AVR-Tutorial: 7-Segment-Anzeige

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Anschlüssen der anderen LED verbunden und gemeinsam aus dem Gehäuse herausgeführt. Das spart Pins am Gehäuse und später bei der Ansteuerung. Dementsprechend spricht man von Anzeigen mit gemeinsamer Anode (engl. common anode) bzw. gemeinsamer Kathode (engl. common cathode).

Interne Verschaltung der 7-Segmentanzeigen

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Mit dem bisherigen Vorwissen könnte man sich jetzt daran machen, auch einmal drei oder vier Anzeigen mit dem Mega8 anzusteuern. Leider gibt es da ein Problem, denn für eine Anzeige sind acht Portpins notwendig - vier Anzeigen würden demnach 32 Portpins benötigen. Die hat der Mega8 aber nicht. Dafür gibt es aber mehrere Auswege. Schieberegister sind bereits in einem anderen Tutorial beschrieben. Damit könnte man sich ganz leicht die benötigten 32 Ausgangsleitungen mit nur 3 Portpins erzeugen. Das Prinzip der Ansteuerung unterscheidet sich in nichts von der Ansteurung einer einzelnen 7-Segment Anzeige, lediglich die Art und Weise, wie die 'Ausgangspins' zu ihren Werten kommen ist anders und durch die Verwendung von Schieberegistern vorgegeben. An dieser Stelle soll aber eine andere Variante der Ansteuerung gezeigt werden. Im Folgenden werden wir uns daher das Multiplexen einmal näher ansehen.

Multiplexen anal fick, dass nicht alle vier Anzeigen gleichzeitig eingeschaltet sind, sondern immer nur Eine für eine kurze Zeit. Geschieht der Wechsel zwischen den Anzeigen schneller als wir Menschen das wahrnehmen können, so erscheinen uns alle vier Anzeigen gleichzeitig in Betrieb zu sein obwohl immer nur Eine für eine kurze Zeit aufleuchtet. Dabei handelt es sich praktisch um einen Sonderfall einer LED-Matrix mit nur einer Zeile. Die vier Anzeigen können sich dadurch die einzelnen Segmentleitungen teilen und alles was benötigt wird sind 4 zusätzliche Steuerleitungen für die 4 Anzeigen, mit denen jeweils eine Anzeige eingeschaltet wird. Dieses Ein/Ausschalten wird mit einem pnp-Transistor in der Versorgungsspannung jeder Anzeige realisiert, die vom Mega8 am PortC angesteuert werden.

Ein Aspekt dieser Ansteuerungsart ist die Multiplexfrequenz, also ein kompletter Zyklus das Weiterschaltens von einer Anzeige zur nächsten . Sie muss hoch genug sein, um ein Flimmern der Anzeige zu vermeiden. Das menschliche Auge ist träge, im Kino reichen 24 Bilder pro Sekunde, beim Fernseher sind es 50. Um auf der sicheren Seite zu sein, dass auch Standbilder ruhig wirken, sollen jedes Segment mit mindestens 100 Hz angesteuert werden, es also mindestens alle 10ms angeschaltet ist. In Ausnahmefällen können aber selbst 100 Hz noch flimmern, z. B. wenn die Anzeige schnell bewegt wird oder wenn es zu Interferenzerscheinungen mit künstlichen Lichtquellen kommt, die mit Wechselstrom betrieben werden.

Ansteuerung von vier 7-Segmentanzeigen per Zeit-Multiplex

Bei genauerer Betrachtung fällt auch auf, dass die vier Anzeigen nicht mehr ganz so hell leuchten wie die eine einzelne Anzeige ohne Multiplexen. Bei wenigen Anzeigen ist dies praktisch kaum sichtbar, erst bei mehreren Anzeigen wird es deutlich. Um dem entgegen zu wirken lässt man pro Segment einfach mehr Strom fließen, bei LEDs dürfen dann 20mA überschritten werden. Als Faustregel gilt, dass der n-fache Strom für die (1/n)-fache Zeit fließen darf. Details finden sich im Datenblatt unter dem Punkt Peak-Current (Spitzenstrom) und Duty-Cycle (Tastverhältnis).

Allerdings gibt es noch ein anderes Problem wenn insgesamt zu viele Anzeigen gemultiplext werden. Die Pulsströme durch die LEDs werden einfach zu hoch. Die meisten LEDs kann man bis 8:1 multiplexen, manchmal auch bis 16:1. Hier fliesst aber schon ein Pulsstrom von 320mA (16 x 20mA), was nicht mehr ganz ungefährlich ist. Strom lässt sich durch Multiplexen nicht sparen, denn die verbrauchte Leistung ändert sich beim n-fachen Strom für 1/n der Zeit nicht. Kritisch wird es aber, wenn das Multiplexen deaktiviert wird (Ausfall der Ansteuerung durch Hardware- oder Softwarefehler) und der n-fache Strom dauerhaft durch eine Segment-LED fließt. Bei 320mA werden die meisten LEDs innerhalb von Sekunden zerstört. Hier muss sichergestellt werden, dass sowohl Programm (Breakpoint im Debugger) als auch Schaltung (Reset, Power-On, [1]) diesen Fall verhindern. Prinzipiell sollte man immer den Pulsstrom und die Multiplexfrequenz einmal überschlagen, bevor der Lötkolben angeworfen wird.

Sollten die Anzeigen zu schwach leuchten so können, wie bereits beschrieben, die Ströme durch die Anzeigen erhöht werden. Dazu werden die 330Ω Widerstände kleiner gemacht. Da hier 4 Anzeigen gemultiplext werden, würden sich Widerstände in der Größenordnung von 100Ω anbieten. Auch muss dann der Basiswiderstand der Transistoren verkleinert werden. Auch muss berücksichtigt werden, dass der Mega8 in Summe an seinen Portpins und an den Versorgungsleitungen nicht beliebig viel Strom liefern oder abführen kann. Auch hier ist daher wieder ein Blick ins Datenblatt angebracht und gegebenenfalls muss wieder ein Transistor als Verstärker eingesetzt werden (oder eben fertige Treiberstufen in IC-Form).