漫談七段顯示器

1. 漫談七段顯示器
既然以「漫談」七段顯示器定為題目，一切有關七段顯示器的大小事都在討
論範圍內；不論像是「什麼是七段顯示器？」－簡介、「七段顯示器能吃嗎？」
－用途、「七段顯示器有哪幾種？」－分類、「七段顯示器怎麼用？」或「七段顯
示器的亮度如何調整？」－控制技巧……等等，皆在內容中一一敘述。
說起七段顯示器(或稱七節顯示器)，在生活中相當廣泛使用。不論是空調、
飲水機的溫度顯示，電子時鐘的時間，電梯內到達樓層顯示，甚至球賽中計分所
使用的看板等等。另外如紅綠燈倒數計時秒數的顯示，雖沒有直接使用單顆七段
顯示器(是由數顆 LED 排列而成)，但字型也使用類似的設計。它也是使用者可
直接觀察到的電子元件之一，甚至不會特別察覺到它的存在；相較其他被動元件，
如電阻(Resistor)、電容(Capacitance)、電感(Inductance)，似乎有著更接近實用的
感覺；先來看看七段顯示器零件的外觀。(來自維基百科：
https://zh.wikipedia.org/wiki/File:Seven_segment_02_Pengo.jpg)。
為何稱為七段顯示器呢？由於阿拉伯數字 0~9 可以大致以七段呈現註 1，字
型如下：
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9
而有時我們需要顯示小數點，所以連同小數點，單一位數七段顯示器共有八
顆 LED，在設計字型上常用的編號順序(由 a 至 g)如下，恰為順時針編序：
a
f / / b
/ g /
e / / c
/ d / .

2. 既然給定七段顯示器每一節 LED 代號，若將字型與代號連結起來，列表如
下：
數字 a b c d e f g
0 亮 亮 亮 亮 亮 亮 暗
1 暗 亮 亮 暗 暗 暗 暗
2 亮 亮 暗 亮 亮 暗 亮
3 亮 亮 亮 亮 暗 暗 亮
4 暗 亮 亮 暗 暗 亮 亮
5 亮 暗 亮 亮 暗 亮 亮
6 亮 暗 亮 亮 亮 亮 亮
7 亮 亮 亮 暗 暗 暗 暗
8 亮 亮 亮 亮 亮 亮 亮
9 亮 亮 亮 亮 暗 亮 亮
一顆 LED(Light-Emitting Diode，發光二極體)有兩端，分別稱為陽極(A，
Anode)與陰極(K，Cathode)(陽極亦為正極(Positive)，陰極亦為負極(Negative))。
如此一來八顆 LED 就有十六支接腳，一組一組分別連接在使用上有些不便，且
常用的接線方式多將單一端連在一起，形成共接腳。若是將陽極連接在一起，則
稱為共陽型；若是將陰極連接在一起，則稱為共陰型。電路如下圖所示。

3. 既然接線方式不同，驅動 LED(控制 LED 發光)的方法亦不同，我們知道當
有電流通過 LED 的 PN 接面時，能量會以光(及少部分熱)的方式釋放；且 PN 接
面具有單向整流特性，也就是說只有陽極接高電位，陰極接低電位(稱為順向偏
壓)時，才有電流流過 LED。因此當陽極共接時，共接點須接上高電位；當陰極
共接時，共接點須接上低電位。註 2 電路如下圖所示。
以共陽七段顯示器而言，共接點(COM，陽極)已接上正電源，若將另一端(陰
極)接上低電位則有電流流經 LED 進而發光；以共陰七段顯示器而言，共接點
(COM，陰極)已接低電位，若將另一端(陽極)接上高電位則有電流流經 LED 進而
發光。為了避免 LED 因電流過大導致燒毀，在電路上加入限流電阻用以限制電
流流量。另外，若 LED 兩端同電位，則沒有電流流過，故不會發光。靜態顯示
數字 0(不含小數點)的電路如下圖所示。
有許多不同的電位可以驅動 LED，以上電路圖中僅簡單舉例，將「高電位」
設定為 Vcc，「低電位」設定為接地。除了 0 以外，只要改變電位即可顯示其他
阿拉伯數字。下表列出共陽七段顯示器顯示不同數字所對應的陰極電位。

4. 數字 a b c d e f g
0 低電位 低電位 低電位 低電位 低電位 低電位 高電位
1 高電位 低電位 低電位 高電位 高電位 高電位 高電位
2 低電位 低電位 高電位 低電位 低電位 高電位 低電位
3 低電位 低電位 低電位 低電位 高電位 高電位 低電位
4 高電位 低電位 低電位 高電位 高電位 低電位 低電位
5 低電位 高電位 低電位 低電位 高電位 低電位 低電位
6 低電位 高電位 低電位 低電位 低電位 低電位 低電位
7 低電位 低電位 低電位 高電位 高電位 高電位 高電位
8 低電位 低電位 低電位 低電位 低電位 低電位 低電位
9 低電位 低電位 低電位 低電位 高電位 低電位 低電位
下表列出共陰七段顯示器顯示不同數字所對應的陽極電位(其實恰與上表電位反
相)。
數字 a b c d e f g
0 高電位 高電位 高電位 高電位 高電位 高電位 低電位
1 低電位 高電位 高電位 低電位 低電位 低電位 低電位
2 高電位 高電位 低電位 高電位 高電位 低電位 高電位
3 高電位 高電位 高電位 高電位 低電位 低電位 高電位
4 低電位 高電位 高電位 低電位 低電位 高電位 高電位
5 高電位 低電位 高電位 高電位 低電位 高電位 高電位
6 高電位 低電位 高電位 高電位 高電位 高電位 高電位
7 高電位 高電位 高電位 低電位 低電位 低電位 低電位
8 高電位 高電位 高電位 高電位 高電位 高電位 高電位
9 高電位 高電位 高電位 高電位 低電位 高電位 高電位
若將高電位視為邏輯 1，低電位視為邏輯 0(正邏輯)；依序列出共陽七段顯示器
顯示不同數字之真值表如下：
數字 a b c d e f g
0 0 0 0 0 0 0 1
1 1 0 0 1 1 1 1
2 0 0 1 0 0 1 0
3 0 0 0 0 1 1 0
4 1 0 0 1 1 0 0
5 0 1 0 0 1 0 0
6 0 1 0 0 0 0 0
7 0 0 0 1 1 1 1
8 0 0 0 0 0 0 0
9 0 0 0 0 1 0 0

5. 依序列出共陰七段顯示器顯示不同數字之真值表如下：
數字 a b c d e f g
0 1 1 1 1 1 1 0
1 0 1 1 0 0 0 0
2 1 1 0 1 1 0 1
3 1 1 1 1 0 0 1
4 0 1 1 0 0 1 1
5 1 0 1 1 0 1 1
6 1 0 1 1 1 1 1
7 1 1 1 0 0 0 0
8 1 1 1 1 1 1 1
9 1 1 1 1 0 1 1
當有了真值表，便可以實作七段顯示器驅動的電路了！市面上有專門用來讓
七段顯示器顯示數值的積體電路，就是以上面的真值表為基礎進行設計。以 7447
為例，功能簡介為 BCD to 7-Segment Decoder/Driver，輸入 BCD 碼數字，再按照
共陽七段顯示器真值表解碼，下圖取自 74LS47 datasheet，描述該 IC 的輸入輸出
狀態(圖中高電位以 H 表示，低電位以 L 表示)。
在真值表中，可以看到除了解碼之外，還有 LT(Lamp Test，燈泡測試，用以
測試七段顯示器功能是否正常)、RBI 與 RBO(Ripple Blanking Input/Output，漣波
遮沒輸入/輸出，在多位數顯示時用以消除多餘的 0)。在談多位數顯示前，先來
看看單一位數的解碼、顯示電路，電路圖如下。

6. 在電路圖中，DM74LS47 之 BCD 碼輸入為 A0~A3(A0 為 LSB，A3 為 MSB)，
輸出為 a~f，經過限流電阻後連接七段顯示器，在此設定電源 Vcc 為 5V，若七
段顯示器每顆 LED 的障壁電位為 1.2V，限流電阻設定為 330Ω，在 IC 輸出特性
理想(輸出阻抗很小)時，通過 LED 之電流約 11.5mA。(實際上參考資料手冊，7447
的沉入電流(Sink Current)約數十 mA，已能使 LED 正常發光。)
說明一下 LT－Lamp Test，燈泡測試功能。當電路製作完成時，為了測試七
段顯示器的各顆 LED 是否能夠正常發光顯示，最直接的方法就是使 LED 全亮，
以共陽七段顯示器為例，全亮即每支陰極接腳皆接上低電位，從真值表可以發現：
當 IC 的 LT 接腳輸入低準位(執行 Lamp Test)時，輸出 a~f 全為低準位。在 IC 正
常運作下，若有 LED 沒有發光，則此七段顯示器故障。
7447 IC 用於驅動共陽七段顯示器，有沒有 IC 用來驅動共陰七段顯示器呢？
當然有，7447 下一個編號 7448 就是，看看真值表：

7. 功能大致與 7447 相同，差別在於輸出 a~f 的高、低電位互換；電路連接如
下圖。
但因 74LS48 的輸出能力限制(以 SN74LS48 為例，輸出高電位內部為 2kΩ
提升電阻，額定輸出電流 IOH 約 400uA)，可能使 LED 亮度不足；在輸出端連接
一緩衝器(buffer)，電路圖如下。

8. 在電路中加入一顆 DM74AS573 作為緩衝器(74573 還有栓鎖的功能，但在此
僅用於驅動 LED)，參考 74AS573 資料手冊，該 IC 的輸出高準位電流 IOH(HIGH
Level Output Current)最大為 15mA，低準位電流 IOL(LOW Level Output Current)
最大為 48mA。
事實上，有許多邏輯 IC 皆用於 BCD 碼至七段顯示器的轉換，整理如下：
※驅動共陽七段顯示器的解碼 IC：
TTL－7446、7447、74246、74247
※驅動共陰七段顯示器的解碼 IC：
TTL－7448、7449、74248
CMOS－4511
七段顯示器分為共陽與共陰，能否將控制電路整合，藉由一控制開關切換共
陽模式或共陰模式呢？當然可以，結合一組 7447、一組 7448 後，藉著兩顆具備
三態輸出功能的 74573 做成資料選擇器切換，電路圖如下。
一定要這麼麻煩嗎？感覺電路有點複雜耶！其實觀察真值表早就得知，共陽
與共陰的資料差別在於高、低準位互換，以這個特性設計切換方式的電路如下：

9. 在談多位數顯示之前，再介紹一個主題：LED 的亮度調節。
LED 的亮度調節有兩大因子：電壓高低與限流電阻大小。如果希望能夠動
態改變七段顯示器的亮度，以下有些方法提供參考：
※改變電壓高低：
●PWM(Pulse Width Modulation，脈衝寬度調變)：
使用脈衝寬度調變技術(可參考維基百科)可調整 LED 亮度，當方波的工作
週期(Duty Cycle)不同，單位時間內 LED 發光的期間長短亦不同；工作週期愈
大，發光期間越長，在視覺上亮度愈亮，反之愈暗。
●DAC(Digital to Analog Converter，數位類比轉換器)：
使用數位控制七段顯示器電源高低，電源愈高，流經 LED 電流愈大，亮
度愈高；反之愈低。
※改變電阻大小：
透過數位電阻器(Digital Potentiometer)設定限流電阻大小，在 Vcc 固定的情況
下，電阻值愈大，通過 LED 的電流愈小，亮度愈低；反之愈高。
最後，因本文篇幅頗長，關於多位數七段顯示器的部分在下一篇文章討論
吧。
註 1：
其實七段顯示器不僅可以顯示阿拉伯數字 0~9，在十六進制數字系統中，每一位
數可能的值為 0~f，只要在編碼時將字母 a、b、c、d、e、f 列入真值表(如下)，
電路運作時顯示值可為 0~f；只是在一般情形下，只需顯示 0~9 即可，考量製造
成本下市面上現有 IC 多未設計 a~f 的顯示。
數字 a b c d e f g
0 亮 亮 亮 亮 亮 亮 暗
1 暗 亮 亮 暗 暗 暗 暗
2 亮 亮 暗 亮 亮 暗 亮
3 亮 亮 亮 亮 暗 暗 亮
4 暗 亮 亮 暗 暗 亮 亮
5 亮 暗 亮 亮 暗 亮 亮
6 亮 暗 亮 亮 亮 亮 亮
7 亮 亮 亮 暗 暗 暗 暗
8 亮 亮 亮 亮 亮 亮 亮
9 亮 亮 亮 亮 暗 亮 亮
A 亮 亮 亮 暗 亮 亮 亮
B 暗 暗 亮 亮 亮 亮 亮

10. C 亮 暗 暗 亮 亮 亮 暗
D 暗 亮 亮 亮 亮 暗 亮
E 亮 暗 暗 亮 亮 亮 亮
F 亮 暗 暗 暗 亮 亮 亮
註 2：
根據半導體物理特性，欲使電流通過 LED 有兩項條件：第一：外加電源為順向
偏壓，即陽極接上高電位，陰極接上低電位；第二：高低電位差需大於 LED 本
身障壁電位，舉例來說：若 LED 障壁電位為 1.2V，外加高低電位差需大於 1.2V，
才有電流流經 LED。
參考資料：
1. 關於七段顯示器的字體－Yahoo 奇摩知識+：
https://tw.knowledge.yahoo.com/question/question?qid=1206041208864
2. 電腦七段顯示器字型：
http://www.webpagepublicity.com/free-fonts-d2.html
3. 74LS47 datasheet：
http://pdf.datasheetcatalog.com/datasheets/70/375646_DS.pdf
4. DM74AS573 datasheet：
http://pdf.datasheetcatalog.com/datasheet/fairchild/DM74AS573.pdf
5. 維基百科－脈衝寬度調變：
https://zh.wikipedia.org/wiki/%E8%84%88%E8%A1%9D%E5%AF%AC%E5%B
A%A6%E8%AA%BF%E8%AE%8A
6. ANALOG DEVICES INC. Potentiometers：
http://www.mouser.tw/catalog/English/103/APAC/283.pdf