数码管和液晶显示器

3.10　LED数码管和LCD液晶显示器

3.10.1　LED数码管

LED数码管是目前最常用的一种数显器件。把发光二极管制成条状，再按照一定方式连接，组成数字“8”，就构成LED数码管。使用时按规定使某些笔段上的发光二极管发光，即可组成0～9的一系列数字。

图3.27　常见的LED显示器

1.构成和显示原理

LED数码管分共阳极与共阴极两种，如图3.28（a）所示，内部结构如图3.28（b）或图3.28（c）所示。a～g代表7个笔段的驱动端，亦称笔段电极。DP是小数点。第3脚与第8脚内部连通.tif，＋表示公共阳极，-表示公共阴极。对于共阳极LED数码管（如图3.28（a）、图3.29（b）所示），将8只发光二极管的阳极（正极）短接后作为公共阳极。其工作特点是，当笔段电极接低电平，公共阳极接高电平时，相应笔段可以发光。共阴极LED数码管则与之相反，它是将发光二极管的阴极（负极）短接后作为公共阴极。当驱动信号为高电平，阴极接低电平时，才能发光。

LED的输出光谱决定其发光颜色以及光辐射纯度，也反映出半导体材料的特性。常见管芯材料有磷化镓（GaP）、砷化镓（GaAs）、磷砷化镓（GaAsP）、氮化镓（GaN）等，其中氮化镓可发蓝光。发光颜色不仅与管芯材料有关，还与所掺杂质有关，因此用同一种管芯材料可以制成发出红、橙、黄、绿等不同颜色的数码管。在LED数码管的产品中，以发红光、绿光的居多，这两种颜色也比较醒目。

图3.28　LED数码管的外形和内部结构图

LED数码管等效于多只具有发光性能的PN结。当PN结导通时，依靠少数载流子的注入及随后的复合而辐射发光，其伏安特性与普通二极管相似。在正向导通之前，正向电流近似于零，笔段不发光。当电压超过开启电压时，电流就急剧上升，笔段发光。因此，LED数码管属于电流控制型器件，其发光亮度（单位是cd/m²）与正向电流I_F有关，用公式表示为：

L＝K IF

即亮度与正向电流成正比。LED的正向电压UF则与正向电流以及管芯材料有关。使用LED数码管时，工作电流一般选10mA左右/段，既保证亮度适中，又不会损坏器件。

2.分类

目前国内外生产的LED数码管不仅种类繁多、型号也各异，大致有以下几种分类方式。

（1）按外形尺寸分类

目前我国尚未制定LED显示器的统一标准，型号一般由生产厂家自定。小型LED数码管一般采用双列直插式，大型LED数码管采用印制板插入式。

（2）根据显示位数划分

根据器件所含显示位数的多少，可划分成一位、双位、多位LED显示器。一位LED显示器就是通常说的LED数码管，两位以上的一般称为显示器。

双位LED数码管是将两只数码管封装成一体，其特点是结构紧凑、成本较低（与两只一位数码管相比）。国外典型产品有LC5012-11S（红双、共阳），管脚排列如图所示。

图3.29　LC5012-11S引脚排列

为简化外部引线数量和降低显示器功耗，多位LED显示器一般采用动态扫描显示方式。其特点是将各位同一笔段的电极短接后作为一个引出端，并且各位数码管按一定顺序轮流发光显示，只要位扫描频率足够高，就观察不到闪烁现象。

（3）根据显示亮度划分

有普通亮度和高亮度之分。普通LED数码管的发光强度I_V≥0.3mcd，而高亮度LED数码管的I_V≥5mcd，提高将近一个数量级，并且后者在大约1mA的工作电流下即可发光。高亮度LED数码管典型产品有2ED102等。

（4）按字形结构划分

有数码管、符号管两种。其中，符号管可显示正（＋）、负（-）极性，“±1”符号管能显示＋1或-1。而“米”字管的功能最全，除显示运算符号＋、-、×、÷之外，还可显示A～Z共26个英文字母，常用作单位符号显示。

此外，还可按共阴或共阳、发光颜色来分类。

3.性能特点

LED数码管的主要特点如下。

（1）能在低电压、小电流条件下驱动发光，能与CMOS、TTL电路兼容。

（2）发光响应时间极短（＜0.1s），高频特性好，单色性好，亮度高。

（3）体积小，重量轻，抗冲击性能好。

（4）寿命长，使用寿命在10万小时以上，甚至可达100万小时，成本低。

因此它被广泛用作数字仪器仪表、数控装置、计算机的数显器件。

4.性能简易检测

LED数码管外观要求颜色均匀、无局部变色及无气泡等，在业余条件下可用数字万用表作进一步检查。现以共阴数码管为例介绍检查方法：将数字万用表的挡位指到二极管位置，黑表笔固定接触在LED数码管的公共负极端上，红表笔依次移动接触笔画的正极端。当表笔接触到某一笔画的正极端时，那一笔画就应显示出来。用这种简单的方法就可检查出数码管是否有断笔（某笔画不能显示）和连笔（某些笔画连在一起）。若检查共阳极数码管，只需将正负表笔交换即可。

3.10.2　LCD液晶显示器

液晶显示器件（LCD）是一种新型显示器件。自问世以来，其发展速度之快、应用范围之广，都已远远超过了其他发光型显示器件。

1.技术特点

液晶是介于固体和液体之间的中间物质。一般情况，它和液体一样可以流动，但在不同方向上它的光学特性不同，显示出类似于晶体的性质，所以称这类物质为液晶。利用液晶的电光效应制作成的显示器就是液晶显示器。

常用的TN型液晶显示器件具有下列优点。

（1）工作电压低（2～6V），微功耗（1W/cm²以下），能与CMOS电路匹配。

（2）显示柔和，字迹清晰；不怕强光冲刷，光照越强对比度越大，显示效果越好。

（3）体积小，重量轻，平板型。

（4）设计、生产工艺简单。器件尺寸可做得很大，也可做得很小；显示内容在同一显示面内可以做得多，也可以少，且显示字符可设计得美观大方。

（5）高可靠，长寿命，廉价。

2.TN型液晶显示器件的基本构造和工作原理

将上、下两块制作有透明电极的玻璃，通过四周的胶框封接后，形成一个几微米厚的盒。在盒中注入TN型液晶材料。在通过特定工艺处理的盒中，TN型液晶的棒状分子平行地排列于上、下电极之间，如图3.30所示。靠上电极的分子平行纸面排列，用“-”表示；靠下电极的分子则垂直于纸面排列，用“.”表示。而上下电极之间的分子被逐步扭曲。“-”线段长度变化表示扭曲角度大小变化。

图3.30　TN型液晶显示器的基本构造

如图3.31（a）所示，入射光通过偏振方向与上电极面液晶分子排列方向相同的上偏振片（起偏器）形成偏振光。此光通过液晶层时扭转了90°。到达下偏振片（检偏器）时，偏振方向不变，偏振光通过下偏振片，并被下偏振片后方的反射板反射回来。盒呈透亮，因而我们可以看到反射板。

如图3.31（b）所示，当上、下电极之间加上一定电压后，电极部位的液晶分子在电场作用下转变成与上、下玻璃面垂直排列，这时的液晶层失去旋转性。偏振光通过液晶层没有改变方向，与下偏振片偏振方向相差90°，光被吸收，没有光反射回来，也就看不到反射板，在电极部位出现黑色。由此可知，根据需要制成不同的电极，就可以实现不同内容的显示。可见，液晶显示器一个最突出的特点就是其本身不发光，用电来控制对环境照明的光在显示部位的反射（或透射）方法而实现显示。因此在所有的显示器件中，它的功耗最小，在1W/cm²以下，与低功耗的CMOS电路匹配最适于各种便携式袖珍型仪器仪表、微型计算机等作为终端显示用。

3.引脚识别和性能检测

以应用广泛的三位半静态显示液晶屏为例，若标志不清楚时，可用下述两种方法鉴定。

（1）加电显示法

如图3.32所示，取两只表笔，使其一端分别与电池组的“＋”和“-”相连。一只表笔的另一端搭在液晶显示屏上，与屏的接触面越大越好。用另一只表笔依次接触各引脚。这时与各被接触引脚有关系的段、位便在屏幕上显示出来。如遇不显示的引脚，则该引脚必为公共脚（COM）。一般液晶显示屏的公共脚有1～3个不等。

（2）数字万用表测量法

万用表置二极管测量挡，用两表笔两两相量，当出现笔段显示时，即表明二笔中有一引脚为BP（或COM）端，由此就可确定各笔段，若屏发生故障，亦可用此法查出坏笔段。对于动态液晶屏，用同法找COM，但屏上有不止一个COM，不同的是，能在一个引出端上引起多笔段显示。对选购来的LCD在使用前应作一般的检查，对于业余使用或一般设计制作样机的厂家，如果在检查中表针有颤动，说明该段有短路，如果某段显示时，邻近段也显示，可将邻近段外引线接一个与背电极相同的电位（用手指连接即可），显示应立即消失，这是感应显示，可以不管它，接入电路，感应显示即可消除。

图3.31　TN型液晶显示器的工作原理

图3.32　液晶加电显示法

（3）简便检查方法

取一段几十厘米长的软导线，靠近台灯或收音机、电视机的50Hz交流电源线。用手指接触液晶数字屏的公共电极，用软导线的一端金属部分依次接触笔画电极，导线的另一端悬空，手指也不要碰导线的金属部分，如果数字屏良好的话，就能依次显示出相应的笔画来。

这种检查液晶数字屏方法的原理是：50Hz的交流电在导线上的感应电位与人体电位有一个电位差，我们暂且叫这个电位差为“电源”，这个“电源”电压可能会有零点几伏到十几伏（视软导线与50Hz电源线的距离而定），这个“电源”是足以驱动液晶显示屏的，而且这个“电源”的内阻很大，不会损坏液晶显示屏，而万用表中的“高”直流电压对液晶显示屏是有害的。

只要适当调整软导线与50Hz电源线的距离，就能很清晰地显示出笔画。软导线与50 Hz电源线也不要靠得太近，以免显示过强。

4.选用注意事项

液晶显示器件有很多独特的优越性能，如低压微功耗、不怕光冲刷、体薄结构紧凑、可以实现彩色化、可制成存储型等。但也有不少特殊的缺点，如使用温度范围窄、显示刺目性差、视角小、本身不发光、不能作成大面积器件等。所以应该了解LCD适用于哪些方面，不适用于哪些方面，以便合理选用。

LCD适用于微型机、袖珍机，因为这类整机首先要求微功耗，所用器件必须小而薄，用液晶作显示器，一个积层电池可以使用几个月到一年以上。携带式微型机常在户外强光环境下使用，而LCD由于是被动型显示，必须要有外光源，且不怕光冲刷，在强光下最清晰，所以是很合用的。在掌中的微型机可以随意转动寻找最亮的外光源和最好的观察角度，这也正好适应了LCD的特点。但因LCD的工作温度范围较窄，在野外仪器上使用时应将整机尽量做小些，平时放在口袋内，用时拿在掌心里。此外整机的防潮、密封性能必须可靠。

民用产品是LCD一个主要的也是最大的应用领域。电子表、计算器是最典型的应用。

由于LCD的玻璃盒很薄，因而不可能作得很大，因此在大型机柜、控制台上就不适用了。当然，如果使用有场致发光屏作背光源的透过型LCD也还是可以的。

（1）适合用彩色LCD的地方

①民用的、具有装饰性的产品，如电子钟表、电子玩具等。

②需要用不同的色彩表示不同功能的地方，如汽车面板表等。

③需要用不同色彩表示不同数量级别的地方，如速度、电平指示等。

④需要用某种色彩强调其功能的地方，如用具有警告性的红色作温度、放射量的指示等。

选购LCD时还应注意其工作电压与选用电路相一致，驱动方式与驱动电路相一致，工作温度、贮存温度与整机要求一致。

（2）LCD在使用中应注意

①防止施加直流电压。驱动电压中的直流成分越小越好，一般不得超过100mV，长时间地施加过大的直流成分，会发生电解和电极老化，从而降低寿命。

②防止紫外线的照射。液晶是有机物，在紫外线照射下会发生化学反应，所以液晶显示器在野外使用时应考虑在前面装置紫外滤光片或采取别的防紫外线措施。使用时也应避免阳光的直射。

③防止压力。液晶显示器件的关键部位是玻璃内表面的定向层和其间定向排列的液晶层，如果在显示器件上加上压力，会使玻璃变形、定向排列动乱，所以在装配、使用时必须尽量防止随便施加压力。反射板是一块薄铝箔（或有机膜），应注意防止硬物磕碰，以免出现伤痕影响显示。

④温度限制。液晶是一类有机化合物的统称，这些有机化合物在一定温度范围内既有液体的连续性和流动性，又有晶体所特有的光学特性，呈液晶态。如果保存温度超过规定范围，液晶态会消失，温度恢复后并不都能恢复正常取向状态，所以产品必须保存和使用在许可温度范围内。

⑤显示器件的清洁处理。由于器件四周及表面结构采用有机材料，所以只能用柔软的布擦拭，避免使用有机溶剂。

⑥防止玻璃破裂。显示器件是玻璃的，如果跌落，肯定玻璃会破裂。在设计时还应考虑装配方法及装配的耐振和耐冲击性能。

⑦防潮。液晶显示器件工作电压甚低，液晶材料电阻率极高，所以潮湿造成的玻璃表面导电，就可以使器件在显示时段之间发生“串”的现象，整机设计时必须考虑防潮。

（3）LCD故障原因和排除方法

①使用几小时或几天后，电极变色、液晶内产生气泡，以至不能显示。一般是驱动电压直流成分过大，引起电化学反应造成的。检查电路，排除过大的直流成分后，方可换上新的显示器件。

②装配后出现不该显示的段也隐约显示，其原因可能有如下几种。

1）引线间不清洁，用干细布擦净即可。

2）天气太潮，玻璃表面导电，室内干燥后即可恢复。

3）背电极或段电极接触不良或悬空，重新装配可靠后即可消除。

4）方波上、下幅度不对称，造成熄灭时截止不彻底，调整方波幅度即可解决。

5）导电橡胶条纹不够平行或绝缘性能较差，更换导电橡胶即可解决。

③对比度很差，或出现负像，或显示混乱。一般是由于背电极悬空所造成，排除即可解决。

④译码器正常，但段电极全部显示，一般是背电极所加电压为直流引起的。

5.安装注意事项

（1）液晶显示器件外引线为透明导电层，一般不采用传统的焊接工艺，而是利用专门的导电橡胶直接和线路板连接。导电橡胶又叫斑马状液晶显示用导电橡胶，它是由0.2mm左右厚的导电层和0.2mm左右厚的绝缘层相间隔压制在一起的。

使用时，将导电橡胶夹在液晶显示器引线部位和线路板之间，尽量使液晶显示器引线和线路板引线上下对准，那么总会有一条或几条导电层使上下引线相接，再在液晶显示器上面用一卡子或窗口压住即可。

（2）偏振片的表面有一层保护膜，装配前应揭去。揭去后显示更为清晰明亮。

（3）面积较大的LCD，其固定用螺丝数量应相应增加，并用较厚的线路板，以防线路板弯曲造成接触不良。

（4）压紧时注意不要太紧，接触好、能显示即可。过紧时，导电橡胶层间绝缘能力降低，会产生“串”的现象。

（5）有些手表采用动态驱动型LCD，外引线是单侧的。装配时为保持平衡，在没有引线的一侧垫了一橡胶条，注意不要将导电橡胶与橡胶条放错位置。

（6）由于液晶显示需要借助外光源，所以结构设计时切记要使显示面尽量凸出，不要凹向窗内，这是目前整机设计中经常被忽视的一个问题。

6.常见故障鉴定与排除

液晶显示器的故障可分为两类，一类是内在质量方面的问题。

（1）LCD从边缘部位产生不规则的黑边，并向中间侵入，这是由于器件封接不牢，液晶外溢所致。

（2）器件字段及四周颜色变成灰黑色，这是有机定向层失效的一种特有的现象。

（3）器件尚未使用即出黑点并不断增加或扩大，这是器件生产中污染造成的后果。

（4）器件使用一段时间后，突然有某段不显示，拆下测量，此段短路，这是器件生产中落入尘埃的后果。

以上几类故障，以及人为造成的碎裂、外引线划断等，均无法修复，只能报废。

另一类是因使用不当造成的故障。

（1）装配使用一段时间后，器件字段呈不消失的黑印，或产生黑点状气泡，这是由于驱动时直流成分过大造成的电解或电极劣化；也可能是由于一高压（如电烙铁）感应造成的损坏。可用热吹风机加热器件，待器件表面变成黑色，立即停止加热，逐渐冷却后字印应可消失。

（2）装配后全部字段全显示，一般是由于背电极接触不好，只要调整使接触可靠即可消除。有时工作电压过高（6V～9V）以上也会出现这种现象。

（3）装配后清零时，只有8字中间一横显示，则大多是由于LCD外引线与线路板引线未对齐所致，对齐后即可解决。

（4）有些电子手表在夏天会发生“串”的现象，一般是受潮所致，只需打开后盖板，取下电池，在100W白炽灯下距离25cm烘烤半小时左右即可。电子计算器在过冷、过热条件下产生的乱显示，主要是超过使用温度范围而产生的动态驱动型器件所特有的交叉效应。只要放回室温条件的环境即可恢复正常。

（5）有些电子手表在阳光下会失去显示，这种现象大多是由于CMOS电路的光电效应造成的。一般可以在LCD后面加一层黑纸，使外部光线不能通过液晶屏泄漏到CMOS电路的表层，将光线遮断，即可解决。

（6）有时不慎将电子表落入水中，渗入水后又不适当的长时间加温烘烤，造成偏振膜弯曲或偏振度下降，从而使对比度降低。此时可换偏振片后使用。

（7）目前有的廉价电子手表，使用一段时间后出现不显示、对比度降低、少线段等问题，这是因为产品质量差，装配粗糙，参数离散。有的功耗大、电池损耗快；有的LCD阈值高、视角小、导电橡胶尺寸不合适、机壳内不清洁等。