7세그먼트 디스플레이 카운터

7세그먼트 디스플레이 카운터

7세그먼트 디스플레이를 함께 사용하여 0부터 9까지의 숫자와 계산 회로에 사용하거나 마이크로 컨트롤러에 인터페이스할 수 있는 몇 가지 문자를 표시할 수 있습니다.

요즘에는 Arduino 또는 Raspberry-Pi와 같은 마이크로 컨트롤러를 사용하고 필요한 숫자를 표시하는 소프트웨어 관련 코드를 사용하여 여러 LED 디스플레이에 숫자와 문자를 표시하는 것이 매우 쉽습니다. 그러나 때때로 전자공학 학생이나 취미생활자로서 우리는 프로젝트나 디지털 논리 회로의 일부로 두 개 이상의 숫자나 숫자를 표시하고 싶을 때가 있습니다. 그러면 우리는 어떻게 이것을 할 수 있습니까?

7세그먼트 디스플레이는 기본적으로 단일 표시기 패키지 내에서 함께 연결된 여러 개의 발광 다이오드로 구성되므로 0부터 9까지의 숫자 정보를 표시하는 편리한 방법을 제공합니다.

각 발광 다이오드(세그먼트라고 함)는 전류를 사용하여 조명되며, 세그먼트의 다양한 조합을 조명하여 일부 세그먼트는 "ON"되고 빛을 방출하고 다른 세그먼트는 "OFF"되도록 하여 개별 문자 또는 숫자.

발광 다이오드 에 대한 튜토리얼에서 본 것처럼 LED는 전류가 한 방향으로만 흐르도록 한다는 점에서 일반 다이오드와 같습니다. 둘 사이의 차이점은 LED가 전류가 통과할 때 PN 접합에서 빛 에너지를 방출한다는 것입니다.

 

이러한 전계발광 작용은 LED의 양극(A) 단자가 음극(K) 단자보다 약 2V 더 양극일 때마다 발생합니다. LED 접합부를 조명하는 데 필요한 일반적인 공급 전류 범위는 약 6mA ~ 20mA이며 그 값은 일반적으로 LED와 직렬로 연결된 저항기를 사용하여 제어됩니다.

따라서 디스플레이 LED 세그먼트 중 하나를 순방향 바이어스하여 양극 단자가 공급 장치(양극)를 향하고 음극 단자가 접지(음극)를 향하도록 함으로써 무작위로 켜진 세그먼트 세트 또는 0부터 10진수를 생성할 수 있습니다. 9에서 프로젝트에 대한 시각적 출력을 제공합니다.

7세그먼트 디스플레이

이름에서 알 수 있듯이 7세그먼트 디스플레이는 7개의 세그먼트로 구성됩니다. 즉, 7개의 발광 다이오드 또는 LED로 구성되어 디스플레이에서 하나의 완전한 숫자를 형성하는 데 함께 사용할 수 있습니다.

실제로 대부분의 7세그먼트 디스플레이에는 8개의 내부 LED가 포함되어 있습니다. 8번째 LED는 일반적으로 디스플레이 하단 모서리 중 하나에 소수점으로 사용됩니다.

따라서 7세그먼트 디스플레이가 각 세그먼트당 하나씩 7개의 LED(지금은 소수점 무시)로 구성되고 LED에 양극 과 음극이라는 두 개의 단자가 있는 경우 이는 각각의 단일 7세그먼트 디스플레이가 14개의 연결 핀 또는 단자. 대답은 '아니오'입니다.

LED 세그먼트는 필요에 따라 개별적으로 조명될 수 있지만 각 내부 LED의 한 단자는 공통 지점 또는 노드에 연결됩니다. 따라서 디스플레이에 14개의 연결 핀을 사용하는 대신 7개의 개별 LED에 각각 하나씩 더해 공통 핀 1개를 포함해 8개(7 + 1)개의 핀만 갖게 됩니다. 7세그먼트 디스플레이.

디스플레이에 사용되는 모든 LED의 음극 단자가 함께 단락되면 디스플레이를 공통 음극 (CC) 디스플레이라고 합니다. 마찬가지로, 디스플레이에 사용되는 LED의 양극 단자가 모두 함께 단락된 경우 해당 디스플레이를 공통 양극 (CA) 디스플레이 라고 합니다 . 따라서 7세그먼트 디스플레이는 공통 음극 (CC) 또는 공통 양극 (CA) 유형 디스플레이가 될 수 있습니다.

공통 음극(CC) 구성

공통 음극(CC) 디스플레이 –  공통 음극 디스플레이에서 LED 세그먼트의 모든 음극(K) 연결은 함께 묶여 접지 또는 0V에 연결됩니다.

개별 세그먼트는 개별 양극 단자(a ~ g)를 순방향 바이어스하기 위해 적절한 전류를 적용하여 조명됩니다. 따라서 일반적인 음극 디스플레이에는 전류를 공급할 수 있는 구동 회로가 필요합니다 .

공통 양극(CA) 구성

공통 양극(CA) 디스플레이 –  공통 양극 디스플레이에서 LED 세그먼트의 모든 양극(A) 연결은 양 전압 공급 장치에 함께 연결됩니다.

개별 세그먼트는 특정 세그먼트(a~g)의 음극 단자에 접지 또는 "LOW" 신호를 적용하여 조명됩니다. 따라서 공통 양극 디스플레이에는 전류를 싱킹 할 수 있는 구동 회로가 필요하다.

여러 개의 7세그먼트 LED 디스플레이를 전자 회로에 연결하는 방법에는 여러 가지가 있으며 각 방법마다 고유한 장점이 있습니다. 각 개별 세그먼트는 일반 밝기로 조명하는 데 약 6~20mA의 전류가 필요하고 7개의 세그먼트(소수점 포함)가 있으므로 일반적으로 전용 디코더/드라이버 칩을 사용하여 각 디스플레이를 직접 구동합니다. .

 

IC 디코더 칩은 기본적으로 한 유형의 입력 데이터를 다른 유형으로 변환하며 입력 데이터 유형(예: 바이너리, BCD 또는 16진수)과 디코딩된 수를 나타내는 필수 출력 코드에 따라 사용할 수 있는 다양한 유형의 디지털 디코더 가 있습니다. 출력 라인. 예: 3~8줄, 4~16줄 등

우리의 경우 "BCD-7세그먼트 디코더"와 같은 7세그먼트 디스플레이를 구동하기 위해 일부 바이너리 코드를 출력 신호 세트로 변환할 수 있는 디코더 칩이 필요합니다. Binary Coded Decimal(Binary Coded Decimal), 줄여서 BCD는 0부터 9까지 10개의 십진수를 표현하는 데 사용되는 4비트 이진수 집합입니다. 이를 수행할 수 있는 다음 IC 디코더 칩 목록이 있습니다.

TTL 디코더 IC

• 74LS47 공통 양극
• 74LS48 공통 음극
• 74LS247 공통 양극

CMOS 디코더 IC

• 74HC4511 공통 음극
• CD4513 공통 음극

TTL 74LS47은 지금까지 가장 널리 사용되는 7세그먼트 디코더 IC이며 공통 양극(CA) 디스플레이를 구동할 수 있습니다. TTL 74LS47에는 4비트 BCD 입력과 7개의 LED 세그먼트 각각을 구동하기 위한 7개의 개별 활성 "LOW" 출력이 있습니다.

활성 "LOW"는 출력 핀이 접지(0V)로 전환되어 LED 세그먼트를 켜고, "HIGH" 출력은 LED 세그먼트를 "OFF"로 전환함을 의미합니다. HDSP 시리즈 디스플레이는 좋은 출발점이지만 표준 공통 양극 디스플레이라면 모두 가능합니다(선택할 수 있는 항목이 많습니다).

4개의 스위치를 사용하여 4비트 이진수가 74LS47 디코더의 BCD 입력 A , B , C 및 D 에 적용되어 출력 신호 a, b, c, d, e, f 및 g 를 생성합니다. 그림과 같이 0 부터 9 까지 필요한 숫자를 생성하는 7세그먼트 디스플레이를 구동합니다 .

74LS47 디코더

 

74LS47 디코더/드라이버와 공통 양극 디스플레이 사이의 연결에는 전류 흐름을 제한하기 위해 7개의 저항기(소수점이 포함된 경우 8개)가 필요합니다. 디스플레이의 각 LED 세그먼트가 제대로 켜지려면 각 세그먼트를 통과하는 전류 흐름을 주의 깊게 제어해야 합니다.

디스플레이 세그먼트를 통해 전류를 제한하는 가장 좋은 방법은 그림과 같이 7개의 LED 세그먼트 각각에 직렬로 전류 제한 저항기를 사용하는 것입니다. 직렬 연결된 저항을 사용하지 않으면 최대 전류가 흐르고 LED는 영구적으로 파괴되기 전에 짧은 시간 동안 매우 밝아집니다.

일반적인 7세그먼트 LED 디스플레이의 각 LED 세그먼트는 6~20mA에서 작동하도록 정격이 지정되어 일반 밝기에 대해 LED 다이오드 접합 전체에 약 1.8V의 전압 강하를 제공합니다. LED 세그먼트당 필요한 전류를 생성하는 데 필요한 전류 제한 저항의 값을 계산할 수 있습니다.

이제 우리는 7세그먼트 디스플레이가 기본적으로 단일 직사각형 패키지 내의 개별 LED 묶음이며 LED에는 세그먼트당 DC 순방향 전류를 제한하기 위해 직렬 저항이 필요하다는 사실을 배우고 이해하였기를 바랍니다.

공통 양극 디스플레이의 경우 각 LED 세그먼트의 양극은 5V 공급 장치(V S )에 함께 연결됩니다. 조명이 켜졌을 때 LED 접합부의 순방향 전압 강하가 약 1.8V인 경우 직렬 저항기의 전압도 동일해야 합니다. V S  – V LED = 5 – 1.8 = 3.2V .

따라서 단일 세그먼트의 직렬 전류 제한 저항기에 필요한 저항 값은 이를 조명하는 데 필요한 전류 흐름에서 옴의 법칙을 사용하여 간단히 찾을 수 있습니다. 따라서 우리는 다음과 같이 원하는 애플리케이션과 LED 강도에 대해 LED 전류를 6mA에서 20mA 사이로 제한하는 데 필요한 저항 범위를 계산할 수 있습니다.

7세그먼트 디스플레이 저항 값

 

따라서 6mA 전류에서 가장 가까운 권장 값까지 533Ω 또는 560Ω의 직렬 전류 제한 저항이 필요하고, 전류를 20mA로 제한하려면 160Ω의 저항이 필요합니다. 실제로는 220Ω에서 360Ω 사이의 좋은 표준 선호 저항 값을 사용하여 5V 공급 장치에서 7세그먼트 디스플레이를 조명할 수 있으며, 이는 사용 가능한 저항 값에 따라 달라집니다.

여기서는 공통 양극 LED 디스플레이를 예로 사용하고 있지만, 공통 음극 LED 디스플레이에도 동일한 계산 및 저항 값이 적용됩니다. DIP(Dual-in-line 패키지) 저항기 네트워크는 일반적으로 단일 DIP 패키지 내에서 7개(또는 8개) 저항기를 모두 사용할 수 있어 드라이버 IC와 디스플레이 간의 배선 프로세스를 단순화합니다.

또한 여기서는 공통 양극 디스플레이를 구동하기 위해 활성 LOW(전류 싱크) 출력을 갖춘 7세그먼트 디코더/드라이버 IC에 대한 TTL 74LS47 BCD를 사용했지만, 7세그먼트 디코더/드라이버 IC에 대한 TTL 74LS48 BCD는 정확히 활성 HIGH(전류 소스) 출력을 생성하므로 공통 음극 디스플레이를 구동하도록 설계되었다는 점만 제외하면 동일합니다.

따라서 보유하고 있는 7세그먼트 LED 디스플레이 유형에 따라 구동을 위해 74LS47 IC가 필요할 수 있습니다. 예를 들어 LT542 CA 디스플레이를 구동하거나 동등한 LT543 CC 디스플레이를 구동하기 위해 74LS48 IC를 사용한다고 가정해 보겠습니다. 선택은 당신의 것입니다.

7세그먼트 디스플레이에 숫자 표시하기

74LS47에는 BCD(8-4-2-1) 숫자 A , B , C 및 D 에 대한 4개의 입력 과 7세그먼트 디스플레이의 각 세그먼트에 대한 출력이 있습니다.

4개의 스위치 S A , S B , S C 및 S D 를 작동 하면 해당 숫자 표시를 담당하는 해당 LED 세그먼트를 활성화하는 데 필요한 입력 시퀀스가 ​​생성됩니다. 정상 작동의 경우 74LS47의 LT(램프 테스트), BI/RBO(블랭킹 입력/리플 블랭킹 출력) 및 RBI(리플 블랭킹 입력)는 모두 +5V 공급 장치(HIGH)에 연결됩니다. 따라서 표시되는 숫자는 다음과 같습니다.

7세그먼트 디스플레이 번호

모든 10자리 숫자에 대한 7세그먼트 디스플레이 요소

4개의 SPST 스위치를 작동하면 해당 숫자나 임의의 문자가 표시되지만, 4개의 스위치를 동시에 작동하는 것은 약간 지루할 수 있습니다. 따라서 4개의 스위치를 사용하지 않고 4라인 바이너리 정보를 생성할 수 있는 단일 IC 칩이 있으면 더 좋을 것입니다. 74LS90 BCD 카운터가 있습니다.

0000에서 1001까지 계산한 다음 다시 0000으로 재설정되는 BCD 출력 코드를 생성하기 위해 MOD-10 10진(10으로 나누기) 카운터로 구성할 수 있는 74LS90 집적 회로. 이 비동기 10년 카운터/분할기를 사용하여 IC에서는 그림과 같이 스위치 하나만을 사용하여 7세그먼트 디스플레이의 숫자를 증가시킬 수 있습니다.

단일 자리 7세그먼트 디스플레이 카운터

 

이제 하나의 푸시버튼 스위치인 SW 1 을 10번 누르기만 하면 디스플레이의 숫자를 0에서 9까지 증가시킬 수 있습니다 . 푸시 버튼과 1kΩ 저항의 위치를 ​​변경하면 푸시 버튼 SW 1 의 활성화 또는 해제 시 카운트가 변경될 수 있습니다 .

간단한 회로는 74LS90 BCD 카운터와 74LS47 7세그먼트 디스플레이 드라이버를 사용하여 0~9 디지털 카운터를 생성하는 방법을 보여줍니다. 그러나 이 한 자리 0~9 카운터는 두 번째 카운터 단계를 추가하여 확장하여 두 자리 00~99 카운터를 만들 수 있습니다.

2자리 7세그먼트 디스플레이 카운터

 

그러면 이 2자리 7세그먼트 디스플레이 카운터는 어떻게 작동합니까? 디지털 카운터 회로의 전반부는 푸시버튼 SW 1 을 활성화 하면 "1"("단위"라고도 함) LED 디스플레이가 증가한다는 점을 제외하면 이전과 동일하게 작동합니다.

첫 번째 74LS90 BCD 카운터인 U1은 SW 1 의 각 마감(후행 가장자리)에서 0부터 9(0000부터 1001)까지 위쪽으로 카운트됩니다 . 그러나 카운팅 시퀀스가 ​​디스플레이에서 "8"(1000)에 도달하면 출력 "D"에 해당하는 U1 의 핀 11은 "HIGH"가 되고 U1이 10번째 카운트에서 다시 0으로 재설정될 때까지 HIGH를 유지합니다. U1 의 핀 11이 다시 "LOW"가 됩니다.

U1 의 출력 핀-11(BCD 핀 D)이 두 번째 74LS90 BCD 카운터 U3 의 클록 A(CLK A ) 입력 핀-14 에 연결되므로 핀-11(출력 D)의 각 연속적인 HIGH/LOW 스위칭 동작은 U1은 10자리의 두 번째 LED 디스플레이를 증가시킵니다. 따라서 두 개의 LED 디스플레이를 나란히 배치하면 00에서 99까지 위쪽으로 계산된 후 다음 카운트를 위해 다시 00으로 돌아갑니다.

이 매우 간단한 디지털 계산 회로에는 다양한 학교 프로젝트 응용 프로그램이 있습니다. 예를 들어, 수동으로 작동되는 푸시버튼 스위치인 SW 1을 움직이는 물체, 사람, 자동차 등을 계산하는 센서로 교체할 수 있다면, 예를 들어 SW 1을 555 타이머나 불안정한 발진기 회로로 교체할 수도 있습니다. 펄스 수를 계산하는 데 사용되거나 소수점이 있거나 없는 간단한 2자리 타이머 또는 반응 타이머 회로로 사용됩니다.

위의 2자리 카운터 회로는 74LS90 10진(10으로 나누기) 카운터와 잘 작동하지만 문제는 U1 과 U3 이라는 두 개가 필요하다는 것입니다 . TTL 74LS390 및 그에 상응하는 CMOS인 74HC390은 단일 IC 패키지 내에 2개의 74LS90 디케이드 카운터를 포함하며 대부분의 경우 2개의 74LS90을 구입하는 것보다 비용 효율적입니다.

TTL 74LS390 4비트 10진 카운터에는 내부적으로 두 개의 2로 나누기 및 5로 나누기 카운터가 있으며, 이는 BCD 출력과 동일한 "2, 5 또는 10"의 배수로 구성할 수 있습니다. 싱글 74LS90. 따라서 이전 회로에서 두 개의 74LS90 IC의 U1 및 U3를 하나의 단일 74LS390 IC로 교체할 수 있으며, IC의 각 절반은 그림과 같이 LED 디스플레이 중 하나를 구동합니다.

향상된 두 자리 카운터

 

이 회로는 74LS390 BCD 카운터와 2개의 74LS47 7세그먼트 디스플레이 드라이버를 사용하는 간단한 00~99 디지털 카운터를 보여줍니다. 99 이상을 계산하려면 더 많은 카운터 회로를 함께 계단식으로 연결해야 합니다.

4자리 BCD 카운터는 0000부터 9999까지 십진수로 계산된 다음 다시 0000으로 재설정됩니다. 마찬가지로 0부터 999999까지 계산하려면 계단식 10진 카운터 3개가 필요합니다. 실제로 여러 개의 10진 카운터는 그림과 같이 개별 BCD 카운터 회로를 10년마다 하나씩 계단식으로 연결하여 간단하게 구성할 수 있습니다.

계단식 카운터

 

우리는 7-세그먼트 디스플레이 카운터 에 대한 이 튜토리얼에서 LED 디스플레이 디코더 회로가 표준 조합 논리 회로 IC를 사용하여 구성될 수 있고 이 기능을 수행하기 위한 전용 집적 회로가 시장에 많이 있다는 것을 보았습니다.

공통 양극(CA) 디스플레이 구동을 위한 74LS47 7세그먼트 디코더/드라이버 IC 또는 공통 음극(CC) 디스플레이 구동을 위한 74LS48 7세그먼트 디코더/드라이버 IC와 같은 디스플레이 디코더 IC는 일반적으로 CMOS와 함께 제공됩니다. 등가물.

74LS90 비동기 카운터 IC는 MOD-10 10진(10으로 나누기) 카운터로 구성하여 BCD 출력 코드를 생성하고 0000에서 1001까지 위쪽으로 계산한 다음 다시 0000으로 재설정하여 사이클을 다시 시작할 수 있습니다.

74LS90 BCD 카운터는 매우 유연한 카운팅 회로이며 주파수 분배기로 사용하거나 단일 디스플레이에 대해 0에서 9까지 정수 카운트를 나누도록 만들 수 있습니다.

두 개의 74LS90 카운터를 계단식으로 연결하면 2자리 카운터를 생성할 수 있지만 더 좋은 점은 듀얼 디케이드/드라이버 IC 74LS390을 사용하면 여러 7세그먼트 LED 디스플레이를 사용하여 카운터 스테이지의 모든 조합을 생성할 수 있다는 것입니다.