LED（發(fā)光二極管）是一種固態(tài)光學(xué)PN結(jié)二極管，它以光子的形式發(fā)射光能。

當(dāng)每個(gè)段的二極管結(jié)被外部電壓正向偏置時(shí)，電流流過其結(jié)，光子就會(huì)從七段顯示器中發(fā)射出來。在電子學(xué)中，我們稱這一過程為電致發(fā)光。

LED發(fā)出的可見光的實(shí)際顏色（從藍(lán)色到紅色到橙色）取決于發(fā)射光的光譜波長(zhǎng)，而光譜波長(zhǎng)本身又取決于用于制造LED的半導(dǎo)體材料中添加的各種雜質(zhì)的混合比例。

七段顯示器

七段顯示器

與傳統(tǒng)燈泡相比，發(fā)光二極管具有許多優(yōu)勢(shì)，主要優(yōu)勢(shì)包括體積小、壽命長(zhǎng)、顏色多樣、價(jià)格便宜且易于獲取，同時(shí)還能輕松與其他電子元件和數(shù)字電路連接。

但發(fā)光二極管的主要優(yōu)勢(shì)在于，由于其芯片尺寸小，多個(gè)LED可以連接在一個(gè)緊湊的封裝內(nèi)，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(gè)LED（因此得名）按矩形排列組成，如圖所示。每個(gè)LED被稱為一個(gè)段，因?yàn)楫?dāng)點(diǎn)亮?xí)r，這些段會(huì)形成要顯示的數(shù)字（十進(jìn)制和十六進(jìn)制）的一部分。

有時(shí)在同一封裝內(nèi)還會(huì)使用一個(gè)額外的第8個(gè)LED，以便在兩個(gè)或多個(gè)七段顯示器連接在一起顯示大于10的數(shù)字時(shí)，用于指示小數(shù)點(diǎn)（DP）。

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

因此，通過按特定順序正向偏置LED段的適當(dāng)引腳，某些段會(huì)亮起，而其他段則會(huì)保持暗態(tài)，從而在顯示器上生成所需的數(shù)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(gè)十進(jìn)制數(shù)字。

顯示器的公共引腳通常用于識(shí)別其類型。由于每個(gè)LED有兩個(gè)連接引腳，一個(gè)稱為“陽(yáng)極”，另一個(gè)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(yáng)極（CA）。

顧名思義，這兩種顯示器的區(qū)別在于，共陰極顯示器將所有7個(gè)段的陰極直接連接在一起，而共陽(yáng)極顯示器則將所有7個(gè)段的陽(yáng)極連接在一起，其點(diǎn)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(gè)陽(yáng)極端子（a-g）施加“高電平”或邏輯“1”信號(hào)來點(diǎn)亮各個(gè)段。

共陰極配置

共陰極

2. 共陽(yáng)極（CA）——在共陽(yáng)極顯示器中，所有LED段的陽(yáng)極連接在一起，接到邏輯“1”。通過適當(dāng)?shù)碾娏飨拗齐娮柘蛱囟ǘ蔚年帢O（a-g）施加地、邏輯“0”或“低電平”信號(hào)來點(diǎn)亮各個(gè)段。

共陽(yáng)極配置

共陽(yáng)極

一般來說，共陽(yáng)極顯示器更受歡迎，因?yàn)樵S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(yáng)極顯示器，反之亦然，因?yàn)檫@相當(dāng)于反向連接LED，因此不會(huì)發(fā)光。

根據(jù)要顯示的十進(jìn)制數(shù)字，特定的LED組會(huì)被正向偏置。例如，要顯示數(shù)字0，我們需要點(diǎn)亮對(duì)應(yīng)于a、b、c、d、e和f的六個(gè)LED段。因此，可以使用七段顯示器顯示從0到9的各種數(shù)字，如圖所示。

所有數(shù)字的數(shù)字段

數(shù)字

對(duì)于七段顯示器，我們可以生成一個(gè)真值表，列出需要點(diǎn)亮的各個(gè)段，以生成從0到9的所需十進(jìn)制數(shù)字，如下所示。

七段顯示器真值表

驅(qū)動(dòng)七段顯示器

雖然七段顯示器可以被視為單個(gè)顯示器，但它仍然是單個(gè)封裝內(nèi)的七個(gè)獨(dú)立LED，因此這些LED需要防止過流。LED僅在正向偏置時(shí)發(fā)光，發(fā)出的光量與正向電流成正比。

這意味著LED的光強(qiáng)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(gè)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(lán)色和白色LED可以高達(dá)3.6伏），因此為了正確點(diǎn)亮，LED段應(yīng)連接到超過此正向電壓值的電壓源，并使用串聯(lián)電阻將正向電流限制在理想值。

通常，對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)的紅色七段顯示器，每個(gè)LED段可以消耗約15 mA的電流以正確點(diǎn)亮，因此在5伏數(shù)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(biāo)準(zhǔn)值220Ω。

要了解顯示器的段如何連接到220Ω限流電阻，請(qǐng)考慮以下電路。

驅(qū)動(dòng)七段顯示器

驅(qū)動(dòng)七段顯示器

在此示例中，共陽(yáng)極顯示器的段通過開關(guān)點(diǎn)亮。如果開關(guān)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(shí)只有段a會(huì)點(diǎn)亮。因此，在這種共陽(yáng)極顯示器上，需要低電平條件（開關(guān)接地）來激活LED段。

但假設(shè)我們希望在顯示器上顯示十進(jìn)制數(shù)字“4”。那么開關(guān)b、c、f和g將閉合以點(diǎn)亮相應(yīng)的LED段。同樣，對(duì)于十進(jìn)制數(shù)字“7”，開關(guān)a、b、c將閉合。但使用單獨(dú)的開關(guān)點(diǎn)亮七段顯示器并不十分實(shí)用。

驅(qū)動(dòng)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(qū)動(dòng)，通常稱為七段解碼器/驅(qū)動(dòng)器，例如CMOS 4511。這種七段顯示驅(qū)動(dòng)器被稱為二進(jìn)制編碼十進(jìn)制（BCD）到七段顯示解碼器和驅(qū)動(dòng)器，能夠點(diǎn)亮共陽(yáng)極或共陰極顯示器。但還有許多其他單和雙顯示驅(qū)動(dòng)器可用，例如非常流行的TTL 7447。

這種BCD到七段解碼器/驅(qū)動(dòng)器接收一個(gè)四位BCD輸入，標(biāo)記為A、B、C和D，分別對(duì)應(yīng)二進(jìn)制權(quán)重1、2、4和8的數(shù)字，有七個(gè)輸出，將通過適當(dāng)?shù)亩蝹鬟f電流以顯示數(shù)字LED顯示器的十進(jìn)制數(shù)字。

CD4511的數(shù)字輸出與通常的CMOS輸出不同，因?yàn)樗鼈兠總€(gè)可以提供高達(dá)25mA的電流，直接驅(qū)動(dòng)LED段，允許使用和驅(qū)動(dòng)不同顏色的LED顯示器。

使用4511驅(qū)動(dòng)器

使用4511驅(qū)動(dòng)器

在這個(gè)簡(jiǎn)單的電路中，共陰極LED顯示器的每個(gè)陽(yáng)極端子通過限流電阻直接連接到4511解碼器/驅(qū)動(dòng)器。每個(gè)LED段的陰極內(nèi)部連接到地。4511的二進(jìn)制輸入A、B、C和D通過四個(gè)機(jī)械開關(guān)控制。當(dāng)所有開關(guān)處于打開位置時(shí)，四個(gè)1kΩ電阻上的電壓為零（0V），因?yàn)樗鼈冎苯咏拥?。這可以防止任何開關(guān)打開時(shí)顯示器的誤觸發(fā)。

因此，我們可以看到，使用BCD到七段顯示驅(qū)動(dòng)器（如CMOS 4511或TTL 7447），我們可以僅用四個(gè)開關(guān)（而不是之前的8個(gè)）或4位二進(jìn)制信號(hào)控制LED顯示器，允許多達(dá)16種不同的組合。

大多數(shù)數(shù)字設(shè)備使用七段顯示器將數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換為用戶可以顯示和理解的形式。這些信息通常是以數(shù)字、字符和符號(hào)形式呈現(xiàn)的數(shù)值數(shù)據(jù)。共陽(yáng)極和共陰極七段顯示器通過以各種組合點(diǎn)亮各個(gè)段來生成所需的數(shù)字。

基于LED的七段顯示器在電子愛好者中非常受歡迎，因?yàn)樗鼈円子谑褂煤屠斫?。在大多?shù)實(shí)際應(yīng)用中，七段顯示器由適當(dāng)?shù)慕獯a器/驅(qū)動(dòng)器IC（如CMOS 4511或TTL 7447）從4位BCD輸入驅(qū)動(dòng)。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。