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七段顯示器 

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七段顯示器介紹

     七段顯示器,在許多產品或場合上經常可見。其內部結構是由八個發光二極體所組成,為七個筆畫與一個小數點,依順時針方向為A、B、C、D、E、F、G與DP等八組發光二極體之排列,可用以顯示0∼9數字及英文數A、b、C、d、E、F。目前常用的七段顯示器通常附有小數點,如此使其得以顯示阿拉伯數之小數點部份。七段顯示器的腳位和線路圖如下圖ㄧ所示( 其第一支接腳位於俯視圖之左上角 )。

 
圖ㄧ、七段顯示器尺寸

     由於發光二極體只有在順向偏壓的時候才會發光。因此,七段顯示器依其結構不同的應用需求,區分為低電位動作與高電位動作的兩種型態的元件,另一種常見的說法則是共陽極( 低電位動作 )與共陰極( 高電位動作 )七段顯示器,如下圖二所示。

 
圖二、共陽極( 低電位動作 )與共陰極( 高電位動作 )

     我們以多媒體雛型驗證平台為例,此平台配置了6組共陽型七段顯示器( 如圖三所示 )。此單顆七段顯示器具有10支接腳,除了上述的八組發光二極體控制接腳外,另包含2組電源接腳( Pin1 & Pin6 ),腳位對應可參考如圖四,設計者可以輕易的以三用電表通電測試判斷資料編號位置。

 
圖三、七段顯示器俯視圖

 
圖四、七段顯示器腳位對應

     要如何使七段顯示器發光呢?對於共陽極規格的七段顯示器來說,必須使用“ Sink Current ”方式,亦即是共同接腳COM為VCC,並由Cyclone II FPGA使接腳成為低電位,進而使外部電源將流經七段顯示器,再流入Cyclone II FPGA的一種方式。( 多媒體雛型驗證平台內建共陽型七段顯示器 )

     而共陰極規格的七段顯示器則反之,使用“ Source Current ”方式,亦即是使共同接腳COM為GND,並由Cyclone II FPGA輸出高電位的腳位,提供七段顯示器電流使其發光。( 僅供參考 )

     七段顯示器之常見應用(可作為與數值顯示相關之設計)如:

  • 電子時鐘應用顯示
  • 倒數計時器
  • 碼錶
  • 計數器
  • 計時器
  • 算數運算之數值顯示器...etc.

七段顯示器顯示原理

     七段顯示器可用來顯示單一的十進制或十六進制的數字,它是由八個發光二極體所構成的( 每一個二極體依位置不同而賦予不同的名稱,請參見圖一 ) 。我們可以簡單的說,要產生數字,便是點亮特定資料的發光二極體。例如要產生數字「0」,須只點亮A、B、C、D、E、F等節段的發光二極體;要產生數字「5」,則須點亮A、C、D、F、G等節段發光二極體,以此類推,參見圖五。因此,以共陽極七段顯示器而言,要產生數字「0」,必須控制Cyclone II FPGA晶片接連至A、B、C、D、E、F 等接腳呈現“低電位”,使電路形成通路狀態。表一則為共陽極七段顯示器顯示之數字編碼。

表一、七段顯示器顯示之數字編碼


圖五、七段顯示器顯示阿拉伯數字 

七段顯示器控制實作

     本實作範例,使用計數器產生向上數的位元資料,並藉由七段顯示器解碼器,將資料於6組七段顯示器,予以顯現計數動作。

步驟1:建立計數器
    
首先,我們使用Altera Quartus II的MegaWizard元件庫精靈建立一個計數器,並命名為counter_d。關於建立計數器的步驟如圖六~圖十所示。 設計者可以藉由按鍵開關( Input Pad )並經由一個反向器( Inverter ),接連至counter_d計數器之非同步清除( aclr ),即可完成將計數器清除為零的動作。而counter_d計數器之往上或往下計數控制( updown ),亦可由設計者自行規劃為高位準,或為低位準,亦或是可接連至多媒體實驗器之指撥開關手動操作上下數動作。

 
圖六、指定計數器具有 24 位元資料輸出

 
圖七、指定計數器為 Plain binary 形式

 
圖八、選擇使用 clear 非同步清除信號 

 
圖九、產生 counter_d 計數器之元件資料庫檔案

 
圖十、counter_d 計數器建立完成

步驟2:dec_7seg七段顯示器解碼電路描述(VHDL)
     由步驟一可知,counter_d計數器將依序產生資料信號,因此我們尚需將此資料信號予以解碼,使資料得以正確顯示於七段顯示器上,並呈現0~9..A~F的字樣。以下電路描述了一個簡單的七段顯示器之解碼電路。

     待電路設計描述完成,可於 File下拉式選單,執行 Create / Update 之 「Create Symbol Files for Current File」( 參閱圖十ㄧ )。將可建立如圖十二所示之DEC_7SEG Symbol元件。

 
圖十一、Create Symbol Files for Current File

 
圖十二、產生 DEC_7SEG Symbol 元件

步驟3:CLK_DIV除頻器電路描述(VHDL)
     接下來,我們尚須位為設計提供一個系統時脈。由於多媒體雛形驗證平台安置了25MHz,因此我們僅須設計一個除頻電路。將25MHz 調成所需求的時脈。設計內容上,我們先將25MHz 除以25,緊接著再分階段來除以10,因此將可得到1MHz/100K/10K/1K/100/10/1 Hz得不同頻率輸出。

     待CLK_DIV電路設計描述完成,可於 File下拉式選單,執行 Create / Update 之 「Create Symbol Files for Current File」( 參閱圖十三)。將可建立如圖15.14所示之CLK_DIV元件。

 
圖十三、CLK_DIV 元件

步驟4:將繞線/輸出入接腳予以接連
     設計者可將上述所建立的元件方塊加入至圖形編輯器(*.bdf),並將輸出入埠予以接連,且指定輸出入埠的名稱,如下圖十四所示。

 
圖十四、將繞線/輸出入接腳予以接連

步驟5:腳位指定
     設計者在執行編譯前,可參閱本書第二章節之多媒體雛型驗證平台的七段顯示器腳位宣告,進行腳位指定。操作方式可使用滑鼠左鍵點選Assignments,並於下拉式選單中選擇Assignment Editor選項,如下圖十五示。

 
圖十五、點選 Assignments 選項  

     開啟的Assignment Editor視窗中,有數個欄位。設計者可直接點選Category欄位的Pin選項。即可於Assignment Editor視窗的最下面欄位之Edit欄位選擇預編輯之腳位,並於Location處輸入或指定接腳編號即可完成。所完成的腳位宣告如圖十六及圖十七所示。

 
圖十六、七段顯示器腳位宣告(ㄧ)

 
圖十七、七段顯示器腳位宣告(二)

步驟6:編譯結果完
     成上述步驟,設計者即可執行編譯( Compile )。自編譯結果中可看出設計的邏輯單元小於元件的1%、此設計共使用47個暫存器、50支接腳,編譯結果如下圖十八所示。編譯完成即可進行燒錄測試。燒錄完成,將可於七段顯示器顯現計數器的運作情形。

 
圖十八、七段顯示器編譯結果

實作範例視訊  >> 7段顯示器 & LED & 16x2 LCDM 實作影片

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