专利名称：高亮度、大型led显示屏及其驱动方法
技术领域：
本发明属于电视的显示技术，它涉及一种大型显示屏中的动态扫描静态驱动的驱动方法及该种显示屏的结构。
从80年代中期以来，大型彩色电子显示屏技术得到了飞速的发展，早期出现的磁翻转式的彩色广告屏，可以显示4种颜色，组成各种彩色图形和文字，至今仍有应用，例如天津站广场旁的新华快讯显示屏即属于这一种，它虽采用了电子计算机控制，但终端显示元件是机电式的，色彩种类少，变化速度慢，无法显示快速动画和视频图象，显示屏本身不发光，在夜晚效果差，这种技术已经被淘汰。以后出现的是全电子式的显示屏，最早出现的大型电子显示屏是日本索尼公司建造的，采用热阴极的荧光象素管，它用红、绿、兰三种象素管组成一个全彩色象素，用来布放电视图象，具有较好的图象质量，但它存在问题是①耗电量大；②荧光管寿命不长，因而在使用上受限制。到80年代后期超高亮度LED发光二极管的技术取得很大进展，由红色和绿色LED二极管组成的大型彩色电子显示屏具有亮度高、色彩鲜艳，耗电量小的优点，成为电子显示屏的主流，而其它一些类型的大型显示屏，如投影电视、电视墙等，由于亮度低，只能在光线较弱的室内使用。目前流行的各种类型的LED显示屏中虽各有特点，但所需的视频信号均取自计算机输出的视频数字信号，在LED的终端驱动电路中，为显示不同灰度等级的图象信号，必须有一个数模转换D/A电路，将不同的数字信号转换成不同的模拟电压去驱动LED管发出不同亮度的光，由于D/A电路成本较高，不可能对每一个象素管都配置一个，而且要实现对每一个象素管连续驱动、连续发光，即实现其静态区动，还需要为每一个象素点设置一个独立的数据锁存器，这将进一步增加成本，因此不论是哪一种类型的显示屏的末级均采用动态扫描的驱动方式。这样各点上的发光管只有在扫描扫上的一瞬被点亮，时间短暂，其它时间是熄灭状态，使LED管的性能无法得到充分的发挥，结果是屏幕上的亮度达不到要求。
另外，在中国专利局进行的新颖性检索中得到三篇相关技术的文件①CN1037423A《矩阵显示装置》，其中心内容是提出了在液晶显示屏中用于被选中的液晶显示单元中由多只二极管组成的非线性电阻的安排接线的技巧，增加了交叉循环的两条线后就能大大提高电路的容错性，能提高成品率并降低了故障率；②CN1033894A《矩降显示装置》，该专利的范围与前例相同，它提出了一套非线性电阻中可共用部分二极管的新方案，它能节约二极管的数量，达到降低故障率、提高成品率的目的；③US4652782《矩阵显示屏的驱动系统》，该专利适用于矩阵液晶显示器，为解决显示元件所需充电时间较长的问题，对显示元件统一进行反向充电即刷新原理，能实现快速充电，实现高速度和低功耗的显示。总之以上三篇相关文件都涉及的是矩阵选址、液晶显示屏的一些技术方案，它们没有涉及LED显示屏的结构，更没涉及LED显示屏的驱动方法的内容。
本发明的目的在于要克服已往的LED显示屏只采用动态驱动的方式使LED管运作时间短暂亮度差的问题，特提出大型LED显示屏的静态驱动方式，并提供一套采用静态驱动方式大型显示屏的结构方案。
按如上构思，本发明所提供的新型高亮度的大型LED显示屏的驱动方法，它采用了计算机数字信号、数模转换技术及动态扫描的输送方式，其特征是该显示屏信号的引入点从计算机数字视频信号输出端移动到D/A转换端，在把视频信号向各个象素单元上分配之前提前转换成模拟信号，它以数字方式控制信号的切换和分配，并以模拟的方式完成信号的传送和静态的驱动，在每个象素单元中采用高速模拟开关，通过场效应管驱动发光二极管，在场效应管的栅极上的保持电容和源极上的偏置电阻分别接地。
按静态驱动方式所实现的高亮度、大型LED显示屏包括有动态扫描电路、行列选址电路、和LED发光管的显示元件，其具体的特征是它由主控单元、分控单元和显示单元三个部分所构成，其中它的主控单元是由信号源、视频缓冲放大器I、和同步信号及亮度控制电压传送器所构成，它的信号源包括彩色电视机、录相机、影碟机、计算机十多媒体的VGA输出和彩色解码同步分离部分所组成，输出时设有五万双掷的信号源选择开关；视频缓冲放大器I将三色视频信号放大以备长线输出，同步信号及亮度控制电压传送器包括行场同步信号的极性调整及同步合成，经长线驱动器放大后与可调亮度电源合成一单线输出；它的分控单元是由视频输入和亮度调节部分、光点行列地址形成电路所组成，其中它的视频输入由三色的视频缓冲放大器II经各自的耦合电容再与控制亮度的直流电压合成，其亮度的调节部分从长线接口经一电阻和电容把单线的同步信号中的直流分量提出，经一个在基极电路上带有稳压管保护的三极管将亮度射极输出，再经阻容滤波将亮度电压加到三色各自的直流偏置电路，它的偏置电路的下偏电阻可调，上偏电阻是由一固定电阻和一三极管组成的电可调电阻并联而成，形成带亮度控制电压的视频信号，它的光点行列地址形成电路是由行场长线接收后经行场分离，对于行同步进行相位调整，它设有同步控制振荡器以得到时种信号，将行场分离的信号分别送入列地址计数器和行地址计数器的清零端，将时钟信号送入列地址计数器的计数端，将行信号送入行地址计数器的计数端，列地址计数器经缓冲驱动器输出到地址低三位的A、B、C的列地址信号即A0、A1、A2，输出的列地址低位第四位即A3为低面平时产生各行左列信号，A3为高电平时产生各行右列信号，这就可控制左右各8列共16列列信号，列地址的高八位接8位列地址比较器，行地址计数器输出四个低位行信号，其高八位接8位行地址比较器，以列地址比较器选中后所产生的正脉冲，行地址比较器选中的倒向脉冲及行地址的低四位的行信号A12、A13、A14、A15送入两个三到八位译码器组成的四到十六位译码器作行选择，选出的行信号与列地址计数器的低位的第四位信号送入二到四译码器进行各行左右列的选择，即完成行列地址选择；它的显示单元是由高速模拟开关和LED发光管的驱动电路所组成，它将被选中的列地址加左右位和行地址分别接到三色的一到八位的高速开关上以驱动各象素点上的发光管，它的驱动电路是将带亮度控制的视频信号送到场效应管的栅极上，栅极与地之间有保持电容，源级经电阻接地，各色的发光管是各象素点上场效应管的负载。
本方案中可调亮度电源是由三端可调的稳压块所构成，其控制端可作成由光敏元件控制的向动控制或可调电阻形成的手动控制输出电压，稳压块的另一端由输入的电容器组成。它的显示元件的三种颜色红、绿、兰色发光管按亮度平衡的要求设有不同的数量，绿色发光管的数量最多，兰色的最少。
采用本方案能体现如下的优越性①采用新型的驱动电路，使用场效应管点燃发光管，它的栅极电路上有保持电容，除在扫描选中的瞬间点燃外，在下一次选中之前由保持电容维持场效应管导通，增加发光管的工作时间，能显蓍提高了屏幕的亮度，或者在保证同等亮度的条件下可采用较便宜的LED管子，能大幅度降低成本；②由于实现了静态驱动的突破，模拟信号可连续变化，容易实现无级的灰度变化，而一般的显示屏系统为降低成本，一般只能实现16级的灰度调整，创造了方便的使用条件；③在信号源选定之后，其行场信号合成，再与可调亮度电源的直流电压信号合并成一单线的长线传送，它即降低了故障率、简化了板面结构，还能降低成本；④本方案采用了每个分控单元由16×16象素点构成，每个单元占显示屏面为0.5米×0.5米，若采用6米×4米的屏面，其列地址只有12组，但其行、列地址计数器容量为12位，其行、列地址比较器容量为8位，因此本方案有很大的容量储备，完全适应超大型显示屏建造的需要；⑤列地址的选择采用三位和左右列的方式，在显示单元中可选用八位的高速模拟开关，降低了成本，是一种优化的选择。
图1是本方案大型LED显示屏的主控单元的电原理图。
图2是分控单元的电原理图。
图3是显示单元的电原理图。
图4是主控单元中可调亮度电源部分的电原理图。
现结合
本方案的实施例。在主控单元中信号源包括彩电、录相机、影碟，它们可经彩色解码同步、分离后得到模拟量的三色视频信号和行场的数字信号。它们也可以送至计算机十多媒体经VGA输出视频的三基色模拟信号和行场的脉冲信号，经五刀二掷的选择开关选择，三色视频信号经视频缓冲放大器I将其放大后备长线输送，行场信号先经极性调整，通过采用负绝对值电路将来自计算机的正极性或负极性的同步信号统一转换成负极性信号，然后通过逻辑门电路与门进行信号迭加实现同步合成，再经长线驱动器放大输出。可调亮度电源是由三端可调稳压块(如LM317)搭成，可调控制端电压，通过输出端反馈的分压器来控制输出电压。这个输出的直流电压就是控制整个屏幕平均亮度的直流偏置电压。通过RC耦合电路将直流电压与同步信号合成，用一单线传送，它可简化板面、降低故障率。总之主控单元是计算机VGA输出端和LED显示屏之间的长线传输接口。
为了便于安装和维护，整个显示屏采用模块化结构，由16×16象素点的基本模块组成，即称为分控单元。由主控单元送出的三色R、G、B分离视频信号，同时送到整个LED屏的各个分控单元，但哪一个分控单元象素应接受这个时刻的视频信号，则取决于这个分控单元在大屏上所处的行号和列号是否与主控单元发出的视频光点所处位置相符合。屏幕上光点所处的列位置与每一行频开始后时间的长短有关，光点的行位置与一场开始后的时间长短有关。分控单元由视频输入和亮度调节部分和光点行列地址形成电路所组成。视频输入部分由三个高输入阻抗、低输出阻抗的视频缓冲放大器II构成，每一路视频输出端接有直流偏置电路，通过调节上下偏置电阻的阻值就可以改变视频输出端的直流电平，从而改变屏幕的总体亮度。偏置电路的下偏电阻为可调电阻，上偏电阻由一只固定电阻和一npn三极管组成的电可调电阻并联而成。在同步输入端经过RC滤波后，同步脉冲信号被滤除，只保留了信号中的直流电平，因此在亮度电压的输出端出现了一个亮度直流控制电压，这个电压再经过一次RC滤波后加到电可调电阻三极管的基极，通过亮度电压的变化可改变三极管的导通电阻值，即改变了整个上偏电阻的阻值，使视频输出端的直流电平变化，这个直流电平越高则屏幕的整体亮度越大。在光点行列地址形成电路中，设输入的VGA视频信号的行同步脉冲周期为32μS，其中传送视频信号占用的时间约为26μS，若该显示屏为6×4米，象素线密度为32点/米，则水平方向象素个数为6×32＝192点，每一象素占用的时间t＝行周期(26μS)/水平方向象素个数(192)＝0.1354166μS/点，此时光点列地址计数器的时钟频率f＝1/t＝7.3846153MHz，也就是说每个振荡周期，计数器输出的地址加一，对应的光点移动一位的时间为t＝0.1354166μS。同步输入端输入的同步脉冲信号经长线接受器送到行场同步分离器，利用行、场脉冲的频率区别重新分离为行和场各自的同步脉冲，在行同步脉冲电路中采用RC可变延时电路对行同步脉冲相位进行调整，以便调整由于传输线路长短不同而造成的同步相位有差异和问题。将行同步信号送到行同步控制晶体振荡器，使输出的振荡和行同步的相位同步。同时，每个行同步脉冲都使列地址计数器清零。所以每产生一个时钟脉冲，计数器输出的列地址便加一，使光点在水平方向移动一位，在行周期内列地址从0-191。同理，场同步脉冲每次使光点行地址记数器清零，然后每出现一个行同步脉冲，行地址记数器输出的行地址便加一。在场周期内行地址从0-500。由于基本显示单元为16行×16列，所以需要对显示单位各提供4位的行、列地址数据。为容量发展所考虑，行列地址计数器都取12位，其低四位A0、A1、A2、A3为列地址，A4—A12高八位为高位列地址或高位的列组数，其A12、A13、A14、A15为低四位行地址，A16—A23为高位行地址或高位的行组数，行、列地址输出的高八位分别送入八位的行和列的比较器，比较器的另一侧输入八位拨动开关设定的数据，行和列比较器中拨动开关设定的数据应与该单元在整个显示屏上的行、列位置数据相一致。当两侧的数据一致时该比较器输出一个正脉冲，当两个比较器都输出正脉冲时表示这个单元被选中。A12—A15为低4位行地址，送到由两片三到八译码器组成的四到十六的译码器，控制显示单元的1—16行的选择。当八位列比较器输出正脉冲送到四到十六译码器的高电平使能端G，而同时8位行比较器输出的正脉冲经反相器送到四到十六译码器的低电平使能端R时，该译码器被使能则产生有效地行选信号。A0—A3列地址的低三位A0—A2经过缓冲驱动器后称为A、B、C信号，可以控制一到八模拟开关的工作，而A3则控制所有各行的左右列的二到四译码器。当A3＝0时各二到四译码器的0位即左列可输出低电平，当A3＝1时各译码器的1位可输出低电平，但各二到四译码器还受到选中的行的低电平信号的限制，所以每次在16行的16个二到四译码器中只有一个二到四译码器被使能，即最终每次只能有某一行某一列的象素点被驱动。
其显示单元由高速模拟开关及发光管的驱动电路所构成。在高速模拟开关电路中，每一行中对每一色的视频信号由两片八位的模拟开关组成一到十六高速模拟开关，每行有左八列和右八列，共有六个一到八高速模拟开关，十六行共96个高速模拟开关，在这些开关中同时送入VB、VG、VR的视频信号和A、B、C列地址信号，在各行左右列信号的综合作用下使某一个高速开关使能，使模拟量的视频信号送到该点的发光管驱动电路中。当视频信号送到场效应管的栅极，使漏、源之间产生正比于视频信号幅度的IDS电流，使LED管发光，它瞬间导通的时间为0.135μS，在下一场扫描到该点之间的时间它应是熄灭状态，但由于在栅极电路上接有取样保持电容，而场效应管栅极输入电阻和模拟开关的开断电阻极高，一般都大于1010欧姆。因此在此期间驱动信号电压基本保持不变，实现了静态驱动。
本方案中线路的设计及元件选择本着性能可靠，保证发展的需要、降低成本为原则。行和列的地址计数器各选用3只74LS163搭成。8位行、列地址比较器选用两只74LS85或一只74LS688。行选择的四到十六译码器选用两只74LS138搭成。各行的左右列选择采用了八只二到四译码器74LS139搭成。高速模拟开关选用了96个74HC4051搭成，场效应管选用小功率场效应管768只，IDM＝0.2A，VDS＝60V的管子。
本方案的显示屏技术经模拟实验证明性能好，亮度高、灰度能达到无级变化，此外还具有结构合理、成本较低的特点。
权利要求
1.一种新型高亮度、大型LED显示屏的驱动方法，它采用了计算机数字信号及数模转换技术及动态扫描的输送方式，其特征是该显示屏信号的引入点从计算机数字视频信号输出端移动到D/A转换端，在把视频信号向各个象素单元上分配之前提前转换为模拟信号，它以数字方式控制信号的切换和分配，并以模拟的方式完成信号的传送和静态的驱动，在每个象素单元中采用高速模拟开关，通过场效应管驱动发光二极管，在场效应管的栅极上的保持电容和源极上的偏置电阻分别接地。
2.一种实现权利要求1所述的驱动方法的高亮度、大型LED显示屏，它包括有动态扫描电路、行列选址电路、和LED发光管的显示元件，其特征是它由主控单元、分控单元和显示单元三部分所构成，其中它的主控单元由信号源、视频缓冲放大器I和同步信号及亮度控制电压传送器所构成，它的信号源包括彩色电视机、录相机、影碟机、计算机十多媒体的VGA输出和彩色解码同步分离部分所组成，输出时设有五刀双掷的信号源选择开关；视频缓冲放大器I将分离出的三色视频信号放大以备长线输出，同步信号及亮度控制电压传送器包括行场同步信号的极性调整及同步合成，经长线驱动器放大后与可调亮度电流合成一单线输出；它的分控单元是由视频输入和亮度调节部分、光点行列地址形成电路所组成，其中它的视频输入由三色的视频缓冲放大器II经各自的耦合电容再与控制亮度的直流电压合成，其亮度的调节部分从长线接口经一电阻电容把单线的同步信号中的直流分量提出，经一基极电路上带有保护用稳压管的三极管将亮度电压射极输出，再经阻容滤波将亮度电压加到三色各自的直流偏置电路，它的偏置电路的下偏电阻可调，上偏电阻是由固定电阻和一三极管组成的电可调电阻并联而成，形成带亮度控制电压的视频信号，它的光点行列地址形成电路是由行场长线接收后经行场分离，对行同步进行相位调整，设有行同步控制振荡器得到时钟信号，将行场分离的信号分别送入列地址计数器和行地址计数器的清零端，将晶体振荡时钟信号Φ送入到地址计数器的计数端，将行信号送入行地址计数器的计数端，列地址计数器经缓冲驱动器输出三位低位的A、B、C列地址信号即A0、A1、A2，A3低电平时产生各行左列信号，A3高电平时产生各行右列信号，可控制左右各8列共16列信号，列地址的高八位输出接8位列地址比较器，行地址计数器输出四个低位行信号，其高八位接8位行地址比较器，以列地址比较器选中后所产生的正脉冲、行地址比较器选中的倒相脉冲及行地址的低四位的行信号A12、A13、A14、A15送入由两个三到八译码器组成的四到十六译码器作行选择，选出的行信号与列地址计数器的低位的第四位信号A3送入二到四译码器进行各行左右列的选择，即完成行列地址选择；它的显示单元由高速模拟开关和LED发光管的驱动电路所组成，它将被选中的列地址加左右位和行地址分别接到三色的一到八高速模拟开关上以驱动各象素点上的发光管，它的驱动电路是将带亮度控制的视频信号送到场效应管的栅极上，栅极与地之间有保持电容，源极经电阻接地，各色发光管是各象素点上的场效应管的负载。
3.按照权利要求2所述的LED显示屏，其特征是它的可调亮度电源是由三端可调稳压块所构成，其控制端可作成由光敏元件控制的自动控制电路或可调电阻形成的手动控制输入电压，稳压块的另一端由输入的电容器组成。
4.按照权利要求2所述的LED显示屏，其特征是它的显示元件的三种颜色红、绿、兰色发光管按亮度平衡的要求设有不同的数量，绿色发光管的数量最多，兰色的最少。
全文摘要
本发明属电视显示技术。为克服已有的LED显示屏均为动态驱动方式、发光管亮度不够的问题特提出本方案。它由主控单元、分控单元和显示单元三部分组成，主控单元包括有信号源和同步信号及亮度控制电压传送器；分控单元包括视频输入和亮度调节部分和行列地址形成电路；显示单元包括有高速模拟开关电路和驱动电路。本方案的特点是用动态扫描静态驱动的方式。因此它具有整体亮度高、灰度能作到无级调控、结构设计合理、经济的优点。
文档编号G09F9/33GK1120712SQ9511672
公开日1996年4月17日 申请日期1995年9月28日 优先权日1995年9月28日
发明者武强 申请人:武强