七段显示器

LED（发光二极管）是一种固态光学PN结二极管，它以光子的形式发射光能。

当每个段的二极管结被外部电压正向偏置时，电流流过其结，光子就会从七段显示器中发射出来。在电子学中，我们称这一过程为电致发光。

LED发出的可见光的实际颜色（从蓝色到红色到橙色）取决于发射光的光谱波长，而光谱波长本身又取决于用于制造LED的半导体材料中添加的各种杂质的混合比例。

七段显示器

七段显示器

与传统灯泡相比，发光二极管具有许多优势，主要优势包括体积小、寿命长、颜色多样、价格便宜且易于获取，同时还能轻松与其他电子元件和数字电路连接。

但发光二极管的主要优势在于，由于其芯片尺寸小，多个LED可以连接在一个紧凑的封装内，形成通常所说的七段显示器。

七段显示器

七段显示器，也称为“七段显示”，由七个LED（因此得名）按矩形排列组成，如图所示。每个LED被称为一个段，因为当点亮时，这些段会形成要显示的数字（十进制和十六进制）的一部分。

有时在同一封装内还会使用一个额外的第8个LED，以便在两个或多个七段显示器连接在一起显示大于10的数字时，用于指示小数点（DP）。

显示器中的每个LED都有一个位置段，其中一个连接引脚直接从矩形塑料封装中引出。这些单独的LED引脚标记为a到g，分别代表每个LED。其他LED引脚连接在一起，形成一个公共引脚。

因此，通过按特定顺序正向偏置LED段的适当引脚，某些段会亮起，而其他段则会保持暗态，从而在显示器上生成所需的数字字符图案。这样，我们就可以在同一七段显示器上显示从0到9的十个十进制数字。

显示器的公共引脚通常用于识别其类型。由于每个LED有两个连接引脚，一个称为“阳极”，另一个称为“阴极”，因此有两种类型的LED七段显示器：共阴极（CC）和共阳极（CA）。

顾名思义，这两种显示器的区别在于，共阴极显示器将所有7个段的阴极直接连接在一起，而共阳极显示器则将所有7个段的阳极连接在一起，其点亮方式如下：

1. 共阴极（CC）——在共阴极显示器中，所有LED段的阴极连接在一起，接到逻辑“0”或地。通过电流限制电阻向各个阳极端子（a-g）施加“高电平”或逻辑“1”信号来点亮各个段。

共阴极配置

共阴极

2. 共阳极（CA）——在共阳极显示器中，所有LED段的阳极连接在一起，接到逻辑“1”。通过适当的电流限制电阻向特定段的阴极（a-g）施加地、逻辑“0”或“低电平”信号来点亮各个段。

共阳极配置

共阳极

一般来说，共阳极显示器更受欢迎，因为许多逻辑电路可以吸收的电流比它们可以提供的电流更多。还需注意的是，共阴极显示器不能直接替换电路中的共阳极显示器，反之亦然，因为这相当于反向连接LED，因此不会发光。

根据要显示的十进制数字，特定的LED组会被正向偏置。例如，要显示数字0，我们需要点亮对应于a、b、c、d、e和f的六个LED段。因此，可以使用七段显示器显示从0到9的各种数字，如图所示。

所有数字的数字段

数字

对于七段显示器，我们可以生成一个真值表，列出需要点亮的各个段，以生成从0到9的所需十进制数字，如下所示。

七段显示器真值表

驱动七段显示器

虽然七段显示器可以被视为单个显示器，但它仍然是单个封装内的七个独立LED，因此这些LED需要防止过流。LED仅在正向偏置时发光，发出的光量与正向电流成正比。

这意味着LED的光强度随着电流的增加以近似线性的方式增加。因此，必须通过外部电阻控制和限制正向电流到一个安全值，以防止LED段损坏。

红色LED段的正向电压降非常低，约为2至2.2伏（蓝色和白色LED可以高达3.6伏），因此为了正确点亮，LED段应连接到超过此正向电压值的电压源，并使用串联电阻将正向电流限制在理想值。

通常，对于标准的红色七段显示器，每个LED段可以消耗约15 mA的电流以正确点亮，因此在5伏数字逻辑电路中，限流电阻的值约为200Ω（5v – 2v）/15mA，或最接近的更高标准值220Ω。

要了解显示器的段如何连接到220Ω限流电阻，请考虑以下电路。

驱动七段显示器

驱动七段显示器

在此示例中，共阳极显示器的段通过开关点亮。如果开关a闭合，电流将流过LED的“a”段，连接到引脚a的限流电阻，然后到0伏，形成电路。此时只有段a会点亮。因此，在这种共阳极显示器上，需要低电平条件（开关接地）来激活LED段。

但假设我们希望在显示器上显示十进制数字“4”。那么开关b、c、f和g将闭合以点亮相应的LED段。同样，对于十进制数字“7”，开关a、b、c将闭合。但使用单独的开关点亮七段显示器并不十分实用。

驱动七段显示器

七段显示器通常由一种特殊类型的集成电路（IC）驱动，通常称为七段解码器/驱动器，例如CMOS 4511。这种七段显示驱动器被称为二进制编码十进制（BCD）到七段显示解码器和驱动器，能够点亮共阳极或共阴极显示器。但还有许多其他单和双显示驱动器可用，例如非常流行的TTL 7447。

这种BCD到七段解码器/驱动器接收一个四位BCD输入，标记为A、B、C和D，分别对应二进制权重1、2、4和8的数字，有七个输出，将通过适当的段传递电流以显示数字LED显示器的十进制数字。

CD4511的数字输出与通常的CMOS输出不同，因为它们每个可以提供高达25mA的电流，直接驱动LED段，允许使用和驱动不同颜色的LED显示器。

使用4511驱动器

使用4511驱动器

在这个简单的电路中，共阴极LED显示器的每个阳极端子通过限流电阻直接连接到4511解码器/驱动器。每个LED段的阴极内部连接到地。4511的二进制输入A、B、C和D通过四个机械开关控制。当所有开关处于打开位置时，四个1kΩ电阻上的电压为零（0V），因为它们直接接地。这可以防止任何开关打开时显示器的误触发。

因此，我们可以看到，使用BCD到七段显示驱动器（如CMOS 4511或TTL 7447），我们可以仅用四个开关（而不是之前的8个）或4位二进制信号控制LED显示器，允许多达16种不同的组合。

大多数数字设备使用七段显示器将数字信号转换为用户可以显示和理解的形式。这些信息通常是以数字、字符和符号形式呈现的数值数据。共阳极和共阴极七段显示器通过以各种组合点亮各个段来生成所需的数字。

基于LED的七段显示器在电子爱好者中非常受欢迎，因为它们易于使用和理解。在大多数实际应用中，七段显示器由适当的解码器/驱动器IC（如CMOS 4511或TTL 7447）从4位BCD输入驱动。如今，基于LED的七段显示器已大多被消耗较少电流的液晶显示器（LCD）所取代。