LED顯示屏（LED display）：又叫電子顯示屏或者飄字屏幕。是由LED點(diǎn)陣組成，通過紅色或綠色燈珠的亮滅來顯示文字、圖片、動(dòng)畫、視頻，內(nèi)容可以隨時(shí)更換，各部分組件都是模塊化結(jié)構(gòu)的顯示器件。通常由顯示模塊、控制系統(tǒng)及電源系統(tǒng)組成。顯示模塊由LED燈組成的點(diǎn)陣構(gòu)成，負(fù)責(zé)發(fā)光顯示；控制系統(tǒng)通過控制相應(yīng)區(qū)域的亮滅，可以讓屏幕顯示文字、圖片、視頻等內(nèi)容，恒舞動(dòng)卡主要是播放動(dòng)畫的；電源系統(tǒng)負(fù)責(zé)將輸入電壓電流轉(zhuǎn)為顯示屏需要的電壓電流。

現(xiàn)有LED顯示屏出于簡化驅(qū)動(dòng)電路的考慮，幾乎都采用了掃描驅(qū)動(dòng)方式，在一個(gè)掃描周期當(dāng)中，導(dǎo)致顯示屏的主觀視覺亮度下降，使得LED顯示屏在戶外使用時(shí)出現(xiàn)發(fā)光亮度不足的問題。解決LED顯示屏亮度不足的方法基本局限于以下3種：

1）單純地提高驅(qū)動(dòng)脈沖電壓，增加LED器件的瞬時(shí)發(fā)光亮度，但這將縮短發(fā)光器件的使用壽命，并且能量效率較低；

2）不斷研制和應(yīng)用高亮度甚至超高亮度LED器件；

3）通過縮短掃描周期或采用靜態(tài)鎖存方式驅(qū)動(dòng)來提升顯示屏亮度。尤其是在室外屏的制造中，高端產(chǎn)品均采用靜態(tài)鎖存驅(qū)動(dòng)，在要求不高的場合則采用縮短掃描周期的方式。對(duì)于一個(gè)大規(guī)模的顯示屏來說，無論縮短掃描周期還是采用靜態(tài)鎖存驅(qū)動(dòng)，其后果都是驅(qū)動(dòng)電路規(guī)模的顯著增加。

本文從“塔爾博特-普拉竇定律”入手，將光學(xué)雙穩(wěn)態(tài)特性引入LED顯示單元電路，研制了一種雙穩(wěn)態(tài)LED單元組成的雙穩(wěn)態(tài)LED屏。LED顯示屏可以顯示變化的數(shù)字、文字、圖形圖像；不僅可以用于室內(nèi)環(huán)境還可以用于室外環(huán)境，具有投影儀、電視墻、液晶顯示屏無法比擬的優(yōu)點(diǎn)。LED之所以受到廣泛重視而得到迅速發(fā)展，是與它本身所具有的優(yōu)點(diǎn)分不開的。這些優(yōu)點(diǎn)概括起來是：亮度高、工作電壓低、功耗小、小型化、壽命長、耐沖擊和性能穩(wěn)定。LED的發(fā)展前景極為廣闊，目前正朝著更高亮度、更高耐氣候性、更高的發(fā)光密度、更高的發(fā)光均勻性，可靠性、全色化方向發(fā)展。

發(fā)光亮度強(qiáng)：在可視距離內(nèi)陽光直射屏幕表面時(shí)，顯示內(nèi)容清晰可見。超級(jí)灰度控制 具有1024-4096級(jí)灰度控制，顯示顏色16.7M以上，色彩清晰逼真，立體感強(qiáng)。靜態(tài)掃描技術(shù)：采用靜態(tài)鎖存掃描方式，大功率驅(qū)動(dòng)，充分保證發(fā)光亮度。自動(dòng)亮度調(diào)節(jié)：具有自動(dòng)亮度調(diào)節(jié)功能，可在不同亮度環(huán)境下獲得播放效果。

　　1 雙行雙穩(wěn)態(tài)LED顯示單元的設(shè)計(jì)

　　1.1 雙行雙穩(wěn)態(tài)LED電路結(jié)構(gòu)及工作原理

雙行雙穩(wěn)態(tài)LED單元電路，它把觸發(fā)這個(gè)功能由端口V1和V2來完成，而關(guān)斷、保持這兩個(gè)功能由端口Vcc來完成。下面具體說明雙行驅(qū)動(dòng)LED單元電路的工作原理。

其中BG1和BG2構(gòu)成一個(gè)等效晶閘管，它由關(guān)斷到導(dǎo)通，有兩個(gè)必要條件：Vcc端有正向電壓，節(jié)點(diǎn)a的電壓幅值足夠大。因此，可在端點(diǎn)a提供一個(gè)觸發(fā)電壓，使等效晶閘管觸發(fā)，觸發(fā)脈沖過了之后，靠Vcc提供的電壓進(jìn)行保持。

　　具體實(shí)現(xiàn)過程如下：

1）開啟掃描行的被選通單元：在端口V1和V2同時(shí)加上Von，則節(jié)點(diǎn)a的電壓值；

若適當(dāng)選擇R1（R2）、R3，且R3》N使節(jié)點(diǎn)a的電壓Va≈Von>Va’，可使其觸發(fā)；

2）保持非選單元的關(guān)斷狀態(tài)：使端口V1和V2中至少有一個(gè)電壓為零，則即使另一個(gè)為Von（設(shè)端口V2接地），用作觸發(fā)等效晶閘管的節(jié)點(diǎn)a的電壓值；

若適當(dāng)選擇R1（R2）、R3，且R3》N，且使節(jié)點(diǎn)a的電壓，可使其不觸發(fā)；

3）保持非掃描行的已選通單元的開啟狀態(tài)：觸發(fā)過后，LED單元靠端口Vcc所供的保持電壓Vhold來保持點(diǎn)亮；

4）關(guān)斷已選通單元：當(dāng)從端口Vcc撤去保持驅(qū)動(dòng)電壓Vhold的時(shí)候，LED則會(huì)關(guān)斷。

　　1.2 雙行驅(qū)動(dòng)LED單元電路正向反轉(zhuǎn)電壓區(qū)間分析

對(duì)于雙行驅(qū)動(dòng)LED單元電路來說，要想使已經(jīng)點(diǎn)亮的LED單元關(guān)斷（清零），只要使Vcc提供一個(gè)零電壓即可；要想使LED實(shí)現(xiàn)保持，則提供一個(gè)穩(wěn)定保持電壓Vhold即可。

R1（R2）、R3的選擇不僅要使V1、V2施加電壓值為Von時(shí)，LED單元能選通，而且在V1、V2其中有一個(gè)為零，另一個(gè)為Von時(shí)，LED單元應(yīng)為非選狀態(tài)。通過理論計(jì)算得出LED單元的正向反轉(zhuǎn)電壓區(qū)間，即Von的取值區(qū)間為：

測得在雙行雙穩(wěn)態(tài)LED電路研究中采用高亮度白光LED時(shí)BG1和BG2等效晶閘管觸發(fā)電壓為：Va’=2.7 V。在選擇正向反轉(zhuǎn)電壓Von時(shí)，希望采用常規(guī)5 V驅(qū)動(dòng)，以簡化驅(qū)動(dòng)電路及電源部分的設(shè)計(jì)和制造，故令正向反轉(zhuǎn)電壓為：Von=5V。

另外，考慮電路實(shí)際，R1（R2）、R3還應(yīng)符合以下條件：1）盡量選擇大電阻值；2）應(yīng)盡量使R3》N。

由此綜合考慮，一般可以選擇R1（R2）=5 kΩ，R3=51 kΩ。

　　2 雙行雙穩(wěn)態(tài)LED顯示屏的驅(qū)動(dòng)

　　2.1 行反相掃描方式

由雙穩(wěn)態(tài)LED單元組成的顯示陣列具有和傳統(tǒng)顯示陣列所不同的行列驅(qū)動(dòng)電路。LED顯示矩陣只有一個(gè)行驅(qū)動(dòng)信號(hào)，只需要一套行驅(qū)動(dòng)電壓接入控制電路，而雙穩(wěn)態(tài)LED顯示矩陣有兩個(gè)行驅(qū)動(dòng)信號(hào)。但這兩個(gè)行驅(qū)動(dòng)信號(hào)之間具有固定的合作關(guān)系，雙穩(wěn)態(tài)LED單元并不需要因?yàn)樾序?qū)動(dòng)信號(hào)的增加而增加行驅(qū)動(dòng)電壓接入的控制電路規(guī)模，只需在一套行驅(qū)動(dòng)電壓接入控制電路的基礎(chǔ)上簡單地添加一組反相器即可使兩個(gè)行驅(qū)動(dòng)電路同時(shí)正常工作，行反相掃描結(jié)構(gòu)的工作原理。

“反相掃描結(jié)構(gòu)”上位機(jī)輸送的行掃描信號(hào)及其反相信號(hào)被分別用于上下兩行的行驅(qū)動(dòng)電路的驅(qū)動(dòng)電壓接入控制信號(hào)，虛線框內(nèi)為驅(qū)動(dòng)電壓接入電路，邏輯“1”和“0”表示是否為相應(yīng)行驅(qū)動(dòng)電路接入所需的驅(qū)動(dòng)電壓。通過此結(jié)構(gòu)，可在上位機(jī)輸送一組行掃描信號(hào)序列的情況下，為顯示矩陣各行的兩組行驅(qū)動(dòng)電路取得正確的驅(qū)動(dòng)電壓接入控制信號(hào)，使顯示屏各行有序地工作在各自應(yīng)處的工作狀態(tài)下。

　　反相掃描結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)在于：

1）不明顯增加雙行雙穩(wěn)態(tài)顯示屏的驅(qū)動(dòng)電路規(guī)模，仍然只使用一組上位機(jī)輸送的行掃描信號(hào)，與普通的LED掃描驅(qū)動(dòng)電路兼容；

2）清零操作與行掃描選通操作同時(shí)在相鄰兩行進(jìn)行，這樣列顯示數(shù)據(jù)的結(jié)構(gòu)不需要為進(jìn)行清零操作而插入冗余值占位，使得雙行雙穩(wěn)態(tài)LED顯示屏的顯示數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)以及相應(yīng)的列驅(qū)動(dòng)機(jī)制與普通的LED掃描驅(qū)動(dòng)電路兼容；

3）只需簡單改變上位機(jī)輸送的行掃描信號(hào)序列中“0”和“1”的排列情況，即可十分方便地改變和控制LED顯示屏的占空比系數(shù)，實(shí)現(xiàn)雙行雙穩(wěn)態(tài)LED顯示屏與普通LED顯示屏之間的占空比性能的平滑過渡。

　　2.2 占空比的控制

一個(gè)N行的LED顯示矩陣，上位機(jī)輸送的行掃描信號(hào)為N位序列，其中M位為“1”，N-M位為“0”，由于“1”對(duì)應(yīng)的行都處于“清零”狀態(tài)（其中遠(yuǎn)離“掃描”行的“清零”行的V1行驅(qū)動(dòng)電路被接入了Von，與其他“清零”行不同，但這并不影響該行的清零工作），全行關(guān)斷，故顯示屏占空比為：。改變行掃描序列中“1”的個(gè)數(shù)M即可改變占空比。如對(duì)于1個(gè)8行的顯示屏來說，當(dāng)行掃描序列為“1000 000 0”時(shí)，占空比為7／8；而當(dāng)行掃描序列為“1110 0000”時(shí)，占空比即變成5／8。

　　3 雙行雙穩(wěn)態(tài)LED顯示屏的效果評(píng)測

為驗(yàn)證雙穩(wěn)態(tài)LED顯示屏在提升LED顯示屏亮度方面的效果，設(shè)計(jì)了一個(gè)16x16的雙行雙穩(wěn)態(tài)LED顯示矩陣，顯示屏矩陣結(jié)構(gòu)。

通過實(shí)驗(yàn)，讓雙穩(wěn)態(tài)LED顯示屏分別顯示3幅不同的圖像，對(duì)每一幅圖像都讓雙穩(wěn)態(tài)LED顯示屏工作在不同的占空比，并測試其對(duì)應(yīng)的ANSI流明值。

顯然，實(shí)驗(yàn)結(jié)果符合塔爾博特一普拉竇定律，在使用相同LED發(fā)光器件的前提下，雙穩(wěn)態(tài)LED顯示屏的亮度較普通掃描驅(qū)動(dòng)LED顯示屏可提高N-1倍，與靜態(tài)鎖存驅(qū)動(dòng)顯示屏性能相當(dāng)，并可根據(jù)需要改變占空比實(shí)現(xiàn)亮度控制。

　　4 結(jié)論

結(jié)果證明，雙穩(wěn)態(tài)LED顯示屏相對(duì)于傳統(tǒng)的掃描驅(qū)動(dòng)的LED顯示屏來說，可以明顯提高顯示屏的主觀視覺亮度，使其主觀視覺亮度指標(biāo)達(dá)到靜態(tài)鎖存驅(qū)動(dòng)的顯示屏水平，同時(shí)不明顯增加電路規(guī)模，大大地?cái)U(kuò)展了LED顯示屏的應(yīng)用領(lǐng)域。

隨著LED原材料市場的迅猛發(fā)展，表面貼裝器件從2001年面世，主要用在室內(nèi)全彩屏，并且以其亮度高、色彩鮮艷、溫度低的特性，可隨意調(diào)整的點(diǎn)間距，被不同價(jià)位需求者所接受，在短短兩年多時(shí)間內(nèi)，產(chǎn)品銷售額已超過3億元，表面貼裝全彩色LED顯示屏應(yīng)用市場進(jìn)入新世紀(jì)。為了適應(yīng)2008年奧運(yùn)會(huì)的“瘦身”計(jì)劃，利亞德開發(fā)了表面貼裝雙基色顯示屏，大量用于訓(xùn)練館和比賽計(jì)時(shí)計(jì)分系統(tǒng)。在奧運(yùn)場館全彩屏方面，為緊縮投資，全彩屏大部分采用可拆卸方式，奧運(yùn)期間可作為實(shí)況轉(zhuǎn)播工具，賽事結(jié)束后可用于租賃，作為演出、國家政策發(fā)布等公共場合應(yīng)用工具，通過這種方式可盡快收回成本。

并且采用雙穩(wěn)態(tài)LED單元組成的LED顯示屏與傳統(tǒng)掃描方式驅(qū)動(dòng)的LED顯示屏的外圍電路完全兼容，只需對(duì)雙穩(wěn)態(tài)LED顯示屏的行列驅(qū)動(dòng)器加入一組反相器，即可以完全沿用以前的設(shè)備和產(chǎn)品，故升級(jí)成本低。一旦技術(shù)成熟，憑借其自身良好的性能和只增加很少投入的成本控制，將十分易于推廣。該顯示驅(qū)動(dòng)技術(shù)與高亮度或超高亮度LED器件搭配，顯示效果將大幅度提升。