第2章常用电子元器件的应用

12.7功率驱动2.7.1几种常见的功率负载1．发光二极管LED

2．继电器3．电声元件（1）电动扬声器（2）蜂鸣器22.7.2常用数字器件的输出特性器件类型输出特性TTLLSTTLCMOS(4000,4500)74HC74HCTMCU(AT89C5X)电源电压(V)4.75～5.254.75～5.253～182～64.5～5.54～6输出高电平VOH（V）2.4～3.42.7～3.4VDD≈VDD**≈VDD**0.75VDD**输出高电平电流IOH(mA)－0.4*－0.4－0.5－4－4－0.3***输出低电平VOL（V）0.2～0.40.35～0.500**0**0.45***输出低电平电流IOL(mA)16*8－0.54410***32.7.3功率驱动设计1．输出高电平驱动（1）直接驱动（2）利用上拉电阻增加高电平驱动能力（3）利用OC/OD门提高高电平驱动能力（4）直接利用带缓冲器的器件高电平驱动负载（5）数字器件加驱动晶体管或MOS管42．输出低电平驱动562.7.4电动扬声器的驱动LM386是一款低电压音频功率放大器。该芯片的电源电压为4～12V或5～18V（LM386N-4）。静态电流4mA。电源电压VS=6V，扬声器阻抗为8Ω，总谐波失真为10%时的输出功为325mW。在VS=6V，信号频率为1kHz时的电压增益约为20或200（1脚和8脚接10F电容）。A=20时的带宽为300KHz。总的谐波失真为0.2%（VS=6V，RL=8Ω，Pout=125W，f=1kHz，A=20）。图2.7.10为其A=20和A=200时的典型应用电路。782.8显示器件显示器件按显示体可分为段位式（常见为7段位和若干特殊段位）、点阵式（点阵、点字字符和点阵图形）两大类。按其结构可分为独立的显示器和组合（如计数器+译码器+驱动器+LCD）两大类。其次还可以按显示体的颜色、结构尺寸、封装形式等分类。92.8.1LED发光二极管1.LED有如下特点：（1）与白炽灯相比，小电流可获得较高的亮度。一般在零点几毫安开始发光，通常工作电流为几毫安。（2）正向导通压降VF视半导体材料等因素而不同，一般在1.5V～2.3V之间。其中红色LED较绿色LED的VF为低。（3）发光响应速度快，约10－7～10－8s。（4）体积小、高可靠、耐振动、耐冲击、发热少、功耗低。（5）驱动电路简单，适宜于和集成电路配合。（6）亮度可随电流在较大范围内变化，而波长几乎不变。102．LED驱动的设计要点（1）常用LED的驱动电路如图2.8.2所示。（2）LF的取值在0.5～10mA之间，高亮和超高亮LED在0.5mA时已有明显的显示。不能无限制增大IF来提高亮度，必须考虑IFmax和最大功耗。112.8.2LED数码管及其驱动1．LED数码管的分类LED数码管按亮度可分为：（1）普通亮度（已趋于淘汰）（2）高亮度（市场上及应用上最常见）（3）超高亮度（广告牌、照明等使用）按显示体结构可分为：（1）七段位（最常用）（2）十段位（3）五段位（只能显示十、一、１）（4）十七段位按电极连接形可分为：（1）共阴极（高电平驱动）（2）共阳极（低电平驱动）122．LED数码管的静态驱动（1）译码器直接驱动（2）MCUI/O口并口直接驱动（3）MCU串口加移位寄存器静态驱动13图2.8.5译码器直接驱动 2.8.6MCUI/O口直接驱动14图2.8.7MCU串口加位移位寄存器静态驱动电路153．LED数码管的动态驱动（1）典型动态LED数码管驱动电路（2）一种最简单的动态扫描电路（3）专用LED动态扫描驱动芯片16图2.8.8典型LED数码管动态扫描电路17图2.8.9一种最简单的动态扫描电路184．LED数码管限流电路的设计（1）分段单独限流（2）分管限流方式（3）公共限流方式（4）无需限流电阻195．LED数码管小数驱动1）与笔段同时由芯片直接驱动如图2.8.6、图2.8.7、图2.8.8、图2.8.9均可由MCU或芯片直接驱动，小数点显示灵活、方便。（2）小数点位单独驱动七段译码—驱动芯片不能直接驱动小数点，如图2.8.5所示。这时小数点或者固定点亮某一位或者由控制电路决定哪一位的LED数码小数点点亮。206．前零消隐数字量显示的高位零最好消隐，这样比较符合人们的习惯。（1）硬件消隐（2）软件前零消隐对于如图2.8.7之类由MCU控制的显示电路，可以很容易地用程序来完成前零消隐任务。21图2.8.10硬件前零消隐电路222.8.3LCD显示器及其驱动1．液晶显示器原理液晶是一种在一定温度范围内既有液体的流动性和连续性，又有晶体的光学性质的有机化合物，又称为液态晶件。这类物质在电场和温度的作用下能产生各种特殊的电光效应和热光效应，利用这些效应可达到显示的目的。23LCD显示器被动矩阵式LCD可分为TN-LCD(TwistedNematic-LiquidCrystalDisplay，扭曲向列LCD)、STN-LCD(SuperTN-LCD，超扭曲向列LCD)和DSTN-LCD(DoublelayerSTN-LCD，双层超扭曲向列LCD)。24LCD显示器TN-LCD：在配像模之间不加电场情况下；液晶分子从上到下的扭曲角度是呈90度的排列，在控制扭曲角度时要采用较高的电压，而且扭曲角度控制比较粗糙，灰度控制只可以达到16级（4位），控制反映时间约30毫秒～50毫秒。STN-LCD：在配像模之间不加电场情况下；液晶分子从上到下的扭曲角度可以超过90度达到270度，在控制扭曲角度时要采用较低的电压，控制灵敏度高（省电）但是扭曲角度控制比较精细，也就是灰度控制可以达到64级（6位），字符显示也比TN型的细腻，同时也支持基本的彩色显示。DSTN-LCD：是在STN型基础上改进提高了彩色显示能力，由于支持的彩色数有限，所以也称为伪彩显，控制反映时间约100毫秒，多用于早期液晶电视、摄像机的液晶显示器掌上游戏机等。以上三种液晶显示器件；从控制的灵敏度和反映的速度及彩色显示能力是都不适合作为现代高质量的电视图像的显示。25LCD显示器LCD显示原理26TFT－LCDTFT-LCD（ThinFilmTransistorLCD）：TFT是薄膜晶体管的英语缩语；TFT-LCD是指薄膜晶体管液晶显示器件，意即每个液晶像素点都是由集成在像素点后面的薄膜晶体管来驱动，从而可以做到高速度、高亮度、高对比度显示屏幕信息，是目前最好的LCD彩色显示设备之一，其效果接近CRT显示器，是现在液晶电视、笔记本电脑的主流显示设备。TFT的每个像素点都是由集成在自身上的TFT来控制，是有源像素点。因此，不但速度可以极大提高，而且对比度和亮度也大大提高了，同时分辨率也达到了很高水平，图1-3-21所示即为一个像素元TFT-LCD组成结构图。图中；最下面是背光源；偏振片；TFT电极板；配像模；液晶层；共用电极；滤色片；偏振片。和前述不同的是控制液晶分子扭曲的电极为TFT电极，为了达到彩色显示的目的，在上偏振片下面增加了RGB三色滤色片，三组扭曲的分子组成一个像素点的显示。27TFT－LCDTFT原理28TFT－LCDTFT显示屏基本结构29液晶显示器的主要特点如下1）低电压（3～5V），微功耗（0.3W～100W）。同等显示面积，其功耗比一般LED数码管小数百倍。宜于和CMOS器件配合使用。（2）它是一种被动发光器件。外界光愈强，对比度愈高，显示愈清晰。但在黑暗中无法显示，必须加背光光源。常见的背光光源有LED、CCFL（冷阴极荧光灯）等。（3）体积小，外形薄，如手表用LCD的厚度仅为1.2～1.6mm。其引出线可用斑马形导电橡胶引出，也可用标准DIP尺寸硬脚引出。（4）显示面积、字形大小和位数在一定范围内不受限制。（5）寿命长，一般数万小时以上。（6）响应（上升）时间和余辉较长。（7）因为电极间若加直流电压，则液晶材料会电解而丧失其性能，故必须用交流方波电压驱动，且要求方波电压严格对称，直流分量为零，至少要小于100mV。这就使LCD的驱动电路和LED数码管不同。30LCD的主要参数有（1）工作电压。（2）工作电流或功耗。（3）阈值电压：扭曲-向列型阈值电压的定义可参见图2.8.12的电光效应曲线。（4）响应时间：从电压加上到光透过率达到饱和值90%所需的时间。（5）余辉：脉冲方波驱动电压消除到光透过率减到10%所需的时间。（6）视角。（7）对比度。312．LCD的静态驱动原理由于LCD必需由交流方波驱动，故其静态驱动常用异或门完成，如图2.8.13（a）所示。图中A为显示控制信号，B为驱动方波，由方波发生器提供。S为异或门G的输出，也是LCD的某一笔段，COM为LCD所有段位的公共（衬底）电极。由于故S的波形如图（b）所示。LCDS笔段的显示与否取决于S与COM之间的电位差。由图可见，当A=0时，S－COM=0，液晶S笔段不显示。A=1，S－COM为交流方波，液晶S笔段显示。32

笔划式LCD一般均由BCD－七段LCD译码芯片如4055、4543、4544等驱动。也可用MSI的ICM7211等四位LCD显示驱动芯片驱动。这类LCD译码驱动器和LED译码器不同处在于芯片内部有异或门，并且有驱动方波输入端（Ph）。由于LCD为容性负载，驱动信号工作频率与功耗成正比，且频率太高对比度会下降。太低则产生闪烁。对于静态驱动而言，工作频率在30～100Hz之间为宜，对下述的动态驱动，工作频率在100～2000Hz之间。333．点阵字符型LCD驱动图2.8.14（a）为一个2×2LCD点阵，可控制图中四个点的明暗，其中A、B为点阵列引出线，C和D为行出线。如欲显示点阵中的A—C交叉点，则A、D施加幅度为V/2的交流驱动脉冲，B列为0电平，C行施加－V/2信号，如图（b）所示。A-C点称为“选择点”，A-D、B-C称为“半选择点”，B-D称为非选择点。点阵四个交叉点的信号波形如图（c）所示。其中A-D为0电平，B-C、B-D分别为反相、幅度V/2交流方波。只有A-D是幅度为V的交流方波。若设计使LCD显示的阈电压在V/2和V之间，则只有A-D对应点显示，其余三点不显示。上述这种方法又称时分1/2偏压法。除此之外常用的还有1/3、1/4等偏压法。1/3偏和1/4偏电平为分三和四个等级。34点阵字符型LCD驱动动态驱动法中加入了偏压法使其更加完善，它不仅广泛用于点阵型液晶显示器件的驱动，也适应多背电极排布的笔段型液晶显示器件的驱动，此时也被称为多路寻址驱动法。当扫描行数N=1时，动态驱动法就等于静态驱动法，换句话说，静态驱动法是动态驱动法的行数为1时的特例。由于静态驱动法没有交叉效应，所以也就没有偏压法的应用。若不采用上述偏压法，而仅在选择点在第（i，j）上施反相的方波电压，而其它行、列不加电压，则选择点固然可以显示，非选择点不会显示，而其余的半选择点也有正或负方波电压存在，也有一点显示。这明显地降低了LCD的对比度（对比度=显示点亮度/非显示点亮度），此称为“效叉效应”。35点阵字符型LCD驱动双频驱动法是解决交叉效应的又一种方法。双频驱动法利用了液晶介电常数与驱动电压频率的相互关系。当驱动电压频率远低于介电转换频率时可使液晶分子稳定在一种取向上；当驱动电压频率远高于介电转换频率时可使液晶分子稳定在另一种取向上。这样我们可以使用两种不同的驱动电压频率来改变液晶显示器件上各显示像素的分子取向，使其达到显示的效果。当使用低频驱动电压作为显示选择的驱动频率的双频驱动法称之为低频选择的双频驱动法。此时高频驱动电压则是用来消除背景显示影响。36液晶模块与MCU的接口电路图2.8.15为点阵字符LCD与MCU的硬件接口电路。图中W为对比度调节。运行LCD时必须先将W调至适当位置，字符才能正常显示。37UC-162-03LCD相应的子程序根据时序要求、指令表、接口电路，UC-162-03LCD相应的子程序以下：（1）初始化子程序DMLCD：CLR P1.0 ；RS=0 CLR P1.1 ；R/W=0，写指令准备MOV DPTR，#8000H ；液晶模块地址MOV A，#30HMOVX @DPTR，A ；功能设置CALLD5MS ；延时5ms

MOVX DPTR，A CALL D100 ；再设一次功能，延时100µsMOVX @DPTR，A ACALL D100 ；再设一次功能，延时100µSMOV A，#38H ；功能设置：8位、双行、5×7点阵MOVX @DPTR，ACALL JBUSY ；检查忙标志38UC-162-03LCD相应的子程序MOV A，#0EHMOVX @DPTR，ACALL JBUSY ；开显示、开光标、不闪烁MOV A，#01HMOVX @DPTR，ACALL JUBSY ；清屏MOV A，#06HMOVX @DPTR，ACALL JBUSY；输入方式设置，模块初始化至此完成RET39（2）显示子程序DISP：CLR P1.0 CLR P1.1MOVA，R2MOVX@DPTR，ACALL JBUSY；设首字地址，显示器第一行第一位（最左）地址为80H；第二行第一位地址为C0HMOV R0，#Add ；显示缓冲器首字地址MOV R3，#data ；字符数LOOP:SETB P1.0CLR P1.1MOV A，@R0MOVX @DPTRT，A ；字写入INC R0DJNZ R3，LOOP40RLR P1.0CLR P1.1MOV A，#0CHMOVX @DPTR，ACALL JBUSY ；开显示、关光标、关闪烁RET

41（3）忙标志检查子程序JBUSY：PUSH P1PUSH ACCPUSH DPHPUSH DPLMOV DPTR，#8000HSETB P1.1CLR P1.0J：MOVX A，@DPTRJB ACC.7，JPOP DPLPOP DPHDOP ACC.POP P1RET424．点阵图形LCD点阵图形液晶显示器按点阵的列、行数有120×32、122×32、128×32、128×64*、128×128、160×32、160×128、192×64、192×128、240×64、240×128*、256×64及320×240*若干品种，其中带*号者为常用品种。显示器内部所带的控制器有SED1520、HD61202、ST7920、KS010718、T6963C、SED1335等，其中以Tb963C应用较广。CSTN（彩色超扭曲向列型）省电，在手机、MP3等便携式产品中应用广泛。TFT（ThinFilmTechnology）薄膜工艺LCD则从大尺寸的液晶电视、笔记本电脑到小尺寸MP3都有广泛应用。43LCD的背光LCD的背光则有EL、LED、CCFL等。其中LED背光源颜色常为黄绿色、兰色。它的发光效率高，寿命长，驱动电压低（<5V），电流较小，是目前小型点阵图形LCD应用的最多的背光源。CCFL背光颜色可为红、绿、兰色，发光效率较LED低，需要>100V的交流电压驱动，亮度高，适于彩色显示。44图2.8.16为以T6963C为控制器的240×128点阵图形LCD的框图45各引脚的功能如下：/CE片选、低电平有效；/WR、/RD写读线，低电平有效；/RST复位，低电平有效，常直接接电源；C/D指令、数据选择端，C/D=0，读写数据，C/D=1，读写指令；DB0～DB7数据线；FGLCD金属外框架端，通常接地；VDD+5V电源端；VSS地端；VOUT（VEE）负压输出端；V0LCD偏压输入端；LED+、LED－背光驱动。除以上引脚外，有时还有一个FS－字型选择端，FS=0，8×8点阵（常用）或FS=1，6×8点阵。46（2）T6963C的时序47（3）T6963C指令集STA7STA6STA5STA4STA3STA2STA1STA0

STA0：指令读写状态1：准备好0：忙

STA1：数据读写状态1：准备好0：忙

STA2：数据自动读状态1：准备好0：忙

STA3：数据自动写状态1：准备好0：忙

STA4：未用

STA5：控制器运行检测可能性1：可能0：不能

STA6：屏读/拷贝出错状态1：出错0：正确

STA7：闪烁状态检测1：正常显示0：关显示48（4）点阵图形LCD与MCU的硬件接口图2.8.18为点阵图形LCD与MCU的接口电路。图（a）为总线方式（又称直接访问方式），指令读地址为8FFFH，数据读写地址为8FFEH。图（b）为I/O口接口方式（又称间接访问方式）。49图2.8.18点阵图形LCD与MCU接口电路50

（5）点阵图形LCD的显示程序。总线和I/O口接口方式相应的显示程序附于光盘中，请查阅。（6）字模提取点阵图形LCD显示所需的英文字符可以从模块内128字的字符产生CGROM中直接地址码提取，也可以和汉字一样由字模提取软件提取。本书光盘中附录了一种字模提取软件。51（6）字模提取在运行了该软件以后首先应选择点阵数，通常英文可以为8×16或16×16，汉字一般均为16×16点阵，点阵数决定了字体大小。其次应选择字体，如汉字选择为“GB2312”。此后应正确的选择与控制芯片显示方式相对应的“取模方式”。图2.8.19（a）为T6963C、SED1335类控制器的取模方式，称为“横向取模、字节正序、先左上部、后左下部、再右上部、最后右下部”，即如图所示次序。16×16点阵汉字共32个节。HD61202控制器相应的取模方式如图（b）所示，即所谓“纵向取模、字节倒序，先左上部、后右上部、再左下部、最后右下部”。52图2.8.1916×16汉字点阵的取模方式532.8.4U-型真空荧光显示器荧光显示器件由三个基本的电极—阴极（灯丝）、阳极和栅极，封装在一个高真空的玻璃壳容量内构成，如图2.8.20所示。阴极是涂复了碱土金属氧化物的钨线。栅极是细金属网。阳极为段或点型的导电电极，其上的荧光物质显示字符、数字和符号等。从阴极发射出来的电子被加之于栅极和阳极的正电位所加速，碰撞到阳极表面的荧光物质而发出光辐射。通过分别控制栅极和阳极的正或负电位来产生所需光图形。这种U型荧光显示器可分为显示字母数字型（Alphanumeric）、七段型、点字符型、点阵型、条型数种。最大点阵为256×128。这种U-VFD的特点是：高可靠性，宽温度范围（－40℃～+85℃），高亮度，宽视角，和微控制器易于接口，多种彩色，以及和带背光极LCD相当的低功耗。54图2.8.20VFD构造示意图55图2.8.21VFD典型驱动电路56图2.8.22VFD时序触摸屏触摸屏的作用与种类57电阻式触摸屏电阻式触摸屏是一种传感器，基本上是薄膜加上玻璃的结构，薄膜和玻璃相邻的一面上均涂有ITO（纳米铟锡金属氧化物）涂层，ITO具有很好的导电性和透明性。当触摸操作时，薄膜下层的ITO会接触到玻璃上层的ITO，经由感应器传出相应的电信号，经过转换电路送到处理器，通过运算转化为屏幕上的X、Y值，而完成点选的动作，并呈现在屏幕上。58电阻式触摸屏4线电阻屏59电阻式触摸屏电阻触摸屏控制芯片TSC204660电阻式触摸屏电阻式触摸屏的优点可归类为：1.电阻式触控屏的精确度高，可到像素点的级别，适用的最大分辨率可达4096x4096。2.屏幕不受灰尘、水汽和油污的影响，可以在较低或较高温度的环境下使用。3.电阻式触控屏使用的是压力感应，可以用任何物体来触摸，即便是带着手套也可以操作，并可以用来进行手写识别。4.电阻式触控屏由于成熟的技术和较低的门槛，成本较为廉价。电阻式触摸屏的缺点可归类为：1.电阻式触控屏能够设计成多点触控，但当两点同时受压时，屏幕的压力变得不平衡，导致触控出现误差，因而多点触控的实现程度较难。2.电阻式触控屏较易因为划伤等导致屏幕触控部分受损。61电容式触摸屏电容式触摸屏是一块四层复合玻璃屏，玻璃屏的内表面和夹层各涂有一层ITO。当手指触摸在金属层上时，由于人体电场，用户和触摸屏表面形成以一个耦合电容，对于高频电流来说，电容是直接导体，于是手指从接触点吸走一个很小的电流。这个电流分别从触摸屏的四角上的电极中流出，并且流经这四个电极的电流与手指到四角的距离成正比，控制器通过对这四个电流比例的精确计算，得出触摸点的位置。62电容式触摸屏电容屏要实现多点触控，靠的就是增加互电容的电极，简单地说，就是将屏幕分块，在每一个区域里设置一组互电容模块都是独立工作，所以电容屏就可以独立检测到各区域的触控情况，进行处理后，简单地实现多点触控。63电容式触摸屏优点电容触摸屏只需要触摸，而不需要压力来产生信号。电容触摸屏在生产后只需要一次或者完全不需要校正，而电阻技术需要常规的校正。电容方案的寿命会长些，因为电容触摸屏中的部件不需任何移动。电阻触摸屏中，上层的ITO薄膜需要足够薄才能有弹性，以便向下弯曲接触到下面的ITO薄膜。电容技术在光损失和系统功耗上优于电阻技术。选择电容技术还是电阻技术主要取决于触碰萤幕的物体。如果是手指触碰，电容触摸屏是比较好的选择。如果需要触笔，不管是塑胶还是金属的，电阻触摸屏可以胜任。电容触摸屏也可以使用触笔，但是需要特制的触笔来配合。表面电容式可以用于大尺寸触摸屏，并且相成该也较低，但时下无法支持手势识别：感应电容式主要用于中小尺寸触摸屏，并且可以支持手势识别。电容式技术耐磨损、寿命长，用户使用时维护成本低，因此生产厂家的整体运营费用可被进一步降低。[4]

电容式触摸屏就是可以支持多点触控技术，而且不像电阻式触摸屏反应迟钝并且不易磨损。6465小结1．所有电子元器件的选择均应满足系统电性能及结构的要求，适当的减额使用，并保证性能/价格比。2．常用固定电阻器以金属膜电阻电性能最优，民用产品则多用价格较低的碳膜电阻。设计电阻器时至少必须确定其标称阻值、允许误差和额定功率。可数字控制其阻值的数字电位器常用做放大器增益控制，数控衰减器等。3．电子系统当前最常用的小容量固定电容器为瓷介独石电容（CT4—低频、CC4-高频）。大容量最普遍的是铝电解电容。电容器设计时必须电压减额。定型时至少应确定其标称容量、允许误差和工作电压。4．系统选用晶体管时应根据其实际工作频率，工作电压、电流、功率，电流放大系数或跨导，输入阻抗等确定选用单极性MOS管还是双极性晶体管，是小功率管还是中、大功率管，是低频管还是高频管等等。一般用途，以9000系列晶体管应用最广。66小结5．表面贴装电阻器、电容器、电感器等不但体积小适合小型电子产品要求，而且高频性能也比较好。选用时需特别注明外形代号。6．光电耦合器是一种电光转换器件，能有效的隔离地电流。常用于电子系统的输入和输出端进行信号传递同时隔离地。传送数字信号可直接使用普通光电耦合器，但要注意频率和开关速度的要求。传递模拟信号则必需采用线性光电耦合器。7．继电器是强-弱电接口的重要器件。电磁继电器价格较低，但动作速度慢，常产生火花干扰，寿命较短。固态继电器输入驱动更直接，无火花干扰，寿命长，但价格较贵。设计使用继电器时必须注意输入端参数与输出端参数。67小结8．CMOS数字器件输出高、低电平的驱动能力较差，其余器件一般高电平驱动能力差，低电平驱动能力强得多。设计系统时应尽量采用输出低电平驱动。常见负载LED、继电器、扬声器等应根据负载特性选用相适合的驱动方式。9．电子系统中的显示器件以LED和LCD应用最广泛。前者使用时必须限流。LED静态显示亮度高、占用MCU时间短，使用器件较多。动态显示亮度较低，占用MCU时间长，使用的器件少。LCD品种繁多，性能优良，特别是微功耗使其在便携电子产品中获得广泛应用。LCD必须用交流方波驱动，故必须使用与其相与的译码器或专用驱动芯片。点阵字符或图形LCD由专用驱动芯片动态驱动，通常均需由MCU等器件软件控制其运行。68设计练习1．利用LED为～200V交流电设计一个指示灯电路。2．MC14433是一片31/2位ADC，设其基本量程为200mV，输入电阻为1MΩ。若将其量程扩展至2V和20V，要求换档误差<±1%，试设计一个