CN100485764C - 一种液晶灰度的非线性实现电路 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种液晶灰度的非线性实现电路，包括脉冲产生单元、灰度调制单元、灰度数据读取控制单元、数据存储器、帧同步产生单元；所述脉冲产生单元用于产生周期性的脉冲波形，生成行同步信号；所述灰度数据读取控制单元用于根据所述行同步信号，进行地址选择，从所述数据存储器中读出灰度数据作为所述灰度调制单元的输入；所述数据存储器用于存储灰度数据，输出灰度数据；所述帧同步产生单元接收所述行同步信号，并产生帧同步信号；所述灰度调制单元，输入所述脉冲和所述灰度数据，实现各段灰度数据的脉冲合并后输出。本发明的液晶灰度的非线性实现电路节省了功耗，最大可能的减少了短脉冲，可根据液晶器件的物理特性进行调整。

Description

一种液晶灰度的非线性实现电路

技术领域

本发明涉及一种驱动时间可配置的灰度调制单元结构，尤其涉及的是一种适合多种灰度调制方法的用于CSTN或OLED液晶显示控制驱动芯片的液晶灰度调制单元。

背景技术

现有技术的液晶显示屏的发光机制，是通过加在某个象素点上的电场不同来实现不同的亮度；现有的驱动芯片一般是采用动态驱动法，划分为行电极和列电极。一般以30Hz以上的帧频对行电极进行逐行扫描，对列电极同步施加亮或不亮的信号。

对列电极上的电压选通或不选通，是因为数字逻辑产生不同宽度的脉冲信号送给模拟驱动电路；当送出的脉冲宽度为0时，就不选通，当送出的脉冲宽度不为0时，就选通相应的时间长度，由此也就对应着不同的明暗等级，称为灰度。因此从数字电路设计角度看，关心的只是送给模拟驱动电路的脉冲宽度持续多长时间。脉冲宽度的最长持续电平，就是能够实现的最高灰度。

从原理上来说，任何颜色都是由RGB(红绿蓝)三基色根据不同比例混合得到。如果R、G、B分别有X、Y、Z种可能值，则总共可以达到X*Y*Z种色彩，例如R、G、B各有64种灰度选择，则共有64*64*64＝262144种可能组合。由于R、G、B的实现电路一模一样，所以需要设计出一种电路，可以把64个灰度值以某种波形输出给模拟的驱动电路。

目前一般有两种灰度调制方法，PWM和FRC。

PWM，即脉宽调制(Pulse Width Modulation)，是在一次扫描时间内分成若干个时间片，如64级灰度，就分成64个时间片，如果显示5/64灰度，那么对同一个点而言只有5/64的时间内是有驱动电压的，最后的等效电压就只有全黑的5/64了。

FRC，即帧频控制(Frame Rate Control)，是每个时间片变成了一子帧，显示64级灰度，那么就要用64子帧。首先要区分子帧(subframe)的概念，帧频是指一秒种内扫描的全屏数据的次数，为了实现FRC，一帧被分成若干子帧。由于人眼的视觉效果，感觉出的亮度是所有子帧的累加，见图1所示，示意了不同点的灰度值分别由其各子帧叠加而成的效果。

对于阶数比较高的灰度，一般采用PWM+FRC结合的方式。因为灰度越高，采用PWM需要的频率就越高，功耗也就越大。5PWM+1FRC是指分成两个子帧，每个子帧内有32个时间片，见图2所示。4PWM+2FRC是指分成四个子帧，每个子帧内有16个时间片，见图3所示。

一个灰度阶数可以认为就是一定的时间长度，对灰度阶数的一种实现方法是用计数器方式，计数到设定的灰度阶数后，电平拉低。但每个RGB单位都需要计数，这使得在电路上不经济，因此技术上不可能采用。另一种方法是用脉冲选通的方式，可以预先设定一组脉宽不同的P0、P1、P2、P3、......Pn，以P为单位选通，灰度数据实际上是选通P0、P1、P2、P3、......Pn中的某一个脉宽的信息。

通常情况下，这组值取1、2、4、8、16......，即所谓的线性方式，因为这组P0、P1、P2、P3、......Pn设定后，灰度值始终是从0到63。一个时间片就是一个时钟宽度，但如果取的值不是1、2、4、8、16......，则灰度值不再是线性递增，一个时间片就是所设置的最小值，这种灰度调制方式即为非线性。

对于线性情况，5PWM+1FRC算法有2个子帧，根据二进制计数的原理，固定脉冲的长度可以选择二进制计数的权值，即1，2，4，8，16...。每个脉冲对应一个灰度数据的相应位，要用5种脉冲宽度的组合来表示0——31的脉冲宽度。因为数据共有6位，还需要一个脉冲表示最低位是否有效，因为最低位只能在一个子帧内有效，所以该脉冲是第0子帧为低，第1子帧为高。

P0：第0子帧始终为0，第1子帧始终为1，对应Q0；

P1：高低电平都为1的周期性脉冲，对应Q1；

P2：高低电平为2的周期性脉冲，对应Q2；

P3：高低电平为4的周期性脉冲，对应Q3；

P4：高低电平为8的周期性脉冲，对应Q4；

P5：高低电平为16的周期性脉冲，对应Q5。

如42＝6’b101010，在第0子帧实现了21的脉冲宽度，在电路中，Q0＝0，Q1＝1，Q2＝0，Q3＝1，Q4＝0，Q5＝1。就是将pulse3为4宽度推到了pulse5的上升沿，pulse0为1宽度推到了pulse3的上升沿，这样，1+4+16，三个脉冲合并显示，就成了一个21的长脉冲。

当然，对于灰度数据为奇数的情况，第0子帧比第1子帧多一个灰度值。

4PWM+2FRC算法有4个子帧

P0：第0子帧始终为0，第1、2、3子帧始终为1，对应Q0；

P1：第0、1、2子帧始终为1，第3子帧始终为0，对应Q1；

P2：高低电平都为1的周期性脉冲，对应Q2；

P3：高低电平都为2的周期性脉冲，对应Q3；

P4：高低电平为4的周期性脉冲，对应Q4；

P5：高低电平为8的周期性脉冲，对应Q5。

例如，41＝6’b101001，分别对应Q5、Q4、Q3、Q2、Q1、Q0。从电路的实现中可以看到，第0子帧输出脉冲是宽度为1、2和8的两段脉冲合并，第1、2和3子帧输出脉冲是宽度为2和8的三段脉冲合并，所以输出的灰度值为11+10+10+10等于41。

当然，对于灰度数据不能为4整除的情况，是不可能平均分配的。如果余数为1，则分配到第0子帧，余数为2，分配到第1和2子帧，余数是3，分配到第0、1、2子帧。

现有技术尚无实用的液晶灰度的非线性实现电路。

发明内容

本发明的目的在于提供一种液晶灰度的非线性实现电路，其基准脉冲的宽度可配置，以使得时钟和帧频的配置更加灵活，避免出现短脉冲，从而对液晶的充电时间进行控制，改善显示效果。

本发明的技术方案如下：

一种液晶灰度的非线性实现电路，其中，包括脉冲产生单元、灰度调制单元、灰度数据读取控制单元、数据存储器、帧同步产生单元；

所述脉冲产生单元用于产生周期性的脉冲波形，作为所述灰度调制单元的输入，同时根据调制模式，生成行同步信号；

所述灰度数据读取控制单元用于根据所述行同步信号，进行地址选择，从所述数据存储器中读出灰度数据作为所述灰度调制单元的输入；

所述数据存储器用于存储灰度数据，根据所述灰度数据读取控制单元输入的地址和读申请信号，输出灰度数据；

所述帧同步产生单元接收所述行同步信号，并根据LCD面板的大小产生帧同步信号；

所述灰度调制单元，输入所述脉冲和所述灰度数据，实现各段灰度数据的脉冲合并后输出。

所述的电路，其中，所述灰度调制单元输出的高或低电平波形根据其高低持续时间不同来表示不同的灰度。

所述的电路，其中，所述脉冲产生单元通过时间片计数器，输出一个行同步信号。

所述的电路，其中，所述行同步信号同时也是所述数据存储器的读申请信号。

所述的电路，其中，所述灰度调制单元包括级联设置的多个单元，每一单元包括两个选择器，基准灰度数据经过一个反相器后，与基准脉冲作为或非门的两个输入，或非门的输出T0做为第一单元的第二选择器的输入之一；对第i单元，灰度数据Qi作为该单元第一选择器的选择信号，其两个输入分别是脉冲Pi与Pi的反相；这个输出Ti又作为该单元第二选择器的选择信号，其输入为所述灰度数据Qi与上一单元的输出，其中i为自然数的序号。

所述的电路，其中，所述脉冲产生单元的电路包括一控制器控制并联的各单元电路，对第j单元，脉冲Pj的脉冲宽度以及一时钟计数器的时钟信号输入到该单元比较器中，其输出作为对所述时钟计数器的复位信号，并在计数到配置的该单元脉冲宽度时复位，同时该输出作为该单元选择器的选择信号，用于对高电平和低电平的选择输出，该单元选择器的输出即为脉冲信号Pj，其中j为自然数的序号。

所述的电路，其中，所述脉冲满足以下条件：

所有值加起来等于最大值；最大值是一个相对值；每个值是逐渐增大的；任何组合之和不能等于其他组合之和。

本发明所提供的一种液晶灰度的非线性实现电路，与现有技术相比，节省了功耗，最大可能的减少了短脉冲，可根据液晶器件的物理特性进行调整。

附图说明

图1为现有技术的灰度调制在人眼的效果示意图；

图2为现有技术的5PWM+1FRC模式示意图；

图3为现有技术的4PWM+2FRC模式示意图；

图4为本发明的液晶显示驱动电路结构图；

图5为本发明液晶灰度的非线性实现电路的帧同步信号与行同步信号的关系图；

图6为本发明的灰度调制单元图；

图7为本发明的脉冲产生单元图；

图8为现有技术的线性模式5PWM+1FRC需要输入的脉冲激励波形，以及在该电路下的灰度数据输出效果图；

图9为现有技术的线性模式4PWM+2FRC需要输入的脉冲激励波形，以及在该电路下的灰度数据输出效果图；

图10为本发明的非线性模式，5PWM+1FRC需要输入的脉冲激励波形，以及在该电路下的灰度数据输出效果图。

具体实施方式

下面结合附图，将对本发明技术方案的实施作进一步的详细描述：

本发明的液晶灰度的非线性实现电路如图4所示，包括脉冲产生单元、灰度调制单元、灰度数据读取控制单元、数据存储器、帧同步产生单元。

其中，所述脉冲产生单元用于产生周期性的脉冲波形，作为灰度调制单元的输入，同时根据调制模式，生成行同步信号。所述灰度数据用于所述灰度数据读取控制单元根据所述行同步信号进行地址选择，从所述数据存储器件中读出灰度数据作为灰度调制单元的输入。所述数据存储器用于存储的是灰度数据，根据灰度数据读取控制单元输入的地址和读申请信号，输出灰度数据。所述帧同步产生单元用于接收行同步信号，根据LCD面板的大小，产生帧同步信号。所述灰度调制单元用于输入脉冲和灰度数据，实现各段灰度数据的脉冲合并后输出。输出的波形只有高和低两种电平，根据高低持续时间不同来表示不同的灰度。

所述脉冲产生单元用于通过时间片计数器输出一个行同步信号。该行同步信号表示LCD面板上一行的数据已经显示完成，帧计数器接收到该信号后就累加，如果累加的值达到LCD面板的行数，则输出一个帧同步信号。该信号实际上是指示一个子帧的结束。脉冲产生单元接收到帧同步信号后，对处于哪一个子帧进行判断，然后重新开始行同步信号的输出，如图5所示。所述行同步信号同时也是灰度数据存储器的读申请信号。

所述脉冲产生单元还产生脉冲波形，与灰度数据一起输出给灰度调制单元，产生包含灰度值信息的波形，该波形只有高和低两种表示，根据高低持续时间不同来表示不同的灰度。

由于显示任何色彩的灰度数据无法改变，所以脉冲产生单元与灰度调制单元的设计，就直接影响到了输出的波形。对图4所示的电路，本发明设计的重点是灰度调制单元和脉冲产生单元，如图6和图7所示的。

如图6所示的灰度调制单元的具体实施例，P为脉冲产生单元生成的脉冲，Q为灰度数据。基准灰度数据Q0经过一个反相器后，与基准脉冲P0作为或非门的两个输入。按照或非门的原理，只要有一个输入为1，则输出R0为0，因此只要Q0为0，则R0为0，Q0为1，则输出由基准脉冲P0决定。Q1作为第一选择器1的选择信号，第一选择器1的两个输入分别是P1与P1的反相。Q1为1，则选择P1，Q1为0则选择P1的反相。而这个输出T1又作为第二选择器2的选择信号，第二选择器2的输入为Q1与R0，T1为1选择Q1，T1为0选择R0，第二选择器2输出为R1。

所述灰度数据可以认为是一个选择信号，选择脉冲后输出。Q0对应着P0，Q1对应着P1，Qn对应着Pn。所述灰度调制单元依次处理，如图6所示，级联各单元电路，每一单元电路中包括两个选择器，Qi作为第一选择器1的选择信号，第一选择器1的两个输入分别是Pi与Pi的反相。Qi为1，则选择Pi，Qi为0则选择Pi的反相。而这个输出Ti又作为第二选择器2的选择信号，第二选择器2的输入为Qi与Ri-1，Ri-1为上一单元的输出，Ti为1选择Qi，Ti为0选择Ri-1，第二选择器2输出为Ri，其中i为自然数的序号，取值在0≤i≤n之间。

所述脉冲产生单元的电路如图7所示，由一控制器控制并联的各单元电路，其中的Pj脉冲宽度以及一时钟计数器j的时钟信号输入对应的比较器j中，该比较器j的输出作为对所述时钟计数器j的复位信号reset，在计数到配置的Pj脉冲宽度时复位，同时又作为对应选择器j的选择信号，用于对高电平1和低电平0的选择输出，其输出即为脉冲信号Pj，其中j为自然数的序号，取值在0≤j≤n之间。这样，如果脉冲产生单元产生一些特殊波形P0...Pj...Pn，则能使灰度调制单元最终的输出Rn是一个合并的脉冲，而不是离散的。

按这样的电路，在线性模式下，对于5PWM+1FRC模式，设计脉冲激励的输入波形如图8，对于4PWM+2FRC模式，设计脉冲激励的输入波形如图9，可以做到一个值的多个脉冲合并为一个完整的脉冲，同时，灰度值尽可能的均分到了2个或4个子帧中。从图8看到，灰度为42的值，拆分到两个子帧中，原来宽度为1、4和16三段脉冲，合并成了一个宽度为21的脉冲。

而在本发明实现电路中，需设置非线性的值如下：

4PWM+2FRC需要找到四个值，5PWM+1FRC需要找到五个值，都要满足以下约束条件：

1.所有值加起来等于最大值，4PWM+2FRC情况下最大值应该大于或等于16，5PWM+1FRC情况下最大值大于或等于32。

2.最大值是一个相对值，因为最大值与频率有关，最大值越大，帧频就越低，为达到显示效果，所需要的频率就越高，会引起功耗增加，所以要尽可能的取最小的值。

3.每个值是逐渐增大的，即A<B<C<D<E<F，A+B<C，A+B+C<D，A+B+C+D<E，A+B+C+D+E<F这是为了符合灰度调制单元，只有后面的脉冲大于前面的脉冲之和，才能将脉冲推移，从而实现脉冲合并。

4.任何组合之和不能等于其他组合之和。如果组合后的值重复了，也就是说灰度重复了，实现的灰度就少了，且浪费了资源。

本发明实现电路需要找到符合条件的一组值{P0，P1，P2，P3，......Pn}。在现有技术的线性算法中，5PWM+1FRC是{1，2，4，8，16}，4PWM+2FRC是{1，2，4，8}。如果不取这组线性值，其范围肯定超过0——63，因此，本发明实现电路采用可编程的方式输入一组非线性值。

对本发明的脉冲激励产生电路分析如下：该部分电路的目的就是为了产生特定的6个脉冲，每个脉冲的宽度可以通过控制器设置。每一个计数器与配置的脉冲宽度比较，如果达到了最大值，则P的脉冲反转，计数器复位。

分析P0的产生：首先通过控制器配置P0脉冲宽度的值，计数器0根据时钟开始计数。如果计数到配置的P0脉冲宽度，则P0电平反转，计数器0复位。如图7所示的，P1、P2......Pn的产生电路，原理与P0类似，所述控制器对P0......Pn脉冲宽度的配置必须符合上述的约束条件。所述计数器n达到最大值，还表明一行显示的结束，此时需要产生行同步信号。

对于本发明的非线性情况，设置一组符合约束条件的值{B＝1，C＝3，D＝5，E＝10，F＝20}，由此得到的64个灰度值对应的时间长度见如下表格。

 

灰度	时钟	A	B	C	D	E	F
											1	3	5	10	20
0	0
								1	1		√
2	3			√
								3	4		√	√
4	5				√
								5	6		√		√
6	8			√	√
								7	9		√	√	√
8	10					√
								9	11		√			√

 

10	13			√		√
								11	14		√	√		√
12	15				√	√
								13	16		√		√	√
14	18			√	√	√
								15	19		√	√		√
16	20						√
								17	21		√				√
18	23			√			√
								19	24		√	√			√
20	25				√		√
								21	26		√		√		√
22	28			√	√		√
								23	29		√	√	√		√
24	30					√	√
								25	31		√			√	√
26	33			√		√	√
								27	34		√	√		√	√
28	35				√	√	√
								29	36		√		√	√	√
30	38			√	√	√	√
								31	39		√	√	√	√	√

由于5PWM+1FRC模式分成两个子帧，所以一个子帧实现32级灰度。可以看到，灰度级31对应的时间宽度为39，选择全部的脉冲。灰度级6对应宽度8，选择C和D两段脉冲。如图10所示的实施例中，灰度值42，每个子帧实现21的灰度级，选择B、D、F三段脉冲，所以持续时间宽度为(1+5+20＝26)。

由于时间长度改变，导致对液晶器件的充电时间增加了，但一帧的显示时间也增加了，导致帧频降低，所以要本发明实现电路可以根据器件的特性均衡考虑。

综上所述，本发明设计的液晶显示驱动电路，不但实现灰度数据的多个脉冲合并，降低了功耗，而且还可以根据5PWM+1FRC和4PWM+2FRC两种调制方式，设置不同的脉冲宽度值，有利于改变显示时钟和帧频，有利于根据液晶器件的物理特性调整显示效果。

应当理解的是，上述针对具体实施例的描述较为详细，并不能因此而认为是对本发明专利保护范围的限制，本发明的专利保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (7)

1、一种液晶灰度的非线性实现电路，其特征在于，包括脉冲产生单元、灰度调制单元、灰度数据读取控制单元、数据存储器、帧同步产生单元；

所述脉冲产生单元用于产生周期性的脉冲波形，作为所述灰度调制单元的输入，同时根据调制模式，生成行同步信号；

所述灰度数据读取控制单元用于根据所述行同步信号，进行地址选择，从所述数据存储器中读出灰度数据作为所述灰度调制单元的输入；

所述数据存储器用于存储灰度数据，根据所述灰度数据读取控制单元输入的地址和读申请信号，输出灰度数据；

所述帧同步产生单元接收所述行同步信号，并根据LCD面板的大小产生帧同步信号；

所述灰度调制单元，输入所述脉冲和所述灰度数据，实现各段灰度数据的脉冲合并后输出。

2、根据权利要求1所述的电路，其特征在于，所述灰度调制单元输出的高或低电平波形根据其高低持续时间不同来表示不同的灰度。

3、根据权利要求1所述的电路，其特征在于，所述脉冲产生单元通过时间片计数器，输出一个行同步信号。

4、根据权利要求1所述的电路，其特征在于，所述行同步信号同时也是所述数据存储器的读申请信号。

5、根据权利要求1所述的电路，其特征在于，所述灰度调制单元包括级联设置的多个单元，每一单元包括两个选择器，基准灰度数据经过一个反相器后，与基准脉冲作为或非门的两个输入，或非门的输出T0做为第一单元的第二选择器的输入之一；对第i单元，灰度数据Qi作为该单元第一选择器的选择信号，其两个输入分别是脉冲Pi与Pi的反相；这个输出Ti又作为该单元第二选择器的选择信号，其输入为所述灰度数据Qi与上一单元的输出，其中i为自然数的序号。

6、根据权利要求1所述的电路，其特征在于，所述脉冲产生单元的电路包括一控制器控制并联的各单元电路，对第j单元，脉冲Pj的脉冲宽度以及一时钟计数器的时钟信号输入到该单元比较器中，其输出作为对所述时钟计数器的复位信号，并在计数到配置的该单元脉冲宽度时复位，同时该输出作为该单元选择器的选择信号，用于对高电平和低电平的选择输出，该单元选择器的输出即为脉冲信号Pj，其中j为自然数的序号。

7、根据权利要求1至6任意权项所述的电路，其特征在于，所述脉冲满足以下条件：

所有值加起来等于最大值；最大值是一个相对值；每个值是逐渐增大的；任何组合之和不能等于其他组合之和。

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