CN110022630B

CN110022630B - 一种pwm无闪烁数字调光装置及方法

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Publication number: CN110022630B
Application number: CN201910307360.9A
Authority: CN
Inventors: 冯东
Original assignee: Huada Empyrean Software Co Ltd
Current assignee: Beijing Empyrean Technology Co Ltd
Priority date: 2019-04-17
Filing date: 2019-04-17
Publication date: 2020-05-12
Anticipated expiration: 2039-04-17
Also published as: CN110022630A

Abstract

一种PWM无闪烁数字调光装置及方法，包括主计数器、从计数器、计数器位宽校准模块及抖动消除模块，其中，所述主计数器，对过采样时钟信号进行持续计数，并输出计数满指示信号；所述从计数器，对PWM信号为高电平时的过采样时钟信号进行计数；当所述主计数器计数满时，所述从计数器输出的计数值作为所述PWM信号占空比的数字值，并同时输出检测到的所述PWM信号的周期数；所述计数器位宽校准模块，根据所述从计数器输出的PWM信号的周期数，调整所述主计数器和所述从计数器的有效位宽；所述抖动消除模块，消除所述从计数器输出的所述PWM信号占空比的数字值序列的低位抖动。本发明还提供一种PWM无闪烁数字调光方法，可以确保可控的调光过渡时间。

Description

一种PWM无闪烁数字调光装置及方法

技术领域

本发明涉及电路设计技术领域，特别是涉及一种PWM无闪烁数字调光装置及方法。

背景技术

LED照明正在取代传统的白炽灯和荧光灯照明。LED照明具有节约能源、安全环保、使用寿命长、响应速度快等优点。LED照明的亮度调节原理是调节单位时间内通过LED的平均电流。

目前常用的LED照明的亮度调节方案如图 1所示，包括用于控制LED明灭的PWM信号生成器101、开关管103、恒流源104以及LED管105。PWM信号生成器101生成的PWM信号，如图 2所示，分别为两个不同占空比的PWM信号。PWM信号的占空比决定了LED管的导通时间。在恒流源104的驱动下，LED管的发光亮度同比于PWM信号的占空比。该方案对人眼可以通过LED管的不同明灭时长比实现亮度调节。由于PWM信号控制着LED管的明灭，LED管输出的是不停闪烁的光。虽然人眼不能感觉到LED管输出光的闪烁，但采用电子摄像头拍摄的视频及图像仍能受LED管输出光的闪烁的影响。

为了消除LED管输出光的闪烁，模拟方式的DC（直流）调光改变LED管的导通电流。如图 3所示的DC调光方案，包括调光控制电压信号301、电压控制电流源（VCCS）302以及LED管303。电压控制电流源302的输出电流随调光控制电压信号301的值线性变化。该调光方式的控制信号是模拟量，LED管是持续导通，其发光亮度由通过的电流直接控制。由于LED管持续导通，不存在闪烁问题。

为了和PWM调光控制方式兼容，需要将PWM信号的占空比信息转换为对应的模拟调光控制电压信号。其基本思路如图 4所示，包括控制LED管亮度的PWM信号生成器401、PWM信号占空比转换器403、电压控制电流源（VCCS）405以及LED管406。PWM信号占空比转换器403将PWM信号的占空比信息转换成亮度控制电压信号404，从而调节LED管的发光亮度。

图 5所示是实现PWM信号占空比转换的一个简单方案，其采用RC低通滤波器对输入的PWM信号进行积分滤波，输出的DC值反映了PWM信号的占空比。由于PWM信号的调光频率最低可达100Hz，对应所需较大的电阻RS和电容CS。由于PWM信号生成器的电源电压通常存在±10%的变化，其100%占空比对应的全量程滤波输出亮度控制电压信号同样存在±10%的变化。为了提高调光精度，需要将PWM信号生成器的电源电压输入给LED驱动电路以生成和PWM信号生成器的电源电压匹配的参考电压。

图 6所示为实现PWM信号占空比转换的一个数字方案，其采用过采样时钟信号CLK对PWM信号的周期和高电平脉宽分别同时进行计数。每PWM信号周期，过采样时钟信号CLK的PWM信号高电平脉宽计数为HC，同时对应的PWM信号周期计数为PC。后续除法器计算HC/PC为对应占空比的数字值。所需计数器的位宽由过采样时钟与PWM信号频率比及所需的调光精度决定。该方案依赖于PWM信号中周期出现的高电平脉冲来确定周期计数，对于占空比为0%或100%的PWM信号需要特别处理。另外，除法器的实现也需要较多的逻辑门。

发明内容

为了解决现有技术存在的不足，本发明的目的在于提供一种PWM无闪烁数字调光装置及方法，具有的在线自校准功能可以确保可控的调光过渡时间。

为实现上述目的，本发明提供的一种PWM无闪烁数字调光装置，包括，主计数器、从计数器、计数器位宽校准模块及抖动消除模块，其中，

所述主计数器，对过采样时钟信号进行持续计数，并输出计数满指示信号；

所述从计数器，对PWM信号为高电平时的过采样时钟信号进行计数；当所述主计数器计数满时，所述从计数器输出的计数值作为所述PWM信号占空比的数字值，并同时输出检测到的所述PWM信号的周期数；

所述计数器位宽校准模块，根据所述从计数器输出的PWM信号的周期数，调整所述主计数器和所述从计数器的有效位宽；

所述抖动消除模块，消除所述从计数器输出的所述PWM信号占空比的数字值序列的低位抖动。

进一步地，所述主计数器和所述从计数器的有效位宽相同且可动态配置。

进一步地，所述主计数器持续对所述过采样时钟进行计数，无需检测所述PWM信号。

进一步地，所述从计数器只在所述PWM信号为高电平时对所述过采样时钟进行计数，同时对检测到的所述PWM信号的上升沿或下降沿进行计数。

进一步地，当所述主计数器计数满，输出高电平计数满指示信号，所述主计数器和所述从计数器同时复位，重新开始计数。

进一步地，当所述主计数器计数满，所述计数器位宽校准模块根据所述从计数器对所述PWM信号的上升沿或下降沿的计数调整所述主计数器和所述从计数器的有效位宽。

更进一步地，所述抖动消除模块，对所述从计数器输出的所述PWM信号占空比的数字值序列进行加窗平滑和截位处理，输出所述PWM信号占空比的稳定量化值。

为实现上述目的，本发明提供的一种PWM无闪烁数字调光方法，包括：

对过采样时钟信号进行持续计数，获取计数满指示信号；

同时对PWM信号为高电平时的所述过采样时钟信号进行计数，并检测所述PWM信号的周期数；

根据所述PWM信号的周期数调整计数器的有效位宽；

消除从计数器输出的所述PWM信号占空比的数字值序列的低位抖动。

进一步地，还包括，当获得计数满指示信号时，

复位计数器并重新开始计数；

得到所述PWM信号占空比的数字值。

进一步地，所述消除从计数器输出的所述PWM信号占空比的数字值序列的低位抖动的步骤，是对数字值序列进行加窗平滑和截位处理，输出所述PWM信号占空比的稳定量化值。

本发明的一种PWM无闪烁数字调光装置及方法，具有以下有益效果：

1）可以和现有PWM调光方案兼容，无需除法器即可直接输出PWM信号占空比的稳定量化值。

2）PWM信号占空比转换器持续对过采样时钟及在PWM信号为高电平条件下分别进行计数，无需除法器即可得出符合调光精度要求的占空比的稳定量化值，对0%和100%占空比的PWM信号无需特殊处理。

3）在不同的PWM信号频率和过采样时钟频率的配置下，计数器位宽校准可在调光精度和调光切换的过渡时间之间进行优化。

本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。

附图说明

附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，并与本发明的实施例一起，用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1为PWM控制的LED照明的亮度调节方案示意图；

图2为不同占空比的PWM信号示意图；

图3为DC调光的LED照明的亮度调节方案示意图；

图4为采用PWM控制的LED照明的模拟DC调光方案示意图；

图5为实现PWM信号占空比转换的RC低通滤波器示意图；

图6为实现PWM信号占空比转换的原理方框示意图；

图7为根据本发明的一种PWM无闪烁数字调光装置原理图；

图8为根据本发明的一种PWM无闪烁数字调光方法流程图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。

图7为根据本发明的一种PWM无闪烁数字调光装置原理图，如图7所示，本发明的一种PWM无闪烁数字调光装置，包括，主计数器703、从计数器704、计数器位宽校准模块708，以及抖动消除模块709，其中，

主计数器703对过采样时钟CLK 信号701持续进行计数，输出计数满指示信号705。从计数器704仅当 PWM信号702为高电平时对过采样时钟CLK 信号701进行计数，输出706为当主计数器703计数满时计得的PWM信号702为高电平期间的计数值序列706，输出当主计数器703计数满时计得的PWM信号702的上升沿（或下降沿）的个数707（周期数）。计数器位宽校准模块708依据主计数器703计数周期内计得的PWM信号702的上升沿（或下降沿）的个数校准主计数器及从计数器的有效位宽。抖动消除模块709用于消除由于PWM信号702和过采样时钟CLK信号701间相位不确定，引起的从计数器704输出的所述PWM信号占空比的数字值序列的低位抖动。这样，该PWM无闪烁数字调光装置及方法和现有的PWM调光方案兼容，无需除法器即可直接输出PWM信号702的占空比的数字值，对于0%和100%占空比的PWM信号702（无周期信息）无需特殊处理，计数器位宽校准模块708可在线调整主计数器703和从计数器704的有效位宽，优化调光精度和调光切换的过渡时间，抖动消除后可输出PWM信号占空比的稳定量化值。

主计数器703和从计数器704具有同样的可配置计数位宽。当主计数器703计数满时，输出计数满指示信号705为逻辑高，此时从计数器704的计数值就输出为PWM信号占空比的数字值。由于主计数器703是满计数，占空比无需除法运算，就是主计数器703计数满时的从计数器704的当前计数值。

主计数器703持续对过采样时钟CLK信号701进行计数，无需检测所述PWM信号702。

从计数器704只在PWM信号702为高电平时对过采样时钟CLK信号701进行计数，同时对检测到的所述PWM信号702的上升沿或下降沿进行计数。

计数满指示信号705为逻辑高后，主计数器703和从计数器704同时复位，重新开始计数。由于实际过采样时钟CLK信号701的频率存在较大的变化范围，同时PWM信号702的频率也是在一定范围内可调。为了满足各种实际条件下的调光精度要求，主计数器703和从计数器704需要较大的计数位宽。但对于调光切换的过渡时间有要求的应用，固定的计数位宽会在最差情况下导致过长的调光切换的过渡时间。

计数器位宽校准模块708依据主计数器703计数周期内计得的PWM信号702的上升沿（或下降沿）的个数（即PWM信号702的周期数），动态调整计数器有效位宽使得在主计数器703计数周期内计得的PWM信号702的周期数在确定的范围内变化。由于计数器位宽校准模块708是在线持续调整计数器位宽，即使PWM信号频率或过采样时钟信号频率发生了变化，计数器有效位宽仍会依据实际进行动态调整。

由于主计数器703持续对过采样时钟CLK信号701进行计数，并不依赖于PWM信号702中是否存在高电平脉冲。当PWM信号的占空比为0%时，从计数器704的计数值为0，最终输出的占空比的数字值为0。类似的，当PWM信号的占空比为100%时，从计数器704和主计数器703的计数值是始终一致的，最终输出的占空比的数字值为满量程值。本发明对0%和100%占空比的PWM信号不需要做特殊处理，直接即可得出正确的占空比的数字值。

当PWM信号的占空比为0%或100%时，由于不存在PWM信号的上升沿（或下降沿），计数器位宽校准模块708会把计数器的有效位宽逐步增加到最大值。由于计数器位宽校准模块708是在线持续调整计数器有效位宽，当PWM信号的占空比不再为0%或100%时，计数器的有效位宽会逐步调整到最佳值。

由于PWM信号702和过采样时钟CLK信号701的相位及频率关系均是不确定的，因此输出的占空比的数字值序列仍会有低位抖动。抖动消除709会对从计数器704输出的占空比的数字值序列进行处理，如对数字值序列进行加窗平滑和截位处理，消除数字值序列的低位抖动并输出符合调光精度要求位数的PWM信号占空比的稳定量化值。

图8为根据本发明的一种PWM无闪烁数字调光方法流程图，下面将参考图8，对本发明的PWM无闪烁数字调光方法进行详细描述：

首先，在步骤801，对过采样时钟信号进行持续计数，输出计数满指示信号；在该步骤中，主计数器703对过采样时钟CLK 信号701持续进行计数，输出计数满指示信号705。

在步骤802，对PWM信号为高电平时的所述过采样时钟信号进行计数，并输出检测到的所述PWM信号的周期数；该步骤中，从计数器704仅当 PWM信号702为高电平时对过采样时钟CLK 信号701进行计数，当主计数器703计数满时（输出计数满指示信号时），从计数器704输出PWM信号占空比的数字值，并同时输出检测到的所述PWM信号702的周期数。

在步骤803，根据检测到的所述PWM信号的周期数调整计数器的有效位宽。该步骤中，计数器位宽校准模块708依据主计数器703计数周期内计得的PWM信号702的上升沿（或下降沿）的个数（即PWM信号702的周期数），动态调整计数器有效位宽使得在主计数器703计数周期内计得的PWM信号702的周期数在确定的范围内变化。

在步骤804，消除占空比的数字值序列的低位抖动。该步骤中，抖动消除709对从计数器704输出的占空比的数字值序列进行加窗平滑和截位处理，以消除从计数器704输出的占空比的数字值序列的低位抖动，输出符合调光精度要求位数的PWM信号占空比的稳定量化值。

下面结合一具体实施例对本发明的PWM无闪烁数字调光装置及方法做进一步的说明。

为了便于说明，PWM信号采用的频率范围为100Hz~10KHz，占空比全覆盖0%~100%，调光精度小于1%，占空比调整的过渡时间小于100ms。

最窄的PWM信号的高电平脉冲宽度为

为了可靠地采样到该窄脉冲，过采样时钟的频率应不低于2MHz。据此设计的过采样时钟CLK的频率变化范围为2MHz~4MHz。

占空比调整的过渡时间小于100ms，对应的PWM信号的周期数不超过

100ms*100Hz=10

主计数器和从计数器的有效计数位宽n在计数器位宽校准调整下，满足如下约束

在上述给定条件下，主计数器和从计数器的最大可调整位宽可选择为18位，最小可调整位宽可选择为11位。计数器位宽校准会自动在线优化主计数器和从计数器的有效位宽以满足上述约束条件。由于1%调光精度的要求，选择抖动消除后输出的占空比的稳定量化值位宽为8位。

计数器位宽校准起始设置主计数器和从计数器的有效位宽为11位。在主计数器对过采样时钟CLK进行持续计数时，从计数器只对当PWM信号为高电平时的过采样时钟CLK进行计数，同时对PWM信号中的上升沿（或下降沿）的个数进行计数（即PWM信号的周期数）。当主计数器计数满时，输出计数满指示信号为高，此时的从计数器的计数值为PWM信号占空比的数字值。计数器位宽校准根据主计数器计数周期内计得的PWM信号的上升沿（或下降沿）的个数对主计数器和从计数器的有效位宽进行动态调整。若计得的PWM信号的上升沿（或下降沿）的个数小于5，则计数器的有效位宽增加1；若计得的PWM信号的上升沿（或下降沿）的个数不小于10，则计数器的有效位宽减小1；其它情况，则保持计数器的有效位宽不变。在计数器位宽校准完成后，主计数器计数周期内计得的PWM信号的上升沿（或下降沿）的个数不小于5且小于10。当PWM信号的占空比发生调整时，会有一个主计数器计数周期，期间的从计数器的计数会跨越PWM信号的两个不同的占空比，从而输出一个宽度为一个主计数器计数周期的过渡值（其值位于占空比调整前后两个占空比之间）。由于计数器位宽校准会确保输出的占空比的过渡值的时长小于10个PWM信号周期，在最极端的情况下，PWM信号的周期最长为10ms，则可确保占空比调整的过渡时间小于100ms。

当PWM信号的占空比为0%或100%时，由于在主计数器计数周期内PWM信号中不存在上升沿（或下降沿），从而计数器位宽校准会逐步增加计数器的有效位宽，直至有效位宽达到设计的18位最大可调整位宽。由于当PWM信号的占空比为0%或100%时，主计数器和从计数器是同步进行计数，并不依赖于PWM信号中的上升沿（或下降沿）来确定PWM信号的周期，从而可直接输出对应0%或100%占空比的正确数字值。

本领域普通技术人员可以理解：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种PWM无闪烁数字调光装置，其特征在于，包括，主计数器、从计数器、计数器位宽校准模块及抖动消除模块，其中，

所述从计数器，对PWM信号为高电平时的过采样时钟信号进行计数，同时对检测到的所述PWM信号的上升沿或下降沿进行计数；当所述主计数器计数满时，所述从计数器输出的计数值作为所述PWM信号占空比的数字值，并同时输出检测到的所述PWM信号的周期数；

所述计数器位宽校准模块，根据所述从计数器输出的PWM信号的周期数，调整所述主计数器和所述从计数器的有效位宽，使所述有效位宽相同且可动态配置；

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述主计数器持续对所述过采样时钟进行计数，无需检测所述PWM信号。

3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，当所述主计数器计数满，输出高电平计数满指示信号，所述主计数器和所述从计数器同时复位，重新开始计数。

4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，当所述主计数器计数满，所述从计数器的当前计数值输出为所述PWM信号占空比的数字值。

5.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，当所述主计数器计数满，所述计数器位宽校准模块根据所述从计数器对所述PWM信号的上升沿或下降沿的计数调整所述主计数器和所述从计数器的有效位宽。

6.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述抖动消除模块，对所述从计数器输出的所述PWM信号占空比的数字值序列进行加窗平滑和截位处理，输出所述PWM信号占空比的稳定量化值。

7.一种PWM无闪烁数字调光方法，其特征在于，采用权利要求1-6任一种所述的PWM无闪烁数字调光装置，包括：

所述主计数器对过采样时钟信号进行持续计数，获取计数满指示信号；

所述从计数器同时对PWM信号为高电平时的所述过采样时钟信号进行计数，并检测所述PWM信号的周期数；

所述计数器位宽校准模块根据所述PWM信号的周期数，调整计数器的有效位宽；

所述抖动消除模块消除从计数器输出的所述PWM信号占空比的数字值序列的低位抖动。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，还包括，

当获得计数满指示信号时，所述主计数器和所述从计数器同时复位并重新开始计数；

当所述主计数器计数满时，所述从计数器输出的计数值作为所述PWM信号占空比的数字值。

9.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述抖动消除模块消除从计数器输出的所述PWM信号占空比的数字值序列的低位抖动的步骤，是所述抖动消除模块对数字值序列进行加窗平滑和截位处理，输出所述PWM信号占空比的稳定量化值。