关于一个数码管驱动电路的理解

辛昕

关于一个数码管驱动电路的理解 [复制链接]

一个数码管的驱动电路

这是我的51板子上的一个数码管的驱动电路。

是个四位数码管，8个段码直接接IO口，四个共阳极各自通过一个9012扩流驱动。

先上图：

这个电路的工作原理很容易理解：

三极管工作在 开关状态。

（个人感觉那个4.7K电阻有点多余，要限制B-E级电流，那个100欧姆的发射级电阻已经够了。）

简单地说一下工作原理：

当基级为高电平（由单片机IO口提供），B,E级均为高电平，这个时候三极管截止，C、E两级之间有压降，所以，C级为低电平，不能点亮数码管；

当基级电流为低电平时，三极管导通，此时，C、E两级接近导通，于是C级为高电平，能点亮数码管。（只要8个段位相应为低电平）。

 

辛昕

这个电路本身没什么复杂的。开始我也没留意，但是在做实验的时候，我意识到一个有点奇怪的现象：
当时我是用四位数码管显示“8051”这四个数字。我发现，“1”字特别亮，很明显亮于另外三个数字。
一开始我以为是 点亮的时间 不均匀，特别是它出现在最后一位，在循环的程序里，最容易出问题的就是 最后一个或者第一个，所以我又仔细看了一下流程图，但看来看去，始终觉得，不会啊，虽然点亮最后一个位以后，有几条指令多出来要执行，但是，相比于延时的十几几十毫秒而言，那也太微不足道了。
我还试过调长调短 延时时间（以增大或者减小 这多出来的时间的影响）。但是都没用。
后来，第二天我忽然想到，也许问题不是出在软件上，而是出在硬件上。因为我记得它的电路图。
现在回头看看这个电路图，你会发现，如果把数码管拆成8个发光二极管，你可以看到，它相当于是8个发光二极管并联接在 C级和地之间（如果8个都点亮，要是点亮的段位少，那就相当于并联的发光二极管少了。）
而这恰恰是问题所在。
在相同的软件下，我们看看。
上面那个电路图，我们可以初步估算，三极管导通时的集电极电流。
IC=IE=（5V-0.7V）/100欧姆=28mA.
而问题却是，在显示不同的段位的情况下，由于点亮的发光二极管数目不一样，所以平均分摊的电流也就不一样。
说得具体点，可以这么想。
由于N个（N<=8），发光二极管各自并联再 在 C级和地之间。
首先，它们并联，所以它们的两端电压必定一致，故而流过的电流也必定一致，最终结果是N家平摊总电流，总电流就是C级电流。

稍微想一想，就会发现，在0到9这10个数字里，大多数数字的段位在5到6左右，除了1，4，7少，特别是1和7，只有2和3 段，所以，当显示这两个数字的时候（特别是1），会感到明显亮。
这个，至少在这个地方，跟程序无关，而是硬件决定。

辛昕

要解决这个问题也不难。
无论是PNP管还是NPN管，都一样的思路。
那就是不要把数码管的8个段串联在三极管的C级和地之间（NPN的话应该是和电源之间）。把恒电流分配改成 恒电压 驱动。
但是这样，每个段位多要加一个大小适当的限流电阻。废话少说，先上图。

如图所示，因为没装什么仿真软件，直接用画图画，画得有点恶心。
那两个圈圈表示发光二极管（数码管里的几个段位），地表示相应段码被置零时，（如果都为高，这个时候，它有等于没有，因为几乎没有消耗电流，准确来说，根本不形成回路。）
这个电路图跟前面的电路图是完全两回事的思路：
这个电路的思路是，三极管导通后，共阳极的公共级直接被置高，但是，每个发光二极管取多少电流，那只跟它有没和地形成回路，大小取决于限流电阻。
这样一来，三极管本身的工作电流可以设得很小，然后，发光二极管的亮度恒定。

只不过，在心里嘀咕这个人的水平不高的同时，又在想另一个问题（因为我打算自己买数码管自己做一个小模块。）
它为什么要这么做——我们要试着从另一个角度去看问题。
我想到了一个理由如下，不知道对不对，也或许还有，请大家指教。
第一个电路的设计很简单，所需器件少，PCB的设计也简单，这样就减轻了设计的难度，节省了不少成本（从论坛里某篇文章的角度看，这绝对不只是那8个电阻的成本，至少包括了PCB增加的线路带来的困难，板子的设计成本，什么的诸如此类）。
而它这么做，虽然明显有一个缺点，那就是我所说的，在显示某些数字时，亮度有偏颇。
但是我们考虑这样一个问题，10个数字里只有一个“1”，（7相对来说，其实已经不太明显，至于4 就基本没差别了。）
也就是说，仅仅是一个“1”有差别而已。
关于这个1出现的概率有多大，额，这个，具体问题具体分析，不好说，但是，至少它只占十分之一。
所以在一般的场合，其实这么干也不失为一件很精明的事情。

说了这么多，当然还是要实际动手试一下。
由于时间关系，加上手上没 四位数码管，我也懒得费那个劲，把板子上的拆下来。
但是我用了另一种方法。
我把显示的数字改成“1051”，这时，很明显看到，头尾就是要亮一点；
我再把数字改成“8052”，这个时候大家都一样，相对比较暗一点。
可见，至少，在这个问题里，亮度与延时长度无关。
当然，我现在就遇到了延时长短造成的亮度问题，也已经搞定了。

辛昕

其实关于这个 数码管 的驱动，特别是动态驱动，就算只是普通的显示场合，如果想要结果稍微让人满意一些，加上配合在单片机程序里，还有不少的细节问题值得探讨。比如我昨晚在做的事。但是限于时间和主攻方向，我会有所取舍。但是不管如何，一有什么情况，定会随时上报给组织滴！！

qushaobo

一个简单问题了,限流不能限在共公端.你可以把abcdfg这样的IO口变成扫描的,用三极管做选择亮与不亮.用占空比去调整亮度.我试过,LED的过流能力不差,其主要限定在平均电流上,这样做在时间上是无问题的.

辛昕

额，我觉得公共端那个位置，它并不是限流，那里只是提供必要的电流。
我的意思是，它的段位没有限流而已；

至于调占空比这个，，额，这个应该是延时的问题，还没来得及仔细修改程序。
但是我是弄了一下，的确可以提高亮度

zwq2

本来就是：公共端不应该有电阻，而8位笔段必须要电阻。这是你的错。

sjl2001

这么细节的东西都能分析的如此透彻，赞~

仙猫

　如果俺是老师做评分的话，这篇绝对是高分的。因为LZ通过实验观察和较深的思考，注意到了下面两点：
　①．基极电阻4.7k是否必要？
　②．限流电阻可不可共用？
　②道出了LED亮度不均的原因，①再延伸讨论就会涉及到三极管共射放大器和共集放大器的区别。网上常见有毛病电路在流传，甚至包括有些“学习板”也经不起细评，这是最容易误人子弟的。
　这个电路原理很普通，而对于貌似简单之处做深入理解，则是难能可贵的。

辛昕

额，这个，其实我想说，这个板子是买的，不是我做的，呵呵。
电路太复杂了，做不了，买现成的。;P

辛昕

谢谢大叔这么高的评价哈，嘻嘻～～
顺带回答一下大叔LX的SJL2000，关于这个问题，额......
这个，其实，主要是偶比较死脑筋，老在一些细节枝末上 纠结。
偶尔感觉这样速度太慢了，不过，没办法的事，天性是这样。

虚V界

那个4.7K电阻要吧，我试过没要数码管亮不起来，但没想LZ那么深入探讨了，惭愧惭愧

zwq2

买的板居然是这样的？

huayang1118

原帖由 仙猫 于 2010-6-22 15:27 发表 　如果俺是老师做评分的话，这篇绝对是高分的。因为LZ通过实验观察和较深的思考，注意到了下面两点：　①．基极电阻4.7k是否必要？　②．限流电阻可不可共用？　②道出了LED亮度不均的原因，①再延伸讨论就会涉 ...

 

请教一下仙猫老师：

1、管子做开关用，基极4.7k电阻在L高电平时可以限流，去掉会有什么影响么？

2、三极管共射放大器和共集相比，输出阻抗小带负载能量好，但是如果用作开关还有很大区别么，我个人赞同辛昕所言“无论是PNP管还是NPN管，都一样的思路”。呵呵是不是我没有理解您的深刻含义？

 

另外，提个思路：在1和7的灯上并联一个较大的电阻，这样可以分担一定的电流，使其看起来不是很亮。当然了，这样会造成显示8等数字时并联电阻的灯较暗，不过随着点亮灯的增加，串联主干道上电流减小，并联电阻上分得的电流减小，对亮度的影响也会减小。具体的还需要根据实际感受来调整。

 

呵呵，在没有办法从根本上解决问题时，想点歪歪路调整折中还是比较常用的啦，之前遇到过一排指示灯中有个别很亮的现象，在不换灯的情况下就是并联个变阻器调整其亮度和其他灯一样的，楼主还有兴趣可以试试啦。

huayang1118

在网上找了一篇相关的文献，

文章中提到了一个简单的LED亮度不一致的解决办法，就是通过编程调整流过LED的电流I和控制时间T的乘积是一定的，，这样所有的管子亮度就一样了。

发出来大家看看。FYI

辛昕

不需要。
你可以按照这个思路分析一下这个电路。
输入回路，从输入端到（如果有的话），4.7K电阻到B级到E级，到E级电阻到地。
这是输入回路，这一条回路，我们只关心 基级电流。
按照KVL，可以这么算，输入电压，减掉0.7V，然后另外两部分电压耗在两个电阻上
这里是关键。因为两个电流是不一样的，而且，相差至少几十倍（像8050这种，一般4，50），而如果是90系列的话，至少上百，更经常去到200到300多。
这样一来，基级电流就会显得很小，它分到的电压也会小的可以忽略。
比如说，如果是100倍，那那个100欧姆的E级电阻起到的作用就相当于 100倍的100欧电阻，就是10K（以计算基级电流的话），与之相比，那个4.7K的电阻相比就显得无足轻重了（这里两个数值显得差别不很大）但你想想，如果我需要那4.7K，我何不把100欧电阻变成147？
我的解释可能有点罗嗦。
简单地说就一句话：
因为 基级电流 和 E级电流相差上百倍，所以，基级电阻的作用无足轻重，干脆不用更好。
另外，三极管的放大倍数离散性很大，实际计算时不好算。通常来说，都直接用E级电阻，这样可以使计算简便，并且可以随意用任何型号的三极管，也不怕参数离散性带来的麻烦。

辛昕

不奇怪，只是让我知道了那个 小店主 的本事不过如此而已。
也或者是，人家在这方面没花太多心思，都做生意了，还管那么多干嘛？
估计他的图是网上找的

辛昕

这个我也想过。（但是没实际做过还）
但是我想，那也太耗费 软件资源了。
真要做到亮度均匀，还真不如加多8个电阻呢？

辛昕

关于第一个问题。
我的意见是：
4.7K是可以用来限流的（不过它是限制输入电流），但是，100欧电阻也可以啊？
而且100欧电阻起到的作用会更大——具体解释详见我16L的解释。

至于第二个问题。
额，这里，PNP还是NPN都是共射极，没有共集电极。

至于最后一个思路。
这个，你说的 1 和 7，是不是指它相关的段码？
那个，至少不是个通用的方法，制造上估计也挺麻烦，还得分辨不同位置不同阻值。
另外就是你自己也提到了，在显示别的数字时，会有问题。

仙猫

1、试算一下：如果短路基极的4.7k，那么拉低基极驱动三极管时，发射极电位只比基极高一个b-e结压降，电流就都跑基极去点不亮灯了。
　找不到7段码LED的资料，按通常的正向压降为2V左右计算，且点灯时三极管c-e饱和，那么发射极电压应为2.3V左右，基极电压约1.6V。设控制三极管导通的电压为0.4V（如图），那么加在4.7k两端有1.2V，基极电流为1.2/4.7=0.25mA。查9012手册可知hFE≧64，只要VCC电压够，LED至少可获得16.3mA。要静态点亮LED的话一般有10mA已足够，所以可以说4.7k这个电阻值是取得恰到好处的。

　

2、通常开关电路用共射电路驱动好过共集，不像共集电路的三极管会饱和不了，损失掉本该加在负载上的电压。本帖的楼顶电路是共射形式，但100Ω限流电阻串在发射极而不是集电极也许设计者是有ta的考虑的，即怕驱动L1的电路的输出高电平不够，导致灭灯时LED也会微亮（这里因看不到前面的电路只好猜测）。但正像前面几位指出的那样，限流电阻不放在“段”而放在“组”上是错误的，正是各段亮度不匀的原因。

　

（把数码管接地是简化的示意图，实际底下还有个阴极驱动器件。） [ 本帖最后由 仙猫 于 2010-6-28 07:04 编辑 ]