìn)行比較得到占空比不同的輸出波形，從而控制燈的導(dǎo)通時(shí)間，比較器的電路如圖8所示。

圖8 比較器電路

cn[11..6]為 12 bit計(jì)數(shù)器的高6位，是前面電路中cnt[11..6]取反的結(jié)果。cn[5..0]=n[5..0]為 12 bit計(jì)數(shù)器的低 6 bit，data[11..0]為 12 bit的輸入影像數(shù)據(jù)，pwm為脈沖未打散的輸出，pwmh為高6 bit的比較結(jié)果，pwml為低6 bit的比較結(jié)果。

利用與非門組成的SR鎖存器特性，進(jìn)行輸入數(shù)據(jù)與計(jì)數(shù)值的比較。por_up=0時(shí)，D觸發(fā)器初始化，S=0，R=1，輸出 pwm=0。 如輸入 data[11..0]=010011 101100，當(dāng)計(jì)數(shù)值 cn[11..0]=000000 000000 時(shí)，S=1，R=0，pwm輸出為 1；cn[11..0]=000000 000001 時(shí)，S=0，R=0，pwm輸出保持為 1；直到 cn[11..0]=data[11..0]時(shí)，S=0，R=1，此時(shí)，pwm的輸出變?yōu)?0。下一個(gè)狀態(tài)時(shí)，S=0，R=0，輸出為0并一直保持到一個(gè)周期結(jié)束。這樣就完成了一個(gè)12 bit的比較，用同樣的方法進(jìn)行高6 bit的比較以及低6 bit的比較。

2.4 輸出選擇電路

圖9 輸出選擇電路

圖10 4種模式下輸出的波形圖

最終的輸出選擇電路如圖9所示。根據(jù)計(jì)數(shù)模式的不同，從3路比較結(jié)果中得到1路輸出。con3為1（即模式 3）時(shí)，輸出為 pwm的比較結(jié)果；con3為 0（即模式 0、模式 1或者模式 2）時(shí)，若 cond為 1，則輸出 pwmh的比較結(jié)果，若cond為0，則輸出pwml的比較結(jié)果。經(jīng)過(guò)一系列的組合邏輯之后會(huì)出現(xiàn)毛刺，因此在最終輸出之前加一個(gè)D觸發(fā)器，這樣就得到了最終的輸出SPWM。

3 仿真結(jié)果

圖10是當(dāng)輸入數(shù)據(jù) data[11..0]=101100 010110（十進(jìn)制為 2 838，高 6 bit為 44，低 6 bit為 22）時(shí)，4種計(jì)數(shù)模式在MAX+PlusⅡ下的仿真波形圖。

從仿真的波形圖可以看出，模式0、模式1和模式2在con為0時(shí)spwm選擇輸出pwmh的結(jié)果，在con為1的時(shí)候spwm選擇輸出pwhl的結(jié)果。它們的MSB分別被打散了 64次、16次、4次，也就是將頻率分別提高了 64倍、16倍、4倍。模式3為正常的PWM計(jì)數(shù)。

目前，LED驅(qū)動(dòng)芯片中灰度計(jì)數(shù)時(shí)鐘頻率可達(dá)25MHz[6]，用傳統(tǒng)PWM計(jì)數(shù)的方法，灰度等級(jí)為16位時(shí)，靜態(tài)掃描刷新率僅為380 Hz。用打散64次的計(jì)數(shù)方式，灰度等級(jí)同樣為16位，可將灰階時(shí)鐘頻率降為4 MHz的同時(shí)刷新率提高到3.9 kHz。很好地解決了時(shí)鐘頻率與灰度等級(jí)的矛盾問(wèn)題，降低灰階時(shí)鐘頻率的同時(shí)也降低了電磁干擾。

本文設(shè)計(jì)了用邏輯電路來(lái)實(shí)現(xiàn)脈沖打散的方法，用m序列來(lái)產(chǎn)生63計(jì)數(shù)器，同時(shí)利用SR鎖存器實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)比較。該設(shè)計(jì)大大降低了電路的復(fù)雜程度，用最少的門電路完成設(shè)計(jì)，使后端的版圖面積更小，成本更低。

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