Objectifs d'apprentissage
- Décrire le principe d'un afficheur 7 segments et la fonction de chacun des 7 segments (a à g) plus le point décimal
- Distinguer le câblage à cathode commune (segments actifs à l'état haut) du câblage à anode commune (segments actifs à l'état bas)
- Utiliser la table de vérité d'un décodeur BCD → 7 segments pour déterminer l'état des sorties à partir d'un code BCD d'entrée
- Calculer la résistance de limitation de courant à placer en série avec un segment à partir de Vcc, de la tension de seuil de la LED et du courant direct souhaité
- Expliquer le principe du multiplexage temporel pour piloter plusieurs afficheurs 7 segments avec un nombre réduit de broches
- Décrire le principe de fonctionnement d'un afficheur LCD alphanumérique et ses signaux de commande (RS, R/W, E, bus de données)
- Distinguer l'interfaçage LCD en mode 8 bits (bus D0–D7) et en mode 4 bits (bus D4–D7, deux écritures successives par octet)
Formules et résultats clés
Afficheur 7 segments : anode commune vs cathode commune
Un afficheur 7 segments contient 7 LED (notées a à g) plus un point décimal, disposées pour former des chiffres. En cathode commune, toutes les cathodes sont reliées à la masse : un segment s'allume quand son entrée est à l'état haut. En anode commune, toutes les anodes sont reliées au Vcc : un segment s'allume quand son entrée est à l'état bas. Le décodeur qui pilote l'afficheur doit produire des sorties cohérentes avec ce câblage.
Décodeur BCD → 7 segments
Le décodeur convertit un code BCD (4 bits, valeurs 0 à 9) en 7 sorties, une par segment, de façon à représenter le chiffre correspondant. Sa table de vérité est fixée par la géométrie des segments : par exemple pour afficher 0, les segments a, b, c, d, e, f sont actifs et g reste inactif (aucun trait central), tandis que pour afficher 1, seuls b et c sont actifs.
Résistance de limitation de courant
Chaque segment (une LED) doit être protégé par une résistance série qui limite le courant à une valeur sûre — typiquement quelques mA à une vingtaine de mA selon la LED. Sans cette résistance, le courant n'est limité que par la faible résistance interne de la LED, ce qui la détruit très rapidement.
Multiplexage temporel
Pour afficher plusieurs chiffres avec un nombre réduit de broches, les afficheurs partagent les mêmes lignes de segments et sont activés à tour de rôle, très rapidement. Tant que la fréquence de balayage complet reste supérieure à la persistance rétinienne de l'œil (environ 50 Hz), l'utilisateur perçoit tous les chiffres comme allumés en permanence.
Afficheur LCD alphanumérique
Un afficheur LCD alphanumérique intègre son propre contrôleur (mémoire de caractères, générateur de police, logique de commande). Le microcontrôleur communique avec lui via un bus de données (8 bits ou seulement 4 bits, avec deux écritures successives par octet en mode 4 bits) et trois signaux de commande : RS (sélection registre commande/donnée), R/W (lecture/écriture) et E(validation, qui déclenche la prise en compte d'une écriture par une transition).
Erreurs fréquentes
Confondre le sens de commande d'un afficheur à anode commune et à cathode commune : un décodeur prévu pour sorties actives haut pilote correctement un afficheur à cathode commune, mais afficherait l'inverse (segments complémentaires allumés) sur un afficheur à anode commune sans inversion des sorties.
Oublier la résistance de limitation de courant en série avec chaque segment (ou avec le bus commun en cas de résistance unique côté commun) : sans elle, le courant n'est limité que par la faible résistance interne de la LED et de la source, ce qui la détruit quasi instantanément.
Calculer la résistance de limitation en utilisant Vcc seul au lieu de (Vcc − tension de seuil de la LED) : la chute de tension aux bornes de la LED allumée n'est pas nulle et doit être soustraite avant de diviser par le courant souhaité.
Choisir une fréquence de multiplexage trop basse : en dessous d'environ 50 Hz de fréquence de balayage complet, l'œil humain perçoit un scintillement au lieu d'un affichage stable, même si chaque afficheur reste correctement piloté à son tour.
Oublier qu'en mode 4 bits, chaque octet de commande ou de donnée envoyé au LCD nécessite deux écritures successives (quartet de poids fort puis quartet de poids faible) et non une seule comme en mode 8 bits.
Exemple corrigé — Choix de la résistance de segment
Énoncé
Un afficheur 7 segments à cathode commune est alimenté sous Vcc = 5 V. Chaque LED de segment a une tension de seuil Vf = 1,8 V et doit être traversée par un courant direct If = 15 mA pour un éclairement correct. Déterminer la résistance série à placer sur chaque segment, puis expliquer pourquoi une seule résistance placée sur la broche commune (cathode commune) ne serait pas équivalente.
Correction
R = (Vcc − Vf) / If = (5 − 1,8) / 0,015 = 3,2 / 0,015 ≈ 213 Ω. On choisirait en pratique une valeur normalisée proche, par exemple 220 Ω.
Une résistance unique placée sur la broche commune limiterait le courant total de tous les segments allumés simultanément, mais pas le courant de chaque segment individuellement : le nombre de segments allumés varie selon le chiffre affiché (par exemple 6 segments pour le 0, seulement 2 pour le 1), donc le courant par segment varierait avec le chiffre affiché, ce qui donnerait une luminosité inégale d'un chiffre à l'autre.
Une résistance série par segment garantit au contraire un courant identique dans chaque segment allumé, quel que soit le nombre de segments actifs — d'où une luminosité homogène pour tous les chiffres affichés.
3 exercices pour t'entraîner
Exercice 1
FacileUne LED de segment a une tension de seuil de 2 V et doit être traversée par un courant direct de 10 mA. L'alimentation est Vcc = 5 V. Calculer la valeur de la résistance série à utiliser.
Voir la correction
R = (Vcc − Vf) / If = (5 − 2) / 0,010 = 3 / 0,010 = 300 Ω. On choisirait en pratique la valeur normalisée la plus proche disponible (par exemple 330 Ω), ce qui réduit légèrement le courant réel en dessous de 10 mA — une marge de sécurité acceptable.
Exercice 2
MoyenUn afficheur 7 segments est à cathode commune. Le décodeur BCD → 7 segments utilisé produit des sorties actives à l'état haut. Pour afficher le chiffre 0, les segments a, b, c, d, e, f doivent être allumés et g éteint. Donner l'état logique (0 ou 1) attendu sur chacune des sorties a à g du décodeur.
Voir la correction
Comme l'afficheur est à cathode commune et le décodeur produit des sorties actives haut, un segment est allumé quand sa sortie vaut 1. Pour afficher 0 : a=1, b=1, c=1, d=1, e=1, f=1, g=0 (le segment central g reste éteint, cohérent avec la forme du chiffre 0).
Exercice 3
DifficileUn tableau de bord affiche 4 chiffres avec 4 afficheurs 7 segments multiplexés, partageant les mêmes 7 lignes de segments. Pour éviter tout scintillement visible, la fréquence de balayage complet des 4 afficheurs doit être d'au moins 50 Hz. Déterminer la durée maximale d'activation de chaque afficheur individuel, et le rapport cyclique (duty cycle) correspondant pour un afficheur donné.
Voir la correction
Une fréquence de balayage complet de 50 Hz correspond à une période complète T = 1/50 = 20 ms pour parcourir les 4 afficheurs. Chaque afficheur est donc activé pendant au maximum T/4 = 20/4 = 5 ms avant de passer au suivant. Le rapport cyclique de chaque afficheur est de 1/4 = 25 % : chaque afficheur n'est réellement allumé qu'un quart du temps, mais à une cadence trop rapide pour que l'œil le perçoive — d'où l'impression d'un affichage continu des 4 chiffres.
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Questions fréquentes
Quelle est la différence entre un afficheur 7 segments à anode commune et à cathode commune ?
Dans un afficheur à cathode commune, toutes les cathodes des LED sont reliées à la masse : on allume un segment en imposant un niveau haut sur son entrée (logique active à l'état haut). Dans un afficheur à anode commune, toutes les anodes sont reliées au Vcc : on allume un segment en imposant un niveau bas sur son entrée (logique active à l'état bas). Le décodeur BCD → 7 segments doit être choisi en cohérence avec ce câblage (sorties actives haut ou actives bas).
À quoi sert la résistance placée en série avec chaque segment ?
Une LED (chaque segment en est une) n'a pratiquement pas de résistance interne limitant le courant : sans résistance série, le courant serait limité seulement par la source, ce qui détruirait la LED presque instantanément. La résistance série fixe le courant direct à une valeur sûre (typiquement quelques mA à ~20 mA) en absorbant la différence entre la tension d'alimentation et la tension de seuil de la LED.
Pourquoi multiplexer plusieurs afficheurs 7 segments au lieu de les alimenter tous en continu ?
Alimenter en continu N afficheurs nécessiterait de contrôler individuellement 7×N segments, ce qui multiplie le nombre de broches et de courant consommé. En multiplexage, un seul décodeur pilote les segments communs à tous les afficheurs, et on active les afficheurs un par un, très rapidement (fréquence de balayage supérieure à la persistance rétinienne, environ 50 Hz) : l'œil perçoit alors tous les afficheurs comme allumés simultanément, pour un câblage et une consommation bien réduits.