CN112634817A - 一种pwm调光装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种PWM调光装置:振荡器,用于生成振荡信号并输出至非线性校正单元和算术平均分割的PWM调光单元;复位单元,用于根据供电电平对非线性校正单元和算术平均分割的PWM调光单元进行复位;非线性校正单元,将外部灰度编码信号转化为适用于人眼的灰度级编码,非线性校正单元的输入端接收外部灰度编码信号,非线性校正单元的复位端与复位单元的输出端连接,非线性校正单元的时钟端与振荡器的输出端连接;算术平均分割的PWM调光单元,用于将灰度级编码转化为LED的输出,算术平均分割的PWM调光单元的输入端与非线性校正单元的输出端连接。该PWM调光装置可以解决传统PWM调光算法装置刷新频率低导致显示效果差,人眼视觉效果不佳的问题。
Description
技术领域
本发明涉及电路技术领域,具体涉及一种平均分割PWM调光算法及装置。
背景技术
传统的LED灰度算法显示系统存在许多问题,如刷新频率低、有残影、显示不均匀等。在实际应用中,需要对LED驱动器提出更高的要求,不仅希望LED 驱动器能够支持对光亮度的调节,同时希望能够满足高画质影像的要求,精确地再现全动态视频所需的全色谱。
PWM调光是保持电流大小恒定,周期性地打开和关闭LED来改变电流的导通时间。人眼对亮度的感受是一个累积的过程,所以导通的时间在整个周期中所占的比例越大,人眼感受到的亮度越高。当开关造成的闪烁超过临界闪烁频率,人眼就无法分辨出光源在闪烁,人眼会认为是连续的。传统的PWM调光算法,在高字位段会出现高低电平的集中输出,导致LED灰阶亮度的不均匀性,视觉效果不佳。当分辨率越大时,高字位所占比例越大,不均匀性越严重。
由于传统PWM调光算法中灰度数据的高位权值大导致整体灰度均匀性较差的现象,将一个PWM显示周期均分成数个短的导通时间,同时将灰度数据分割为3部分,即将整个灰度数据分割成最高位灰度数据、次高位灰度数据和低位灰度数据进行处理,从而提高了刷新频率和显示效果。对于M位的灰度数据,若低位灰度数据为N,最高位灰度数据为P,次高位灰度数据为(M-N-P)。原先最高位灰度数据的最低位的权值是2M-P,现在变成2M-P-N,而原先最高位灰度数据的最高位的权值是2M-1,现在变成2M-N-1;原先次高位灰度数据的最低位的权值是2N,现在变成20,而原先次高位灰度数据的最高位的权值是2M-P-1,现在变成2M-P-N-1。
如图1所示,每个显示子周期中包含2M-N个基本时钟,其中最高位灰度数据占用(2M -N-2M-N-P)个基本时钟,次高位灰度数据占用(2M-N-P-1)个基本时钟,低位灰度数据占一个基本时钟。
在实际应用中,对于给定长度为M的二进制灰度数据,还有关于应该如何选择低位灰度数据的位数N和最高位灰度数据的位数P的问题。当N越大时,显示子周期的数量就会越多,刷新率越高,整体显示效果越好。但是当N越大,系统的复杂性也会越高,所以要合理选择N值。P的选择决定了显示子周期的均匀性,P如果太大,可能会导致最高位灰度占用的基本时钟太高,出现高低电平的集中输出,导致显示子周期的灰阶亮度的均匀性不足。
发明内容
针对现有技术不足,本发明提高了一种PWM调光装置,旨在解决传统PWM 调光算法装置刷新频率低导致显示效果差,人眼视觉效果不佳的问题。
本发明包括了一种PWM调光装置,包括:
振荡器,用于生成振荡信号,并输出至非线性校正单元和算术平均分割的 PWM调光单元;
复位单元,用于根据所述的供电电平对非线性校正单元和算术平均分割的 PWM调光单元进行复位;
非线性校正单元,用于接收到外部灰度编码信号后,将外部灰度编码信号转化为适用于人眼的灰度级编码,所述非线性校正单元的输入端接收外部灰度编码信号,所述非线性校正单元的复位端与所述复位单元的输出端连接,所述非线性校正单元的时钟端与振荡器的输出端连接;
算术平均分割的PWM调光单元,用于将所述的灰度级编码转化为LED的输出,所述算术平均分割的PWM调光单元的输入端与所述非线性校正单元的输出端连接。
本发明的PWM调光装置中的振荡器、复位单元、非线性校正单元和算术平均分割的PWM调光单元可以集成为芯片。
作为优选,所述非线性校正单元使用逻辑单元电路对输出编码进行转化,也可以使用其他电路对编码进行转化。
所述非线性校正单元包括输入单元和γ校正查找表结构,所述输入单元的输入端与外部灰度编码信号连接,所述输入单元的输出端与所述γ校正查找表结构连接,所述γ校正查找表结构的复位端与所述复位单元的输出端连接,所述γ校正查找表结构的时钟端与所述振荡器的输出端连接,所述γ校正查找表结构的输出端与所述算术平均分割的PWM调光单元连接。
所述的算术平均分割的PWM调光单元,包括:
低位计数器、高位计数器、高位比较器、低位比较器、逻辑计算单元和三输入或门:
所述低位计数器的复位端、高位计数器的复位端同时与所述复位单元的输出端连接,所述低位计数器的时钟端、高位计数器的时钟端同时与所述振荡器的输出端连接,所述高位比较器的第一输入端、低位比较器的第一输入端、逻辑比较单元的第一输入端为所述算术平均分割的PWM调光单元的输入端,所述高位计数器的进位端与低位计数器的第二输出端相连,所述低位计数器的进位端与低电平连接,所述高位比较器的第二输入端与所述高位计数器的第一输出端连接,所述低位比较器的第二输入端、逻辑比较单元的第二输入端与所述低位计数器的第一输出端连接,所述高位比较器的输出端、低位比较器的输出端、逻辑比较单元的输出端与所述三输入或门的第一输入端、第二输入端、第三输入端连接,所述三输入或门的输出端为所述算术平均分割的PWM调光单元的输出端。
与传统PWM调光装置相比,本发明不仅提高了刷新频率,而且减少灰度数据的高权值对灰度均匀性的影响;与普通的PWM倍频算法装置相比,改善了由于低字位开关切换次数较多,引起的低灰度显示效果不佳的问题。
附图说明
图1为平均分割PWM算法的实现方式;
图2为实施例中的PWM调光装置的结构示意图;
图3为实施例中的非线性校正单元的结构示意图;
图4为人眼视觉感受到的灰度亮度;
图5为实施例的算术平均分割的PWM调光单元;
图6为实施例中输出的最高位分配方式。
具体实施方式
下面将结合附图和具体实施例对本发明进一步详细描述。
如图2所示(虚线框所示部分),本实施例提供了一种PWM调光装置,该调光装置外部与LED显示设备201连接,包括:
复位单元101,用于根据所述的供电电平对非线性校正单元和算术平均分割的PWM调光单元设置开启时的初始化和检测灰度级编码的起始信号进行复位。
振荡器102,用于生成振荡信号OSC,在本实施例中,用于提供预设振荡周期T的振荡信号OSC,也可以从外部接收具有预设振荡周期T的振荡信号。
非线性校正单元103,用于接收到外部灰度编码信号后,将灰度编码转化为适用于人眼的灰度级编码,非线性校正单元103的输入端接受外部灰度编码信号,非线性校正单元103的复位端与复位单元101的输出端连接,非线性校正单元的时钟端与振荡器102的输出端连接非线性校正单元103的输出端与算术平均分割的PWM调光单元104连接。
非线性校正的硬件实现方法,常用有两种方法:第一种是利用泰勒展开式,使用加法器和乘法器来进行实时运算;第二种是利用硬件查找表的方式,将原始的AD采样值作为查找表的输入地址,非线性校正后的采样值作为输出数据。
本实施例的非线性校正单元103采用硬件查找表方式来实现适应人眼视觉特性的非线性校正,如图3所示。本实施例的非线性校正单元103包含输入单元 131,γ校正查找表结构132。
本实施例的输入单元131输入端与外部灰度编码信号连接,输入单元131 输出端与γ校正查找表结构132连接,γ校正查找表结构132的复位端与复位单元101的输出端连接,γ校正查找表结构132的时钟端与振荡器102的输出端连接,γ校正查找表结构132的输出端与算术平均分割的PWM调光单元104连接。
图3中的RST信号为复位信号;CLK信号为时钟信号,用作γ校正时的同步;Address信号为AD采样后获得的灰度数据,用来作为LUT查找表的地址信息;PWM_adj信号为经过非线性校正后的灰度信息,输出给后端的算术平均分割的PWM调光单元104。
以16级灰度数据为例,采用硬件查找方式实现非线性校正前后,人眼视觉感受到的灰度亮度如图4所示,Gin为灰度级输入,Gout为人眼视觉感受到的灰度级输出,非线性校正前的低亮度段的亮度跳变会比较快,高亮度段的亮度跳变会比较慢,很不均匀,使图像的层次感欠佳。经过非线性校正后,缩小低亮度段的亮度所占比例,而扩大高亮度段的亮度所占比例,使得人眼视觉感受到的灰度亮度呈线性变化。由仿真得到的非线性校正输入与输出灰度级的关系如表1所示。
表1仿真得到的非线性校正输入与输出灰度级的关系
输入灰度级 | 输出灰度级 |
0~8191 | 0~675 |
8192~16383 | 676~3104 |
16384~24575 | 3104~7574 |
24576~32767 | 7575~14262 |
32768~40959 | 14643~23302 |
40960~49151 | 23304~34802 |
49152~57343 | 34803~48853 |
57344~65535 | 48855~65535 |
算术平均分割的PWM调光单元104,用于适用于人眼的灰度级编码转化为 LED的输出,算术平均分割的PWM调光单元104的输入端与非线性校正单元 103的输出端连接。
平均分割PWM算法调光单元104如图5所示,以16级灰度数据为例,该电路系统包括10bit低位计数器141、6bit高位计数器142、6bit高位比较器143、 8bit低位比较器144、逻辑比较单元145和三输入或门146构成。
10bit低位计数器141的复位端、6bit高位计数器142的复位端同时与复位单元101的输出端连接,10bit低位计数器141的时钟端、6bit高位计数器142 的时钟端同时与振荡器102的输出端连接,6bit高位比较器144的第一输入端、 8bit低位比较器144的第一输入端、逻辑比较单元145的第一输入端为算术平均分割的PWM调光单元104的输入端,6bit高位计数器142的进位端与10bit低位计数器141的第二输出端相连,10bit低位计数器141的进位端与低电平连接, 6bit高位比较器144的第二输入端与6bit高位计数器142的第一输出端连接,8bit 低位比较器144的第二输入端、逻辑比较单元145的第二输入端与10bit低位计数器141的第一输出端连接,6bit高位比较器144的输出端、8bit低位比较器144 的输出端、逻辑比较单元145的输出端与三输入或门146的第一输入端、第二输入端、第三输入端连接,三输入或门146的输出端为算术平均分割的PWM调光单元104的输出端。
从LUT中输出的数据是经过非线性校正的16位PWM数据,用 D15D14D13L D2D1D0来表示。10bit低位计数器的输出用Q9Q8Q7L Q2Q1Q0表示,6bit 高位计数器的输出用Q15Q14Q13Q12Q11Q10来表示。每个最高位子脉冲、次高位子脉冲与10bit低位计数器的计数值有关,低位子脉冲与6bit高位计数器的计数值有关。
10bit低位计数器的初始状态默认全为0,6bit高位计数器的初始状态默认全为1,计时开始后按照二进制计数方法从10bit低位计数器开始计数,当10bit低位计数器全为1时,再计数一次就会向6bit高位计数器的最低位(Q10)进位1,且10bit低位计数器全为0,后续计数方式以此类推。假设每个显示子周期的LED 驱动脉冲位OUT,最高位子脉冲为OUT3,次高位子脉冲为OUT2,低位子脉冲为OUT1,则OUT由OUT1、OUT2及OUT3进行逻辑或运算得到,即
OUT=OUT1+OUT2+OUT3.
对于最高位子脉冲OUT3,由于P=2,所以最高位子脉冲对应灰度数据中的 D15、D14,考虑到整体OUT输出的均匀性,OUT3的分配方式如图6所示,按照以下算式进行逻辑运算:
对于次高位子脉冲OUT2,由于M-N-P=8,所以次高位子脉冲对应灰度数据中的D13D12D11D10D9D8D7D6,将低位灰度数据和10bit低位计数器的输出 Q7Q6Q5Q4Q3Q2Q1Q0送入8bit比较器进行比较,当灰度数据大于或等于计数器输出时,则OUT2中相应的位置为高电平脉冲(即1),当灰度数据小于计数器输出时,则OUT2相应的位置为低电平脉冲(即0)。
对于低位子脉冲OUT3,由于N=6,所以低位子脉冲对应灰度数据中的D5D4D3D2D1D0,将低位灰度数据和6bit高位计数器的输出Q15Q14Q13Q12Q11Q10进行比较,当灰度数据大于计数器输出时,则OUT1中相应的位置为高电平脉冲(即1),当灰度数据小于或者等于逻辑数据时,OUT1中相应的位置为高电平脉冲(即 0)。Q15Q14Q13Q12Q11Q10的初始值全为1,所以OUT1在第一个子周期中的第一个基本时钟内始终为0,所以低位子脉冲无法在第一个显示子周期内分配,到了第二个显示子周期,Q15Q14Q13Q12Q11Q10会在计数器加1后进位,且全部为0。所以低位子脉冲会在第二个显示子周期的第一个基本时钟开始插入(假设低位灰度数据不全为0)。
本实施例不仅提高了刷新频率,而且减少灰度数据的高权值对灰度均匀性的影响;与普通的PWM倍频设备相比,改善了由于低字位开关切换次数较多,引起的低灰度显示效果不佳的问题。
Claims (6)
1.一种PWM调光装置,其特征在于,所述PWM调光装置包括:
振荡器,用于生成振荡信号,并输出至非线性校正单元和算术平均分割的PWM调光单元;
复位单元,用于根据所述的供电电平对非线性校正单元和算术平均分割的PWM调光单元进行复位;
非线性校正单元,用于接收到外部灰度编码信号后,将外部灰度编码信号转化为适用于人眼的灰度级编码,所述非线性校正单元的输入端接收外部灰度编码信号,所述非线性校正单元的复位端与所述复位单元的输出端连接,所述非线性校正单元的时钟端与振荡器的输出端连接;
算术平均分割的PWM调光单元,用于将所述的灰度级编码转化为LED的输出,所述算术平均分割的PWM调光单元的输入端与所述非线性校正单元的输出端连接。
2.根据权利要求1中的PWM调光装置,其特征在于,所述振荡器用于提供预设振荡周期T的振荡信号OSC,或从外部接收具有预设振荡周期T的振荡信号。
3.根据权利要求1中的PWM调光装置,其特征在于,所述非线性校正单元包括输入单元和γ校正查找表结构,所述输入单元的输入端与外部灰度编码信号连接,所述输入单元的输出端与所述γ校正查找表结构连接,所述γ校正查找表结构的复位端与所述复位单元的输出端连接,所述γ校正查找表结构的时钟端与所述振荡器的输出端连接,所述γ校正查找表结构的输出端与所述算术平均分割的PWM调光单元连接。
4.根据权利要求1中的PWM调光装置,其特征在于,所述算术平均分割的PWM调光单元,包括:
低位计数器、高位计数器、高位比较器、低位比较器、逻辑比较单元和三输入或门:
所述低位计数器的复位端、高位计数器的复位端同时与所述复位单元的输出端连接,所述低位计数器的时钟端、高位计数器的时钟端同时与所述振荡器的输出端连接,所述高位比较器的第一输入端、低位比较器的第一输入端、逻辑比较单元的第一输入端为所述算术平均分割的PWM调光单元的输入端,所述高位计数器的进位端与低位计数器的第二输出端相连,所述低位计数器的进位端与低电平连接,所述高位比较器的第二输入端与所述高位计数器的第一输出端连接,所述低位比较器的第二输入端、逻辑比较单元的第二输入端与所述低位计数器的第一输出端连接,所述高位比较器的输出端、低位比较器的输出端、逻辑比较单元的输出端与所述三输入或门的第一输入端、第二输入端、第三输入端连接,所述三输入或门的输出端为所述算术平均分割的PWM调光单元的输出端。
5.根据权利要求4中的PWM调光装置,其特征在于,所述算术平均分割的PWM调光单元包括10bit低位计数器、6bit高位计数器、6bit高位比较器、8bit低位比较器、逻辑比较单元和三输入或门。
6.根据权利要求1中的PWM调光装置,其特征在于,所述PWM调光装置与LED显示设备连接。
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CN116189608A (zh) * | 2022-02-16 | 2023-05-30 | 北京大学 | 一种led显示屏消除毛毛虫与拖影现象并提高刷新率的方法 |
CN116189608B (zh) * | 2022-02-16 | 2023-08-04 | 北京大学 | 一种led显示屏消除毛毛虫与拖影现象并提高刷新率的方法 |
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