1 LED显示屏发展历史

LED作为第四代新光源，起初只是作为微型指示灯，在计算机、音响和录像机等高档设备中应用。LED的技术进步是扩大市场需求及应用的最大推动力。随着大规模集成电路和计算机技术的不断进步，LED显示屏正在迅速崛起，它集微电子技术、计算机技术、信息处理于一体，以其色彩鲜艳、动态范围广、亮度高、寿命长、工作稳定可靠等优点，成为最具优势的新一代显示媒体。它的发展史可分为五个阶段：

(1）形成阶段。1990年以前，LED显示屏主要体现在室内应用方面，以LED室内屏、仪器仪表显示等领域为主。受LED材料器件的限制及通信控制技术的制约，LED显示屏应用领域未广泛展开，应用效果一般。对大屏幕显示产品而言，LED显示屏在国外应用较广，国内则应用少，且以红、绿双基色为主。控制方式为通信控制，单点4级灰度调灰，产品成本高。

(2）普及阶段。1990～1995年，LED显示屏应用迅速发展。信息产业高速增长，信息技术不断突破，LED材料和控制技术不断涌现新成果。蓝色LED晶片的研制成功，使LED全彩显示屏进入市场。电子计算机及微电子领域的技术发展，全彩LED显示屏控制技术领域出现视频控制技术，其灰度等级实现16级灰度和64级灰度调灰，动态显示效果成几何倍数提升。LED显示屏作为大屏幕显示主流产品的局面基本形成，全彩LED显示屏应用产业成为新兴的高科技产业。

(3）提升阶段。1996～2003年，LED显示屏应用进入稳步提升、产业格局调整完善的时期。LED材料和技术的提升，使全彩LED显示屏获得重大进展。产业内部竞争加剧，价格回落，产品在质量、标准化等方面出现一系列新问题，引起了有关部门对LED显示屏行业的重视，并对LED显示屏行业进行适当规范和引导，相关的行业标准相继出台。LED显示屏继续引领大屏幕显示产品，其综合应用市场初显端倪，应用领域逐步深化，LED户外屏和LED室内屏成为主流产品。

(4）创新阶段。2004～2007年，是LED显示屏应用创新阶段。LED产品技术和应用领域纵横发展，形成多元市场，产业构成变化显著。LED基础材料和相关技术迅猛发展，推动LED显示屏应用的创新提高。全彩LED显示屏在高密度、高清晰度及整机可靠性、工艺水平等方面不断改进和完善，LED显示屏核心控制系统逐步形成标准化产品。针对不同应用需求进行技术开发，形成一系列新型LED显示屏应用产品，产业的聚积效应比较明显。

(5）规模化、行业洗牌阶段。2008年至今，LED显示屏应用趋于成熟并迅速向规模化发展。在一系列大型体育赛事和展会上，LED产品得到广泛应用，推动了应用市场和产业的规模化发展。国产LED材料和器件的成功应用，促使产品逐步以国产LED器件为主。前期大批从业者的涌入，导致行业产能过剩，资本市场的高调介入，迫使大批企业进行整合、并购、收购，不断加剧LED显示屏行业洗牌的趋势。洗牌后，LED显示屏产业必将健康稳步地向集约化、专业化方向发展。

2 设计方案的选择与论证

LED就是Light Emitting Diode，发光二极管的英文缩写，简称LED。它是一种通过控制半导体发光二极管的显示方式，用来显示文字、图形、图像、动画、行情、视频、录像信号等各种信息的显示屏幕。

高端LED全彩显示屏最大的优点是显示色彩的自然真实，以及显示屏可通过显示模组完全无缝拼接。高端LED全彩显示屏模组具有像素间距小、像素密度高、可恒流驱动、扫描频率高、额定电压低、工作电流小、屏幕亮度高、单位功耗低等众多技术优势。

为了更好地体现高端LED全彩显示模组的技术特点，以P1.5室内高清LED全彩模组为例，模组技术参数如表1所示。

从P1.5全彩模组技术参数表可知，其技术指标当属于高端LED全彩显示模组。结合设计要求，选择将此技术参数作为本次设计的基本目标。

2.1 方案的论证

通过对LED全彩显示模组的功能电路和技术参数的了解，结合实际确定本次设计的目标。为了实现LED全彩显示模组的各项技术指标，其硬件原理设计的方式亦可多种。如何选择最合适的原理进行设计，则必须经过设计方案的比较与筛选。

分析LED全彩模组的功能电路，其中译码电路最特殊，亦最具代表性。其余各功能电路，无论采用何种设计方案，其电路原理设计均相似。因此，将着重对译码电路的设计方案进行比较。 

方案1：译码电路原理图(A)如图1所示。模组扫描方式为1/16扫，共需16根控制线(S1-S16)。译码电路所用芯片为74HC595D(SO16封装），此芯片为8位串行输入/串行或并行输出锁存移位寄存器（三态）。A、B为扫描信号，其中A信号直接接入至芯片SCK与STB引脚，用于控制芯片的时钟与锁存，B信号则作为芯片的串行数据输入。通过级联两个74HC595D芯片，并把上级数据的输出级联到下级数据的输入，由此即可组成1/16扫译码电路。

表1 P1.5全彩模组技术参数表    

图1 译码电路原理图（A)

方案2：译码电路原理图（B）如图2所示。模组扫描方式亦为1/16扫，控制线同为16根（S0-S15）。译码电路所用芯片为74HC138BQ(DHVQFN16封装），此芯片为3线-8线译码器。其中，Q为保护信号，接入至G2B引脚，用于译码芯片保护。A、B、C、D为扫描信号，按照译码芯片的功能真值表进行电路连接。通过使用两个3线-8线译码器，亦可组成1/16扫译码电路。

图2 译码电路原理图（B) 

2.2 方案的选择与确定

通过对方案1与方案2的设计进行分析比较，它们既有相同部分，又有区别之处。相同部分：扫描方式都为1/16扫，译码控制线输出均为16根；译码过程均需使用扫描信号线。区别部分：方案一只需使用两根扫描线；方案二则需使用四根扫描线；方案一采用级联方式，上级容易对下级产生影响；方案二则相对独立，两芯片间互不干扰；方案一主要考虑理论设计，未进行芯片保护，设计较片面；方案二则综合考虑实际情况，对芯片采取保护措施，设计更周密。

通过对两种方案进行比较，决定采纳方案二的设计方法进行译码电路设计。 

3 原理设计优化电路

(1）译码电路。译码电路采用译码芯片74HC138BQ,74HC138BQ芯片（DHVQFN16封装）是一种三通道输入、八通道输出译码器，适用于数字电路中的3线-8线译码功能。芯片引脚及引脚描述如图3所示。对应功能表如图4所示。

图3 74HC138BQ芯片引脚及引脚描述

图4 74HC138BQ功能表 

参照译码芯片的功能表可知，1E、、E3为译码控制端，A0、A1、A2为低位到高位扫描信号输入端，Y0-Y7为译码输出端。译码芯片进入译码工作状态的充要条件是：控制端1E、处于低电平，E3处于高电平。此时，芯片根据输入的扫描信号状态，对应地进行译码低电平输出。当译码芯片缺少充要条件时，无论扫描信号处于何种输入状态，译码输出端均为高电平输出。 

(2）信号接口电路。信号接口电路包含信号输入和信号输出两个部分。全彩LED模组通过自定义26针贴片插针进行信号的输入与输出。插针在LED模组中起信号承接作用，信号输入既可由LED主控控制卡的板载扩展卡提供，也可由上一级全彩LED模组的输出直接通过排线接入，信号输出则通过排线接入下一级全彩LED模组的输入。信号接口电路如图5所示。JIN为信号输入，JOUT为信号输出，信号接口包含四组全彩数据信号(RD、GD、BD)，扫描信号(A、B、C、D)，控制信号(CLK、STB、OE)，及地信号(GND)。

图5 信号接口电路

(3）暗亮消隐电路。LED全彩模组工作时，会在行驱动电路中积聚大量电荷，在转入至下行扫描时，上行积聚电荷

通过灯珠释放，此时会出现前后拖影现象（俗称毛毛虫现象）。为了消除拖影，必须在行驱动电路输出端增加暗亮消隐电路，如图6所示。

图6 暗亮消隐电路

图中所采用的暗亮消隐设计方案为：下拉电阻+稳压二极管。每行驱动电路输出端均接1.1K下拉电阻，八行并接再反向串接3.3V稳压管接地。暗亮消隐电路的作用是能够把下拉后的行扫电压钳制在3.3V,同时快速地释放积聚电荷，从而起到消除拖影的目的。 

4 结语

本文阐述了LED显示屏的发展历程和电路原理的优化分析，并通过对两种方案进行综合比较，选择更优方案并进行分析说明。同时，介绍了74系列译码芯片，并对芯片功能应用进行分析与设计。本文对高端LED全彩显示屏进行电路优化设计，其结果符合设计要求，达到了预定的目标和效果。