电子元器件基础贵州电子信息职业技术学院谢忠福

电子元器件基础贵州电子信息职业技术学院谢忠福1项目10显示器件（建议学时：6学时）本项目将主要介绍LED、LCD的工作特点及应用，七段数码管的原理，彩色显像管的结构及原理，平板显示器件的种类及原理。通过各种显示器件的学习，了解各种显示器件的显示原理及应用。能力目标掌握发光二极管的结构和发光原理了解荧光显示器结构和发光原理了解氖灯显示器结构和发光原理掌握七段数码管结构和发光原理掌握彩色显像管的结构和工作原理掌握示波管的结构和波形显示原理了解等离子体显示器的结构及工作原理掌握矩阵式液晶显示板的结构和工作原理掌握矩阵式LED显示板结构和工作原理2任务11-1小型显示器件任务描述本任务主要学习发光二极管、荧光显示器、氖灯显示器、七段数码管的结构及工作原理，各类小型显示器件的参数及应用等内容。11.1.1发光二极管

发光二极管LED（LightEmittingDiode）是一种将电信号转换成光信号的电致发光半导体器件，它的基本结构是一块电致发光的半导体材料，置于一个有引线的架子上，然后四周用环氧树脂密封，起到保护内部芯线的作用，所以LED的抗震性能好。3

发光二极管的内部结构为一个PN结，具有单向导电性。当在发光二极管PN结上加正向电压时，PN结势垒降低，载流子的扩散运动大于漂移运动，致使P区的空穴注入到N区，N区的电子注入到P区，这样相互注入的空穴与电子相遇后产生复合，复合时产生的能量大部分以光的形式出现，因此而发光。发光二极管在制作时，使用的材料不同，就可以发出不同颜色的光。发光二极管的发光颜色有：红色、橙色、黄色、绿色、蓝色、紫色、红外等。此外,发光二极管还可实现红橙黄绿蓝紫多色发光。如小电流时为红色的LED，随着电流的增加，可以依次变为橙色，黄色，最后为绿色。

4

发光二极管的外形有：圆形、长方形、三角形、正方形、组合形、特殊形等,如图11.1.1所示。图11.1.1发光二极管的符号及外形

5

普通的发光二极管的亮度取决于通过它的电流的大小，电流太小，亮度不足，电流太大，二极管会被烧毁。一般LED工作I

F为5～15mA，正向管压降U

F为2V左右，反向耐压小于60V，在电路中使用时应串接限流电阻器R，其电阻的阻值大小为：

对于变色发光二极管，即当通过二极管的电流改变时，发光颜色也随之改变。发光二极管（LED)由于具有功耗低、体积小、可靠性高、色彩鲜艳、寿命长和响应速度快等优点，发光二极管在正向导通时有稳压作用，可作直流稳压器中的稳压二极管，提供基准电压，兼作电源指示灯。在电子工业中已被广泛应用于仪器仪表、计算机、汽车、电子玩具、通讯、自动控制、军事等领域。

6发光二极管与传统的白炽灯相比有以下优点：第一：发光二极管没有灯丝会烧坏，所以寿命就更长。第二：发光二极管的小小塑性灯泡使得发光二极管更持久耐用。第三：还可以更加容易适合现代的电子电路。传统白炽灯的发光过程包含了产生大量热量，这完全是浪费能源。除非你把灯当做发热器用，因为绝大部分有效电流并不是直接产生可见光的。发光二极管所发出的热非常少，相对来说，越多电能直接发光就是越大程度上减少对电能的需求。发光二极管应用在更广的范围下是一个更划算照明选择，在不远的将来，发光二极管将会在世界上扮演更加重要的角色。7

11.1.2.荧光显示器

1、什么是荧光显示器？

荧光显示器（VFD：FacuumFluorescentDisplqy）是自发光型的显示装置，由阳极、栅极、阴极三电极组成的真空三极管。

2、荧光显示器的特性有哪些？荧光显示器具有低电压驱动、耗电少、可靠性高、自发光、视角广、辉度亮且可显示多种色彩的显示特性。

3、荧光显示器的应用？荧光显示器可用来显示文字、图形、曲线图及图像。被广泛应用于家用电器(微波炉、洗衣机等)和音响/视频设备(影碟机、音响、录像机等)民用产品中，也广泛应用于汽车、收银机(包括计税收款机)、电子衡器、仪器仪表及公共显示装置上，VFD是适用于中型显示平面的整机，能充分发挥其优点，是目前其他显示器件难以替代的。84、荧光显示器的基本构造，如图11.1.2所示。图11.1.2荧光显示器的结构9

真空三极管包括发射热电子的灯丝（阴极），控制电子流并加速的栅极，涂敷种种发光颜色荧光粉的阳极。在真空三极管中，灯丝电源将直热式阴极加热到(600～6500C)，使涂敷在灯丝表面的氧化物发射电子，电子受栅极电压的控制，被阳极电位加速，射向阳极（加到栅极和阳极上的电压一般为100V以下，大多使用在20V～30V）。从阴极发射出的电子流经栅极扩散加速到达阳极，使电子获得足够的能量，当它轰击荧光粉涂层时，可使荧光粉发光。在阳极上做成8字形字段或其他字形符号，当通电的阳极字形段发光，通过适当的控制电路，可控制显示的各种字形符号。

5、荧光显示器的分类：荧光显示器按基本驱动电路的不同分为静态驱动、多路驱动、重叠驱动。①静态驱动方式的荧光显示器。10

阳极从每一个显示字段分别引出，全部数位的栅极是一个电极在栅极上总是加正电压，通过选择阳极的通断来进行显示。静态驱动方式的荧光显示器的特点：用较低的电压即可驱动，不需时序电路，但每一个显示字段需要一个与之对应的驱动输出。对于数位多或显示内容复杂的显示器，驱动器的数量较多。②多路驱动方式的荧光显示器。把各数位相同的字段电极接在一起，作为一个阳极引出到外部。每个数位是独立的，将数位显示选择脉冲加到分割的栅极上，即可进行分时显示。这种驱动方式的荧光显示器可大幅度减少驱动器的数量。③重叠驱动方式的荧光显示器。当多路驱动时字段之间非常接近时，在位于栅极边界部分，相邻栅极的电位会相互影响，电子不能完全到达需采用重叠驱动方式。这种驱动方式对两个或三个连续的栅极同时供电，使位于栅极下面的字段能均匀发光。11

11.1.3氖灯显示器氖灯又称霓虹灯，由电极引入线，灯管组成。如图11.1.3为氖灯的外形。

图11.1.3氖灯外形

12

1、氖灯管发光的原理氖灯管发光是由于管内充有氖气（惰性气体），在两极间加上高压（70V左右）的情况下，使惰性气体电离，产生辉光放电，在它的阴极周围发光。氖灯开始导通时加在它上面的电压，叫“内击电压”（也叫“点燃电压”），开始导通时如果稳定地减小电压，将会发现，即使电压已下降到点燃电压以下30V左右，氖灯仍不熄灭。当电压低于某一值，就不能继续维持电离，即发生电离消除的情况,这时的电压称为熄灭电压或消电离电压。因此，氖灯在达到点燃电压之前相当于一个高值电阻，而在点燃电压和熄灭电压之间它相当于一个低值电阻。

2、氖灯管的种类氖灯管有透明管，荧光管，着色管和着色荧光管等4种。

13

3、氖灯的应用氖灯显示器耗电少，目前一般作指示灯用。各种家用电器和配电板上用作电源指示、用作保险丝监视器、用作高频电压指示和测电笔指示等。如把较多的灯管排成行或列，用适当电路使其中某些灯管起辉，就可以出现发光的字符或图像，并且能够变换。用作数字指示或图画广告，极为醒目。14

11.1.4七段数码管七段数码管显示器俗称数码管，即由半导体数码管（LED）、液晶数码显示器（LCD）或荧光数码管做成的字形显示器件，其工作原理是将要显示的十进制数码，用分成7段的数码管，使用不同发光段组合来显示0～9数字或其他符号。如图11.1.4所示。图11.1.4数码的结构及各段位的代号15笔段数码abcdefg字形01111110101100002110110131111001401100115101101161011111711100008111111191111011注：0表示无显示，1表示有显示显示笔段与数码关系如下：16LED七段数码管显示器，又称LED数码管，有共阴极和共阳极两种接法。如图11.1.5所示。共阴极：以阴极为公共极，接低电平，译码器需要输出高电平来驱动各显示段发光。共阳极：以阳极为公共极，接高电平，译码器需要输出低电平来驱动各显示段发光。图11.1.5数码管的接法

17

任务11-2CRT显示器任务描述本任务主要学习CRT显示器的分类，彩色显像管的结构，彩色显像管的工作原理，示波管的结构，示波管的波形显示原理等内容11.2

CRT显示器件（1）按图形显示的颜色分类①单色显示器。有多灰度单色显示器和VGA多频单色显示器两种。这类显示器体积小、重量轻、图像清晰及价格便宜，适用于流动性较强的工作场合。②彩色显示器。有荫罩式和荫栅式两种显像管的彩色显示器。这类显示器可显示出无限种颜色，是目前的主流显示器。（2）按CRT显示器的扫描方式分类①单频显示器。单频显示器，指只有一种显示频率的单色/彩色显示器。这种显示器出厂后，其扫描频率不可更改。②多频显示器。多频显示器，指具有两种或两种以上显示频率的单色/彩色显示器。18（3）按CRT显示器的输入信号分类①数字显示器。数字显示器，指显示器的输入端的接口信号是数字信号的单色/彩色显示器。数字接口是LCD显示器接口的发展方向。②模拟显示器。模拟显示器，指显示器的输入端的接口信号是R、G、B三路模拟信号，从理论上讲，它可以显示出无穷多色彩。③复合视频信号显示器。复合视频信号显示器，指显示器的输入端的接口信号包括色度、亮度和同步信号的混合视频信号（用一根视频信号线传输）。

11.2.1彩色显像管彩色显像管是彩色显示器的一个主要部件，它的质量的好坏。工作点的设置的正确与否直接影响到彩色显示器显示质量。19

1．彩色显像管的结构彩色显像管主要由玻璃外壳、荧光屏、电子枪三部分组成，其结构如图11.2.1所示。

图11.2.1彩色显像管的结构20（1）玻璃外壳玻璃外壳由屏面玻璃、玻璃锥体和管颈三部分组成，里面抽成真空。管颈是一个细长的玻璃管子，电子枪安装在管颈内。玻璃锥体将管颈和玻璃外壳连接起来。锥体的内外壁均涂了一层石墨导电层，内壁涂层接阳极，外壁接地，两导电层之间形成一个大电容(约500-1000pF)，做阳极高压滤波用,同时外壁石墨层还可以用来遮蔽来自显像管后面的杂散光线及杂散电场的干扰，并吸收来自荧光屏的二次电子。通常在荧光粉中掺入具有选择性吸光的物质来吸收杂散光，以消除外部杂散光对荧光屏亮度的影响。锥体张开角度的大小决定了电子束偏转的最大角度。玻璃外壳的主要作用是为电子枪支撑一个适当的空间。屏幕的外表面经打磨，可防眩光，以减少反射光对操作者的干扰，屏幕上的抗静电膜可减少屏幕吸附灰尘。21

（2）电子枪彩色显像管的电子枪位于CRT的最底端，是显像管的核心，主要作用是把阴极发射出的大量电子，经强度控制、聚集和加速，使其形成一束很细的电子流。电子流经过偏转线圈的控制后，高速、定点的去轰击荧光屏内壁敷的荧光粉，荧光粉经电子的轰击而发出亮光。电子枪的组成:①加速极是一个顶部开有小圆孔的金属圆筒。②控制极是套在阴极外的一个圆筒，圆筒的顶端开有三个小圆孔供热电子射出。③高压阳极分为两部分，中间用金属条相连，靠近加速极的部分称为第二阳极，另一部分称为第四阳极。④聚焦极位于两个高压阳极之间，是一个直径较大的金属圆筒。

22（3）荧光屏屏面玻璃内表面沉积一层约为10μm的荧光粉膜，通常称为荧光屏，俗称屏幕。

①荧光屏显示的原理:

荧光粉受高速电子的轰击而发光，发光的亮度不仅与荧光粉的发光频率有关，还与电子束电流的大小及轰击荧光粉的电子速度有关。电子束电流越大，荧光粉发光的亮度就越高。加速极电压、阳极高压越高，电子束内部电子的速度就越大，荧光粉发光的亮度就越高；反之，荧光粉发光的亮度就越低。但电子束电流也不能太大，否则，会使荧光粉过热而导致发光频率降低。若荧光屏的局部长时间处于高亮度状态下，会烧坏该部位的荧光粉，在荧光屏上出现暗斑。23

②荧光屏的对比度荧光屏的对比度即最高亮度与最低亮度之比。

③如何显示彩色图像？彩色显像管的荧光屏上涂有在电子束轰击下发出R、G、B三基色光的三种荧光粉，三种荧光粉以条状形式排列，中间用石墨粉黑色膜隔开，彼此不重叠，各自受强度正比于相应基色的信号电压电子束激发。在电子束的激发下，荧光屏可产生三帧互相相嵌重合的光栅，它们分别重现三基色的图像。在正常的距离观看，人眼所感觉到的画面是R、G、B三基色图像的混合图像，即彩色图像。

④荧光屏的尺寸荧光屏的宽和高有固定的比值（一般为4/3）。显像管的尺寸大小用屏幕对角线长度来表示，常见的有14英寸、16英寸、17英寸、21、36、51英寸等。24

2．彩色显像管的工作原理在彩色显示器中看到的完整的图像是由电子束有规则的轰击（频率足够高或周期足够短）显像管上的荧光粉而形成的，电子束在荧光屏上有规则的运动称为扫描。电子束对荧光屏的扫描是利用电磁偏转原理来实现。由于偏转线圈可为提供电子束偏转所需的磁场，所以在显像管的外部、圆柱形管颈与锥体交界处套上行、场偏转线圈，是为了在显像管内部电子束运动的空间产生电磁偏转所需的磁场。在偏转线圈中加直流电时，行场扫描线圈将产生垂直和水平方向上的磁场。当偏转线圈通过锯齿波电流时，在彩色显示器显像管内部电子束运动的空间将形成与锯齿电流成正比的偏转磁场，使电子束向左右和上下方向来回扫描，在屏幕上形成光栅。

25

11.2.2示波管示波管是电子示波器的核心部件，通常用于显示图形、字符。示波管是将电信号转换成光信号的转换器。

1.示波管的结构示波管的基本部件有荧光屏、电子枪偏转系统和电子枪，整个密封在玻璃壳内，成为大型的电真空器件。普通示波管的结构如图11.2.2所示。图11.2.2示波管的结构26（1）电子枪电子枪的作用是发射电子并形成高速电子束，撞击荧光屏而发光。电子枪的组成：①灯丝用于加热阴极，阴极提供热电子发射所产生的电子。②控制极则用来控制射向荧光屏的电子流密度，从而改变荧光屏亮点的辉度。③第一阳极和第二阳极对电子束有加速作用，同时与控制极构成一对电子束的控制系统，起到聚焦的作用。④加速极位于荧光屏与偏转板之间，作用是对电子束进一步加速、增加辉度。（2）偏转系统在示波管第二阳极的后面，由两对相互的偏转板组成偏转系统，垂直偏转板在前，水平偏转板在后。两对偏转板分别形成静电场，各自控制电子束在垂直和水平方向的偏转，使荧光屏上的光点随外加信号的变化描绘出被测信号的波形。27（3）荧光屏示波管荧光屏通常是矩形平面，位于示波管的顶端，其内壁涂有一层荧光物质，构成的荧光膜。在荧光膜上常又增加一层蒸发铝膜，高速电子穿过铝膜，撞击荧光粉而发光形成亮点。铝膜具有内反射作用，有利于提高亮点的辉度。铝膜还有散热等其他作用。当高速电子轰击荧光屏时，一部分动能转换成光能的同时，另一部分动能转换成了热能。因此，过密的电子束长时间集中于屏幕同一点时，由于过热会减弱荧光粉的发光效率，严重时甚至可能将荧光屏的这一个点烧成黑斑。所以，我们在使用示波器时不应该使亮点长时间停留在同一个位置。荧光屏的有效面积即中间平整的部分。使用示波器时应尽量将波形调整到有效面积内。28

2．示波管的波形显示原理（1）波形显示示波器是利用电子示波管的线性偏转特性，将交变电信号转换成图像，显示在荧光屏上以便测量的电子测量仪器。如图11.2.3所示，当只在Y轴偏转板（垂直偏转板）上加一个在时间上作周期性变化的被测电压，则电子束沿垂直方向运动，其轨迹为一条垂线；如只在X轴偏转板（水平偏转板）上加一个在时间上作周期性变化的被测电压，则电子束沿水平方向运动，其轨迹为一条水平线。图11.2.3只加Ux或Uy时荧光屏上的波形29（2）扫描在水平偏转板加锯齿波电压，我们就称之为扫描电压。理想的锯齿波如图11.2.4所示。

当只在水平偏转板加锯齿波电压时，亮点沿水平方向作等速运动；当扫描电压达到最大值时，亮点也达最大偏转，然后从该点迅速返回起点。如果扫描电压重复变化，在屏幕上就显示一条亮线，这个过程就称之为“扫描”。亮点由左端起始点到达最右端的过程称为“扫描正程”，而迅速返回到起始点的过程称为“扫描回程”或“扫描逆程”。图11.2.4理想锯齿波

30（3）同步同步，即每次扫描的起始点都对应在信号电压的相同相位点上的过程。图11.2.5所示的波形Tx正好与Ty相等。如Tx＝２Ty，由于波形重复且重叠在一起，就可观察到一个稳定的图像,如图11.2.6所示。图11.2.5显示波形原理图31图11.2.6Tx＝２Ty时的波形

32任务11-3平板显示器任务描述本任务主要学习等离子体显示器的结构，等离子体显示器的工作原理，液晶显示器结构及工作原理，矩阵式LED显示板的结构及工作原理等内容。11.3平板显示器平板显示器的分类：①主动发光显示器指显示媒质本身发光而提供可见辐射的显示器件，它包括等离子显示器（PDP）、真空荧光显示器（VFD）、场致发光显示器（FED）、电致发光显示器（LED）和有机发光二极管显示器（OLED）等。②被动发光显示器指本身不发光，而是利用显示媒质被电信号调制后，其光学特性发生变化，对环境光和外加电源（背光源、投影光源）发出的光进行调制，在显示屏或银幕上进行显示的器件，它包括液晶显示器（LCD）、微机电系统显示器（DMD）和电子油墨（EL）显示器等。33

11.3.1等离子体显示器

(1)什么是等离子？等离子体是由部分电子被剥夺后的原子及原子被电离后产生的正负电子组成的离子化气体状物质，它是除固、液、气外，物质存在的第四态。

(2)等离子体的分类①高温等离子体。②低温等离子体。

(3)等离子显示的原理等离子体显示器（PlasmaDisplayPanel,POP）是利用利用加在阴极和阳极之间一定的电压，使气体产生辉光放电。

(4)彩色等离子显示的原理彩色等离子体显示器件利用气体放电发射的真空紫外线照射红、绿、蓝三基色荧光粉，使荧光粉发光实现彩色显示。34

⑸等离子体显示器的分类等离子体显示器（PDP）主要有两种形式：直流型（DC-PDP），交流型（AC-PDP)。

1、等离子体显示器的结构交流等离子体显示器AC-PDP按电极结构的不同分为对向放电型和表面放电型，基本结构如图11.3.1所示。图11.3.1AC-PDP结构35表面放电型交流等离子体显示器的结构有多种，典型的三电极表面放电型等离子体显示器如图11.3.2所示。图11.3.2三电极表面放电型等离子显示器原结构36

2.等离子体显示器的工作原理以对向型结构为例介绍交流等离子体显示器的原理。交流等离子体显示器的放电过程在两组电极之间进行。图11.3.3驱动波形和相应的壁电荷的变化情况

37

如图11.3.3所示，驱动波形和相应的壁电荷的变化情况：在电极间加上维持脉冲时，因幅度VS低于着火电压Vf，所以此刻单元不放电；当在维持脉冲间隙加上一个幅度大于Vf的书写脉冲Vwr后，单元开始放电发光。放电形成的正离子和电子在外电场的作用下，分别向瞬时阴极和阳极移动，并在电极表面涂覆的介质层上累积形成壁电荷。在电路中壁电荷形成壁电压Vw，其方向与外加电压方向相反。因此，加在单元上的电压是外加电压与壁电压的叠加，若其低于维持电压的下限时，放电就会停止。如果电极外加电压反向时，该电压方向与上次放电中形成的壁电压方向一致，单元一旦着火，就由维持脉冲来维持放电，所以交流等离子体显示器具有存储性。38

11.3.2矩阵式液晶显示板

1．什么是液晶？

液晶的字面意思是流动的结晶物。我们很早就知道物质有固态、液态、气态三种型态。液体分子质心的排列虽然不具有任何规律性，但是如果这些分子是长形的(或扁形的)，它们的分子指向就可能有规律性。于是我们就可将液态又细分为许多型态。分子方向没有规律性的液体我们直接称为液体，而分子具有方向性的液体则称之为“液态晶体”，又简称“液晶”。如图11.3.4所示，表示了液态晶体与一般液体的差异。图11.3.4液态晶体与一般液体的差异39

2.液晶显示的分类按光显示结构不同分为：

(1)反射型：

TN液晶显示板通常工作在反射型。其结构如图11.3.5所示。图11.3.5TN型液晶显示器件的基本结构40反射型液晶显示板的工作原理：当两个偏光片正交（两个玻璃壁表面分子取向900正交），器件工作于正显示时，如不加电，光通过上偏光片，变成线偏振光，经过液晶层时，偏振方向旋转900，刚好可通过下偏光片到达反射层，反射回来的光又再次穿过液晶层和上偏光片被旋转900到达人眼，此时偏振光的偏振性没有改变，我们看到的显示器呈透明状；当加上足够高的电压后，液晶分子将与电场平行，光的偏振面不再发生旋转，因此光不能穿过液晶盒到达反射面。反射型液晶显示板即使在阳光直射下也能够使光线通过反射到达人眼。然而，在暗处或者在背景亮度不够高处观看，需加