陳培騰，王衛(wèi)東，黎官華

（桂林電子科技大學(xué)信息與通信學(xué)院，廣西桂林541004）

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高刷新率LED驅(qū)動(dòng)芯片中PWM控制電路的設(shè)計(jì)

陳培騰，王衛(wèi)東*，黎官華

（桂林電子科技大學(xué)信息與通信學(xué)院，廣西桂林541004）

摘要：針對(duì)傳統(tǒng)LED顯示屏刷新率的不足，設(shè)計(jì)了一種提高LED驅(qū)動(dòng)芯片刷新率的PWM控制電路。將一個(gè)刷新周期平均打散分為128段，每段含有256個(gè)灰度時(shí)鐘，占空比由16位灰度數(shù)據(jù)決定。同時(shí)采用基于雙邊沿觸發(fā)的灰度計(jì)數(shù)器，提高了LED顯示屏的刷新率，避免畫面閃爍。

關(guān)鍵詞：LED驅(qū)動(dòng)芯片；控制電路；PWM；刷新率

近年來，LED顯示屏因具有節(jié)能環(huán)保、壽命長(zhǎng)、色彩豐富等優(yōu)點(diǎn)迅速發(fā)展成為顯示媒體領(lǐng)域的主流［1］。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，LED顯示屏正朝著高刷新率高灰階等級(jí)方向發(fā)展。刷新率越高，人眼越不能感覺到畫面的閃爍；灰階等級(jí)越高，顯示畫面色彩越豐富［2］。

傳統(tǒng)的觸發(fā)器僅對(duì)時(shí)鐘信號(hào)的某一邊沿有效，另一邊沿的時(shí)鐘跳變純屬成為冗余跳變，表現(xiàn)為單邊沿觸發(fā)器。雙邊沿觸發(fā)器對(duì)時(shí)鐘信號(hào)的兩個(gè)邊沿跳變都有效，在保持原有時(shí)鐘頻率不變的情況下，則刷新率提高一倍［3］，即在1個(gè)完整的顯示周期內(nèi)，數(shù)據(jù)相當(dāng)于刷新了2次，提高了刷新率，這是雙邊沿觸發(fā)器的優(yōu)勢(shì)所在。因此本文設(shè)計(jì)一種基于雙邊沿觸發(fā)的PWM控制電路。

1　PWM控制原理

在傳統(tǒng)的PWM中，當(dāng)計(jì)數(shù)值小于或等于灰度數(shù)據(jù)值時(shí)，LED導(dǎo)通；當(dāng)計(jì)數(shù)值大于灰度數(shù)據(jù)值時(shí)，LED關(guān)閉。在一個(gè)顯示周期內(nèi)，LED只導(dǎo)通1次，這對(duì)灰度時(shí)鐘GCLK的要求很高，當(dāng)灰度時(shí)鐘GCLK達(dá)不到要求時(shí)，LED顯示屏就會(huì)因?yàn)樗⑿侣什粔蚨霈F(xiàn)閃爍［4］。

在本文設(shè)計(jì)的PWM控制電路中，將1個(gè)刷新周期平均分為128個(gè)顯示段，每個(gè)顯示段具有256個(gè)GCLK周期，采用基于雙邊沿觸發(fā)的計(jì)數(shù)器，數(shù)據(jù)相當(dāng)于刷新了2次，即32 768個(gè)GCLK周期刷新1次，則總的顯示周期剛好包含65 536（128×256×2）個(gè)GCLK周期，占空比由16位灰度數(shù)據(jù)決定?；叶葦?shù)據(jù)的高9位（MSB）和計(jì)數(shù)值的低9位相比較，產(chǎn)生一定占空比的PWM，控制LED的導(dǎo)通時(shí)間來改變亮度?；叶葦?shù)據(jù)的低7位（LSB）和計(jì)數(shù)值的高7位共同決定顯示段的選擇。選擇顯示段的順序如表1所示。選中的段數(shù)為灰度數(shù)據(jù)的LSB所對(duì)應(yīng)的十進(jìn)制值，每段高電平包含GCLK周期的個(gè)數(shù)等于MSB對(duì)應(yīng)的十進(jìn)制值加1后的一半，未選中的段高電平時(shí)間包含的GCLK周期個(gè)數(shù)等于MSB對(duì)應(yīng)的十進(jìn)制值。例如灰度數(shù)據(jù)為0081h時(shí)，則MSB為000000001b，那么選中段的高電平時(shí)間為1個(gè)GCLK周期，LSB為0000001b，那么表示1th段被選中，1th段包含1個(gè)GCLK周期的高電平，其余未選中的段包含0.5個(gè)GCLK周期的高電平。灰度數(shù)據(jù)為0082h時(shí)，MSB不變，LSB加1，表示選中的段數(shù)增加1段，則1th、65th段被選中，1th、65th段包含1個(gè)GCLK周期的高電平，其余未選中的段包含0.5個(gè)GCLK周期的高電平?；叶葦?shù)據(jù)為FFFFh時(shí)，MSB為111111111b，那么選中段的高電平時(shí)間為256個(gè)GCLK周期，LSB 為1111111b表示1th~127th段被選中，剩余的128th段包含255.5個(gè)GCLK周期的高電平。PWM電路的輸出與灰度數(shù)據(jù)的關(guān)系如表1所示。

表1　PWM電路的輸出與灰度數(shù)據(jù)的關(guān)系

2　基于雙邊沿觸發(fā)的計(jì)數(shù)器

2.1雙邊沿觸發(fā)器

雙邊沿觸發(fā)器的原理圖如圖1所示，由3個(gè)二選一數(shù)據(jù)選擇器和1個(gè)與門構(gòu)成。其中CLK是時(shí)鐘信號(hào)、RST是復(fù)位信號(hào)，高電平有效。當(dāng)CLK由0變?yōu)?時(shí)，雙邊沿觸發(fā)器的主I MUX處于保持狀態(tài)，主II MUX處于計(jì)數(shù)狀態(tài)，此時(shí)從MUX選擇主I MUX為輸出；當(dāng)CLK由1變?yōu)?時(shí)，，主I MUX處于計(jì)數(shù)狀態(tài)，主II MUX處于保持狀態(tài)，此時(shí)從MUX選擇主II MUX為輸出。在CLK的作用下，兩個(gè)主MUX交替處于計(jì)數(shù)和保持狀態(tài)，同時(shí)，從MUX交替輸出，從而實(shí)現(xiàn)雙邊沿觸發(fā)器的功能［5］。

圖1　雙邊沿觸發(fā)器的原理圖

2.2計(jì)數(shù)器

16 bit雙邊沿觸發(fā)的計(jì)數(shù)器由16個(gè)雙邊沿觸發(fā)器構(gòu)成，其激勵(lì)函數(shù)為：

根據(jù)激勵(lì)函數(shù)構(gòu)造電路完成16 bit計(jì)數(shù)器的設(shè)計(jì)，電路如圖2所示。其中GCLK為計(jì)數(shù)時(shí)鐘，RST為復(fù)位信號(hào)。當(dāng)RST為低電平時(shí)，各輸出端復(fù)位到0。當(dāng)RST為高電平時(shí)，16 bit計(jì)數(shù)器加1計(jì)數(shù)。在一個(gè)顯示周期內(nèi)，包含65 536個(gè)GCLK周期，從而實(shí)現(xiàn)16 bit計(jì)數(shù)器［6］。

圖2　16 bits雙邊沿觸發(fā)的計(jì)數(shù)器

3　比較器

比較器將每個(gè)通道的灰度數(shù)據(jù)與計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)值相比較，產(chǎn)生一個(gè)一定占空比的PWM，控制LED燈的導(dǎo)通時(shí)間來改變亮度。當(dāng)計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)值小于或等于灰度數(shù)據(jù)時(shí)，LED燈被點(diǎn)亮；當(dāng)計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)值大于灰度數(shù)據(jù)時(shí)，LED燈被關(guān)閉。根據(jù)上述原理分析可知，選中段比未選中段的高電平時(shí)間多0.5個(gè)GCLK周期，因此整個(gè)比較器要進(jìn)行兩路數(shù)據(jù)比較，一路是原始的灰度數(shù)據(jù)的高9位和計(jì)數(shù)值的低9進(jìn)行比較，產(chǎn)生PWML；另一路是原始的灰度數(shù)據(jù)的高9位加1后再和計(jì)數(shù)值的低9位進(jìn)行比較，得到的輸出再和加法器的進(jìn)位C經(jīng)過或門，產(chǎn)生PWMH。比較器電路如圖3所示。

圖3　比較器電路

加法器由9個(gè)半加器組成，能夠?qū)?shù)據(jù)進(jìn)行加1，完成了對(duì)原始的灰度數(shù)據(jù)的高9位加1。d7~d15及G為輸入信號(hào)，其中G為高電平，輸出為S0~S8和進(jìn)位C。當(dāng)進(jìn)位C為1時(shí)，在一個(gè)完整的計(jì)數(shù)周期內(nèi)PWMH都保持為高電平，含有65536個(gè)GCLK時(shí)鐘周期。加法器電路如圖4所示。

圖4　加法器電路

4　譯碼電路

灰度數(shù)據(jù)的低7位（LSB）和計(jì)數(shù)值的高7位共同進(jìn)行段選，選中的段數(shù)等于LSB所對(duì)應(yīng)的十進(jìn)制值，隨著LSB增加1，選中的段數(shù)也會(huì)增加1段。所謂的溫度計(jì)譯碼就是輸入的二進(jìn)制信號(hào)所對(duì)應(yīng)的十進(jìn)制數(shù)值是多少，那么輸出端就要輸出多少個(gè)“1”，每當(dāng)十進(jìn)制值加1時(shí)，溫度計(jì)碼中“1”的個(gè)數(shù)就增加1個(gè)［7］。因此LSB采用溫度計(jì)譯碼方式。本文設(shè)計(jì)的溫度計(jì)譯碼電路采用行列譯碼邏輯來實(shí)現(xiàn)，LSB的7位輸入信號(hào)可以分為4行3列，4行譯為15個(gè)溫度計(jì)碼，3列譯為7個(gè)溫度計(jì)碼，結(jié)合電源和地構(gòu)成了16行8列的矩陣，128個(gè)輸出。每個(gè)輸出端的工作狀態(tài)受所在列的溫度計(jì)碼Cn、所在行的溫度計(jì)碼Rn-1和下一行的溫度計(jì)碼Rn共同控制［8］。計(jì)數(shù)值的高7位為7線128線譯碼器的輸入信號(hào)，B1~B128為譯碼器的輸出信號(hào)，做為段選信號(hào)。譯碼電路如圖5所示。

圖5　譯碼電路

5　輸出選擇電路及PWM合成

輸出選擇電路及PWM合成電路如圖6所示。比較器產(chǎn)生PWMH和PWML兩路信號(hào)，每一段PWM的輸出Pn由溫度計(jì)譯碼的輸出Sn決定，當(dāng)Sn 為1時(shí)，則Pn選擇PWMH輸出；當(dāng)Sn為0時(shí)，則Pn選擇PWML輸出。段譯碼器的輸出Bn決定哪一段輸出，Pn表示第n段輸出。最終輸出選擇電路的輸出Pn經(jīng)過或門后擬合成一個(gè)完整的PWM。

圖6　輸出選擇電路及PWM合成電路

6　仿真結(jié)果驗(yàn)證及分析

基于Cadence ADE仿真平臺(tái)中的SpectreVerilog數(shù)?；旌戏抡嫫鲗?duì)電路進(jìn)行仿真。對(duì)灰度數(shù)據(jù)0002h、0004h、0082h進(jìn)行3路仿真，生成3段PWM，分別為pwm1、pwm2和pwm3。為了和德州儀器（TI）的ES-PWM調(diào)制方式進(jìn)行比較，設(shè)計(jì)ES-PWM電路并對(duì)其進(jìn)行仿真，生成ES-PWM波形，其灰度數(shù)據(jù)為0004h，在一個(gè)顯示周期內(nèi)，仿真結(jié)果如圖7所示。從上述的原理分析可知，如果采用單邊沿觸發(fā)的灰度計(jì)數(shù)器，在一個(gè)刷新周期內(nèi)，選中的段數(shù)為灰度數(shù)據(jù)LSB所對(duì)應(yīng)的十進(jìn)制值。如果采用雙邊沿觸發(fā)的灰度計(jì)數(shù)器，相當(dāng)于一個(gè)顯示周期內(nèi)刷新了兩次，即32768個(gè)GCLK周期刷新一次。那么在65536個(gè)GCLK周期內(nèi)，選中的段數(shù)將是采用單邊沿觸發(fā)計(jì)數(shù)器時(shí)的兩倍。pwm1、pwm2灰度數(shù)據(jù)LSB所對(duì)應(yīng)的十進(jìn)制值分別為2、4。從仿真結(jié)果可以看出，pwm1、pwm2分別有4段、8段高電平，每段的高電平時(shí)間為0.5個(gè)GCLK周期。灰階數(shù)據(jù)為0082h時(shí)，高9位（MSB）對(duì)應(yīng)的十進(jìn)制數(shù)為1，低7位（LSB）對(duì)應(yīng)的十進(jìn)制數(shù)為2。所以，在pwm3中有4段高電平含有1個(gè)GCLK周期，剩下的252段含有0.5個(gè)GCLK周期。從圖7中可以看出仿真結(jié)果剛好與分析結(jié)果相吻合。

圖7　PWM仿真結(jié)果

圖8是65th段的PWM仿真圖。65th段在灰度數(shù)據(jù)0002h、0004h、0082h時(shí)都被選中，其分別包含0.5個(gè)、0.5個(gè)、1個(gè)GCLK周期的高電平。上述的原理分析可知，被選中的段高電平包含GCLK周期的個(gè)數(shù)等于MSB所對(duì)應(yīng)的十進(jìn)制值加1后的一半，與仿真結(jié)果相符合。ES-PWM和pwm2所對(duì)應(yīng)的灰度數(shù)據(jù)是相同的，都為0004h。從圖7、圖8中可以看出，高電平時(shí)間都是4個(gè)GCLK周期，但ES-PWM分為4段，每段高電平時(shí)間為1個(gè)GCLK周期，而pwm2分為8段，每段高電平時(shí)間為0.5個(gè)GCLK周期。可見ES-PWM與pwm2的占空比是相等的，但在相同的時(shí)鐘頻率和灰度等級(jí)條件下，本文設(shè)計(jì)的PWM控制電路比ES-PWM的刷新率提升了兩倍。

圖8　65th段的PWM仿真圖

7　總結(jié)

本文基于雙邊沿觸發(fā)的灰度計(jì)數(shù)器，設(shè)計(jì)了一種高刷新率LED驅(qū)動(dòng)芯片中的PWM控制電路，并將一個(gè)刷新周期平均打散分為128段，每段含有256個(gè)GCLK周期，在一個(gè)顯示周期內(nèi)數(shù)據(jù)相當(dāng)于刷新了兩次。打散前PWM和打散后的PWM占空比相等，占空比由灰度數(shù)據(jù)的LSB決定，大幅度提升了刷新率。

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陳培騰（1990-）男，漢族，廣東湛江人，桂林電子科技大學(xué)電子與通信工程碩士研究生，研究方向?yàn)閷Ｓ眉呻娐吩O(shè)計(jì)，1060140637@qq.com；

王衛(wèi)東（1956-）男，漢族，桂林電子科技大學(xué)碩士生導(dǎo)師，教授，中國通信學(xué)會(huì)高級(jí)會(huì)員，研究方向?yàn)槟M集成電路與電流模式電路；

黎官華（1987-）男，漢族，廣西壯族自治區(qū)玉林市人，桂林電子科技大學(xué)集成電路工程碩士研究生，研究方向?yàn)閿?shù)?；旌霞呻娐吩O(shè)計(jì)。

The Design of Cavity Filter at 140 GHz and Study on Processing Technology*

NING Biao1，MIAO Min1，2*

（1.Information Microsystem Institute，Beijing Information Science and Technology University，Beijing 100101，China；2.National KeyLaboratory of Science and Technology on Micro/Nano Fabrication，Peking University，Beijing 100871 China）

Abstract：A rectangular waveguide cavity filter of D band was designed and achieved with inductor diaphragm cou?pling by adopting electric spark micro-machining technology. Using the equivalent circuit method a rectangular cav?ity filter at 140 GHz was designed. The influence of the cavity number on the main performance of the filter was an?alyzed. A four order cavity filter with excellent performance was designed successfully. The center frequency is （140±3）GHz，the insertion loss is within -3 dB，the return loss is below -20 dB. The prototypes were fabricated us?ing electric spark micro-machining technology，the bonding technique was employed for the fabrication of filter. The electric spark micro-machining cavity filter with a center frequency of（138.5±3）GHz，insertion loss of -4.4 dB，the test results showed the filter has the band-pass characteristics and filter function in 140 GHz. In the case of con?sidering the machining error and fixture loss，the main technique indexes basically accord with the design values.

Key words：filter；cavity；millimeter wave；THz；HFSS；electric spark micro-machining

doi：EEACC：127010.3969/j.issn.1005-9490.2016.01.005

收稿日期：2015-04-16修改日期：2015-05-11

中圖分類號(hào)：TN432

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1005-9490（2016）01-0016-05