七段顯示器

LED（發光二極管）是一種固態光學PN結二極管，它以光子的形式發射光能。

當每個段的二極管結被外部電壓正向偏置時，電流流過其結，光子就會從七段顯示器中發射出來。在電子學中，我們稱這一過程為電致發光。

LED發出的可見光的實際顏色（從藍色到紅色到橙色）取決于發射光的光譜波長，而光譜波長本身又取決于用于制造LED的半導體材料中添加的各種雜質的混合比例。

七段顯示器

七段顯示器

與傳統燈泡相比，發光二極管具有許多優勢，主要優勢包括體積小、壽命長、顏色多樣、價格便宜且易于獲取，同時還能輕松與其他電子元件和數字電路連接。

但發光二極管的主要優勢在于，由于其芯片尺寸小，多個LED可以連接在一個緊湊的封裝內，形成通常所說的七段顯示器。

七段顯示器

七段顯示器，也稱為“七段顯示”，由七個LED（因此得名）按矩形排列組成，如圖所示。每個LED被稱為一個段，因為當點亮時，這些段會形成要顯示的數字（十進制和十六進制）的一部分。

有時在同一封裝內還會使用一個額外的第8個LED，以便在兩個或多個七段顯示器連接在一起顯示大于10的數字時，用于指示小數點（DP）。

顯示器中的每個LED都有一個位置段，其中一個連接引腳直接從矩形塑料封裝中引出。這些單獨的LED引腳標記為a到g，分別代表每個LED。其他LED引腳連接在一起，形成一個公共引腳。

因此，通過按特定順序正向偏置LED段的適當引腳，某些段會亮起，而其他段則會保持暗態，從而在顯示器上生成所需的數字字符圖案。這樣，我們就可以在同一七段顯示器上顯示從0到9的十個十進制數字。

顯示器的公共引腳通常用于識別其類型。由于每個LED有兩個連接引腳，一個稱為“陽極”，另一個稱為“陰極”，因此有兩種類型的LED七段顯示器：共陰極（CC）和共陽極（CA）。

顧名思義，這兩種顯示器的區別在于，共陰極顯示器將所有7個段的陰極直接連接在一起，而共陽極顯示器則將所有7個段的陽極連接在一起，其點亮方式如下：

1. 共陰極（CC）——在共陰極顯示器中，所有LED段的陰極連接在一起，接到邏輯“0”或地。通過電流限制電阻向各個陽極端子（a-g）施加“高電平”或邏輯“1”信號來點亮各個段。

共陰極配置

共陰極

2. 共陽極（CA）——在共陽極顯示器中，所有LED段的陽極連接在一起，接到邏輯“1”。通過適當的電流限制電阻向特定段的陰極（a-g）施加地、邏輯“0”或“低電平”信號來點亮各個段。

共陽極配置

共陽極

一般來說，共陽極顯示器更受歡迎，因為許多邏輯電路可以吸收的電流比它們可以提供的電流更多。還需注意的是，共陰極顯示器不能直接替換電路中的共陽極顯示器，反之亦然，因為這相當于反向連接LED，因此不會發光。

根據要顯示的十進制數字，特定的LED組會被正向偏置。例如，要顯示數字0，我們需要點亮對應于a、b、c、d、e和f的六個LED段。因此，可以使用七段顯示器顯示從0到9的各種數字，如圖所示。

所有數字的數字段

數字

對于七段顯示器，我們可以生成一個真值表，列出需要點亮的各個段，以生成從0到9的所需十進制數字，如下所示。

七段顯示器真值表

驅動七段顯示器

雖然七段顯示器可以被視為單個顯示器，但它仍然是單個封裝內的七個獨立LED，因此這些LED需要防止過流。LED僅在正向偏置時發光，發出的光量與正向電流成正比。

這意味著LED的光強度隨著電流的增加以近似線性的方式增加。因此，必須通過外部電阻控制和限制正向電流到一個安全值，以防止LED段損壞。

紅色LED段的正向電壓降非常低，約為2至2.2伏（藍色和白色LED可以高達3.6伏），因此為了正確點亮，LED段應連接到超過此正向電壓值的電壓源，并使用串聯電阻將正向電流限制在理想值。

通常，對于標準的紅色七段顯示器，每個LED段可以消耗約15 mA的電流以正確點亮，因此在5伏數字邏輯電路中，限流電阻的值約為200Ω（5v – 2v）/15mA，或最接近的更高標準值220Ω。

要了解顯示器的段如何連接到220Ω限流電阻，請考慮以下電路。

驅動七段顯示器

驅動七段顯示器

在此示例中，共陽極顯示器的段通過開關點亮。如果開關a閉合，電流將流過LED的“a”段，連接到引腳a的限流電阻，然后到0伏，形成電路。此時只有段a會點亮。因此，在這種共陽極顯示器上，需要低電平條件（開關接地）來激活LED段。

但假設我們希望在顯示器上顯示十進制數字“4”。那么開關b、c、f和g將閉合以點亮相應的LED段。同樣，對于十進制數字“7”，開關a、b、c將閉合。但使用單獨的開關點亮七段顯示器并不十分實用。

驅動七段顯示器

七段顯示器通常由一種特殊類型的集成電路（IC）驅動，通常稱為七段解碼器/驅動器，例如CMOS 4511。這種七段顯示驅動器被稱為二進制編碼十進制（BCD）到七段顯示解碼器和驅動器，能夠點亮共陽極或共陰極顯示器。但還有許多其他單和雙顯示驅動器可用，例如非常流行的TTL 7447。

這種BCD到七段解碼器/驅動器接收一個四位BCD輸入，標記為A、B、C和D，分別對應二進制權重1、2、4和8的數字，有七個輸出，將通過適當的段傳遞電流以顯示數字LED顯示器的十進制數字。

CD4511的數字輸出與通常的CMOS輸出不同，因為它們每個可以提供高達25mA的電流，直接驅動LED段，允許使用和驅動不同顏色的LED顯示器。

使用4511驅動器

使用4511驅動器

在這個簡單的電路中，共陰極LED顯示器的每個陽極端子通過限流電阻直接連接到4511解碼器/驅動器。每個LED段的陰極內部連接到地。4511的二進制輸入A、B、C和D通過四個機械開關控制。當所有開關處于打開位置時，四個1kΩ電阻上的電壓為零（0V），因為它們直接接地。這可以防止任何開關打開時顯示器的誤觸發。

因此，我們可以看到，使用BCD到七段顯示驅動器（如CMOS 4511或TTL 7447），我們可以僅用四個開關（而不是之前的8個）或4位二進制信號控制LED顯示器，允許多達16種不同的組合。

大多數數字設備使用七段顯示器將數字信號轉換為用戶可以顯示和理解的形式。這些信息通常是以數字、字符和符號形式呈現的數值數據。共陽極和共陰極七段顯示器通過以各種組合點亮各個段來生成所需的數字。

基于LED的七段顯示器在電子愛好者中非常受歡迎，因為它們易于使用和理解。在大多數實際應用中，七段顯示器由適當的解碼器/驅動器IC（如CMOS 4511或TTL 7447）從4位BCD輸入驅動。如今，基于LED的七段顯示器已大多被消耗較少電流的液晶顯示器（LCD）所取代。