Segmentanzeige
Eine Segmentanzeige ist in der Lage, durch elektronische oder elektromechanische Ansteuerung einzelner oder mehrerer ihrer Segmente Buchstaben, Zahlen oder Zeichen darzustellen. Es existieren viele verschiedene Arten von Segmentanzeigen, welche sich in der Anzahl und Anordnung ihrer Segmente unterscheiden. Die wichtigste ist die Siebensegmentanzeige, welche in Digitaluhren zum Einsatz kommt und alle Ziffern von 0 bis 9 aus bis zu sieben einzelnen „Strichen“ zusammensetzt.
Eine Erweiterung dieser Segmentanzeige führt zur Vierzehnsegmentanzeige, bei der noch zusätzliche diagonale und vertikale Segmente enthalten sind. Selten wird diese auch als Sechzehnsegmentanzeige ausgeführt. Diese beiden Segmentanzeigen bieten den Vorteil, alle Großbuchstaben des lateinischen Alphabets und einige Sonderzeichen, wie zum Beispiel „+“ und „*“, gut abbilden zu können. Im Englischen werden diese Anzeigen wegen ihres Aussehens oft auch Starburst-Display, Union-Jack-Display oder British-Flag-Display genannt.
Andere Weiterentwicklungen haben zum Teil deutlich mehr Segmente, zum Beispiel 38, 88 oder 111 in der weit verbreiteten Geascript-Familie von AEG MIS.[1] Gerade die hohe Lesbarkeit sorgt dafür, dass sich diese Technik in bestimmten Nischen, wie etwa der Parkleittechnik, gegen Matrixanzeigen mit flexibleren Gestaltungsmöglichkeiten behaupten kann.
Siebensegmentanzeige
Eine Siebensegmentanzeige ist ein Anzeigeelement aus sieben separat sichtbar schaltbaren Balken, die in Form zweier übereinanderstehender, häufig quadratischer Rechtecke angeordnet sind. Normalerweise werden die Segmente mit den kleinen lateinischen Buchstaben a bis g bezeichnet, wobei oben begonnen, im Uhrzeigersinn fortgefahren und das mittlere Segment zuletzt benannt wird.
Sie wird überwiegend zur Darstellung der dezimalen Ziffern Null bis Neun verwendet, beispielsweise bei Taschenrechnern oder Digitaluhren, aber teilweise auch auf nicht-elektronischen Anzeigetafeln, bspw. für Lotto-Jackpots. Die Darstellung der Ziffern ist hierbei abstrahiert, also nicht ganz perfekt im Vergleich zur „normalen“ Schrift (besondere Beispiele sind die Ziffern 4 und 7). Durch die hohe Verbreitung von Siebensegementanzeigen fällt diese Abstrahierung im täglichen Leben kaum mehr auf.
Zusätzlich ist rechts oder links der Ziffer oft noch ein Punkt als Kommazeichen integriert. Dieses spezielle Segment wird häufig als dp für dezimal point bezeichnet.
Von einer ½-Ziffer spricht man, wenn nur die Segmente b und c und ein Pluszeichen integriert sind. Damit lassen sich dann 0 (= aus), die Zahl 1, sowie + und – darstellen, z. B. Anzeigen bis 1999. Von einer ¾-Ziffer spricht man, wenn die Zahlen 1, 2, 3 sowie aus angezeigt werden können, z. B. bei Anzeigen bis 3999.
Geschichte
Bereits am 17. Juni 1908 ließ sich F. W. Wood eine Achtsegmentanzeige patentieren, die ein zusätzliches Diagonalsegment zur Darstellung der Ziffer Vier enthielt (Patentnummer US 974,943, erteilt am 8. November 1910). Weitere Verbreitung fanden Segmentanzeigen erst in den 1960er Jahren mit dem Aufkommen der Fluoreszenz- und LED-Anzeigen. Vor der endgültigen Durchsetzung der LED-Technik gab es in den 1970er Jahren Vorläufer in Form von Glühfadenanzeigen zuerst als Numitrons (in Röhrengehäusen) und später als Minitrons (in Plastikgehäusen wie die späteren LED-Versionen).
Darstellung
Die Darstellung von Buchstaben (lateinisch, griechisch, kyrillisch) ist eingeschränkt möglich. Eine gute Lesbarkeit kann jedoch mit der Verwendung von gemischten Klein- und Großbuchstaben erreicht werden. Zur Darstellung von hexadezimalen Ziffern lassen sich beispielsweise die Buchstaben ‹A›, ‹b›, ‹C›, ‹d›, ‹E› und ‹F› relativ gut abbilden.
Für einige Ziffern gibt es Varianten mit einem Segment mehr oder weniger: a in ‹6›, f in ‹7› und d in ‹9›. In sicherheitskritischen Bereichen ist ein Design sinnvoll, in dem der Ausfall eines beliebigen Segments nicht dazu führt, dass eine Ziffer aussieht wie eine andere (z.B. ‹9› oder ‹6› zu ‹5›), sondern der Defekt bemerkt wird. Daneben können auch Präferenzen aus der lokal üblichen Handschrift entscheidend sein.
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Weitere Großbuchstaben, die erkennbar abgebildet werden können, sind ‹G›, ‹H›, ‹J›, ‹L› und ‹U›, mögliche Kleinbuchstaben sind ‹c›, ‹h›, ‹i›, ‹j›, ‹n›, ‹o›, ‹r›, ‹t› und ‹u›, die Zeichen für ‹P›/‹p› und ‹Y›/‹y› sehen für Majuskel und Minuskel identisch aus. Als Sonderzeichen können u. a. das Minuszeichen ‹-›, der Unterstrich ‹_› und vereinfachte Anführungszeichen ‹"› dargestellt werden.
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Manche Buchstaben sehen genauso aus wie die Ziffern, bspw. ‹g›, ‹I› oder ‹l›, ‹O›, ‹S›/‹s›, ‹Z›/‹z› wie ‹9›, ‹1›, ‹0›, ‹5›, ‹2›. Die restlichen lassen sich mit den sieben Segmenten nur schwer darstellen, insbesondere ‹K›/‹k›, ‹M›/‹m›, ‹Q›, ‹R›, ‹T›, ‹V›/‹v›, ‹W›/‹w› und ‹X›/‹x›, da sich die mittleren bzw. diagonalen Striche nicht gut abbilden lassen. Auch Zeichen mit Diakritikum wie die deutschen Umlaute ‹Ä›, ‹Ö› und ‹Ü› bereiten Probleme. Zum Teil gibt es jedoch durchaus akzeptable Behelfsdarstellungen, bspw. für das offene ‹a›, ‹N› und ‹q›.
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Beispiele
Bei einigen CD-Spielern erfolgen Statusinformationen über eine Siebensegmentanzeige:
| Hello |
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| Open |
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| Close |
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| Play |
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| Load |
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| No Disc |
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| Un Disc |
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| -OFF- |
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Ansteuerung
Die Segmente werden heute meist aus Leuchtdioden (LEDs) oder Flüssig-Kristallanzeigen (LCDs) gebildet. Bei sehr großformatigen Anzeigen sind auch Leuchtstoffröhren zur Bildung der Segmente im Einsatz.
Zur Ansteuerung von Siebensegmentanzeigen aus LEDs oder LCDs werden zumeist integrierte Siebensegment-Decoder-Schaltkreise verwendet, welche binär codierte Zahlen (4 bit) auf sieben Bit zur Ansteuerung der sieben Segmente umcodieren. In diskret aufgebauten Uhren der 1970er Jahre kommen bei TTL und kompatiblen (Baureihe 74L…, 74LS…, 74HC…) meist die Typen mit den Endziffern 47 oder 247 zum Einsatz. Bei der CMOS-Baureihe (z. B. CD…) ist es der Typ mit der Endziffer 4511.
Zahlen aus mehreren Ziffern können mit Hilfe des Zeitmultiplexverfahrens angesteuert werden, wodurch nicht für jede Ziffer ein weiterer Decoderschaltkreis erforderlich ist. Nachteilig ist hierbei das Flimmern der Anzeige.
Seit den 1990er Jahren ersetzt teilweise ein programmierbarer Mikrocontroller die vorher in großer Zahl erforderlichen Schaltkreise bei kleineren Anzeigen, wobei jedoch mit einem BCD-zu-7-Segment-Decoder die Anzahl der nötigen I/O-Anschlüsse am Microcontroller verringert werden kann. Bei größeren LED-Anzeigen ist eine direkte Ansteuerung mit Mikrocontrollern oft nicht möglich, da die Ausgänge nicht genug Strom aufbringen können.
Ansteuerung mehrerer Anzeigen mit Mikrocontrollern
Während die Anzeige mehrerer Ziffern mit Zähler-ICs recht unproblematisch ist, wird beim Einsatz von Mikrocontrollern die Zahl der nötigen I/O-Anschlüsse kritisch. So hat z. B. eine Digitaluhr (ohne Sekundenanzeige) 28 Leuchtdioden (bzw. 27, da die Zehner-Stundenziffer ein Segment nicht benötigt). Auch beim Einsatz von Treiber-ICs ist die Anzahl mit 16 recht hoch. Abhilfe wird geschaffen, indem der gemeinsame Anschluss einer Ziffer nicht dauerhaft mit der Versorgungsspannung verbunden wird, sondern die Ziffern nacheinander angesteuert werden. Dann können die sieben getrennten Anschlüsse von allen Ziffern zusammengefasst werden. Dadurch werden für Ziffern I/O-Anschlüsse benötigt, also für eine 4-ziffrige Digitaluhr z. B. 11 Anschlüsse (siehe Multiplexer). Allerdings wird damit eine geringere Helligkeit erreicht, was ggf. durch kleinere Vorwiderstände kompensiert werden kann, was aber evtl. zu Beschädigungen der Anzeige bei Software-Fehlern führt. Auch führt diese Methode zu einem sichtbaren Flackern, wenn die Anzeige mit Fernsehkameras gefilmt wird (ähnlich wie beim Filmen von Bildschirmen).
Eine bessere, jedoch aufwändigere Methode ist, jeder Ziffer ein Treiber-IC mit eingebautem Register (z. B. 4511) vorzuschalten. Der Mikrocontroller kann dann über den Speicher-Eingang die zu ändernde Ziffer auswählen und wie beschrieben über verbundene Datenleitungen diese ändern.
Logiktabelle
Angenommen, eine 7-Segment-Anzeige besitzt vier digitale Eingänge zur Ansteuerung. Dann ergibt sich zur Zifferndarstellung folgende Belegung der Eingänge (x3, x2, x1, x0) für die sieben Segmente (a, b, c, d, e, f, g):
| Wert | x3 | x2 | x1 | x0 | Zeichen | a | b | c | d | e | f | g |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | |
1 | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 | 0 |
| 1 | 0 | 0 | 0 | 1 | |
0 | 1 | 1 | 0 | 0 | 0 | 0 |
| 2 | 0 | 0 | 1 | 0 | |
1 | 1 | 0 | 1 | 1 | 0 | 1 |
| 3 | 0 | 0 | 1 | 1 | |
1 | 1 | 1 | 1 | 0 | 0 | 1 |
| 4 | 0 | 1 | 0 | 0 | |
0 | 1 | 1 | 0 | 0 | 1 | 1 |
| 5 | 0 | 1 | 0 | 1 | |
1 | 0 | 1 | 1 | 0 | 1 | 1 |
| 6 | 0 | 1 | 1 | 0 | |
1 | 0 | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 |
| 7 | 0 | 1 | 1 | 1 | |
1 | 1 | 1 | 0 | 0 | 0 | 0 |
| 8 | 1 | 0 | 0 | 0 | |
1 | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 |
| 9 | 1 | 0 | 0 | 1 | |
1 | 1 | 1 | 1 | 0 | 1 | 1 |
| 10 | 1 | 0 | 1 | 0 | |
1 | 1 | 1 | 0 | 1 | 1 | 1 |
| 11 | 1 | 0 | 1 | 1 | |
0 | 0 | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 |
| 12 | 1 | 1 | 0 | 0 | |
1 | 0 | 0 | 1 | 1 | 1 | 0 |
| 13 | 1 | 1 | 0 | 1 | |
0 | 1 | 1 | 1 | 1 | 0 | 1 |
| 14 | 1 | 1 | 1 | 0 | |
1 | 0 | 0 | 1 | 1 | 1 | 1 |
| 15 | 1 | 1 | 1 | 1 | |
1 | 0 | 0 | 0 | 1 | 1 | 1 |
Schaltfunktionen für die Segmente
Folgende Schaltfunktionen in Disjunktiver Normalform (DNF) ergeben sich aus obiger Logiktabelle:
Beschränkt man sich auf die Dezimalziffern, so vereinfachen sich die Funktionen zu:
Ältere Siebensegmenttreiberbausteine, die nur die Dezimalziffern 0 bis 9 anzeigen können, enthalten nur die im letzten Abschnitt dargestellten logischen Funktionen und zeigen Zeichensalat an, wenn die Hexadezimalwerte A bis F am Eingang anliegen.
Vierzehnsegmentanzeige
Die Vierzehnsegmentanzeige dient vor allem der Darstellung der großen Buchstaben des lateinischen Alphabets. Kleine Buchstaben kann man nur bedingt darstellen.
Das mittlere horizontale Element der 7-Segment-Anzeige wird dazu in zwei Teilsegmente, g1 und g2, geteilt. Die beiden zusätzlichen senkrechten Segmente in der horizontalen Mitte sowie die diagonalen Elemente zwischen Ecken und Mitte werden von oben-links nach unten-rechts mit h bis m bezeichnet.
Sechzehnsegmentanzeige
Mit dieser Anzeige kann man zusätzlich noch weitere Zeichen und Symbole anzeigen, z. B. das %-Zeichen
Ergänzend zur Anzeige mit 14 Segmenten werden auch das obere und untere horizontale Segment geteilt in a1 und a2 sowie d1 und d2.
