Segmentanzeige

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Digitaluhr von 1978 mit LED-Anzeige. Links Uhrzeit, rechts Tag/Datum

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 BMG/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[Bearbeiten]

Anordnung der Segmente a bis g

Eine Siebensegmentanzeige ist ein Anzeigeelement aus sieben separat schaltbaren, sichtbaren 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 hier abstrahiert, also nicht ganz perfekt im Vergleich zur „normalen“ Schrift (besonders augenfällige Beispiele sind die Ziffern 4 und 7). Durch die hohe Verbreitung von Siebensegementanzeigen fällt diese Abstrahierung im täglichen Leben kaum mehr auf.

Tankstellenanzeige mit mechanisch angesteuerten oder manuell einstellbaren Ziffern

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.

Da die meisten Systeme heute mit einer Datenbreite von 8 Bit oder Vielfachem davon arbeiten, gibt es bei den meisten Anzeigeelementen noch ein achtes „Element“ in Form eines Punktes auf der Basislinie rechts neben dem Segment d (rechts, weil dort aufgrund der meistens kursiven Ausrichtung des Zeichens mehr Platz als links ist). Der Punkt wird über ein achtes Datenbit angesteuert und dient meistens als Dezimaltrennzeichen, wird aber je nach Bedarf auch ganz anders eingesetzt.

Geschichte[Bearbeiten]

Bereits am 17. Juni 1908 ließ sich Frank 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 dem Durchbruch der LED-Technik gab es in den 1970er Jahren Vorläufer in Form von Ziffernanzeigeröhren in Glühfaden-Technik – „Numitrons“ (in Röhrengehäusen) und später „Minitrons“ (in Plastikgehäusen wie die späteren LED-Versionen) – oder als Gasentladungsröhre.

Darstellung[Bearbeiten]

Die Darstellung von Buchstaben (lateinisch, griechisch, kyrillisch) ist eingeschränkt möglich. Eine gute Lesbarkeit kann durch 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.

1 2 3 4 5 6 7 8 9
A b C d E F/f 6 7 9

Weitere Großbuchstaben, die erkennbar abgebildet werden können, sind ‹G›, ‹H›, ‹I›, ‹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.

G H I J L U
c h i j n o r t u
P/p Y/y
- _ "

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›.

a N q

Beispiele[Bearbeiten]

Bei einigen CD-Spielern erfolgen Statusinformationen über eine Siebensegmentanzeige:

Hello HELLO
Open OP/pEN
Close CLOSE
Play P/pLAY/y
Load LOAd
No Disc NOdISC
Un Disc UNdISC
-OFF- -OF/fF/f-

Ansteuerung[Bearbeiten]

Sieben-Segment-Numitron-Röhre. Jedes Segment besteht aus einem glühenden Glühlampenfaden – eine der ersten Siebensegmentanzeigen.
Leuchtdioden-Siebensegmentanzeige

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 meist integrierte Siebensegment-Decoder-Schaltungen (ICs) 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 CMOS-Bausteinen (Baureihe 74L…, 74LS…, 74HC…) meist die Typen mit den Endziffern 47 oder 247 zum Einsatz. Bei der Standard-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 dabei das Flimmern der Anzeige.

Seit den 1990er Jahren ersetzt teilweise ein programmierbarer Mikrocontroller die vorher in großer Zahl erforderlichen ICs 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[Bearbeiten]

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 n Ziffern 7+n I/O-Anschlüsse benötigt, also für eine 4-ziffrige Digitaluhr z. B. 11 Anschlüsse (siehe Multiplexer). Damit wird eine geringere Helligkeit erreicht, was ggf. durch kleinere Vorwiderstände kompensiert werden kann. Allerdings kann das bei Softwarefehlern zu Beschädigungen der Anzeige führen. 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 es, 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[Bearbeiten]

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):

Alle 128 möglichen Kombinationen einer Siebensegmentanzeige
Eingänge und Segmente
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 1 0 1 1 0 0 0 0
2 0 0 1 0 2 1 1 0 1 1 0 1
3 0 0 1 1 3 1 1 1 1 0 0 1
4 0 1 0 0 4 0 1 1 0 0 1 1
5 0 1 0 1 5 1 0 1 1 0 1 1
6 0 1 1 0 6 1 0 1 1 1 1 1
7 0 1 1 1 7 1 1 1 0 0 0 0
8 1 0 0 0 8 1 1 1 1 1 1 1
9 1 0 0 1 9 1 1 1 1 0 1 1
10 1 0 1 0 A 1 1 1 0 1 1 1
11 1 0 1 1 B 0 0 1 1 1 1 1
12 1 1 0 0 C 1 0 0 1 1 1 0
13 1 1 0 1 D 0 1 1 1 1 0 1
14 1 1 1 0 E 1 0 0 1 1 1 1
15 1 1 1 1 F 1 0 0 0 1 1 1

Schaltfunktionen für die Segmente[Bearbeiten]

Folgende Schaltfunktionen in Disjunktiver Normalform (DNF) ergeben sich aus obiger Logiktabelle:

  1. x_3 \bar{x_2} \bar{x_1} +  \bar{x_3} x_2 x_0 +  \bar{x_2} \bar{x_0} + x_3 \bar{x_0} + \bar{x_3} x_1 + x_2 x_1
  2.  \bar{x_3} \bar{x_1} \bar{x_0} + x_3 \bar{x_1} x_0 +  \bar{x_3} x_1 x_0 +  \bar{x_2} \bar{x_0} +  \bar{x_3} \bar{x_2}
  3.  \bar{x_3} \bar{x_1} + x_3 \bar{x_2} +  \bar{x_3} x_2 +  \bar{x_1} x_0 +  \bar{x_3} x_0
  4.  \bar{x_3} \bar{x_2} \bar{x_0} + \bar{x_2} x_1 x_0 + x_2 x_1 \bar{x_0} + x_2 \bar{x_1} x_0 + x_3 \bar{x_1}
  5. x_1 \bar{x_0}  + x_3 x_1 + x_3 x_2 + \bar{x_2} \bar{x_0}
  6.  \bar{x_3} x_2 \bar{x_1}  +  \bar{x_1} \bar{x_0}  + x_3 \bar{x_2}  + x_2 \bar{x_0}  + x_3 x_1
  7.  \bar{x_3} x_2 \bar{x_1}  + x_3 \bar{x_2}  + x_1 \bar{x_0}  +  \bar{x_2} x_1 + x_3 x_0

Beschränkt man sich auf die Dezimalziffern, so vereinfachen sich die Funktionen zu:

  1. x_1 + x_2 x_0 + x_3 + \bar{x_2} \bar{x_0}
  2. \bar{x_2} + \bar{x_1} \bar{x_0} + x_1 x_0
  3. x_0 + \bar{x_1} + x_2
  4. x_3 + \bar{x_2} x_1 + x_1 \bar{x_0} + x_2 \bar{x_1} x_0 + \bar{x_2} \bar{x_0}
  5. \bar{x_2} \bar{x_0} + x_1 \bar{x_0}
  6. x_3 + x_2 \bar{x_1} + \bar{x_1} \bar{x_0} + x_2 \bar{x_0}
  7. x_3 + x_1 \bar{x_0} + \bar{x_2} x_1 + x_2 \bar{x_1}

Siebensegment-Treiberbausteine, die nur die Dezimalziffern 0 bis 9 anzeigen können, enthalten nur die im letzten Abschnitt dargestellten logischen Funktionen und zeigen unsinnige Zeichen an, wenn die Hexadezimalwerte A bis F am Eingang anliegen.

Vierzehnsegmentanzeige[Bearbeiten]

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 Siebensegmentanzeige 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[Bearbeiten]

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.

Referenzen[Bearbeiten]

  1. BMG/MIS-Geascript-Segmentschriften

Weblinks[Bearbeiten]

 Commons: Segmentanzeige – Sammlung von Bildern, Videos und Audiodateien