基于16位分辨率仿真改善視頻顯示的LED亮度控制方案介紹

引言

　　為了得到更好的功效和色彩一致性，LED亮度通常通過調節LED驅動器的PWM周期占空比控制。一個PWM周期可以劃分成2的“控制位”次方(2CONTROL BITS)個時鐘周期。消費類電子應用中，控制位分辨率通常是8位。8位PWM分辨率可對應提供256個不同的亮度電平，相應的PWM周期由256個時鐘周期組成。如消費類電子產品中，典型的時鐘頻率是32kHz，則PWM周期為256/32kHz或8ms。因此，PWM刷新率大約是125Hz，由此得到的PWM分辨率和刷新率足以支持亮度調整，并可消除人眼能夠覺察的閃爍。

　　為LED驅動器提供16位分辨率

　　對于要求同時達到16位PWM分辨率和2kHz刷新率的應用，設計將面臨諸多挑戰。16位分辨率要求一個PWM周期包含216 = 65,536個時鐘周期。2kHz的PWM刷新率要求時鐘頻率為2000 × 65,536 = 131.072MHz。通過CMOS接口以這個速度發送數據，即使在合理的傳輸距離上，也會造成數據通信的不可靠。而實際應用中，LED驅動器的輸出端口不可能提供如此高的開/關速度支持LED的加載和相關的連接。沒有精確的開/關時序，也無法實現16位分辨率的優勢。
　　作為一個折衷方案，利用一組PWM周期分辨率低于16位的信號仿真16位PWM周期。通過這種方式在每個PWM周期內減少一定數量的時鐘，可以采用低時鐘頻率達到所要求的2kHz PWM速率。一旦PWM刷新率高于幾百赫茲，人眼將無法區分其變化/閃爍，從而保持16位分辨率的視覺效果。

　　以攝像機為例，攝像機工作在(或接近于) 1/2000的快門速度。攝像機將以較低的分辨率抓拍幀畫面，但這仍然比在抓拍黑屏時的低刷新率要好得多。雖然快門速度可以非常高，但攝像機仍然可以每秒抓拍60幀，多幀圖像的平均效果非常接近16位分辨率的圖像。

　　16位分辨率可以分為不同的MSB/LSB (最高/最低有效位)比值進行仿真，由此可以得到幾個分辨率為MSB的PWM周期：2的“最高有效位”次方(2MSB)。周期數等于LSB的分辨率：2的LSB次方(2LSB)。還可以按照其它不同的分配形式得到PWM的仿真組，比較簡單的方法是由LSB決定每組中的最后一個時鐘周期的開/關狀態;MSB決定其余的時鐘周期。簡而言之，所有組的由MSB決定的時鐘周期開/關次數是相同的。

　　測試示例

　　利用2/2分割仿真4位分辨率，舉例說明上述方案。圖1顯示了由4位分辨率實現的16點PWM波形模板。

　　圖1. 傳統的4位和16點PWM波形圖

　　2/2分割仿真產生4組4點PWM周期。2個LSB用來選擇哪一組的最后一個時鐘周期應該處于導通狀態;2個MSB用來決定其余3個時鐘周期的開/關模板。圖2顯示了當2個MSB為0時，2個LSB在仿真PWM波形中的效果。

　　圖2. 2/2分割4位仿真的LSB效果

　　圖3顯示了當2個LSB為0時，2個MSB在仿真PWM波形中的效果。

　　圖3. 2/2分割4位仿真的MSB效果