MAX7221驅動大尺寸共陽極LED數碼顯示器的電路設計

柳州鐵道職業技術學院 劉玉瓊

1.概述

MAX7221是一塊應用比較普遍的LED驅動集成電路，在該集成電路的標準應用電路中，無需更多的外圍器件，就能很方便地驅動共陰極的小尺寸數碼顯示器。在筆者的一個項目中，需要用單片機和MAX7221來驅動大尺寸共陽極的LED數碼顯示器，通過查找，并未發現有這方面的技術資料和文獻。經過多次試驗，找到一個用MAX7221驅動大尺寸共陽極LED顯示器的方法。本文介紹的采用MAX7221驅動共陽極大尺寸LED數碼顯示器的相應驅動電路設計，經實際應用的檢驗，具有較高的可靠性。

2.主要元器件介紹

2.1 MAX7221

MAX7221是美國MAXIM（美信）公司推出的緊湊型串行輸入/輸出共陰極顯示驅動器，可以驅動8位7段共陰極LED數碼顯示器、條形圖顯示器或64個獨立的LED。該器件內置了BCD B碼譯碼器、多路復用掃描電路、段和位驅動電流調節器、亮度脈寬調節器以及存儲每位數字的靜態存儲器，外圍電路只需一個9.53KΩ的電阻用以設定所有LED的段電流。該芯片通過內置的SPI串行接口，可以方便地連接微處理器，對每位數字單獨進行尋址和更新，無需重新寫入整個顯示器，同時支持多片級聯，單片機軟件編程十分方便，應用十分普及。圖1為MAX7221的典型應用電路。

2.2 大尺寸LED數碼管

在筆者的某個項目中，需要用到大尺寸共陽極的LED數碼顯示器，在大尺寸數碼管的制造中，一般是采用多個LED管芯串聯和并聯，保證LED數碼管亮度，以及亮度的均勻度達到一定要求。圖2為筆者在項目中使用的型號為LN40101DS大尺寸LED數碼管內部連接圖。由圖2可以看出，A-G這七段都是由8個發光二級管兩兩相并然后再串聯起來，這樣設計可以最大限度保證每一段亮度的均勻性，同時提高了可靠性，只有小數點段（DP）采用兩只發光管相串聯。為了使其能正常工作，大尺寸LED數碼管的驅動電壓較普通的LED數碼管高許多。

圖1 MAX7221典型應用電路

2.3 ULN2803

ULN2803內部集成了8個大功率高耐壓的NPN達林頓晶體管陣列，具有電流增益高、工作電壓高、溫度范圍寬、帶負載能力強等特點，同時在內部集成續流二極管，適用于各類要求高速大功率驅動的系統。每一對達林頓都串聯一個2.7K的基極電阻，在5V的工作電壓下它能與TTL和CMOS電路直接相連，可以直接處理原先需要標準邏輯緩沖器來處理的數據。ULN2803的第10引腳，是內部8個續流二極管負極的公共端，各二極管的正極分別接各達林頓管的集電極。用于感性負載時，如驅動繼電器等，該腳接負載電源正極，實現續流作用，平時可以懸空。圖3為ULN2803電路的內部電路結構。

3.MAX7221驅動大尺寸共陰極LED數碼顯示電路

用MAX7221驅動共陽極大尺寸LED電路的關鍵是將MAX7221共陰極驅動方式轉換為共陽極的驅動方式，即將MAX7221的段輸出由原來的高電平輸出有效，變為低電平輸出有效，位輸出由低電平轉為高電平輸出。MAX7221本身無法實現上述要求，通過設計的驅動轉換電路完成，這個電路主要包括位了電平轉換電路和段電平轉換電路兩部分。

3.1 位電平轉換電路

圖2 LN4010DS內部連接圖

圖3 UNL2803等效電路圖

該電路主要功能是將MAX7221低電平輸出有效的位掃描信號轉換為符合驅動的高電壓和大電流的高電平輸出，加到相應共陽極大尺寸LED顯示器的公共陽極。該電路利用光電耦合集成電路，完成信號隔離和電平變換功能，與后級的大功率三極管構成復合管，提供滿足大尺寸LED顯示器所需的電流，驅動相應的數碼顯示器。經實測，所選用的LN40101DS數碼管，靜態時段電流需要達到25mA，發光亮度即可滿足要求。MAX7221驅動顯示是一動態掃描過程，根據MAX7221的技術資料，8個數碼掃描的頻率在500～1300Hz范圍，同時MAX7221內部具有脈寬調節亮度功能，顯示的亮度可以通過軟件來調節。綜合考慮電路中LED顯示器的段電流設計為50mA，在數碼顯示器的A～G段和小數點段同時點亮的話，位驅動三極管的最大電流應為400mA，驅動三極管選用集電極電流為1.5A的8050NPN三極管即可滿足。電路中MAX7221使用+5V電源，LED顯示驅動電源采用直流18V。圖4為位電平轉換電路原理圖。

3.2 段電平轉換電路

相對于位電平轉換電路來說，段電平轉換電路比較簡單。MAX7221輸出的高電平，通過ULN2803的反向驅動，變成低電平輸出，同時提供足夠大的電流。需要注意的是，由于使用的大尺寸LED顯示器中的小數點，僅由2個LED管芯相串聯，與其他的段相比較，串聯的LED數量較少，故在小數點的驅動電路中串聯一個510Ω的電阻，限制小數點段的電流。圖5為該驅動電路的原理圖。

圖4 位電平轉換電路

圖5 共陽LED顯示器驅動電路圖

3.3 電路調試

一般來說，只要電路布線無誤，元器件選擇正確，焊接可靠，電路基本無需調試即可正常工作。實際應用中，由于電子元器件的離散性等因素的影響，有時會造成個別數碼顯示器的亮度有些差異，限于MAX7221軟件亮度調整功能，只能調整全部8位輸出的亮度，不具備單獨調整每一位亮度的功能，只能在驅動電路上進行調整，可以調整相應位驅動三極管基極上的電阻阻值（圖5中的R310～R317），使得各顯示器的亮度一致。

4.結束語

本電路設計將MAX7221 LED驅動器運用到共陽極大尺寸LED數碼顯示器驅動中，充分利用了MAX7221驅動器內置亮度調節、掃描電路、方便和單片機相連和編程簡單等優點，并擴寬了MAX7221的適用范圍。本文介紹的電路已在筆者的項目應用中，運行穩定可靠。

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