Nr ćw.	Temat ćwiczenia	Data	Ocena	Podpis
4.	Badanie wyświetlaczy cyfrowych	1999-10-26

Budowa, zasada działania, zastosowanie i najważniejsze wiadomości na temat wyświetlaczy.

Wyświetlacze LED.

Wyświetlacze typu LED są wskaźnikami, opartymi na diodach elektroluminescencyjnych. Przy spolaryzowaniu takiej diody w kierunku przewodzenia, przez złącze popłynie prąd. Podczas przepływu tego prądu, rekombinacji promienistej, wydzielają się kwanty światła o długości fali zależnej od rodzaju zastosowanego półprzewodnika. Najczęściej można spotkać barwę czerwoną i bursztynową (GaAsP), żółtą, zieloną (GaP + N). Ostatnio opracowano diody świecące na biało lub niebiesko. Wiele diod posiada wbudowane elementy optyczne, jak soczewki, rozpraszacze światła, lub światłowody, które mają za zadanie polepszyć jakość wysyłanego światła. Często w większych wyświetlaczach stosuje się szeregowe łączenia diod, aby uzyskać dłuższy segment.

Właściwie wskaźnik taki składa się z kilku, kilkunastu lub kilkudziesięciu diod LED, o odpowiednim kształcie i odpowiednio usytuowanych. Najczęściej spotykanym typem wyświetlacza LED jest wyświetlacz siedmiosegmentowy - składający się właściwie z ośmiu diod - 7 segmentów, ułożonych w kształcie cyfry 8 i jednej diody mogącej służyć jako przecinek (DP - punkt dziesiętny - Decimal Point). Taki kształt umożliwia wyświetlenie (złożenie z segmentów) wszystkich cyfr oraz niektórych liter (A, C, E, F, H, I, L, O, P, S, U), toteż taki układ segmentów jest bardzo często stosowany również w innych typach wyświetlaczy.

Spotkać można również wyświetlacze LED mozaikowe, które są złożone z kilkudziesięciu punktów (najczęściej 35 - 7 wierszy po 5 kolumn), stanowiących wypełniony prostokąt. Dzięki temu można wyświetlić o wiele więcej liter oraz symboli. Często spotyka się również matryce LED - złożone z kilkuset świecących punktów - stosowane do animacji tekstu, celów reklamowych itp.

Spotyka się 2 rodzaje wyświetlaczy LED - ze wspólną anodą lub ze wspólną katodą. Od rodzaju wyświetlacza zależy sposób jego polaryzacji, rodzaj dekodera. Najczęściej spotykamy układ ze wspólną anodą.

Wyświetlacze LED są obecnie b. często stosowane do zobrazowania informacji w układach sygnalizacji i kontroli.

Wyświetlacze fluorescencyjne (VFD)

Wskaźniki te, najczęściej wykonywane są w postaci siedmiosegmentowej. Wskaźnik taki składa się z siatkowej katody i anod w postaci segmentów pokrytych luminoforem. Po przyłożeniu napięcia między elektrody, luminofor zaczyna jasno, efektywnie świecić.

Są coraz rzadziej stosowane, ze względu na wyższe wartości napięć zasilania oraz stosunkowo krótką żywotność.

Wyświetlacze typu NIXIE.

Wykorzystują one wyładowania jonowe w gazie szlachetnym. Składają się one z umieszczonych jedna za drugą katod w kształcie cyfr, osłaniającej je puszki anodowej z przesłonami siatkowymi, przez które widoczne są jarzące się cyfry oraz balonu szklanego napełnionego mieszaniną gazową (najczęściej Ne + pary rtęci). Świecenie cyfr uzyskujemy przez podłączenie napięcia pomiędzy anodę i katodę w kształcie wybranej cyfry. Obecnie już nie produkuje się tych wyświetlaczy, ze względu na wysokie napięcia zasilania, małą odporność na urazy mechaniczne. Spotkać je możemy jedynie w starszych urządzeniach pomiarowych.

Wyświetlacze ciekłokrystaliczne.

Wyświetlacze te również należą do grupy wyświetlaczy segmentowych. Segment składa się z dwóch szklanych płytek, na których wewnętrznych stronach napylono elektrody. Pomiędzy płytkami znajduje się substancja ciekłokrystaliczna, zmieniająca właściwości optyczne (przezroczystość, kąt polaryzacji światła), pod wpływem napięcia doprowadzonego pomiędzy elektrody.

Istnieją dwie grupy najczęściej stosowanych substancji ciekłokrystalicznych : te, które pobudzone mętnieją i rozpraszają światło (na ciemnym tle są widoczne matowo - białe symbole), lub te, które wykorzystują zjawisko skręcania płaszczyzny polaryzacji światła (ciemne symbole na jasnozielonkawym tle). Ważną cechą wskaźników LCD, jest to, że nie są one źródłami światła (jak poprzednie), a ich czytelność silnie zależy od oświetlenia.

Główną zaletą wskaźników LCD jest pomijalnie mały pobór mocy - rzędu ułamków mW. Stąd są one coraz częściej stosowane. Głównie stosuje się je w urządzeniach zasilanych bateryjnie (zegarki, kalkulatory, przenośne mierniki) tam, gdzie chce się zmniejszyć moc pobieraną przez urządzenie (np. notebooki). Ponadto wskaźniki te zajmują mniejszą objętość od pozostałych, stąd ich zastosowanie np. w monitorach komputerowych, gdzie zyskuje się dziesiątki centymetrów na długości monitora, ergonomię, ograniczenie promieniowania.

Do wad musimy zaliczyć dużą wrażliwość na zmiany temperatury, małą czytelność (zwłaszcza z większych odległości) oraz uzależnienie od oświetlenia zewnętrznego.

Sterowanie wyświetlaczami.

W bardzo prostych układach, gdzie nie jest wymagana obsługa np. wszystkich cyfr, czy istnieje konieczność pojawienia się tylko kilku kombinacji na wyświetlaczu, wystarcza zastosowanie prostego układu logicznego. Jednak w większości wypadków niezbędne jest zastosowanie dekodera. Dekoder jest układem, który w naszym przypadku będzie zamieniał kod podany na jego zaciski wejściowe (najczęściej kod BCD) na kod siedmiosegmentowy lub „1 z n”.

W praktyce do sterowania wskaźników siedmiosegmentowych ze wspólną anodą używa się układu 7447 (wspólna katoda - 7448).

Na wejścia D, C, B, A (8, 4, 2, 1) podaje się 4 - bitowe słowo w kodzie BCD, natomiast 7 wyjść : a, b, c, d, e, f, g łączy się z analogicznie oznaczonymi segmentami wskaźnika. Wyjścia te są wysokonapięciowymi (do 15 V) wyjściami typu OC.

Ze względów bezpieczeństwa stosuje się niekiedy dodatkowe rezystory zabezpieczające, aby ograniczyć prąd przepływający przez układ scalony, będący sumą prądów poszczególnych segmentów. Jeszcze bezpieczniejszym i przedłużającym żywotność dekodera rozwiązaniem jest sterowanie nimi tranzystorów, które będą odprowadzać prąd z segmentu do masy.

Dodatkowo układy te posiadają 3 wyprowadzenia oznaczone jako LT, BI/RBO i RBI. Wyprowadzenie LT (Lamp Test) służy do sprawdzenia poprawności działania wskaźnika i samego układu. Pojawienie się niskiego poziomu napięcia na LT spowoduje (przy sprawnym wskaźniku i dekoderze) zaświecenie się wszystkich 7 segmentów wskaźnika. BI/RBO służy do całkowitego wygaszania wskaźnika, a wejście RBI - do wygaszania zer nieznaczących.

Przykładem dekodera BCD na kod „1 z n”, a konkretnie na 1 z 10 jest układ 74141, mogący służyć np. do sterowania lamp NIXIE.

Dekodery 1 z n mogą służyć np. do sterowania matryc LED. Zaprzeczone wyjścia jednego będą określały aktywny wiersz matrycy, a wyjścia drugiego - kolumnę. Świecić będzie dioda znajdująca się na skrzyżowaniu wiersza i kolumny.

Tabele dla badanych dekoderów :

UCY 7447					Wyjście								UCY 74141					Wyjście
Liczba	Kod BCD				a	b	c	d	e	f	g		Cyfra	Kod BCD				0	1	2	3	4	5	6	7	8	9
0	-	-	-	-	X	X	X	X	X	X	-		0	-	-	-	-	X	-	-	-	-	-	-	-	-	-
1	-	-	-	X	-	X	X	-	-	-	-		1	-	-	-	X	-	X	-	-	-	-	-	-	-	-
2	-	-	X	-	X	X	-	X	X	-	X		2	-	-	X	-	-	-	X	-	-	-	-	-	-	-
3	-	-	X	X	X	X	X	X	-	-	X		3	-	-	X	X	-	-	-	X	-	-	-	-	-	-
4	-	X	-	-	-	X	X	-	-	X	X		4	-	X	-	-	-	-	-	-	X	-	-	-	-	-
5	-	X	-	X	X	-	X	X	-	X	X		5	-	X	-	X	-	-	-	-	-	X	-	-	-	-
6	-	X	X	-	-	-	X	X	X	X	X		6	-	X	X	-	-	-	-	-	-	-	X	-	-	-
7	-	X	X	X	X	X	X	-	-	-	-		7	-	X	X	X	-	-	-	-	-	-	-	X	-	-
8	X	-	-	-	X	X	X	X	X	X	X		8	X	-	-	-	-	-	-	-	-	-	-	-	X	-
9	X	-	-	X	X	X	X	-	-	X	X		9	X	-	-	X	-	-	-	-	-	-	-	-	-	X
					Aktywny :					(X)								Aktywny :								(X)
										Nieaktywny :								(-)								Nieaktywny :								(-)

W przypadku sterowania większej ilości wskaźników rozróżniamy :

• sterowanie niesekwencyjne

• sterowanie multipleksowane

W przypadku sterowania niesekwencyjnego do każdego segmentu należy zastosować oddzielny dekoder. Jest to rozwiązanie kosztowne i zwiększa liczbę ścieżek.

Efektywniejszym sposobem jest sterowanie multipleksowane - za pomocą jednego dekodera sterujemy wszystkie wskaźniki. Wszystkie segmenty poszczególnych wskaźników są zwarte. Wartość danej cyfry jest podawana na wejście dekodera. W każdej chwili cyfra ta oznacza jedną cyfrę liczby, którą chcemy wyświetlić, więc dodatkowo na jednym zacisku DL3, DL2, DL1 pojawia się jeden stan niski, załączający jeden z tranzystorów, czyli wybierający wskaźnik na którym ma się pojawić cyfra. Tak więc najpierw wyświetla się pierwszą cyfrę, potem drugą, trzecią - każdą z osobna, ale wskutek dużej częstotliwości (min 20 - 30 Hz) obserwator widzi naraz 3 - cyfrową liczbę.

(Poniższy przykładowy schemat jest częścią rzeczywistego układu - woltomierza. Do sterowania dekoderem (74LS247) oraz sterowaniem tranzystorami użyto układu C520D.)

Występują często gotowe układy pełniące jakąś funkcję, już z wbudowanymi dekoderami. Przykładem może być układ woltomierza ICL7107 - od razu z wyprowadzeniami do sterowania trzema wskaźnikami LED (właściwie to czterema : 3 wskaźniki + segmenty a, b na czwartym) lub ICL7106 - wbudowane sterowanie wyświetlaczem LCD 3 ½ cyfry. Jest to bardzo duże ułatwienie.

Ćwiczenia

Najpierw na pierwszym modelu badamy wyświetlacz LED (nazywany później LED 1). Model jest wyposażony w wiele przełączników, dzięki którym w łatwy sposób możemy włączać poszczególne segmenty, także grupy, lub od razu całe cyfry. Małym mankamentem jest brak możliwości pomiaru napięcia na poszczególnych segmentach, dlatego mierzymy tylko prąd.

Zestawiamy nasz główny układ pomiarowy :

Wejście D dekodera podłączamy do zasilania, a pozostałe do masy (chcemy przez to uzyskać uaktywnienie wszystkich wyjść układu). Do dekodera podłączamy poszczególne segmenty wyświetlaczy - mierzymy prąd i spadek napięcia na każdym segmencie.

Następnie wszystkie wyjścia dekodera łączymy z odpowiednimi końcówkami wskaźników. Wejścia dekodera łączymy albo z zasilaniem albo z masą, tak aby sekwencje stanów na wejściu odpowiadały konkretnym liczbom dziesiętnym. Mierzymy prądy pobierane przez wskaźnik przy wyświetlaniu konkretnych cyfr dziesiętnych.

W drugiej części za pomocą dekodera 74141 sterujemy wyświetlacz NIXIE. Mierzymy prądy pobierane przez każdą cyfrę.

Segment	LED 1	LED 2		LED 3		VFD
		I [mA]	I [mA]	U [V]	I [mA]	U [V]	I [mA]	U [V]
A	14,5	6,2	1,96	6,1	1,978	3,1	11,31
B	16,5	6,0	2,038	6,1	1,984	3,1	11,1
C	15,9	6,1	1,961	6,0	2,021	3,0	9,82
D	16,4	6,1	1,964	6,0	1,975	3,2	10,94
E	16,4	6,2	1,966	6,1	1,982	3,1	11,41
F	16,5	6,1	1,962	6,1	1,973	3,1	11,67
G	16	6,2	1,964	6,1	1,964	3,1	11,16

Liczba	LED 1	LED 2	LED 3	VFD	NIXIE
		I [mA]	I [mA]	I [mA]	I [mA]	I [mA]
0	81,4	35,9	35,9	2,5	6,2
1	30	11,9	12,1	2,9	5,5
2	68,8	30,1	30,2	2,8	6,3
3	68,4	30	29,9	2,8	5,8
4	57,6	24	24,1	2,9	6,3
5	68,4	30,3	30	2,8	6,2
6	69,9	36,3	35,9	2,8	6,2
7	42	18	18	2,9	5,3
8	93	41,8	41,7	2,7	6,4
9	68,7	35,9	35,7	2,8	6,2

Wnioski, wady i zalety badanych wyświetlaczy.

LED

Od wielkości wskaźnika zależy ilość pobieranego prądu.

Główną zaletą jest bardzo niskie napięcie zasilania (1,5 - 5 V). Charakteryzuje je również dobra czytelność, możliwość obserwacji z różnych kątów, zgodność technologiczna z innymi elementami półprzewodnikowymi, duża szybkość, niezawodność oraz długi czas życia.

Niestety dużą wadą jest pobór dużych prądów przez wskaźnik. Wartość prądu rośnie wraz z rozmiarami segmentów, co ogranicza ich rozmiary. Duży pobór prądu po prostu uniemożliwia bateryjne zasilanie układów z 3 i więcej wyświetlaczami LED. (Choć niedawno podobno ukazały się na rynku wyświetlacze o podwyższonej jasności, pobierające dużo mniej prądu - nie były jednak dostępne do badań.)

VFD

Zaletą są małe różnice prądu pobieranego przez wskaźnik przy wyświetlaniu różnej ilości segmentów. Pobierany prąd jest stosunkowo niewielki. Następną cechą na plus jest duża jasność świecenia oraz czytelność pod różnymi kątami patrzenia.

Do wad musimy zaliczyć dość wysokie napięcia zasilania (min 10 - 15 V), które uniemożliwia zasilanie z baterii. Wyświetlacze te są niestety mało trwałe, jasność świecenia maleje wraz z upływem czasu.

NIXIE

Zaletami lamp NIXIE są dobra czytelność, optymalny (naturalny) kształt eksponowanych cyfr oraz łatwość osiągania większych rozmiarów. Pobierają dość mały prąd, ale tu natrafiamy na najważniejszą wadę, która zdyskwalifikowała te wyświetlacze - bardzo wysokie napięcie zasilania. Wyświetlacze, ze względu na swą budowę są mało trwałe i mało odporne na wstrząsy i wibracje. Niekiedy trochę irytuje fakt, że są widoczne w tle nieświecące katody, oraz że odległość cyfr nie jest jednakowa.

Wydaje mi się, że przyszłość należy do wyświetlaczy LCD i LED. Mają one pewne wady, ale ciągle pracuje się nad nimi - ogranicza się prąd, zwiększa jasność, trwałość. W każdym razie na pewno skończyła się era wyświetlaczy NIXIE.

Spis przyrządów :

• modele do badania wyświetlaczy optoelektronicznych

• mierniki cyfrowe :

YF - 3700 III / I / 428 PE

No Name

Rozmieszczenie i oznaczenie poszczególnych segmentów na wyświetlaczu siedmiosegmentowym.

---