LED顯示器動態(tài)掃描驅(qū)動電路的設(shè)計

1、遼遼 寧寧 工工 業(yè)業(yè) 大大 學(xué)學(xué) 數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)課程設(shè)計數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)課程設(shè)計（論文）（論文）題目：題目：LED顯示器動態(tài)掃描驅(qū)動電路的設(shè)計顯示器動態(tài)掃描驅(qū)動電路的設(shè)計院院 （系）：（系）：電子與信息工程學(xué)院電子與信息工程學(xué)院 專業(yè)班級：專業(yè)班級： 學(xué)學(xué) 號：號： 100405024 學(xué)生姓名：學(xué)生姓名： 指導(dǎo)教師：指導(dǎo)教師： 教師職稱：教師職稱： 副教授副教授 起止時間：起止時間：2012.12.292013.1.11 數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)課程設(shè)計（論文） 數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)課程設(shè)計（論文）- I -課程設(shè)計（論文）任務(wù)及評語課程設(shè)計（論文）任務(wù)及評語院（系）：電子與信息工程學(xué)院 教研室：電

2、子信息工程學(xué) 號100405024學(xué)生姓名專業(yè)班級課程設(shè)計（論 文）題 目LED 顯示器動態(tài)掃描驅(qū)動電路的設(shè)計課程設(shè)計（論文）任務(wù)設(shè)計任務(wù)：1. 顯示位數(shù)為 4 位2. 用分立元件設(shè)計設(shè)計要求：1 .分析設(shè)計要求，明確性能指標(biāo)。必須仔細(xì)分析課題要求、性能、指標(biāo)及應(yīng)用環(huán)境等，廣開思路，構(gòu)思出各種總體方案，繪制結(jié)構(gòu)框圖。2 .確定合理的總體方案。對各種方案進(jìn)行比較，以電路的先進(jìn)性、結(jié)構(gòu)的繁簡、成本的高低及制作的難易等方面作綜合比較，并考慮器件的來源，敲定可行方案。3 .設(shè)計各單元電路。總體方案化整為零，分解成若干子系統(tǒng)或單元電路，逐個設(shè)計。4.組成系統(tǒng)。在一定幅面的圖紙上合理布局，通常是按信號的流

3、向，采用左進(jìn)右出的規(guī)律擺放各電路，并標(biāo)出必要的說明。指導(dǎo)教師評語及成績平時成績（20%）： 論文成績（60%）： 答辯成績（20%）： 總成績 ： 指導(dǎo)教師簽字： 學(xué)生簽字： 年 月 日數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)課程設(shè)計（論文）- II -摘 要隨著計算機(jī)技術(shù)和電子技術(shù)的飛速發(fā)展和廣泛應(yīng)用,電器設(shè)備的輸出顯示技術(shù)也變得復(fù)雜多樣。在這些顯示當(dāng)中,LED 數(shù)碼管的顯示電路較為簡單,成本也較低,在功能單一的儀器儀表與機(jī)電設(shè)備中應(yīng)用較廣。本文著重說明 LED 顯示器動態(tài)掃描驅(qū)動電路的設(shè)計。對于本設(shè)計首先用 555 定時器產(chǎn)生固定頻率的信號作為節(jié)拍發(fā)生器的時鐘，將此時鐘連到由 74LS160 接成的四進(jìn)制加法計數(shù)

4、器上，由具有八個譯碼輸出端的74LS138 作為數(shù)碼管的譯碼器。其次，當(dāng) 7447 引腳接到高電平時驅(qū)動共陰極七段LED 數(shù)碼管輪流顯示對應(yīng)數(shù)據(jù)。最后利用仿真軟件驗證設(shè)計的正確性，當(dāng)各引腳輸出的高電平頻率達(dá)到一定程度時，數(shù)碼管呈現(xiàn)閃爍現(xiàn)象。關(guān)鍵詞：555 定時器；計數(shù)器；譯碼器；七段 LED 數(shù)碼管數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)課程設(shè)計（論文）- III -目錄第第 1 1 章章 緒論緒論.11.1 LED 顯示器動態(tài)掃描驅(qū)動電路的設(shè)計意義 .11.2 設(shè)計參數(shù)及要求 .11.3 方案論證 .21.4 設(shè)計總體框圖 .3第第 2 章章 各單元電路的設(shè)計各單元電路的設(shè)計.42.1 多諧振蕩器的設(shè)計 .42.2

5、 計數(shù)器的設(shè)計 .42.3 譯碼器的設(shè)計 .52.4 共陰極 LED 動態(tài)驅(qū)動電路設(shè)計.62.5 七段數(shù)碼管的設(shè)計 .7第第 3 章章 整體電路設(shè)計整體電路設(shè)計.93.1 整體電路圖及工作原理 .93.2 電路參數(shù)計算 .103.3 整體電路的仿真及分析 .10第第 4 章章 設(shè)計總結(jié)設(shè)計總結(jié).12參考文獻(xiàn)參考文獻(xiàn).13附錄：附錄：.14數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)課程設(shè)計（論文）1第 1 章 緒論1.1 LED 顯示器動態(tài)掃描驅(qū)動電路的設(shè)計意義 隨著計算機(jī)技術(shù)和電子技術(shù)的飛速發(fā)展和廣泛應(yīng)用,電器設(shè)備的輸出顯示技術(shù)也變得復(fù)雜多樣,諸如 CRT 顯示、LCD 顯示、多位 LED 顯示及發(fā)光二極管顯示等應(yīng)運(yùn)而

6、生。在這些顯示當(dāng)中,LED 及發(fā)光二極管顯示電路較為簡單,成本也較低,在功能單一的儀器儀表與機(jī)電設(shè)備中應(yīng)用較廣。但當(dāng)設(shè)備顯示的點(diǎn)或位較多時,就需要采用一定的驅(qū)動電路與相應(yīng)的驅(qū)動方式。所謂動態(tài)顯示就是讓各位顯示元件分時工作。若刷新的速度太高，顯示元件的開關(guān)速度卻不夠高，以致在前一個字符尚未完全熄滅的情況下，后續(xù)的字符段就點(diǎn)亮。若刷新的速度太慢時，將發(fā)生閃爍。因此刷新頻率不要低于 100 HZ ，肉眼觀察到的數(shù)碼的顯示情況將是連續(xù)的。利用動態(tài)顯示法可以降低系統(tǒng)功耗，減少成本。在 LED 的驅(qū)動和顯示單元的設(shè)計中,采用的方式有許多種:利用計算機(jī)芯片的端口作為 LED 的驅(qū)動口,并通過軟件編程加外部驅(qū)

7、動實(shí)現(xiàn),缺點(diǎn)是占用計算機(jī)芯片的時間和相關(guān)資源；利用專用接口芯片如 Intel8155、8255 等作為計算機(jī)芯片的端口擴(kuò)展,并通過軟件編程加外部驅(qū)動實(shí)現(xiàn),缺點(diǎn)是電路較復(fù)雜,功耗較大,也要占用計算機(jī)芯片的時間和相關(guān)資源；利用顯示專用芯片如Intel8279、MAX7219、PS7219 等,可實(shí)現(xiàn)較復(fù)雜的功能,但其占用計算機(jī)芯片端口還是較多,并且芯片價格較高。大多數(shù)顯示驅(qū)動器都沒有嚴(yán)格的總線時序,在強(qiáng)干擾環(huán)境下容易造成時序混亂,使顯示不正常。1.2 設(shè)計參數(shù)及要求 設(shè)計要求：設(shè)計要求：1 .分析設(shè)計要求，明確性能指標(biāo)。必須仔細(xì)分析課題要求、性能、指標(biāo)及應(yīng)用環(huán)境等，廣開思路，構(gòu)思出各種總體方案，繪

8、制結(jié)構(gòu)框圖。2 .確定合理的總體方案。對各種方案進(jìn)行比較，以電路的先進(jìn)性、結(jié)構(gòu)的繁簡、成本的高低及制作的難易等方面作綜合比較，并考慮器件的來源，敲定可行方案。3 .設(shè)計各單元電路。總體方案化整為零，分解成若干子系統(tǒng)或單元電路，逐數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)課程設(shè)計（論文）2個設(shè)計。4.組成系統(tǒng)。在一定幅面的圖紙上合理布局，通常是按信號的流向，采用左進(jìn)右出的規(guī)律擺放各電路，并標(biāo)出必要的說明。設(shè)計參數(shù)：設(shè)計參數(shù)：1發(fā)光強(qiáng)度比由于數(shù)碼管各段在同樣的驅(qū)動電壓時，各段正向電流不相同，所以各段發(fā)光強(qiáng)度不同。所有段的發(fā)光強(qiáng)度值中最大值與最小值之比為發(fā)光強(qiáng)度比。比值可以在 1.52.3 間，最大不能超過 2.5。2脈沖正

9、向電流若筆畫顯示器每段典型正向直流工作電流為 IF，則在脈沖下，正向電流可以遠(yuǎn)大于 IF。脈沖占空比越小，脈沖正向電流可以越大。1.3 方案論證方案一：方案一：本設(shè)計的電路可以使用集成芯片 74LS138、74LS160。對于74LS160 可以接成任意進(jìn)制的加法計數(shù)器，再由 74LS138 譯碼器控制哪一個選通，從而實(shí)現(xiàn)設(shè)計要求的四位 LED 的顯示屏的顯示。對于本設(shè)計的要求實(shí)現(xiàn)動態(tài)驅(qū)動掃描，顯然不能夠滿足，因此本設(shè)計不采用此方案。方案二：方案二：本文的設(shè)計同樣可以使用集成芯片 74LS151、7447。對于74LS151 可以實(shí)現(xiàn)選通的功能，再由 7447LED 共陰極驅(qū)動集成電路來實(shí)現(xiàn)L

10、ED 顯示的內(nèi)容，從而實(shí)現(xiàn) LED 的顯示效果。但是此顯示的靜態(tài)效果，不能實(shí)現(xiàn)動態(tài)效果，故不符合設(shè)計的要求，所以本設(shè)計也不能采用此方案。方案三：方案三：對于此電路的實(shí)現(xiàn)可以由 555 定時器產(chǎn)生時鐘脈沖，通過計數(shù)器控制譯碼器，由譯碼器控制輸出中間級使其數(shù)據(jù)傳送到 LED 七段數(shù)碼顯示管。這里計數(shù)器采用 74LS160 設(shè)計成同步四進(jìn)制加法計數(shù)器，譯碼器采用74LS138 譯碼器。LED 顯示按要求采用 4 位分立元件，其內(nèi)部由多只發(fā)光二極管構(gòu)成，按連接方式不同可分為共陽極 LED 與共陰極 LED，其電路特性基本一致：發(fā)光二極管導(dǎo)通壓降為 1.2V1.8V，正向工作電流為 2mA15mA，本設(shè)

11、計采用共陰極連接方式。在顯示驅(qū)動方式中，采用集成芯片 7447 驅(qū)動。當(dāng)掃描到公共端時，LED 驅(qū)動器分別對應(yīng)輸出 adp 的顯示段，LED 就能正常顯示。綜上所述，對于 LED 顯示器動態(tài)掃描驅(qū)動電路的設(shè)計采用方案三。數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)課程設(shè)計（論文）31.4 設(shè)計總體框圖總體方案框圖如下： 節(jié)拍發(fā)生器用于產(chǎn)生時鐘脈沖，為后續(xù)電路提供脈沖信號；控制計數(shù)器用于控制整體電路的循環(huán)次數(shù)；顯示譯碼器的功能是將計數(shù)器給出的四組二進(jìn)制 BCD碼轉(zhuǎn)換成相對應(yīng)的地址碼；顯示器用于顯示地址碼相對應(yīng)數(shù)字。圖 1.1 總體方案框圖控制計數(shù)器顯示譯碼器顯示器節(jié)拍發(fā)生器數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)課程設(shè)計（論文）4第 2 章 單元

12、電路的設(shè)計2.1 多諧振蕩器的設(shè)計用 555 定時器連接成多諧振器，作為節(jié)拍發(fā)生器的時鐘。如圖 2.1 所示： 圖 2.1 用 555 定時器構(gòu)成的多諧振蕩器2.2 計數(shù)器的設(shè)計計數(shù)器選用集成電路 74LS160 進(jìn)行設(shè)計較方便。74LS160 是同步四位十進(jìn)制加/減計數(shù)器,它具有同步清零、同步計數(shù)的功能。74LS160 的引腳圖如下圖 2.2 所示：數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)課程設(shè)計（論文）5本設(shè)計需要應(yīng)用 74LS160 設(shè)計出同步四進(jìn)制加法計數(shù)器，如圖 2.3 所示：2.3 譯碼器的設(shè)計譯碼器選用集成電路 74LS138 進(jìn)行設(shè)計比較簡單。74LS138 的邏輯功能是將每個輸入的二進(jìn)制代碼譯成對應(yīng)

13、的輸出高、低電平信號或另外一個代碼。圖 2.2 74LS160 引腳圖圖 2.3 四進(jìn)制加法計數(shù)器數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)課程設(shè)計（論文）674LS138 的引腳圖如圖 2.4 所示：2.4 共陰極 LED 動態(tài)驅(qū)動電路設(shè)計動態(tài)驅(qū)動是將所有數(shù)碼管使用一個專門的譯碼驅(qū)動器，使各位數(shù)碼管逐個輪流受控顯示，這就是動態(tài)驅(qū)動。由于掃描速度極快，顯示效果與靜態(tài)驅(qū)動相同，所以可以用 7447 來驅(qū)動，7447 的引腳圖如圖 2.5 所示： 圖 2.5 7447 引腳圖圖 2.4 74LS138 引腳圖數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)課程設(shè)計（論文）7LED 顯示器分類：（1）按字高分：筆畫顯示器字高最小有 1mm（單片集成式多位數(shù)

14、碼管字高一般在 23mm）。其他類型筆畫顯示器最高可達(dá) 12.7mm（0.5 英寸）甚至達(dá)數(shù)百 mm。（2）按顏色分有紅、橙、黃、綠等數(shù)種。（3）按結(jié)構(gòu)分，有反射罩式、單條七段式及單片集成式。（4）從各發(fā)光段電極連接方式分有共陽極和共陰極兩種。所謂共陽方式是指筆畫顯示器各段發(fā)光管的陽極（即 P 區(qū)）是公共的，而陰極互相隔離。所謂共陰方式是筆畫顯示器各段發(fā)光管的陰極（即 N 區(qū)）是公共的，而陽極是互相隔離的。該單元電路采用共陰極連接方式。2.5 七段數(shù)碼管的設(shè)計 七段數(shù)碼管在工業(yè)控制中有著很廣泛的應(yīng)用,例如用來顯示溫度、數(shù)量、重量、日期、時間，還可以用來顯示比賽的比分等，具有顯示醒目、直觀的優(yōu)點(diǎn)

15、。七段數(shù)碼管的具體工作原理可敘述如下：首先將數(shù)碼管要顯示的 8 分為七段如圖 2.6 所示。圖 2.6 七段 LED 顯示器數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)課程設(shè)計（論文）8這七段分別由七個發(fā)光二極管構(gòu)成，如圖 2.7 所示。根據(jù)數(shù)碼（0，1，2，3，4，5，6，7，8，9）來決定七段中的某一段或幾段進(jìn)行顯示，例如如果數(shù)碼為 0，則顯示 0、1、2、3、4、5 段，即點(diǎn)亮 0、1、2、3、4、5 段。對于其它的數(shù)字我們依次類推。圖 2.7 LED 顯示器的等效電路圖為了能以十進(jìn)制數(shù)碼直觀地顯示數(shù)字系統(tǒng)的運(yùn)行數(shù)據(jù)，目前廣泛使用了七字符顯示器，或稱做七段數(shù)碼管。這種字符顯示器由七段可發(fā)光的線段拼合而成。常見的七段

16、字符顯示器有半導(dǎo)體數(shù)碼管和液晶顯示器兩種。半導(dǎo)體數(shù)碼管和液晶顯示器都可以用TTL或CMOS集成電路直接驅(qū)動。為此，就需要使用顯示譯碼器將BCD代碼譯成數(shù)碼管所需要的驅(qū)動信號，以便使數(shù)碼管用十進(jìn)制數(shù)字顯示出BCD代碼所表示的數(shù)值。數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)課程設(shè)計（論文）9第 3 章 整體電路設(shè)計3.1 整體電路圖及工作原理整體電路圖如圖 3.1 所示;圖 3.1 整體電路圖數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)課程設(shè)計（論文）10此電路的主要工作原理是首先通過 555 定時器構(gòu)成多諧振蕩器，產(chǎn)生設(shè)計所需要的脈沖，給同步四位二進(jìn)制加法計數(shù)器一個 CLK 信號，使計數(shù)器的四組BCD 碼分時輪流輸出進(jìn)入 74LS138 譯碼器，再

17、使譯碼器將計數(shù)器給出的四組二進(jìn)制 BCD 碼轉(zhuǎn)換成相對應(yīng)的地址碼；其次地址碼將會驅(qū)動對應(yīng)的四個七段 LED顯示器中的一個；最后，LED 顯示器在驅(qū)動電路 7447 的控制下被點(diǎn)亮，顯示不同的數(shù)字。計數(shù)器是同步四進(jìn)制加法計數(shù)器，每次加一，四次一循環(huán)，每次都把不同的三位二進(jìn)制碼傳送給 74LS138，使 74LS138 譯碼器輸出相對應(yīng)的地址碼。這些地址碼對應(yīng)不同的四位七段 LED 顯示器，四個顯示器會輪流顯示，所謂動態(tài)驅(qū)動實(shí)際就是分時點(diǎn)亮不同位置的數(shù)碼管，由于人眼的惰性，當(dāng)數(shù)碼管熄滅的時間小于 1/25 秒=40ms 時，給人們感覺是一直被點(diǎn)亮，所以人的肉眼看到的效果是四位顯示器同時顯示，而顯示

18、器顯示的內(nèi)容是由 7447 驅(qū)動電路所控制。3.2 電路參數(shù)計算所謂動態(tài)驅(qū)動實(shí)際就是分時點(diǎn)亮不同位置的數(shù)碼管，由于人眼的惰性，當(dāng)數(shù)碼管熄滅的時間小于 1/25 秒=40ms 時，給人們感覺是一直被點(diǎn)亮。所以每位數(shù)碼管點(diǎn)亮?xí)r間 T=40ms/數(shù)碼管位數(shù)；555 構(gòu)成的多諧振蕩器的周期 T=C(R1+2R2)3，取 R1=R2，C=0.01uF，由于設(shè)計時要考慮提供更高的驅(qū)動電流，才能滿足亮度的要求。所以由 T=40ms, C=0.01uF, 3=0.69，計算出 R1=R2=193 K。由于 LED 顯示器是以 LED 為基礎(chǔ)的，所以它的光、電特性及極限參數(shù)意義大部分與發(fā)光二極管的相同。但由于

19、LED 顯示器內(nèi)含多個發(fā)光二極管，所以需有如下特殊參數(shù)：發(fā)光強(qiáng)度:由于數(shù)碼管各段在同樣的驅(qū)動電壓時，各段正向電流不相同，所以各段發(fā)光強(qiáng)度不同。所有段的發(fā)光強(qiáng)度值中最大值與最小值之比為發(fā)光強(qiáng)度比。比值可以在 1.52.3 間，最大不能超過 2.5。3.3 整體電路的仿真及分析電整體路仿真效果圖如圖 3.2 所示：數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)課程設(shè)計（論文）11圖 3.2 仿真效果圖數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)課程設(shè)計（論文）12數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)課程設(shè)計（論文）13第 4 章 設(shè)計總結(jié) 通過兩個星期的課程設(shè)計，我獲得了各方面能力的鍛煉，包括調(diào)查和研究、查閱文獻(xiàn)和檢索資料的能力，數(shù)據(jù)處理、綜合分析、理論聯(lián)系實(shí)際的能力及計算機(jī)繪圖和文字處理的能力。從一開始的無從下手到學(xué)會查閱資料、查閱文獻(xiàn)，到獨(dú)立分析和解決問題，到最后的整體設(shè)計和論文整理，每一個環(huán)節(jié)我都受益頗多。課程設(shè)計不僅是對