MAX7221驱动大尺寸共阳极LED数码显示器的电路设计

柳州铁道职业技术学院 刘玉琼

1.概述

MAX7221是一块应用比较普遍的LED驱动集成电路，在该集成电路的标准应用电路中，无需更多的外围器件，就能很方便地驱动共阴极的小尺寸数码显示器。在笔者的一个项目中，需要用单片机和MAX7221来驱动大尺寸共阳极的LED数码显示器，通过查找，并未发现有这方面的技术资料和文献。经过多次试验，找到一个用MAX7221驱动大尺寸共阳极LED显示器的方法。本文介绍的采用MAX7221驱动共阳极大尺寸LED数码显示器的相应驱动电路设计，经实际应用的检验，具有较高的可靠性。

2.主要元器件介绍

2.1 MAX7221

MAX7221是美国MAXIM（美信）公司推出的紧凑型串行输入/输出共阴极显示驱动器，可以驱动8位7段共阴极LED数码显示器、条形图显示器或64个独立的LED。该器件内置了BCD B码译码器、多路复用扫描电路、段和位驱动电流调节器、亮度脉宽调节器以及存储每位数字的静态存储器，外围电路只需一个9.53KΩ的电阻用以设定所有LED的段电流。该芯片通过内置的SPI串行接口，可以方便地连接微处理器，对每位数字单独进行寻址和更新，无需重新写入整个显示器，同时支持多片级联，单片机软件编程十分方便，应用十分普及。图1为MAX7221的典型应用电路。

2.2 大尺寸LED数码管

在笔者的某个项目中，需要用到大尺寸共阳极的LED数码显示器，在大尺寸数码管的制造中，一般是采用多个LED管芯串联和并联，保证LED数码管亮度，以及亮度的均匀度达到一定要求。图2为笔者在项目中使用的型号为LN40101DS大尺寸LED数码管内部连接图。由图2可以看出，A-G这七段都是由8个发光二级管两两相并然后再串联起来，这样设计可以最大限度保证每一段亮度的均匀性，同时提高了可靠性，只有小数点段（DP）采用两只发光管相串联。为了使其能正常工作，大尺寸LED数码管的驱动电压较普通的LED数码管高许多。

图1 MAX7221典型应用电路

2.3 ULN2803

ULN2803内部集成了8个大功率高耐压的NPN达林顿晶体管阵列，具有电流增益高、工作电压高、温度范围宽、带负载能力强等特点，同时在内部集成续流二极管，适用于各类要求高速大功率驱动的系统。每一对达林顿都串联一个2.7K的基极电阻，在5V的工作电压下它能与TTL和CMOS电路直接相连，可以直接处理原先需要标准逻辑缓冲器来处理的数据。ULN2803的第10引脚，是内部8个续流二极管负极的公共端，各二极管的正极分别接各达林顿管的集电极。用于感性负载时，如驱动继电器等，该脚接负载电源正极，实现续流作用，平时可以悬空。图3为ULN2803电路的内部电路结构。

3.MAX7221驱动大尺寸共阴极LED数码显示电路

用MAX7221驱动共阳极大尺寸LED电路的关键是将MAX7221共阴极驱动方式转换为共阳极的驱动方式，即将MAX7221的段输出由原来的高电平输出有效，变为低电平输出有效，位输出由低电平转为高电平输出。MAX7221本身无法实现上述要求，通过设计的驱动转换电路完成，这个电路主要包括位了电平转换电路和段电平转换电路两部分。

3.1 位电平转换电路

图2 LN4010DS内部连接图

图3 UNL2803等效电路图

该电路主要功能是将MAX7221低电平输出有效的位扫描信号转换为符合驱动的高电压和大电流的高电平输出，加到相应共阳极大尺寸LED显示器的公共阳极。该电路利用光电耦合集成电路，完成信号隔离和电平变换功能，与后级的大功率三极管构成复合管，提供满足大尺寸LED显示器所需的电流，驱动相应的数码显示器。经实测，所选用的LN40101DS数码管，静态时段电流需要达到25mA，发光亮度即可满足要求。MAX7221驱动显示是一动态扫描过程，根据MAX7221的技术资料，8个数码扫描的频率在500～1300Hz范围，同时MAX7221内部具有脉宽调节亮度功能，显示的亮度可以通过软件来调节。综合考虑电路中LED显示器的段电流设计为50mA，在数码显示器的A～G段和小数点段同时点亮的话，位驱动三极管的最大电流应为400mA，驱动三极管选用集电极电流为1.5A的8050NPN三极管即可满足。电路中MAX7221使用+5V电源，LED显示驱动电源采用直流18V。图4为位电平转换电路原理图。

3.2 段电平转换电路

相对于位电平转换电路来说，段电平转换电路比较简单。MAX7221输出的高电平，通过ULN2803的反向驱动，变成低电平输出，同时提供足够大的电流。需要注意的是，由于使用的大尺寸LED显示器中的小数点，仅由2个LED管芯相串联，与其他的段相比较，串联的LED数量较少，故在小数点的驱动电路中串联一个510Ω的电阻，限制小数点段的电流。图5为该驱动电路的原理图。

图4 位电平转换电路

图5 共阳LED显示器驱动电路图

3.3 电路调试

一般来说，只要电路布线无误，元器件选择正确，焊接可靠，电路基本无需调试即可正常工作。实际应用中，由于电子元器件的离散性等因素的影响，有时会造成个别数码显示器的亮度有些差异，限于MAX7221软件亮度调整功能，只能调整全部8位输出的亮度，不具备单独调整每一位亮度的功能，只能在驱动电路上进行调整，可以调整相应位驱动三极管基极上的电阻阻值（图5中的R310～R317），使得各显示器的亮度一致。

4.结束语

本电路设计将MAX7221 LED驱动器运用到共阳极大尺寸LED数码显示器驱动中，充分利用了MAX7221驱动器内置亮度调节、扫描电路、方便和单片机相连和编程简单等优点，并扩宽了MAX7221的适用范围。本文介绍的电路已在笔者的项目应用中，运行稳定可靠。

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