1.9 显示器件
1.9.1 LED数码管
LED数码管是最常用的一种字符显示器件，它是将若干发光二极管按一定图形组织在一起构成的。
由于LED数码管具有发光亮度高、响应时间快、高频特性好、驱动电路简单、体积小、重量轻、寿命长和耐冲击性能好等特点，所以常用在时钟电路中显示时间、在计数电路中显示数字、在测量电路中显示结果。
1.常见LED数码管实物示意图
常见LED数码管实物示意图如图1-74所示。
图1-74 常见LED数码管实物示意图
a）“8”字型 b）“米”字型 c）组合型
2.常见LED数码管的种类
1）按显示字形分为数字管和符号管。
2）按显示位数分为一位、双位和多位数码管。
3）按内部连接方式分为共阴极数码管和共阳极数码管。
4）按字符颜色分为红色、绿色、黄色和橙色等。
3.七段数码管的显示
七段数码管是应用较多的一种数码管，它是将七个笔画段组成“8”字型，能够显示“0～9”10个数字和“A～F”6个字母，如图1-75和图1-76所示。
图1-75 七段数码管
图1-76 七段数码管的显示
七段数码管在结构上有共阴极和共阳极之分。
共阴极七段数码管内部是将8个发光管（7段笔画和1个小数点）的负极连接在一起接低电位；共阳极七段数码管内部是将8个发光管的正极连接在一起接高电位。共阴极、共阳极七段数码管内部结构分别如图1-77和图1-78所示。
图1-77 共阴极七段数码管内部结构图
图1-78 共阳极七段数码管内部结构图
1.9.2 LCD显示器
液晶显示屏（简称为LCD）是一种新型显示器件。液晶显示屏具有体积小、厚度薄、重量轻、寿命长、工作电压低、功耗微及强光照下显示效果好等特点，被广泛应用在数字仪表、电子钟表、电子日历、计算器、电话机以及家用电器设备中。
1.液晶显示屏的种类
根据驱动方式的不同，液晶显示器可分为静态驱动（Static）、单纯矩阵驱动（Simple Matrix）和主动矩阵驱动（Active Matrix）3种类型。
单纯矩阵型又可分为扭转向列型（Twisted Nematic，TN）、超扭转向列型（Super Twisted Nematic，STN）、双层超扭曲向列型（Dual Scan Tortuosity Nomograph，DSTN）及其他被动矩阵驱动液晶显示器。
主动矩阵驱动型大致可分为薄膜晶体管型（Thin Film Transistor，TFT）及二端子二极管型（Metal Insulator Metal，MIM）两种类型。
2.液晶显示屏的显示
液晶是一种介于固体和液体之间的特殊物质，能够改变通过光线的偏振方向，并且这种改变可以用电来控制。根据这种特性，就可制作液晶显示屏。
1）液晶显示屏的组成。在两块玻璃基板间填充有液晶材料，上、下玻璃基板上都有透明电极，在上玻璃基板上面和下玻璃基板下面分别有上、下偏振片，在下偏振片下面还有反射板。液晶显示屏的结构如图1-79所示。
图1-79 液晶显示屏的结构图
2）液晶显示屏的显示原理。当未加电压时，入射光穿过液晶和偏振片后能够被反射板反射回来，可看到亮的白色；当在上、下电极之间加上驱动电压时，电极部位的液晶在电场作用下改变了偏光性，使得入射光不能够被反射板反射回来，则看到的是黑色。若把电极制作成字符状，看到的就是黑色的字符。液晶显示屏的显示原理如图1-80所示。
图1-80 液晶显示屏的显示原理图
a）有反射光 b）无反射光
【注】由于液晶材料在长期直流电压作用下会发生电解和电极老化，导致使用寿命大为缩短，所以应采用交流信号作为驱动电压。
3.常见液晶显示屏的性能及应用
（1）扭转向列型（TN-LCD）
TN-LCD的组成结构中主要包括了垂直方向与水平方向的偏光板，具有细纹沟槽的配向膜、液晶材料以及导电的玻璃基板。
TN-LCD显像原理是：在不加电场的情况下，入射光经过偏光板后通过液晶层，偏光被分子扭转排列的液晶层旋转90°。在离开液晶层时，其偏光方向恰与另一偏光板的方向一致，故光线能顺利通过，使整个电极面呈光亮。当加入电场时，每个液晶分子的光轴转向与电场方向一致。液晶层也因此失去了旋光的能力，结果来自入射偏光片的偏光，其方向与另一偏光片的偏光方向成垂直的关系，并无法通过，这样电极面就呈现黑暗的状态。
由于TN-LCD本身只有明暗两种情形（或称黑白），并没有办法做到色彩的变化，所以，主要用于3in（1in=0.0245m）以下的黑白小屏幕，如电子表、计算器、掌上游戏机等。
（2）超扭转向列型（STN-LCD）
STN-LCD的显示原理与TN-LCD相类似，不同之处在于STN超扭转式向列场效应是将入射光旋转180°～270°，而不是90°。
STN-LCD配合彩色滤光片可显示多种色彩，多用于文字、数字及绘图功能的显示，例如低档的笔记本式计算机、掌上式计算机、股票机和个人数字助理（PDA）等便携式产品。
（3）双层超扭曲向列型（DSTN-LCD）
DSTN-LCD是在STN-LCD基础上发展而来的，通过双扫描方式来扫描扭曲向列型液晶显示屏，从而达到完成显示目的。因此显示效果相对STN-LCD来说，有大幅度提高。
DSTN-LCD显示特点是：扫描屏幕被分为上下两部分，CPU（中央处理器）同时并行对这两部分进行刷新（双扫描），这样的刷新频率显然要比单扫描（STN）重绘整个屏幕快一倍，提高了效率，改善了显示效果。
由于DSTN-LCD反应速度慢，不适于高速全动图像、视频播放等应用，所以一般只用于文字、表格和静态图像处理，在低端笔记本式计算机市场具有一定的优势。
（4）薄膜晶体管型（TFT-LCD）
TFT-LCD液晶显示器较为复杂，主要由荧光管（背光源）、导光板、偏光板、滤光板、玻璃基板、配向膜、液晶材料和薄模式晶体管等构成。
TFT-LCD显示特点是：首先将荧光灯管（背光源）投射出的光源经过一个偏光板，然后再经过液晶，这时液晶分子的排列方式就会改变穿透液晶的光线角度；接着，这些光线经过前方的彩色的滤光膜与另一块偏光板。此时，只要改变刺激液晶的电压值，就可以控制最后出现的光线强度与色彩，这样在液晶面板上就能变化出有不同色调的颜色组合。
由于TFT-LCD具有屏幕反应速度快、对比度和亮度都较高、屏幕可视角度大、色彩丰富（称之为“真彩”）和分辨率高等特点，所以适用于动画及显像显示，目前广泛应用于数字照相机、液晶投影仪、笔记本式计算机和桌面型液晶显示器。
目前市面上价位较高的LCD液晶显示器主要有两类，即DSTN-LCD和TFT-LCD，也就是被动矩阵（无源矩阵）和主动矩阵（有源矩阵）这两种类型。
1.9.3 PDP显示屏
1.PDP简介
等离子显示板（Plasma Display Panel，PDP）是一种利用气体放电的显示技术，其工作原理与荧光灯很相似。它采用了等离子管作为发光元件，屏幕上每一个等离子管对应一个像素。屏幕以玻璃作为基板，基板间隔一定距离，四周经气密性封接形成许多微小的荧光管，荧光管中充有氖气（Neon）和氩气（Xenon）。当电压加于荧光管中的两个电极上时，在电场的作用下发生气体放电。放电引起的紫外线辐射激发荧光管内壁上的荧光物质产生亮光。每个荧光管内壁都被激发荧光物质，于是就得到明亮透彻的图像。
但是PDP的光亮只有亮与不亮两种基本状态，怎样得到亮度的变化（灰度级）呢？这得靠加在电极上的脉冲频率的变化，即辉亮的频率变化，再由人眼睛的积累来实现。
为了实现彩色图像显示，将相邻3个荧光管组成一组，分别用3个基色（红、绿、蓝）的荧光粉和专门的混合气体，再加上电压使气体放电，紫外线辐射激发不同荧光粉产生红、绿、蓝3色，由人的眼睛来合成各种色彩。
PDP结构如图1-81所示。
图1-81 PDP结构图
2.PDP种类
等离子体显示器技术按其工作方式可分为电极与气体直接接触的直流型PDP和电极上覆盖介质层的交流型PDP两大类型。
目前研究开发的彩色PDP的类型主要有3种，即单基板式（又称为表面放电式）交流PDP、双基板式（又称为对向放电式）交流PDP和脉冲存储直流PDP。
1.9.4 触摸显示屏
触摸显示屏是一个可接收触头等输入信号的感应式液晶显示装置。当接触了屏幕上的图形按钮时，屏幕上的触觉反馈系统可根据预先编制的程序去驱动各种连接装置。它是目前最简单、方便、自然的一种人机交互方式。
1.触摸显示屏的类型
按照触摸屏的工作原理和传输信息的介质可分为电阻式触摸屏、电容式触摸屏、红外线式触摸屏和表面声波式触摸屏。
2.触摸显示屏的特点
（1）电阻式触摸屏
这是利用压力感应进行控制的触摸屏。常用4线电阻式触摸屏和5线电阻式触摸屏。
1）4线电阻式触摸屏是在玻璃或丙烯酸基板上覆盖有两层透明、均匀导电的ITO（氧化铟）层，分别作为X电极和Y电极，它们之间由均匀排列的透明格点分开绝缘，其中下层的ITO与玻璃基板附着，上层的ITO附着在PET（聚对苯二甲酸乙二醇酯，常见的一种树脂）薄膜上。X电极和Y电极的正负端由“导电条”分别从两端引出，且X电极和Y电极导电条的位置相互垂直。引出端有X-、X+、Y-、Y+共4条线，这就是4线电阻式触摸屏名称的由来。4线电阻式触摸屏组成示意图如图1-82所示。
图1-82 4线电阻式触摸屏组成示意图
当有物体接触触摸屏表面并施以一定的压力时，上层的ITO导电层发生形变与下层ITO发生接触，电阻发生变化，在X和Y两个方向上产生信号，然后传送到触摸屏控制器上。控制器侦测到这一接触并计算出（X，Y）的位置，再根据模拟鼠标的方式运作。
4线电阻式触摸屏一方面由于ITO材质较脆，在形变经常发生时容易出现ITO层断裂，所以导电的均匀性易被破坏。另一方面附着在PET活动基板上的ITO不会充分氧化，一旦暴露在潮湿或者受热的环境下，氧化会导致电阻上升，同样破坏导电均匀性，也使坐标计算出现误差，即出现“漂移”现象。
2）5线电阻式触摸屏采用的结构是将X、Y电极都作在附着在玻璃基板上的ITO层，而上层的ITO只作为活动电极，底层ITO的X、Y电极被分散为许多电阻图案（这些图案的作用是使触摸屏X、Y方向电压梯度线性，便于坐标的测量）分布在触摸屏四周，从4个角引出UL、UR、LL、LR，加上上层的活动电极，这样一共5条线。5线电阻式触摸屏组成示意图如图1-83所示。
图1-83 5线电阻式触摸屏组成示意图
5线电阻式触摸屏的优点是玻璃基板比较牢固不易形变，而且可以使附着在上面的ITO充分氧化。玻璃材质不会吸水，并且它与ITO的膨胀系数很接近，产生的形变不会导致ITO损坏。而上层的ITO只用来作为引出端电极，没有电流流过，因此不必要求均匀导电性，即使因为形变发生破损，也不会使电阻屏产生“漂移”。
电阻式触摸屏不怕尘埃、水及污垢影响，能在恶劣环境下工作。但由于复合薄膜的外层采用塑胶材料，抗爆性较差，使用寿命受到一定影响。
（2）电容式触摸屏
这是利用人体的电流感应进行工作的触摸屏。
电容式触摸屏是一块4层复合玻璃屏。在玻璃屏的内表面和夹层各涂有一层ITO（氧化铟），最外层是一薄层稀土玻璃保护层，夹层ITO涂层作为工作面，4个角上引出4个电极，内层ITO为屏蔽层，以保证良好的工作环境。
当手指触摸在金属层上时，由于人体电场原因，所以用户和触摸屏表面形成一个耦合电容。对于高频电流来说，电容是直接导体，于是手指从接触点吸走一个很小的电流，这个电流分别从触摸屏的4角上的电极中流出，并且流经这4个电极的电流与手指到4角的距离成正比，控制器通过对这4个电流比例的精确计算，得出触摸点的位置。电容式触摸屏组成示意图如图1-84所示。
图1-84 电容式触摸屏组成示意图
电容触摸屏能很好地感应轻微及快速触摸，防刮擦，不怕尘埃、水及污垢影响，适合恶劣环境下使用。但由于电容随温度、湿度或环境电场的不同而变化，所以其稳定性较差，分辨率低，易漂移。
（3）红外线式触摸屏
这是利用X、Y方向上密布的红外线矩阵来检测并定位的触摸屏。
在显示器的前面安装一个电路板外框，电路板在屏幕四边排布红外发射管和红外接收管，一一对应形成横竖交叉的红外线矩阵。
当用户在触摸屏幕时，手指就会挡住经过该位置的横竖两条红外线，因而可以判断出触摸点在屏幕的位置。任何触摸物体都可改变触点上的红外线而实现触摸屏操作。红外线式触摸屏结构示意图如图1-85所示。
图1-85 红外线式触摸屏结构示意图
红外触摸屏不受电流、电压和静电的干扰，适宜在某些恶劣的环境条件下使用。其主要优点是价格低廉、安装方便，可应用在各档次的计算机上。
（4）表面声波式触摸屏
这是利用声波可以在刚体表面传播的特性制作的触摸屏。
表面声波是一种沿介质表面传播的机械波。该种触摸屏的角上装有超声波换能器。能发送一种高频声波跨越屏幕表面，当手指触及屏幕时，触点上的声波即被阻止，由此即可确定坐标的位置。表面声波式触摸屏结构示意图如图1-86所示。
图1-86 表面声波式触摸屏结构示意图
表面声波触摸屏不受温度、湿度等环境因素影响，分辨率极高，有极好的防刮性，寿命长，透光率高，能保持清晰透亮的图像质量，最适合公共场所使用。但尘埃、水及污垢会严重影响其性能，需要经常维护，以保持屏面的光洁。
1.9.5 任务9——显示器件的识别与判别
1.实训目的
1）能描述各类显示器件的基本特性。
2）会熟练使用万用表。
3）能正确识别与判别各类显示器件。
2.实训设备与器材准备
1）MF47A型指针万用表 1块。
2）DT-890型数字万用表 1块。
3）各类显示器件 若干。
3.实训步骤与报告
（1）LED数码管的引脚识别
1）一位共阴极LED数码管共10只引脚，其中：③、⑧两引脚为公共负极（该两引脚内部已连接在一起），其余8只引脚分别为7段笔画和1个小数点的正极。共阴极LED数码管引脚识别图如图1-87a所示。
图1-87 LED数码管引脚识别图
a）共阴极 b）共阳极 c）两位共阴极
2）一位共阳极LED数码管共10只引脚，其中：③、⑧两引脚为公共正极（该两引脚内部已连接在一起），其余8只引脚分别为7段笔画和1个小数点的负极。共阳极LED数码管引脚识别图如图1-87b所示。
3）两位共阴极LED数码管共18只引脚，其中：⑥、⑤两引脚分别为个位和十位的公共负极，其余16只引脚分别为个位和十位的笔画与小数点的正极。两位共阴极LED数码管引脚识别图如图1-87c所示。
（2）LED数码管公共端与类型的判别
1）将MF47型万用表置于“Ω”位置，量程选择“R×10kΩ”档。
2）用万用表的两表笔测量LED数码管中的任意两引脚。如果有一笔段被点亮，就说明该两引脚间接有一只发光二极管。
3）假定“黑表笔”不动，用“红表笔”分别去接触其他引脚。若依次均相应的笔段被点亮，则说明“黑表笔”固定的引脚为“公共端”，同时，该数码管为共阳极LED数码管。
4）假定“红表笔”不动，用“黑表笔”分别去接触其他引脚。若依次均相应的笔段被点亮，则说明“红表笔”固定的引脚为“公共端”，同时，该数码管为共阴极LED数码管。
（3）LED数码管的笔段判别与检测
1）将MF47型万用表置于将万用表置于“Ω”，量程选择“R×10kΩ”档。
2）将万用表的一只表笔接LED数码管的公共端（共阳极用黑笔；共阴极用红笔）
3）将剩下一只表笔分别接触LED数码管的其他脚，哪个笔段被点亮，则说明该引脚与该笔段相对应。
4）若有一个或几个笔画不亮，则说明该LED数码管不合格。
（4）LCD的笔画判别与检测
1）将数字万用表置于“二极管测量”档。
2）两表笔（不分正、负）分别接触液晶显示屏的两只引脚。若出现笔画显示，则说明其中有一只引脚为COM端（公共端）。
3）将一个表笔换接到另外一只引脚上，若仍出现笔画显示，则说明未移动的那一个表笔所接引脚即为COM端。
4）找出COM端后，一表笔接COM端，另一表笔依次接触各引脚，相应笔画若有显示，否则说明该笔画已损坏。LCD笔画判别与检测具体操作示意图如图1-88所示。
图1-88 LCD笔画判别与检测具体操作示意图
【注】在一块液晶显示屏的引脚中可能有一个以上的COM端，当两表笔分别接触的都是COM端时，显示屏无显示是正常的。
（5）用感应电压法对LCD进行检测
1）用一根数十厘米长的绝缘软导线，一端在220V市电电源线（例如台灯的电源线）上缠绕几圈，这时软导线上将有50Hz的交流感应电压。
2）用软导线另一端的金属部分去接触液晶显示屏的各引脚。
3）在50Hz感应电压的作用下，各相应笔画应有显示，否则说明显示屏的该笔画已损坏。用感应电压法对LCD笔画进行检测的具体操作示意图如图1-89所示。
图1-89 用感应电压法对LCD笔画进行检测的具体操作示意图
（6）4线电阻式触摸屏的检测
1）4线电阻式触摸屏接口4根线一般排列顺序为①X+、②Y+、③X-、④Y-（极少数排列为①X+、②X-、③Y+、④Y-）。4线电阻式触摸屏引脚一般排列顺序如图1-90所示。
图1-90 4线电阻式触摸屏引脚一般排列顺序图
2）将万用表置于“Ω”位置，量程选择“R×10Ω”档。
3）测量①X+和③X-之间的电阻值，应为350～450Ω。
4）测量②Y+和④Y-之间的电阻值，应为500～680Ω。
5）测量①X+和④Y-之间的电阻值，应为∞。当按压触摸屏表面各处时，①X+和④Y-之间的电阻值应该随按压之处不同而相应变化。
6）若满足以上要求，则说明该触摸屏是好的。否则，该触摸屏就不合格。
（7）显示器件的识别与判别实训报告
