数字电子技术基础课程设计(论文)_LED显示器动态扫描驱动电路的设计.doc

数字电子技术基础课程设计（论文） - I - 数字电子技术基础课程设计（论文）数字电子技术基础课程设计（论文） LED显示器动态扫描驱动电路的设计显示器动态扫描驱动电路的设计 数字电子技术基础课程设计（论文） - II - 摘 要 随着计算机技术和电子技术的飞速发展和广泛应用,电器设备的输出显示技 术也变得复杂多样。在这些显示当中,LED 数码管的显示电路较为简单,成本也较 低,在功能单一的仪器仪表与机电设备中应用较广。本文着重说明 LED 显示器动 态扫描驱动电路的设计。 对于本设计首先用 555 定时器产生固定频率的信号作为节拍发生器的时钟， 将此时钟连到由 74LS160 接成的四进制加法计数器上，由具有八个译码输出端的 74LS138 作为数码管的译码器。其次，当 7447 引脚接到高电平时驱动共阴极七段 LED 数码管轮流显示对应数据。最后利用仿真软件验证设计的正确性，当各引脚 输出的高电平频率达到一定程度时，数码管呈现闪烁现象。 关键词：555 定时器；计数器；译码器；七段 LED 数码管 数字电子技术基础课程设计（论文） - III - 目录 第第 1 1 章章 绪论绪论.1 1.1 LED 显示器动态扫描驱动电路的设计意义 1 1.2 设计参数及要求 1 1.3 方案论证 2 1.4 设计总体框图 3 第第 2 章章 各单元电路的设计各单元电路的设计.4 2.1 多谐振荡器的设计 4 2.2 计数器的设计 4 2.3 译码器的设计 5 2.4 共阴极 LED 动态驱动电路设计.6 2.5 七段数码管的设计 7 第第 3 章章 整体电路设计整体电路设计.9 3.1 整体电路图及工作原理 9 3.2 电路参数计算 10 3.3 整体电路的仿真及分析 10 第第 4 章章 设计总结设计总结.12 参考文献参考文献.13 附录：附录：.14 数字电子技术基础课程设计（论文） 1 第 1 章 绪论 1.1 LED 显示器动态扫描驱动电路的设计意义 随着计算机技术和电子技术的飞速发展和广泛应用,电器设备的输出显示技术 也变得复杂多样,诸如 CRT 显示、LCD 显示、多位 LED 显示及发光二极管显示等应 运而生。在这些显示当中,LED 及发光二极管显示电路较为简单,成本也较低,在功 能单一的仪器仪表与机电设备中应用较广。但当设备显示的点或位较多时,就需 要采用一定的驱动电路与相应的驱动方式。 所谓动态显示就是让各位显示元件分时工作。若刷新的速度太高，显示元件 的开关速度却不够高，以致在前一个字符尚未完全熄灭的情况下，后续的字符段 就点亮。若刷新的速度太慢时，将发生闪烁。因此刷新频率不要低于 100 HZ ， 肉眼观察到的数码的显示情况将是连续的。利用动态显示法可以降低系统功耗， 减少成本。 在 LED 的驱动和显示单元的设计中,采用的方式有许多种:利用计算机芯片的 端口作为 LED 的驱动口,并通过软件编程加外部驱动实现,缺点是占用计算机芯片 的时间和相关资源；利用专用接口芯片如 Intel8155、8255 等作为计算机芯片的 端口扩展,并通过软件编程加外部驱动实现,缺点是电路较复杂,功耗较大,也要占 用计算机芯片的时间和相关资源；利用显示专用芯片如 Intel8279、MAX7219、PS7219 等,可实现较复杂的功能,但其占用计算机芯片端口 还是较多,并且芯片价格较高。大多数显示驱动器都没有严格的总线时序,在强干 扰环境下容易造成时序混乱,使显示不正常。 1.2 设计参数及要求 设计要求：设计要求： 1 .分析设计要求，明确性能指标。必须仔细分析课题要求、性能、指标及应 用环境等，广开思路，构思出各种总体方案，绘制结构框图。 2 .确定合理的总体方案。对各种方案进行比较，以电路的先进性、结构的繁 简、成本的高低及制作的难易等方面作综合比较，并考虑器件的来源，敲定可行 方案。 3 .设计各单元电路。总体方案化整为零，分解成若干子系统或单元电路，逐 数字电子技术基础课程设计（论文） 2 个设计。 4.组成系统。在一定幅面的图纸上合理布局，通常是按信号的流向，采用左 进右出的规律摆放各电路，并标出必要的说明。 设计参数：设计参数： 1发光强度比 由于数码管各段在同样的驱动电压时，各段正向电流不相同，所以各段发光 强度不同。所有段的发光强度值中最大值与最小值之比为发光强度比。比值可以 在 1.52.3 间，最大不能超过 2.5。 2脉冲正向电流 若笔画显示器每段典型正向直流工作电流为 IF，则在脉冲下，正向电流可以 远大于 IF。脉冲占空比越小，脉冲正向电流可以越大。 1.3 方案论证 方案一：方案一：本设计的电路可以使用集成芯片 74LS138、74LS160。对于 74LS160 可以接成任意进制的加法计数器，再由 74LS138 译码器控制哪一个 选通，从而实现设计要求的四位 LED 的显示屏的显示。对于本设计的要求实 现动态驱动扫描，显然不能够满足，因此本设计不采用此方案。 方案二：方案二：本文的设计同样可以使用集成芯片 74LS151、7447。对于 74LS151 可以实现选通的功能，再由 7447LED 共阴极驱动集成电路来实现 LED 显示的内容，从而实现 LED 的显示效果。但是此显示的静态效果，不能 实现动态效果，故不符合设计的要求，所以本设计也不能采用此方案。 方案三：方案三：对于此电路的实现可以由 555 定时器产生时钟脉冲，通过计数 器控制译码器，由译码器控制输出中间级使其数据传送到 LED 七段数码显示 管。这里计数器采用 74LS160 设计成同步四进制加法计数器，译码器采用 74LS138 译码器。LED 显示按要求采用 4 位分立元件，其內部由多只发光二 极管构成，按连接方式不同可分为共阳极 LED 与共阴极 LED，其电路特性基 本一致：发光二极管导通压降为 1.2V1.8V，正向工作电流为 2mA15mA， 本设计采用共阴极连接方式。在显示驱动方式中，采用集成芯片 7447 驱动。 当扫描到公共端时，LED 驱动器分别对应输出 adp 的显示段，LED 就能正 常显示。 综上所述，对于 LED 显示器动态扫描驱动电路的设计采用方案三。 数字电子技术基础课程设计（论文） 3 1.4 设计总体框图 总体方案框图如下： 节拍发生器用于产生时钟脉冲，为后续电路提供脉冲信号；控制计数器用于 控制整体电路的循环次数；显示译码器的功能是将计数器给出的四组二进制 BCD 码转换成相对应的地址码；显示器用于显示地址码相对应数字。 图 1.1 总体方案框图 控制计数器 显示译码器显示器 节拍发生器 数字电子技术基础课程设计（论文） 4 第 2 章 单元电路的设计 2.1 多谐振荡器的设计 用 555 定时器连接成多谐振器，作为节拍发生器的时钟。如图 2.1 所示： 图 2.1 用 555 定时器构成的多谐振荡器 2.2 计数器的设计 计数器选用集成电路 74LS160 进行设计较方便。74LS160 是同步四位十 进制加/减计数器,它具有同步清零、同步计数的功能。74LS160 的引脚图如 下图 2.2 所示： 数字电子技术基础课程设计（论文） 5 本设计需要应用 74LS160 设计出同步四进制加法计数器，如图 2.3 所示： 2.3 译码器的设计 译码器选用集成电路 74LS138 进行设计比较简单。74LS138 的逻辑功能 是将每个输入的二进制代码译成对应的输出高、低电平信号或另外一个代码。 图 2.2 74LS160 引脚图 图 2.3 四进制加法计数器 数字电子技术基础课程设计（论文） 6 74LS138 的引脚图如图 2.4 所示： 2.4 共阴极 LED 动态驱动电路设计 动态驱动是将所有数码管使用一个专门的译码驱动器，使各位数码管逐个轮流 受控显示，这就是动态驱动。由于扫描速度极快，显示效果与静态驱动相同，所 以可以用 7447 来驱动，7447 的引脚图如图 2.5 所示： 图 2.5 7447 引脚图 图 2.4 74LS138 引脚图 数字电子技术基础课程设计（论文） 7 LED 显示器分类： （1）按字高分：笔画显示器字高最小有 1mm（单片集成式多位数码管字高一 般在 23mm）。其他类型笔画显示器最高可达 12.7mm（0.5 英寸）甚 至达数百 mm。 （2）按颜色分有红、橙、黄、绿等数种。 （3）按结构分，有反射罩式、单条七段式及单片集成式。 （4）从各发光段电极连接方式分有共阳极和共阴极两种。 所谓共阳方式是指笔画显示器各段发光管的阳极（即 P 区）是公共的， 而阴极互相隔离。所谓共阴方式是笔画显示器各段发光管的阴极（即 N 区） 是公共的，而阳极是互相隔离的。该单元电路采用共阴极连接方式。 2.5 七段数码管的设计 七段数码管在工业控制中有着很广泛的应用,例如用来显示温度、数量、 重量、日期、时间，还可以用来显示比赛的比分等，具有显示醒目、直观的 优点。七段数码管的具体工作原理可叙述如下：首先将数码管要显示的 8 分 为七段如图 2.6 所示。 图 2.6 七段 LED 显示器 数字电子技术基础课程设计（论文） 8 这七段分别由七个发光二极管构成，如图 2.7 所示。根据数码 （0，1，2，3，4，5，6，7，8，9）来决定七段中的某一段或几段进行显示，例 如如果数码为 0，则显示 0、1、2、3、4、5 段，即点亮 0、1、2、3、4、5 段。 对于其它的数字我们依次类推。 图 2.7 LED 显示器的等效电路图 为了能以十进制数码直观地显示数字系统的运行数据，目前广泛使用了七字 符显示器，或称做七段数码管。这种字符显示器由七段可发光的线段拼合而成。 常见的七段字符显示器有半导体数码管和液晶显示器两种。半导体数码管和液晶 显示器都可以用TTL或CMOS集成电路直接驱动。为此，就需要使用显示译码器 将BCD代码译成数码管所需要的驱动信号，以便使数码管用十进制数字显示出 BCD代码所表示的数值。 数字电子技术基础课程设计（论文） 9 第 3 章 整体电路设计 3.1 整体电路图及工作原理 整体电路图如图 3.1 所示; 图 3.1 整体电路图 数字电子技术基础课程设计（论文） 10 此电路的主要工作原理是首先通过 555 定时器构成多谐振荡器，产生设计所 需要的脉冲，给同步四位二进制加法计数器一个 CLK 信号，使计数器的四组 BCD 码分时轮流输出进入 74LS138 译码器，再使译码器将计数器给出的四组二 进制 BCD 码转换成相对应的地址码；其次地址码将会驱动对应的四个七段 LED 显示器中的一个；最后，LED 显示器在驱动电路 7447 的控制下被点亮，显示不 同的数字。计数器是同步四进制加法计数器，每次加一，四次一循环，每次都把 不同的三位二进制码传送给 74LS138，使 74LS138 译码器输出相对应的地址码。 这些地址码对应不同的四位七段 LED 显示器，四个显示器会轮流显示，所谓动 态驱动实际就是分时点亮不同位置的数码管，由于人眼的惰性，当数码管熄灭的 时间小于 1/25 秒=40ms 时，给人们感觉是一直被点亮，所以人的肉眼看到的效果 是四位显示器同时显示，而显示器显示的内容是由 7447 驱动电路所控制。 3.2 电路参数计算 所谓动态驱动实际就是分时点亮不同位置的数码管，由于人眼的惰性，当数 码管熄灭的时间小于 1/25 秒=40ms 时，给人们感觉是一直被点亮。所以每位数码 管点亮时间 T=40ms/数码管位数； 555 构成的多谐振荡器的周期 T=C(R1+2R2)3，取 R1=R2，C=0.01uF，由 于设计时要考虑提供更高的驱动电流，才能满足亮度的要求。所以由 T=40ms, C=0.01uF, 3=0.69，计算出 R1=R2=193 K。 由于 LED 显示器是以 LED 为基础的，所以它的光、电特性及极限参数意义 大部分与发光二极管的相同。但由于 LED 显示器内含多个发光二极管，所以需 有如下特殊参数：发光强度:由于数码管各段在同样的驱动电压时，各段正向电流 不相同，所以各段发光强度不同。所有段的发光强度值中最大值与最小值之比为 发光强度比。比值可以在 1.52.3 间，最大不能超过 2.5。 3.3 整体电路的仿真及分析 电整体路仿真效果图如图 3.2 所示： 数字电子技术基础课程设计（论文） 11 图 3.2 仿真效果图 数字电子技术基础课程设计（论文） 12 数字电子技术基础课程设计（论文） 13 第 4 章 设计总结 通过两个星期的课程设计，我获得了各方面能力的锻炼，包括调查和研究、 查阅文献和检索资料的能力，数据处理、综合分析、理论联系实际的能力及计算 机绘图和文字处理的能力。从一开始的无从下手到学会查阅资料、查阅文献，到 独立分析和解决问题，到最后的整体设计和论文整理，每一个环节我都受益颇多。 课程设计不仅是对我所学知识理论的检验与总结，而且也是对自己能力的一 种提高。通过本次设计，我深刻的体会到理论联系实际的重要性，应且意识到在 工作中要