3.10　LED數(shù)碼管和LCD液晶顯示器

3.10.1　LED數(shù)碼管

LED數(shù)碼管是目前最常用的一種數(shù)顯器件。把發(fā)光二極管制成條狀，再按照一定方式連接，組成數(shù)字“8”，就構(gòu)成LED數(shù)碼管。使用時(shí)按規(guī)定使某些筆段上的發(fā)光二極管發(fā)光，即可組成0～9的一系列數(shù)字。

圖3.27　常見的LED顯示器

1.構(gòu)成和顯示原理

LED數(shù)碼管分共陽極與共陰極兩種，如圖3.28（a）所示，內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖3.28（b）或圖3.28（c）所示。a～g代表7個(gè)筆段的驅(qū)動(dòng)端，亦稱筆段電極。DP是小數(shù)點(diǎn)。第3腳與第8腳內(nèi)部連通.tif，＋表示公共陽極，-表示公共陰極。對于共陽極LED數(shù)碼管（如圖3.28（a）、圖3.29（b）所示），將8只發(fā)光二極管的陽極（正極）短接后作為公共陽極。其工作特點(diǎn)是，當(dāng)筆段電極接低電平，公共陽極接高電平時(shí)，相應(yīng)筆段可以發(fā)光。共陰極LED數(shù)碼管則與之相反，它是將發(fā)光二極管的陰極（負(fù)極）短接后作為公共陰極。當(dāng)驅(qū)動(dòng)信號(hào)為高電平，陰極接低電平時(shí)，才能發(fā)光。

LED的輸出光譜決定其發(fā)光顏色以及光輻射純度，也反映出半導(dǎo)體材料的特性。常見管芯材料有磷化鎵（GaP）、砷化鎵（GaAs）、磷砷化鎵（GaAsP）、氮化鎵（GaN）等，其中氮化鎵可發(fā)藍(lán)光。發(fā)光顏色不僅與管芯材料有關(guān)，還與所摻雜質(zhì)有關(guān)，因此用同一種管芯材料可以制成發(fā)出紅、橙、黃、綠等不同顏色的數(shù)碼管。在LED數(shù)碼管的產(chǎn)品中，以發(fā)紅光、綠光的居多，這兩種顏色也比較醒目。

圖3.28　LED數(shù)碼管的外形和內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

LED數(shù)碼管等效于多只具有發(fā)光性能的PN結(jié)。當(dāng)PN結(jié)導(dǎo)通時(shí)，依靠少數(shù)載流子的注入及隨后的復(fù)合而輻射發(fā)光，其伏安特性與普通二極管相似。在正向?qū)ㄖ?，正向電流近似于零，筆段不發(fā)光。當(dāng)電壓超過開啟電壓時(shí)，電流就急劇上升，筆段發(fā)光。因此，LED數(shù)碼管屬于電流控制型器件，其發(fā)光亮度（單位是cd/m²）與正向電流I_F有關(guān)，用公式表示為：

L＝K IF

即亮度與正向電流成正比。LED的正向電壓UF則與正向電流以及管芯材料有關(guān)。使用LED數(shù)碼管時(shí)，工作電流一般選10mA左右/段，既保證亮度適中，又不會(huì)損壞器件。

2.分類

目前國內(nèi)外生產(chǎn)的LED數(shù)碼管不僅種類繁多、型號(hào)也各異，大致有以下幾種分類方式。

（1）按外形尺寸分類

目前我國尚未制定LED顯示器的統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，型號(hào)一般由生產(chǎn)廠家自定。小型LED數(shù)碼管一般采用雙列直插式，大型LED數(shù)碼管采用印制板插入式。

（2）根據(jù)顯示位數(shù)劃分

根據(jù)器件所含顯示位數(shù)的多少，可劃分成一位、雙位、多位LED顯示器。一位LED顯示器就是通常說的LED數(shù)碼管，兩位以上的一般稱為顯示器。

雙位LED數(shù)碼管是將兩只數(shù)碼管封裝成一體，其特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)緊湊、成本較低（與兩只一位數(shù)碼管相比）。國外典型產(chǎn)品有LC5012-11S（紅雙、共陽），管腳排列如圖所示。

圖3.29　LC5012-11S引腳排列

為簡化外部引線數(shù)量和降低顯示器功耗，多位LED顯示器一般采用動(dòng)態(tài)掃描顯示方式。其特點(diǎn)是將各位同一筆段的電極短接后作為一個(gè)引出端，并且各位數(shù)碼管按一定順序輪流發(fā)光顯示，只要位掃描頻率足夠高，就觀察不到閃爍現(xiàn)象。

（3）根據(jù)顯示亮度劃分

有普通亮度和高亮度之分。普通LED數(shù)碼管的發(fā)光強(qiáng)度I_V≥0.3mcd，而高亮度LED數(shù)碼管的I_V≥5mcd，提高將近一個(gè)數(shù)量級，并且后者在大約1mA的工作電流下即可發(fā)光。高亮度LED數(shù)碼管典型產(chǎn)品有2ED102等。

（4）按字形結(jié)構(gòu)劃分

有數(shù)碼管、符號(hào)管兩種。其中，符號(hào)管可顯示正（＋）、負(fù)（-）極性，“±1”符號(hào)管能顯示＋1或-1。而“米”字管的功能最全，除顯示運(yùn)算符號(hào)＋、-、×、÷之外，還可顯示A～Z共26個(gè)英文字母，常用作單位符號(hào)顯示。

此外，還可按共陰或共陽、發(fā)光顏色來分類。

3.性能特點(diǎn)

LED數(shù)碼管的主要特點(diǎn)如下。

（1）能在低電壓、小電流條件下驅(qū)動(dòng)發(fā)光，能與CMOS、TTL電路兼容。

（2）發(fā)光響應(yīng)時(shí)間極短（＜0.1s），高頻特性好，單色性好，亮度高。

（3）體積小，重量輕，抗沖擊性能好。

（4）壽命長，使用壽命在10萬小時(shí)以上，甚至可達(dá)100萬小時(shí)，成本低。

因此它被廣泛用作數(shù)字儀器儀表、數(shù)控裝置、計(jì)算機(jī)的數(shù)顯器件。

4.性能簡易檢測

LED數(shù)碼管外觀要求顏色均勻、無局部變色及無氣泡等，在業(yè)余條件下可用數(shù)字萬用表作進(jìn)一步檢查。現(xiàn)以共陰數(shù)碼管為例介紹檢查方法：將數(shù)字萬用表的擋位指到二極管位置，黑表筆固定接觸在LED數(shù)碼管的公共負(fù)極端上，紅表筆依次移動(dòng)接觸筆畫的正極端。當(dāng)表筆接觸到某一筆畫的正極端時(shí)，那一筆畫就應(yīng)顯示出來。用這種簡單的方法就可檢查出數(shù)碼管是否有斷筆（某筆畫不能顯示）和連筆（某些筆畫連在一起）。若檢查共陽極數(shù)碼管，只需將正負(fù)表筆交換即可。

3.10.2　LCD液晶顯示器

液晶顯示器件（LCD）是一種新型顯示器件。自問世以來，其發(fā)展速度之快、應(yīng)用范圍之廣，都已遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了其他發(fā)光型顯示器件。

1.技術(shù)特點(diǎn)

液晶是介于固體和液體之間的中間物質(zhì)。一般情況，它和液體一樣可以流動(dòng)，但在不同方向上它的光學(xué)特性不同，顯示出類似于晶體的性質(zhì)，所以稱這類物質(zhì)為液晶。利用液晶的電光效應(yīng)制作成的顯示器就是液晶顯示器。

常用的TN型液晶顯示器件具有下列優(yōu)點(diǎn)。

（1）工作電壓低（2～6V），微功耗（1W/cm²以下），能與CMOS電路匹配。

（2）顯示柔和，字跡清晰；不怕強(qiáng)光沖刷，光照越強(qiáng)對比度越大，顯示效果越好。

（3）體積小，重量輕，平板型。

（4）設(shè)計(jì)、生產(chǎn)工藝簡單。器件尺寸可做得很大，也可做得很小；顯示內(nèi)容在同一顯示面內(nèi)可以做得多，也可以少，且顯示字符可設(shè)計(jì)得美觀大方。

（5）高可靠，長壽命，廉價(jià)。

2.TN型液晶顯示器件的基本構(gòu)造和工作原理

將上、下兩塊制作有透明電極的玻璃，通過四周的膠框封接后，形成一個(gè)幾微米厚的盒。在盒中注入TN型液晶材料。在通過特定工藝處理的盒中，TN型液晶的棒狀分子平行地排列于上、下電極之間，如圖3.30所示?？可想姌O的分子平行紙面排列，用“-”表示；靠下電極的分子則垂直于紙面排列，用“.”表示。而上下電極之間的分子被逐步扭曲?！?”線段長度變化表示扭曲角度大小變化。

圖3.30　TN型液晶顯示器的基本構(gòu)造

如圖3.31（a）所示，入射光通過偏振方向與上電極面液晶分子排列方向相同的上偏振片（起偏器）形成偏振光。此光通過液晶層時(shí)扭轉(zhuǎn)了90°。到達(dá)下偏振片（檢偏器）時(shí)，偏振方向不變，偏振光通過下偏振片，并被下偏振片后方的反射板反射回來。盒呈透亮，因而我們可以看到反射板。

如圖3.31（b）所示，當(dāng)上、下電極之間加上一定電壓后，電極部位的液晶分子在電場作用下轉(zhuǎn)變成與上、下玻璃面垂直排列，這時(shí)的液晶層失去旋轉(zhuǎn)性。偏振光通過液晶層沒有改變方向，與下偏振片偏振方向相差90°，光被吸收，沒有光反射回來，也就看不到反射板，在電極部位出現(xiàn)黑色。由此可知，根據(jù)需要制成不同的電極，就可以實(shí)現(xiàn)不同內(nèi)容的顯示?？梢?，液晶顯示器一個(gè)最突出的特點(diǎn)就是其本身不發(fā)光，用電來控制對環(huán)境照明的光在顯示部位的反射（或透射）方法而實(shí)現(xiàn)顯示。因此在所有的顯示器件中，它的功耗最小，在1W/cm²以下，與低功耗的CMOS電路匹配最適于各種便攜式袖珍型儀器儀表、微型計(jì)算機(jī)等作為終端顯示用。

3.引腳識(shí)別和性能檢測

以應(yīng)用廣泛的三位半靜態(tài)顯示液晶屏為例，若標(biāo)志不清楚時(shí)，可用下述兩種方法鑒定。

（1）加電顯示法

如圖3.32所示，取兩只表筆，使其一端分別與電池組的“＋”和“-”相連。一只表筆的另一端搭在液晶顯示屏上，與屏的接觸面越大越好。用另一只表筆依次接觸各引腳。這時(shí)與各被接觸引腳有關(guān)系的段、位便在屏幕上顯示出來。如遇不顯示的引腳，則該引腳必為公共腳（COM）。一般液晶顯示屏的公共腳有1～3個(gè)不等。

（2）數(shù)字萬用表測量法

萬用表置二極管測量擋，用兩表筆兩兩相量，當(dāng)出現(xiàn)筆段顯示時(shí)，即表明二筆中有一引腳為BP（或COM）端，由此就可確定各筆段，若屏發(fā)生故障，亦可用此法查出壞筆段。對于動(dòng)態(tài)液晶屏，用同法找COM，但屏上有不止一個(gè)COM，不同的是，能在一個(gè)引出端上引起多筆段顯示。對選購來的LCD在使用前應(yīng)作一般的檢查，對于業(yè)余使用或一般設(shè)計(jì)制作樣機(jī)的廠家，如果在檢查中表針有顫動(dòng)，說明該段有短路，如果某段顯示時(shí)，鄰近段也顯示，可將鄰近段外引線接一個(gè)與背電極相同的電位（用手指連接即可），顯示應(yīng)立即消失，這是感應(yīng)顯示，可以不管它，接入電路，感應(yīng)顯示即可消除。

圖3.31　TN型液晶顯示器的工作原理

圖3.32　液晶加電顯示法

（3）簡便檢查方法

取一段幾十厘米長的軟導(dǎo)線，靠近臺(tái)燈或收音機(jī)、電視機(jī)的50Hz交流電源線。用手指接觸液晶數(shù)字屏的公共電極，用軟導(dǎo)線的一端金屬部分依次接觸筆畫電極，導(dǎo)線的另一端懸空，手指也不要碰導(dǎo)線的金屬部分，如果數(shù)字屏良好的話，就能依次顯示出相應(yīng)的筆畫來。

這種檢查液晶數(shù)字屏方法的原理是：50Hz的交流電在導(dǎo)線上的感應(yīng)電位與人體電位有一個(gè)電位差，我們暫且叫這個(gè)電位差為“電源”，這個(gè)“電源”電壓可能會(huì)有零點(diǎn)幾伏到十幾伏（視軟導(dǎo)線與50Hz電源線的距離而定），這個(gè)“電源”是足以驅(qū)動(dòng)液晶顯示屏的，而且這個(gè)“電源”的內(nèi)阻很大，不會(huì)損壞液晶顯示屏，而萬用表中的“高”直流電壓對液晶顯示屏是有害的。

只要適當(dāng)調(diào)整軟導(dǎo)線與50Hz電源線的距離，就能很清晰地顯示出筆畫。軟導(dǎo)線與50 Hz電源線也不要靠得太近，以免顯示過強(qiáng)。

4.選用注意事項(xiàng)

液晶顯示器件有很多獨(dú)特的優(yōu)越性能，如低壓微功耗、不怕光沖刷、體薄結(jié)構(gòu)緊湊、可以實(shí)現(xiàn)彩色化、可制成存儲(chǔ)型等。但也有不少特殊的缺點(diǎn)，如使用溫度范圍窄、顯示刺目性差、視角小、本身不發(fā)光、不能作成大面積器件等。所以應(yīng)該了解LCD適用于哪些方面，不適用于哪些方面，以便合理選用。

LCD適用于微型機(jī)、袖珍機(jī)，因?yàn)檫@類整機(jī)首先要求微功耗，所用器件必須小而薄，用液晶作顯示器，一個(gè)積層電池可以使用幾個(gè)月到一年以上。攜帶式微型機(jī)常在戶外強(qiáng)光環(huán)境下使用，而LCD由于是被動(dòng)型顯示，必須要有外光源，且不怕光沖刷，在強(qiáng)光下最清晰，所以是很合用的。在掌中的微型機(jī)可以隨意轉(zhuǎn)動(dòng)尋找最亮的外光源和最好的觀察角度，這也正好適應(yīng)了LCD的特點(diǎn)。但因LCD的工作溫度范圍較窄，在野外儀器上使用時(shí)應(yīng)將整機(jī)盡量做小些，平時(shí)放在口袋內(nèi)，用時(shí)拿在掌心里。此外整機(jī)的防潮、密封性能必須可靠。

民用產(chǎn)品是LCD一個(gè)主要的也是最大的應(yīng)用領(lǐng)域。電子表、計(jì)算器是最典型的應(yīng)用。

由于LCD的玻璃盒很薄，因而不可能作得很大，因此在大型機(jī)柜、控制臺(tái)上就不適用了。當(dāng)然，如果使用有場致發(fā)光屏作背光源的透過型LCD也還是可以的。

（1）適合用彩色LCD的地方

①民用的、具有裝飾性的產(chǎn)品，如電子鐘表、電子玩具等。

②需要用不同的色彩表示不同功能的地方，如汽車面板表等。

③需要用不同色彩表示不同數(shù)量級別的地方，如速度、電平指示等。

④需要用某種色彩強(qiáng)調(diào)其功能的地方，如用具有警告性的紅色作溫度、放射量的指示等。

選購LCD時(shí)還應(yīng)注意其工作電壓與選用電路相一致，驅(qū)動(dòng)方式與驅(qū)動(dòng)電路相一致，工作溫度、貯存溫度與整機(jī)要求一致。

（2）LCD在使用中應(yīng)注意

①防止施加直流電壓。驅(qū)動(dòng)電壓中的直流成分越小越好，一般不得超過100mV，長時(shí)間地施加過大的直流成分，會(huì)發(fā)生電解和電極老化，從而降低壽命。

②防止紫外線的照射。液晶是有機(jī)物，在紫外線照射下會(huì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，所以液晶顯示器在野外使用時(shí)應(yīng)考慮在前面裝置紫外濾光片或采取別的防紫外線措施。使用時(shí)也應(yīng)避免陽光的直射。

③防止壓力。液晶顯示器件的關(guān)鍵部位是玻璃內(nèi)表面的定向?qū)雍推溟g定向排列的液晶層，如果在顯示器件上加上壓力，會(huì)使玻璃變形、定向排列動(dòng)亂，所以在裝配、使用時(shí)必須盡量防止隨便施加壓力。反射板是一塊薄鋁箔（或有機(jī)膜），應(yīng)注意防止硬物磕碰，以免出現(xiàn)傷痕影響顯示。

④溫度限制。液晶是一類有機(jī)化合物的統(tǒng)稱，這些有機(jī)化合物在一定溫度范圍內(nèi)既有液體的連續(xù)性和流動(dòng)性，又有晶體所特有的光學(xué)特性，呈液晶態(tài)。如果保存溫度超過規(guī)定范圍，液晶態(tài)會(huì)消失，溫度恢復(fù)后并不都能恢復(fù)正常取向狀態(tài)，所以產(chǎn)品必須保存和使用在許可溫度范圍內(nèi)。

⑤顯示器件的清潔處理。由于器件四周及表面結(jié)構(gòu)采用有機(jī)材料，所以只能用柔軟的布擦拭，避免使用有機(jī)溶劑。

⑥防止玻璃破裂。顯示器件是玻璃的，如果跌落，肯定玻璃會(huì)破裂。在設(shè)計(jì)時(shí)還應(yīng)考慮裝配方法及裝配的耐振和耐沖擊性能。

⑦防潮。液晶顯示器件工作電壓甚低，液晶材料電阻率極高，所以潮濕造成的玻璃表面導(dǎo)電，就可以使器件在顯示時(shí)段之間發(fā)生“串”的現(xiàn)象，整機(jī)設(shè)計(jì)時(shí)必須考慮防潮。

（3）LCD故障原因和排除方法

①使用幾小時(shí)或幾天后，電極變色、液晶內(nèi)產(chǎn)生氣泡，以至不能顯示。一般是驅(qū)動(dòng)電壓直流成分過大，引起電化學(xué)反應(yīng)造成的。檢查電路，排除過大的直流成分后，方可換上新的顯示器件。

②裝配后出現(xiàn)不該顯示的段也隱約顯示，其原因可能有如下幾種。

1）引線間不清潔，用干細(xì)布擦凈即可。

2）天氣太潮，玻璃表面導(dǎo)電，室內(nèi)干燥后即可恢復(fù)。

3）背電極或段電極接觸不良或懸空，重新裝配可靠后即可消除。

4）方波上、下幅度不對稱，造成熄滅時(shí)截止不徹底，調(diào)整方波幅度即可解決。

5）導(dǎo)電橡膠條紋不夠平行或絕緣性能較差，更換導(dǎo)電橡膠即可解決。

③對比度很差，或出現(xiàn)負(fù)像，或顯示混亂。一般是由于背電極懸空所造成，排除即可解決。

④譯碼器正常，但段電極全部顯示，一般是背電極所加電壓為直流引起的。

5.安裝注意事項(xiàng)

（1）液晶顯示器件外引線為透明導(dǎo)電層，一般不采用傳統(tǒng)的焊接工藝，而是利用專門的導(dǎo)電橡膠直接和線路板連接。導(dǎo)電橡膠又叫斑馬狀液晶顯示用導(dǎo)電橡膠，它是由0.2mm左右厚的導(dǎo)電層和0.2mm左右厚的絕緣層相間隔壓制在一起的。

使用時(shí)，將導(dǎo)電橡膠夾在液晶顯示器引線部位和線路板之間，盡量使液晶顯示器引線和線路板引線上下對準(zhǔn)，那么總會(huì)有一條或幾條導(dǎo)電層使上下引線相接，再在液晶顯示器上面用一卡子或窗口壓住即可。

（2）偏振片的表面有一層保護(hù)膜，裝配前應(yīng)揭去。揭去后顯示更為清晰明亮。

（3）面積較大的LCD，其固定用螺絲數(shù)量應(yīng)相應(yīng)增加，并用較厚的線路板，以防線路板彎曲造成接觸不良。

（4）壓緊時(shí)注意不要太緊，接觸好、能顯示即可。過緊時(shí)，導(dǎo)電橡膠層間絕緣能力降低，會(huì)產(chǎn)生“串”的現(xiàn)象。

（5）有些手表采用動(dòng)態(tài)驅(qū)動(dòng)型LCD，外引線是單側(cè)的。裝配時(shí)為保持平衡，在沒有引線的一側(cè)墊了一橡膠條，注意不要將導(dǎo)電橡膠與橡膠條放錯(cuò)位置。

（6）由于液晶顯示需要借助外光源，所以結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)切記要使顯示面盡量凸出，不要凹向窗內(nèi)，這是目前整機(jī)設(shè)計(jì)中經(jīng)常被忽視的一個(gè)問題。

6.常見故障鑒定與排除

液晶顯示器的故障可分為兩類，一類是內(nèi)在質(zhì)量方面的問題。

（1）LCD從邊緣部位產(chǎn)生不規(guī)則的黑邊，并向中間侵入，這是由于器件封接不牢，液晶外溢所致。

（2）器件字段及四周顏色變成灰黑色，這是有機(jī)定向?qū)邮У囊环N特有的現(xiàn)象。

（3）器件尚未使用即出黑點(diǎn)并不斷增加或擴(kuò)大，這是器件生產(chǎn)中污染造成的后果。

（4）器件使用一段時(shí)間后，突然有某段不顯示，拆下測量，此段短路，這是器件生產(chǎn)中落入塵埃的后果。

以上幾類故障，以及人為造成的碎裂、外引線劃斷等，均無法修復(fù)，只能報(bào)廢。

另一類是因使用不當(dāng)造成的故障。

（1）裝配使用一段時(shí)間后，器件字段呈不消失的黑印，或產(chǎn)生黑點(diǎn)狀氣泡，這是由于驅(qū)動(dòng)時(shí)直流成分過大造成的電解或電極劣化；也可能是由于一高壓（如電烙鐵）感應(yīng)造成的損壞?？捎脽岽碉L(fēng)機(jī)加熱器件，待器件表面變成黑色，立即停止加熱，逐漸冷卻后字印應(yīng)可消失。

（2）裝配后全部字段全顯示，一般是由于背電極接觸不好，只要調(diào)整使接觸可靠即可消除。有時(shí)工作電壓過高（6V～9V）以上也會(huì)出現(xiàn)這種現(xiàn)象。

（3）裝配后清零時(shí)，只有8字中間一橫顯示，則大多是由于LCD外引線與線路板引線未對齊所致，對齊后即可解決。

（4）有些電子手表在夏天會(huì)發(fā)生“串”的現(xiàn)象，一般是受潮所致，只需打開后蓋板，取下電池，在100W白熾燈下距離25cm烘烤半小時(shí)左右即可。電子計(jì)算器在過冷、過熱條件下產(chǎn)生的亂顯示，主要是超過使用溫度范圍而產(chǎn)生的動(dòng)態(tài)驅(qū)動(dòng)型器件所特有的交叉效應(yīng)。只要放回室溫條件的環(huán)境即可恢復(fù)正常。

（5）有些電子手表在陽光下會(huì)失去顯示，這種現(xiàn)象大多是由于CMOS電路的光電效應(yīng)造成的。一般可以在LCD后面加一層黑紙，使外部光線不能通過液晶屏泄漏到CMOS電路的表層，將光線遮斷，即可解決。

（6）有時(shí)不慎將電子表落入水中，滲入水后又不適當(dāng)?shù)拈L時(shí)間加溫烘烤，造成偏振膜彎曲或偏振度下降，從而使對比度降低。此時(shí)可換偏振片后使用。

（7）目前有的廉價(jià)電子手表，使用一段時(shí)間后出現(xiàn)不顯示、對比度降低、少線段等問題，這是因?yàn)楫a(chǎn)品質(zhì)量差，裝配粗糙，參數(shù)離散。有的功耗大、電池?fù)p耗快；有的LCD閾值高、視角小、導(dǎo)電橡膠尺寸不合適、機(jī)殼內(nèi)不清潔等。