常见的LED 数码管由8个LED 发光单元组成,如图5.10(a)所示。由A～G加小数点dp共八个LED 段构成,通过控制这八个段的亮灭,能分别显示出数字0～9及小数点以及其他一些字符,如十六进制的A～F等。把多个类似的数码管组合在一起,则可以显示多个字符,四字符、八字符甚至更多位的LED 数码管都很常见。为了在一个字面上能显示更多的字形,有的LED 数码管不是上述8字形,而设计成“米”字形的,但它们的驱动要求是一致的。LED 数码管本质上仅仅是集成了多个LED灯而已[图5.10(a)中是八个],然而这些LED 灯一般不是完全独立的,它们的阳极或阴极预先相连,构成了所谓的共阳极数码管或共阴极数码管,另一极则是分别用来控制某一段是否被点亮,如图5.10(b)、(c)所示。设计驱动时,搞清数码管是共阳或共阴是重要的,共阳数码管的公共端(COM)必须接到高电平上,所有段(SEG)的阴极使用前一节中描述的驱动方法,控制它们恒流接地(点亮)或悬空、接高电平(熄灭),如图5.10(b)所示。当然最简单的办法是加限流电阻接地。反之,共阴数码管需要将所有LED 的阴极接到一起形成公共阴极(COM)接地(低电平),每段发光二极管的阳极则使用上节描述的驱动电路恒流接到高电平(点亮)或悬空、接低电平(熄灭),如图5.10(c)所示。图5.10(b)或(c)中的恒流源IA～Idp是否允许电流流过取决于需要显示的字符,期望多大的电流流过则依据亮度控制要求。于是,实用的驱动电路还需要译码及PWM 驱动电路。它们可以用数字逻辑电路、可编辑逻辑器件、单片机以及专用驱动电路来实现。其中,由单片机单独实现的驱动方案或以单片机结合适当的专用驱动电路实现的驱动方案,对于小型应用,比较具有灵活性,且性价比较高,本章后面会给出具体的设计方案。

图5.10　数码管

数码管的驱动方式可以分为静态式和动态式两类。静态驱动也称直流驱动,每个数码管的每一个段码都由一个单片机的I/O 端口进行驱动,或者使用诸如BCD 码的二/十进制译码器进行译码驱动。静态驱动的优点是编程简单,显示亮度高,缺点是占用I/O 端口多。例如,驱动5个八段数码管显示5位数字,静态显示方式直接点亮每个LED 需要40根控制线来驱动,控制线数量太多；采用BCD 译码器的方式驱动,每片BCD 译码器需要3根控制线,需要用到5片BCD 译码器,共计15根控制线,控制线虽然少了,但增加了硬件电路的复杂性。一般而言,静态驱动只适用于总段数较少、显示方式简单的显示屏。(www.daowen.com)

动态显示是应用最为广泛的一种显示驱动方式,不只是应用在数码管驱动上,还可以用到所有的LED 屏的驱动上,其基本思想是：把要驱动的多个LED 分成组,每一组根据共阳或共阴引出一个公共端COM,把所有组中众多同名的段SEG 都连在一起,一般同一COM 所关联的所有SEG 称为一个字,有n 个COM 就有n 个字,驱动过程依次点亮每个字的相应段,从而实现动态扫描。为了便于读者理解,用如图5.11所示的四个数字位的LED 数码管作为例子来说明动态驱动的具体扫描过程。这里把每个数码管当成一个字,它们的共阳端取成COM,每字都有A～G、dp八个SEG。从图中可见,四个字的同名SEG 都被连在一起,所以仅仅需要8个恒流驱动就可以了。假如想要显示的数字是“1234”,则四个字该点亮的段分别是“BC”“ABDEG”“ABCDG”“BCFG”。因这些SEG 都是连在一起的,由于COM1～COM4的作用,它们在任一时刻只能有一个是有效的,经选通控制连接到高电平,其余三个是开路或拉低的。同时确保SEG 的有效段位与之严格同步。例如,COM1有效,BC两段也有效；COM2有效,ABCD 也有效；如此等等。于是,尽管所有数码管都接收到相同的字形段码,但究竟是哪个数码管会显示出指定的字形,取决于位选通控制电路的输出对COM 端的控制,只要将需要显示的数码管的选通控制打开,该位就显示出字形,没有选通的数码管不管它们的段位上是什么,都不会被点亮。分时轮流控制各个数码管的COM 端,并同步给出相应字的有效SEG 位,即可使各个数码管轮流受控显示,这便是动态驱动。这样的动态显示过程中,每位数码管的点亮时间即COMx 的有效时间可设为1～2ms,四个位将以1kHz或500Hz的频率被完整刷新一遍,由于人眼的视觉滞留现象及LED 的余辉效应,尽管实际上各位数码管并非同时点亮,但因扫描速度足够高,观察者所感知的是一组稳定的显示数据“1234”,不会有闪烁感。可见,动态显示的效果和静态显示是一样的,动态显示方式能够节省大量的I/O 端口,而且功耗更低。

需要指出的是,上述例子中的COM 与SEG 的划分并不是一定要这样按字分成4个COM 及8个SEG,完全可以分成2个COM、16个SEG。例如,把前面2个数字位的共阳端连在一起形成COM1,后两个字连成COM2,每次同步扫描两个字中的16个段,一样可以实现动态扫描。实际应用的时候,可以根据驱动元器件及系统要求,综合考虑驱动系统的结构,特别是在使用集成LED 驱动芯片实现动态扫描时,可以根据可用芯片的COM 与SEG 配置结构来规划LED 屏阵列的驱动形态。

图5.11　四个LED 数码管的动态扫描