LED显示器动态扫描驱动电路的设计.docx
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LED显示器动态扫描驱动电路的设计
辽宁工业大学
数字电子技术基础课程设计（论文）
题目：
LED显示器动态扫描驱动电路的设计
院（系）：
电子及信息工程学院
专业班级：
学号：
100405024
学生姓名：
指导教师：
教师职称：
副教授
起止时间：
2012.12.29—2013.1.11
课程设计（论文）任务及评语
院（系）：
电子及信息工程学院教研室：
电子信息工程
学号
100405024
学生姓名
专业班级
课程设计（论文）题目
LED显示器动态扫描驱动电路的设计
课程设计（论文）任务
设计任务：
1.显示位数为4位
2.用分立元件设计
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。
指导教师评语及成绩
平时成绩（20%）：
论文成绩（60%）：
答辩成绩（20%）：
总成绩：
指导教师签字：
学生签字：
年月日
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及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
第1章绪论
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及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及相应的驱动方式。
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100HZ，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。
设计参数及要求
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：
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及最小值之比为发光强度比。
比值可以在1.5～2.3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。
方案论证
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：
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：
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及共阴极LED，其电路特性基本一致：
发光二极管导通压降为1.2V～1.8V，正向工作电流为2mA～15mA，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a～dp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。
设计总体框图
总体方案框图如下：
图1.1总体方案框图
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。
第2章单元电路的设计
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
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：
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：
图2.3四进制加法计数器
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。
74LS138的引脚图如图2.4所示：
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，显示效果及静态驱动相同，所以可以用7447来驱动，7447的引脚图如图2.5所示：
图2.57447引脚图
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2～3mm）。
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。
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
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2.7LED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。
第3章整体电路设计
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
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。
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=193KΩ。
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及发光二极管的相同。
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及最小值之比为发光强度比。
比值可以在1.5～2.3间，最大不能超过2.5。
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：
图3.2仿真效果图
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及总结，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不断地用理论来指导实践，用实践来深化理论，做好这些的前提就是要深入掌握理论知识，并且综合运用所学的基础知识理论和基础技能来分析解决实际问题，此过程不仅巩固了所学的知识，而且还扩大了专业知识面，为以后的工作打下基础。
在课程设计的过程中，我遇到了诸多的问题，例如：
查阅资料的方法错误、设计思路的不正确、电路图连接错误、调试软件不熟练等等。
通过仔细分析、独立思考、同学讨论以及老师的点拨，很多问题都迎刃而解。
通过这些问题的出现，问题的解决，更加锻炼了我的细心、耐心和毅力，为以后的生活奠定了基础。
参考文献
[1]阎石主编.《数字电子技术基础》.北京高等教育出版社.2006年5月
[2]鲁宝春主编.《数字电子技术基础学习指导》.北京东北大学出版社.2012年2月
[3]郑学坚主编.《微型计算机原理及应用》.北京清华大学出版社.2011年3月
[4]王景利主编.《电子技术基础实验》.北京东北大学出版社.2011年1月
[5]张玉璞主编.《电子技术课程设计》.北京理工大学出版社.2010年2月
附录：
元件明细列表
序号
元件名称
元件型号
元件数量（个）
1
集成IC
74LS138
1
2
集成IC
74LS160
1
3
集成IC
555
1
4
集成IC
7447
4
5
七段数码管
HDSP7303
4
6
及非门
1
7
电源
5V
5
升级会员 