Aujourd’hui, il est très facile d’afficher des chiffres et des lettres sur plusieurs afficheurs LED à l’aide de microcontrôleurs tels que l’Arduino ou le Raspberry Pi, ainsi qu’un petit code logiciel associé pour afficher les chiffres requis. Mais parfois, en tant qu’étudiant en électronique ou amateur, nous souhaitons afficher deux ou plusieurs chiffres dans le cadre de notre projet ou de notre circuit logique numérique. Alors, comment pouvons-nous le faire ?

Les afficheurs à 7 segments offrent un moyen pratique d’afficher des informations numériques allant de zéro à neuf, car ils consistent essentiellement en un ensemble de diodes électroluminescentes connectées ensemble dans un seul boîtier d’indicateur.

Chaque diode électroluminescente (appelée segment) est illuminée à l’aide d’un courant électrique, et en illuminant différentes combinaisons de segments, certains sauront être allumés et émettant de la lumière tandis que d’autres seront éteints, ce qui nous permet d’afficher des caractères ou des chiffres individuels.

Comme nous l’avons vu dans notre tutoriel sur la diode électroluminescente, les LED fonctionnent comme des diodes normales, en ce sens qu’elles ne permettent au courant de circuler que dans une seule direction. La différence entre les deux est qu’une LED émet de l’énergie lumineuse de son jonction PN lorsque un courant électrique la traverse.

Cette action d’électroluminescence se produit chaque fois que la borne Anode (A) de la LED est plus positive que sa borne Cathode (K) d’environ 2 volts. Le courant d’alimentation typique requis pour illuminer une jonction LED varie entre environ 6 mA et 20 mA, et sa valeur est généralement contrôlée à l’aide d’une résistance en série avec la LED.

Ainsi, en appliquant un biais direct à l’un des segments LED de l’afficheur, de sorte que la borne anode soit vers l’alimentation (positive) et la borne cathode vers la terre (négative), nous pouvons produire un ensemble de segments éclairés au hasard ou un nombre décimal de 0 à 9, fournissant une sortie visuelle pour notre projet.

Afficheur à 7 segments

Comme son nom l’indique, un afficheur à 7 segments est constitué de sept segments, ce qui signifie qu’il est composé de sept diodes électroluminescentes ou LEDs qui peuvent être combinées pour former un chiffre complet sur l’afficheur.

En réalité, la plupart des afficheurs à 7 segments contiennent huit LED internes, la huitième étant utilisée pour un point décimal, généralement dans l’un des coins inférieurs de l’afficheur.

Donc, si un afficheur à 7 segments est constitué de sept LEDs (ignorons pour l’instant le point décimal), une pour chaque segment, et qu’une LED a deux bornes, une Anode et une Cathode, cela signifie-t-il que chaque afficheur à 7 segments aura 14 broches ou bornes de connexion ? Eh bien, la réponse est non.

Bien qu’un segment LED puisse être illuminé individuellement selon les besoins, une borne de chaque LED interne est connectée à un point ou un nœud commun. Ainsi, au lieu d’avoir 14 broches de connexion pour l’afficheur, nous n’aurons que huit broches (7 + 1), une pour chaque LED individuelle plus une broche commune, et c’est cette “broche commune” qui identifie le type et le nom de l’afficheur à 7 segments.

Lorsque les bornes cathodes de toutes les LEDs utilisées dans l’afficheur sont reliées entre elles, l’afficheur est désigné comme un affichage à cathode commune (CC). De même, lorsque toutes les bornes anodes des LEDs utilisées dans l’afficheur sont reliées entre elles, l’afficheur est appelé affichage à anode commune (CA). Ainsi, un afficheur à 7 segments peut être soit de type Cathode commune (CC), soit de type Anode commune (CA).

Configuration à Cathode Commune (CC)

L’affichage à cathode commune (CC) – Dans l’affichage à cathode commune, toutes les connexions cathode (K) des segments LED sont reliées entre elles et connectées à la terre ou à zéro volts.

Les segments individuels sont illuminés en appliquant un courant électrique approprié pour biaiser en avant les bornes Anode individuelles (a à g). Ainsi, l’affichage à cathode commune nécessite un circuit d’entraînement qui peut fournir un courant.

Configuration à Anode Commune (CA)

L’affichage à anode commune (CA) – Dans l’affichage à anode commune, toutes les connexions anode (A) des segments LED sont reliées ensemble à une alimentation de tension positive.

Les segments individuels sont illuminés en appliquant une connexion à la terre, ou un signal “LOW” à la borne cathode du segment particulier (a à g). Ainsi, un affichage à anode commune nécessite un circuit d’entraînement qui peut absorber un courant.

Il existe de nombreuses manières de connecter plusieurs afficheurs LED à 7 segments à un circuit électronique, chacun ayant ses propres avantages. Comme chaque segment individuel nécessite environ 6 à 20 milliampères (mA) de courant pour s’illuminer avec une luminosité normale, des circuits intégrés de décodeurs/drivers dédiés sont généralement utilisés pour piloter chaque affichage directement.

Les circuits intégrés de décodeurs convertissent essentiellement un type de données d’entrée en un autre type et il existe différents types de décodeurs, selon le type de données d’entrée (telles que binaire, BCD ou hexadécimal), et le code de sortie requis représentant le nombre de lignes de sortie décodées. Par exemple : de 3 à 8 lignes, de 4 à 16 lignes, etc.

Dans notre cas, nous avons besoin d’un circuit intégré de décodeur qui peut convertir un code binaire en un ensemble de signaux de sortie pour piloter un afficheur à 7 segments, tel qu’un “décodeur BCD vers 7 segments”. Le code décimal codé binaire, ou BCD en abrégé, est un ensemble de chiffres binaires 4 bits utilisés pour représenter les 10 chiffres décimaux de 0 à 9 avec la liste suivante de circuits intégrés de décodeurs capables de le faire.

Le circuit intégré 74LS47 est de loin le décodeur à 7 segments le plus populaire, et il est capable de piloter des affichages à anode commune (CA). Le 74LS47 a une entrée BCD 4 bits et sept sorties actives “LOW” pour piloter chacun des sept segments LED.

Active “LOW” signifie que la broche de sortie commute vers la terre (0 V) pour allumer un segment LED, tandis qu’une sortie “HIGH” éteindra le segment LED. La série de modules d’afficheurs HDSP constitue un bon point de départ, mais tout affichage standard à anode commune fera l’affaire (et il y en a beaucoup parmi lesquels choisir).

À l’aide de quatre interrupteurs, un nombre binaire à 4 bits est appliqué aux entrées BCD A, B, C et D du décodeur 74LS47 pour produire les signaux de sortie a, b, c, d, e, f et g utilisés pour piloter l’afficheur à 7 segments générant les nombres requis de 0 à 9.

Le décodeur 74LS47

La connexion entre le décodeur/pilote 74LS47 et l’afficheur à anode commune nécessite sept résistances (huit si le point décimal est inclus) pour limiter le flux de courant. Pour que chaque segment LED de l’afficheur s’illumine correctement, il est nécessaire de contrôler soigneusement le flux de courant à travers chaque segment.

La meilleure méthode pour limiter le courant à travers un segment d’un afficheur est d’utiliser une résistance de limitation de courant en série avec chacun des sept segments LED, comme montré. Si nous n’utilisons pas de résistance connectée en série, un courant maximum circulera et la LED sera très brillante pendant une courte période avant d’être détruite de manière permanente.

Chaque segment LED d’un afficheur LED à 7 segments typique est noté pour fonctionner entre 6 et 20 mA, offrant une chute de tension à travers la jonction de la diode LED d’environ 1,8 volts pour une luminosité normale. Nous pouvons calculer la valeur de la résistance limitante de courant nécessaire pour produire le courant requis par segment LED.

Nous avons maintenant appris et compris qu’un afficheur à 7 segments est essentiellement un ensemble de LEDs individuelles dans un seul boîtier rectangulaire, et que les LEDs nécessitent une résistance en série pour limiter leur courant direct par segment.

Pour un afficheur à anode commune, les anodes de chaque segment LED sont connectées ensemble à une alimentation de 5 volts (V_S). Si, lorsqu’elles sont illuminées, la chute de tension directe à travers la jonction des LEDs est d’environ 1,8 volts, alors la tension à travers la résistance en série doit être égale à : V_S – V_LED = 5 – 1.8 = 3.2 volts.

La valeur résistive requise pour la résistance limitante de courant en série d’un seul segment se trouve simplement en utilisant la loi d’Ohm au flux de courant requis pour l’illuminer. Par conséquent, nous pouvons calculer la plage de résistance nécessaire pour limiter le courant des LEDs entre 6 mA et 20 mA pour quelle que soit l’application et l’intensité de la LED que nous voulons, comme suit :

Valeurs de Résistance de l’Afficheur à 7 Segments

Donc, pour un courant de 6 mA, nous aurions besoin d’une résistance de limitation de courant en série de 533 Ω, ou 560 Ω au plus proche de la valeur préférée, et pour limiter le courant à 20 mA, nous aurions besoin d’une résistance de 160 Ω. En réalité, toute bonne valeur de résistance standard entre 220 Ω et 360 Ω pourrait être utilisée pour illuminer un afficheur à 7 segments à partir d’une alimentation de 5 volts, cela dépend uniquement des valeurs de résistance que vous avez à votre disposition.

Bien que nous utilisions ici un affichage LED à anode commune comme exemple, les mêmes calculs et valeurs résistives s’appliquent également aux affichages LED à cathode commune. Les réseaux de résistances en boîtier à travers des paquets à double ligne (DIP) sont généralement disponibles avec toutes les sept (ou huit) résistances à l’intérieur d’un seul paquet DIP simplifiant ainsi le processus de câblage entre le circuit intégré pilote et l’afficheur.

Notez également que bien que nous ayons utilisé ici le décodeur/pilote TTL 74LS47 BCD vers 7 segments avec ses sorties actives LOW (absorption de courant) pour piloter un affichage à anode commune, le décodeur/pilote TTL 74LS48 BCD vers 7 segments est exactement le même sauf qu’il est conçu pour piloter un affichage à cathode commune car il produit des sorties actives HIGH (fournissant du courant).

Donc, selon le type d’afficheur LED à 7 segments que vous avez, vous aurez peut-être besoin d’un circuit intégré 74LS47 pour piloter, disons par exemple un affichage LT542 CA, ou d’un circuit intégré 74LS48 pour piloter son équivalent LT543 CC. Le choix vous appartient.

Affichage des Nombres sur un Afficheur à 7 Segments

Le 74LS47 a quatre entrées pour les chiffres BCD (8-4-2-1) A, B, C et D, et des sorties pour chacun des segments de l’afficheur à 7 segments.

Le fonctionnement des quatre interrupteurs S_A, S_B, S_C et S_D générera la séquence d’entrée nécessaire pour activer les segments LED appropriés responsables de l’affichage du nombre correspondant. Pour un fonctionnement normal, les entrées LT (test d’ampoule), BI/RBO (entrée de masquage/sortie de masquage en cascade) et RBI (entrée de masquage en cascade) du 74LS47 sont toutes connectées à l’alimentation +5V (HIGH). Ainsi, les nombres affichés sont les suivants :

Nombres de l’Afficheur à 7 Segments

Éléments de l’Afficheur à 7 Segments pour les Dix Chiffres

Alors que l’opération des quatre interrupteurs SPST fera afficher les nombres correspondants ou des caractères aléatoires, il peut être un peu fastidieux d’opérer les quatre interrupteurs en même temps. Il serait donc préférable d’avoir une seule puce IC capable de générer les informations binaires à 4 lignes sans utiliser les quatre interrupteurs, et cela existe, le 74LS90 compteur BCD.

Le circuit intégré 74LS90 peut être configuré comme un compteur décennal MOD-10 (diviser par 10) pour produire un code de sortie BCD, comptant de 0000 à 1001 et puis se réinitialisant à 0000. En utilisant ce compteur/diviseur décimal asynchrone, nous pouvons incrémenter les chiffres sur l’afficheur à 7 segments en utilisant simplement un seul interrupteur, comme montré.

Compteur Afficheur à 7 Segments à Un Chiffre

Nous pouvons maintenant incrémenter les nombres sur l’afficheur de 0 à 9 en appuyant simplement sur un interrupteur à bouton poussoir, SW₁, dix fois. En changeant la position du bouton-poussoir et de la résistance de 1kΩ, le compte peut être fait pour changer à l’activation ou au relâchement du bouton poussoir, SW₁.

Notre circuit simple montre comment nous pouvons produire un compteur numérique de 0 à 9 en utilisant un compteur BCD 74LS90 et un conducteur d’afficheur à 7 segments 74LS47. Mais ce compteur numérique à un chiffre de 0 à 9 peut être étendu avec l’ajout d’un second étage compteur pour réaliser un compteur à deux chiffres de 00 à 99.

Compteur à Deux Chiffres Afficheur à 7 Segments

Alors, comment fonctionne ce compteur d’afficheur à 7 segments à 2 chiffres ? La première partie du circuit du compteur numérique fonctionne de la même manière qu’auparavant, sauf que l’activation de l’interrupteur SW₁ incrémente l’affichage LED des “unités”.

Le premier compteur BCD 74LS90, U1 compte vers le haut de 0 à 9 (0000 à 1001) à chaque fermeture (trailing-edge) de SW₁. Cependant, lorsque la séquence de comptage atteint “8” (1000) sur l’affichage des unités, la broche 11 de U1 correspondante à la sortie “D” passe à “HIGH” et reste HIGH jusqu’à ce que U1 se réinitialise à zéro au 10ème compte, moment auquel la broche 11 de U1 passe à nouveau à “LOW”.

Comme la broche de sortie 11 (broche D BCD) de U1 est reliée à la broche d’entrée de horloge A (CLK_A) de la seconde compteur BCD 74LS90 U3, chaque action de commutation HIGH/LOW successive de la broche 11 (sortie D) de U1 incrémente le second affichage LED pour le chiffre des dizaines. Ainsi cela fait que les deux affichages LED, lorsqu’ils sont placés côte à côte, comptent de 00 à 99 avant de se réinitialiser à 00 pour le prochain compte.

Ce circuit numérique de comptage très simple a de nombreuses applications de projets scolaires. Par exemple, si nous pouvons remplacer l’interrupteur à bouton-poussoir manuel, SW₁ par un capteur pour compter des objets en mouvement, ou des personnes, ou des voitures, etc. Ou même remplacer SW₁ par un circuit de minuterie 555 ou un oscillateur astable, par exemple, cela pourrait être utilisé pour compter un nombre d’impulsions, ou comme un simple temporisateur à 2 chiffres ou un circuit de temporisateur de réaction avec ou sans point décimal.

Bien que le circuit de compteur à 2 chiffres ci-dessus fonctionne bien avec le compteur décimal 74LS90 (diviser par 10), le problème est que nous en avons besoin de deux, U1 et U3. Le compteur décennal TTL 74LS390 et son équivalent CMOS, le 74HC390, contiennent deux compteurs 74LS90 à l’intérieur d’un seul paquet IC et dans la plupart des cas sont plus rentables que l’achat de deux 74LS90.

Le compteur décennal 4 bits TTL 74LS390 a deux compteurs internes à diviser par deux et diviser par cinq qui peuvent être configurés pour diviser par des multiples de “2, 5 ou 10” avec un code de sortie BCD identique à celui du 74LS90 unique. Ainsi, nous pouvons remplacer les deux circuits intégrés 74LS90 U1 et U3 dans le circuit précédent par un seul IC 74LS390, chaque moitié de l’IC pilotant l’un des afficheurs LED comme montré.

Compteur Amélioré à Deux Chiffres

Le circuit montre un compteur numérique simple de 00 à 99 utilisant un compteur BCD 74LS390 et deux pilotes d’afficheurs à 7 segments 74LS47. Pour compter au-delà de 99, nous aurions besoin de mettre en cascade d’autres circuits de compteur ensemble.

Un compteur BCD à 4 chiffres compterait en décimal de 0000 à 9999 et ensuite se réinitialiserait à 0000. De même, si nous voulons compter de 0 à 999999, alors trois compteurs décimaux en cascade sont nécessaires. En fait, plusieurs compteurs décimaux peuvent être construits simplement en mettant en cascade des circuits de compteurs BCD individuels, un pour chaque décade comme montré.

Mise en Cascade des Compteurs

Nous avons vu ici dans ce tutoriel sur le Compteur d’Afficheur à 7 Segments, que les circuits de décodeurs d’afficheurs LED peuvent être construits à l’aide de circuits intégrés de logique combinatoire standard, et qu’il existe de nombreux circuits intégrés dédiés sur le marché pour réaliser cette fonction.

Les circuits intégrés de décodeurs d’afficheurs tels que le décodeur/pilote 74LS47 à 7 segments pour piloter un afficheur à anode commune (CA), ou le décodeur/pilote 74LS48 à 7 segments pour piloter un affichage à cathode commune (CC) sont généralement disponibles ainsi que leurs équivalents CMOS.

Le circuit intégré de compteur asynchrone 74LS90 peut être configuré comme un compteur décennal MOD-10 (diviser par 10) pour produire un code de sortie BCD, comptant vers le haut de 0000 à 1001 et se réinitialisant ensuite à 0000 pour recommencer le cycle.

Le compteur BCD 74LS90 est un circuit de comptage très flexible et peut être utilisé comme un diviseur de fréquence ou pour diviser tout nombre entier de 0 à 9 pour un seul affichage.

Mettre en cascade deux compteurs 74LS90 nous permet de produire un compteur à 2 chiffres, mais mieux encore, en utilisant le circuit intégré de pilote/décade 74LS390, nous pouvons produire n’importe quelle combinaison d’étapes de compteur utilisant plusieurs afficheurs LED à 7 segments.