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7段显示计数器
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2025年02月15日 13:01 25
admin
7 段显示器可以组合起来显示数字0 到 9以及一些其他字符，用于计数电路或与微控制器交互。借助 Arduino 或 Raspberry Pi 等微控制器以及很少的代码，现在可以非常简单地在多个 LED 显示屏上显示字母和数字。然而，作为电子学的学生或爱好者，我们可能希望显示两个或多个数字或数字作为数字逻辑电路或项目的一部分。7 段显示器本质上是由连接在单个指示器组件内的大量发光二极管组成，提供了显示从 0 到 9 的数字信息的实用方法。电流用于照亮每个发光二极管（也称为段）。通过照亮不同的段组合，我们可以通过将某些段“打开”并发光同时将其他段“关闭”来显示特定的字母或数字。LED 与普通二极管类似，因为它们只允许电流沿一个方向流动。两者之间的区别在于，当电流流过 LED 时，光从 PN 结释放。当 LED 的阳极 (A) 端子比其阴极 (K) 端子的正极电压高约 2 伏时，就会发生这种电致发光过程。通常，与 LED 串联的电阻用于调节照亮 LED 结点所需的电源电流，范围约为6mA 至 20mA。因此，我们可以通过正向偏置任何一个显示屏 LED 段，使阳极端子朝向电源（正极），并创建一系列随机点亮的段或从 0 到 9 的十进制数作为我们项目的视觉输出。阴极端子朝向地面（负极）。
顾名思义，7 段显示器有七个段，由七个发光二极管或 LED 组成，组合起来在屏幕上形成一个完整的数字。由于第八个 LED 用于表示小数点，通常位于显示屏的下角之一，因此大多数七段显示屏都有八个内部 LED。这是否意味着每个 7 段显示器将有 14 个连接引脚或端子，如果它包含七个 LED（现在忘记小数点），每个段一个，并且每个 LED 有两个端子，一个阳极和一个阴极？然而，答案是否定的。每个内部 LED 的一个端子都链接到公共点或节点，但可以根据需要点亮各个 LED 段。因此，我们只有 8 个 (7 + 1) 连接引脚，而不是 14 个；七个不同的 LED 中的每一个都有一个，还有一个公共引脚，该引脚是指示 7 段显示器的类型和名称的“公共引脚”。当显示器中使用的每个 LED 的阴极端子短接在一起时，该显示器称为共阴极(CC) 显示器。类似地，当显示器中使用的 LED 的所有阳极端子都短接在一起时，该显示器称为共阳极(CA) 显示器。 7 段显示器有两种类型：共阴极 (CC) 和共阳极 (CA)。
共阴极 (CC) 显示器 – LED 段的所有阴极 (K) 连接都连接在一起，并连接到共阴极 (CC) 显示器中的接地或零伏。通过用适当的电流正向偏置各个阳极端子（a至g），各个段被点亮。为了使共阴极显示器发挥作用，需要能够提供电流的驱动电路。
共阳极 (CA) 显示器 – 所有 LED 段的阳极 (A) 连接都连接到 CA 显示器中的正电压源。将接地或“低”信号施加到特定段的阴极端子（a 至 g）会照亮每个段。因此，共阳极显示器需要一种能够吸收电流的驱动电路。多个 7 段 LED 显示屏可以通过多种方式连接到电路，每种方式都有独特的优点。由于有七个段（加上小数点），并且每个段需要大约 6 到 20 毫安 (mA) 的电流才能将其点亮到正常亮度，因此每个显示器通常由专门的解码器/驱动器电路直接驱动。根据输入数据的类型（二进制、BCD 或十六进制）和所需的输出代码（指示解码输出线的数量），可以使用多种数字解码器。 IC 解码器芯片本质上是将一种类型的输入数据转换为另一种类型的输入数据。 3至8行、4至16行等是一些示例。在我们的情况下，需要一个“BCD 至七段解码器”（一种可以将二进制代码转换为一组输出信号的解码器芯片）来操作七段显示器。下面列出的 IC 解码器芯片可以使用一组称为二进制编码十进制（Binary Coded Decimal，简称 BCD）的 4 位二进制数字来表示从 0 到 9 的 10 个十进制数字。最广泛使用的可为共阳极 (CA) 显示器供电的 7 段解码器集成电路 (IC) 是 TTL 74LS47。七个 LED 段中的每一个都可以由 TTL 74LS47 的七个独立的有效“低”输出和 4 位 BCD 输入驱动。LED 段由有效的“低”输出照亮，这导致输出引脚翻转至接地 (0V)； LED 段由有效的“高”输出关闭。虽然任何共阳极显示器都可以工作（并且有很多可供选择），但 HDSP 系列显示器是一个不错的起点。四个开关用于将 4 位二进制数应用到 74LS47 解码器的 BCD 输入 A、B、C 和 D。这会产生输出信号 a、b、c、d、e、f 和 g，它们是然后用于驱动 7 段显示器以创建从 0 到 9 的必要数字，如图所示。
希望我们现在知道七段显示器是单个矩形封装中独立 LED 的集合，并且每个段的直流正向电流必须受到串联电阻的限制。每个 LED 段的阳极都耦合到共阳极显示器中的5 伏电源 (V S )。如果发光时 LED 结点上的正向压降约为 1.8 伏，则串联电阻两端的电压也必须相同：V S – V LED = 5 – 1.8 = 3.2 伏。因此，利用欧姆定律可以很容易地确定单段串联限流电阻在照亮它所需的电流下所需的电阻值。因此，对于每个给定的应用和所需的 LED 强度，我们可以确定将 LED 电流保持在6mA–20 mA范围内所需的电阻范围，如下所示：
在 7 段显示器上显示数字
图 7：单位数 7 段显示计数器
只需按一个按钮开关 SW 1 10 次，我们现在就可以将显示屏上的数字从 0 增加到 9。通过调整按钮的位置，释放或激活按钮 SW 1时，可以更改计数。和1kΩ电阻。我们简单的设计演示了如何使用 74LS90 BCD 计数器和 74LS47 7 段显示驱动器来创建 0 到 9 数字计数器。但是，可以将第二个计数器级添加到该单位数 0-9 计数器中，以创建两位数 00-99 计数器。
设计中使用一个 74LS390 BCD 计数器和两个 74LS47 7 段显示驱动器来演示基本的 00 到 99 数字计数器。我们需要将更多计数器电路级联在一起才能计数到 99 以上。在十进制中，4 位 BCD 计数器会在重置为 0000 之前从 0000 计数到 9999。同样，如果我们希望从 0 计数到 999999，则需要三个级联的十进制计数器。如所示，确实可以创建多个十进制计数器通过简单地将单独的 BCD 计数器电路级联在一起，每个十进制一个。
正如本课程中关于 7 段显示计数器的演示，传统的组合逻辑电路 (IC) 可用于构建 LED 显示解码器电路，并且市场上有多种专用 IC 可以执行此任务。除 CMOS 对应产品外，还有显示解码器集成电路 (IC)，例如用于驱动共阳极 (CA) 显示器的 74LS47 七段解码器/驱动器 IC 和用于驱动共阴极 (CC) 的 74LS48 七段解码器/驱动器 IC显示器被广泛使用。为了生成 BCD 输出代码，74LS90 异步计数器 IC 可以设置为 MOD-10 十进制（除以 10）计数器。它将从 0000 计数到 1001，然后重置为 0000 以开始循环。74LS90 BCD 计数器是一种用途极其广泛的计数电路，可配置为将任何整数计数从 0 到 9 分频以用于单个显示或用作分频器。我们可以通过将两个 74LS90 计数器级联在一起来创建一个两位数计数器，但更好的是，我们可以利用双十进制/驱动器 IC 74LS390，使用多个 7 段 LED 显示屏创建无限数量的计数器级。
7段显示器
顾名思义，7 段显示器有七个段，由七个发光二极管或 LED 组成，组合起来在屏幕上形成一个完整的数字。由于第八个 LED 用于表示小数点，通常位于显示屏的下角之一，因此大多数七段显示屏都有八个内部 LED。这是否意味着每个 7 段显示器将有 14 个连接引脚或端子，如果它包含七个 LED（现在忘记小数点），每个段一个，并且每个 LED 有两个端子，一个阳极和一个阴极？然而，答案是否定的。每个内部 LED 的一个端子都链接到公共点或节点，但可以根据需要点亮各个 LED 段。因此，我们只有 8 个 (7 + 1) 连接引脚，而不是 14 个；七个不同的 LED 中的每一个都有一个，还有一个公共引脚，该引脚是指示 7 段显示器的类型和名称的“公共引脚”。当显示器中使用的每个 LED 的阴极端子短接在一起时，该显示器称为共阴极(CC) 显示器。类似地，当显示器中使用的 LED 的所有阳极端子都短接在一起时，该显示器称为共阳极(CA) 显示器。 7 段显示器有两种类型：共阴极 (CC) 和共阳极 (CA)。
共阴极 (CC) 配置
共阴极 (CC) 显示器 – LED 段的所有阴极 (K) 连接都连接在一起，并连接到共阴极 (CC) 显示器中的接地或零伏。通过用适当的电流正向偏置各个阳极端子（a至g），各个段被点亮。为了使共阴极显示器发挥作用，需要能够提供电流的驱动电路。
共阳极 (CA) 配置
共阳极 (CA) 显示器 – 所有 LED 段的阳极 (A) 连接都连接到 CA 显示器中的正电压源。将接地或“低”信号施加到特定段的阴极端子（a 至 g）会照亮每个段。因此，共阳极显示器需要一种能够吸收电流的驱动电路。多个 7 段 LED 显示屏可以通过多种方式连接到电路，每种方式都有独特的优点。由于有七个段（加上小数点），并且每个段需要大约 6 到 20 毫安 (mA) 的电流才能将其点亮到正常亮度，因此每个显示器通常由专门的解码器/驱动器电路直接驱动。根据输入数据的类型（二进制、BCD 或十六进制）和所需的输出代码（指示解码输出线的数量），可以使用多种数字解码器。 IC 解码器芯片本质上是将一种类型的输入数据转换为另一种类型的输入数据。 3至8行、4至16行等是一些示例。在我们的情况下，需要一个“BCD 至七段解码器”（一种可以将二进制代码转换为一组输出信号的解码器芯片）来操作七段显示器。下面列出的 IC 解码器芯片可以使用一组称为二进制编码十进制（Binary Coded Decimal，简称 BCD）的 4 位二进制数字来表示从 0 到 9 的 10 个十进制数字。最广泛使用的可为共阳极 (CA) 显示器供电的 7 段解码器集成电路 (IC) 是 TTL 74LS47。七个 LED 段中的每一个都可以由 TTL 74LS47 的七个独立的有效“低”输出和 4 位 BCD 输入驱动。LED 段由有效的“低”输出照亮，这导致输出引脚翻转至接地 (0V)； LED 段由有效的“高”输出关闭。虽然任何共阳极显示器都可以工作（并且有很多可供选择），但 HDSP 系列显示器是一个不错的起点。四个开关用于将 4 位二进制数应用到 74LS47 解码器的 BCD 输入 A、B、C 和 D。这会产生输出信号 a、b、c、d、e、f 和 g，它们是然后用于驱动 7 段显示器以创建从 0 到 9 的必要数字，如图所示。
74LS47解码器
需要七个电阻器来限制 74LS47 解码器/驱动器和共阳极显示器之间的电流（如果添加小数点则为八个电阻器）。必须仔细调节流经显示屏每个 LED 段的电流，以便每个段都能正确点亮。如图所示，使用与七个 LED 段中的每一个串联的限流电阻器是限制流过显示部分的电流的最有效方法。如果没有串联电阻，则会流过最大电流，LED 在损坏之前会短暂变得非常亮。对于正常亮度，典型的7 段 LED 显示屏在 LED 二极管结上的压降约为 1.8 伏，每个 LED 段的额定运行电流为 6 mA 至 20 mA。可以确定为每个LED部分提供必要的电流所需的限流电阻器值。
希望我们现在知道七段显示器是单个矩形封装中独立 LED 的集合，并且每个段的直流正向电流必须受到串联电阻的限制。每个 LED 段的阳极都耦合到共阳极显示器中的5 伏电源 (V S )。如果发光时 LED 结点上的正向压降约为 1.8 伏，则串联电阻两端的电压也必须相同：V S – V LED = 5 – 1.8 = 3.2 伏。因此，利用欧姆定律可以很容易地确定单段串联限流电阻在照亮它所需的电流下所需的电阻值。因此，对于每个给定的应用和所需的 LED 强度，我们可以确定将 LED 电流保持在6mA–20 mA范围内所需的电阻范围，如下所示：
7段显示电阻值
在 7 段显示器上显示数字
74LS47 包括每个七段显示段的输出和 BCD (8-4-2-1) 数字 A、B、C 和 D 的四个输入。当使用四个开关 SA、SB、SC 和 SD 时，将产生所需的输入序列，激活显示相关数字的相关 LED 段。 +5V 电源（高电平）连接到 74LS47 的 LT（灯测试）、BI/RBO（消隐输入/纹波消隐输出）和 RBI（纹波消隐输入）以实现正常功能。结果，显示以下数字：
同时操作所有四个 SPST 开关可能有点烦人，即使这样做会导致出现匹配的数字或随机字符。因此，如果我们有一个单独的集成电路（IC）芯片——74LS90 BCD计数器——它可以产生4行二进制数据而不需要四个开关，那就更好了。为了生成 BCD 输出代码，74LS90 集成电路可以设置为 MOD-10 十进制（除以 10）计数器。它从 0000 计数到 1001，然后重置为 0000。如图所示，这种异步十进制计数器/除法器集成电路允许我们使用单个开关增加七段显示器上的数字。
图 7：单位数 7 段显示计数器
只需按一个按钮开关 SW 1 10 次，我们现在就可以将显示屏上的数字从 0 增加到 9。通过调整按钮的位置，释放或激活按钮 SW 1时，可以更改计数。和1kΩ电阻。我们简单的设计演示了如何使用 74LS90 BCD 计数器和 74LS47 7 段显示驱动器来创建 0 到 9 数字计数器。但是，可以将第二个计数器级添加到该单位数 0-9 计数器中，以创建两位数 00-99 计数器。
两位数 7 段显示计数器
那么，这个七段两位数显示计数器是如何工作的呢？除了按下按钮SW 1导致“个”（也称为“单位”）LED 显示增加之外，数字计数器电路的前半部分的功能与以前相同。随着 SW 1的每次闭合（后沿），第一个 74LS90 BCD 计数器 U1 将从 0 向上计数到 9（0000 到 1001）。 U1 的引脚 11（对应于输出“D”）在显示屏上的计数序列达到“8”（1000）时变为“高”。它保持高电平，直到 U1 在第十次计数时将自身重置回零，此时 U1 的引脚 11 再次变为“低电平”。U1 引脚 11（输出 D）的每次连续高/低切换操作都会增加第二个 LED 显示的十位数字，因为它链接到第二个 74LS90 BCD 计数器 U3 的时钟 A (CLK A ) 输入引脚 14。因此，当两个 LED 屏幕彼此相邻时，它们会从 00 向上计数到 99，然后再返回到 00 进行后续计数。这种基本数字计数电路在学校项目中有多种用途。例如，我们可以使用传感器来计算移动物体、人员、汽车等的数量，以代替手动控制的按钮开关 SW1。例如，SW1可以用作基本的2位定时器或带或不带小数点的响应定时器电路，或者可以用555定时器或非稳态振荡器电路代替来对一系列脉冲进行计数。虽然 74LS90 十进制（十分频）计数器和前面提到的 2 位计数器电路可以很好地配合使用，但我们需要其中两个，U1 和 U3。 TTL 74LS390 及其 CMOS 对应产品 74HC390 比购买两个 74LS90 更便宜，因为它们将两个 74LS90 十进制计数器组合到一个集成电路封装中。与单个 74LS90 类似，TTL 74LS390 4 位十进制计数器具有两个内部二分频和五分频计数器，可以将其设置为“2、5 或 10”的倍数， BCD 输出。因此，可以使用一个 74LS390 IC（该 IC 的每一半驱动一个 LED 显示器）来代替先前电路中的两个 74LS90 IC U1 和 U3。改进的两位数计数器
设计中使用一个 74LS390 BCD 计数器和两个 74LS47 7 段显示驱动器来演示基本的 00 到 99 数字计数器。我们需要将更多计数器电路级联在一起才能计数到 99 以上。在十进制中，4 位 BCD 计数器会在重置为 0000 之前从 0000 计数到 9999。同样，如果我们希望从 0 计数到 999999，则需要三个级联的十进制计数器。如所示，确实可以创建多个十进制计数器通过简单地将单独的 BCD 计数器电路级联在一起，每个十进制一个。
级联计数器
正如本课程中关于 7 段显示计数器的演示，传统的组合逻辑电路 (IC) 可用于构建 LED 显示解码器电路，并且市场上有多种专用 IC 可以执行此任务。除 CMOS 对应产品外，还有显示解码器集成电路 (IC)，例如用于驱动共阳极 (CA) 显示器的 74LS47 七段解码器/驱动器 IC 和用于驱动共阴极 (CC) 的 74LS48 七段解码器/驱动器 IC显示器被广泛使用。为了生成 BCD 输出代码，74LS90 异步计数器 IC 可以设置为 MOD-10 十进制（除以 10）计数器。它将从 0000 计数到 1001，然后重置为 0000 以开始循环。74LS90 BCD 计数器是一种用途极其广泛的计数电路，可配置为将任何整数计数从 0 到 9 分频以用于单个显示或用作分频器。我们可以通过将两个 74LS90 计数器级联在一起来创建一个两位数计数器，但更好的是，我们可以利用双十进制/驱动器 IC 74LS390，使用多个 7 段 LED 显示屏创建无限数量的计数器级。
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