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一款赛博朋克VFD时钟

  曾在大学一直关注的论坛,时隔一年多又来发DIY了。之前大部分制作的都是关于电源的,现阶段在做VFD,想把把自己花了几个月的做出来的时钟进行一个分享,让更多喜欢VFD的小伙伴加入! 一、VFD显示原理1.VFD简介
  真空荧光显示屏(VACUUM FLUORESCENT DISPLAY)是从真空电子管发展而来的显示器件,由发射电子的阴极(直热式,统称灯丝)、加速控制电子流的栅极、玻璃基板上印上电极和荧光粉的阳极及栅网和玻盖构成。它利用电子撞击荧光粉,使荧光粉发光,是一种自身发光显示器件。
  跟LED、LCD相比较,由于它可以做 多色彩显示,亮度高 ,不受周围环境的影响,即使在晚上,也同样发出鲜亮的光彩。VFD的 寿命 在3万小时以上的连续工作寿命,即可以持续工作十年以上,比LCD、LED的寿命要长几乎一倍左右。VFD荧光显示屏,VFD荧光显示屏由于其高亮度,多色彩,长寿命,抗干扰,高亮度等特性被广泛应用于各类家电,衡器,电子仪器仪表,军工等很多领域。 2.VFD驱动
  VFD也是通过快速扫描从而实现视觉暂留效果。这个如果单纯用单片机和三极管实现确实比较难,而且资源也比较浪费,这个工作可以交给一些串并转换芯片实现,比如负压PT63系列芯片、正压HT165系列芯片(这种芯片比较贵)! 3.VFD供电
  分为灯丝电源和高压电源。灯丝一般采用交流,因为大多屏都是交流屏,若用直流供电那么两侧电势不同会导致亮度不一致,影响体验。高压根据驱动芯片,大多是采用负压,把负压偏压到交流灯丝上,然后阳极栅极给0电势时,由于灯丝电势低,电子被阳极栅极吸引加速撞击荧光粉即可发光。 二、VFD制作过程
  之前最早接触的一款VFD屏是朋友送的,那款屏幕大概是2017年左右流放到市场的,这种屏幕大部分都是上个世纪的产物,很多都是库存货。估计看了下面的照片很多玩VFD的朋友都会比较熟悉。
  这款是台湾产的,型号11-BT-222GNK,用的驱动芯片是PT6311,电源是变压器所产生的。这款屏幕显示元素比较多,所以只要设计的好,显示效果是非常棒的!
  我展示一下我当时做的效果,可能不是很完善,但是感觉效果还可以!屏幕显示的视频放在了下方压缩包里面,有兴趣的小伙伴可以下载看一下!这款是控制芯片是用的STM32F103C8T6(很经典的一款芯片),功能是每天获取一次网络时间,然后通过RTC走时!虽然RTC精度达不到,但是每天网络校准一次也是很精确了!这个屏幕现在基本上买不到了,所以代码也没有太大的研究价值了,如果有需要的小伙伴私聊我也行!
  11-BT-222GNK.zip
  三、从0开发的驱动和控制1.选取缘由
  因为上面那一款屏幕已经快没有了,就考虑到选取其他屏幕进行设计。之前那款屏幕是带驱动板的,所以不需要考虑驱动问题,只需要做一个单片机控制就行。在这个设计过程中最大的难点就是驱动板电源的设计,考虑到正压驱动芯片成本比较贵的问题,所以就选择了负压驱动芯片,本次设计我个人选取的是PT6315,因为这个芯片性价比最高。对于电源大概分为两种选择,一种是变压器,另一种是非变压器(用CUK电路)。 2.屏幕选择及测验
  这款屏幕尺寸12x5.5cm,厚度1.3cm。这个屏幕不管是外观尺寸还是分量都是相当不错的。我个人是感觉这个屏幕非常漂亮。
  这个是变压器驱动点亮的,当然刚开始最原始有效的方法就是两路电源(灯丝+3.5V和栅源极+20V)强行点亮。每款屏幕的电压可能不太一样,其实测试的时候可以先慢慢升高灯丝电压,直到看到灯丝略微发红,然后就可以加栅源电压。这个屏幕最后的效果其实看起来还是有很大的发挥空间的。包含了年月日时分秒正好适合做一款时钟。下面是我测试得出来的简略说明书(上面电压是一个最低的启动电压)。
  3.变压器方案
  刚开始我是选择的变压器,理由是电路简单以及成本低廉。我在某宝上找到了一款专门为VFD设计的变压器。
  这个电路看起来就比较简单,直流通过RC震荡形成灯丝需要的交流电压。其实技巧点有两个:一个是前面震荡频率,另一个是后面的偏压电路。下面电路图是一种偏压电路,因为屏幕点亮的条件就是栅极电压(这里采用负压解释)需要高于灯丝交流电压,所以这就需要一个偏置电路,让负压高于交流电压。
  这个设计方案在我尝试的过程中遇到了一些问题。我当时没有进行拍照,在做后来的测试过程中将其拆了,所以剩下的就是下面图中的残渣!因为是在做实验,所以尺寸以及电路走线布局都是没有放入首要考虑。
  这个方案其实存在一下问题: 第一点因为自己做DIY,量比较少,所以就只能采用现成型号的变压器,这就会导致变压器输出功率和屏幕不匹配的问题。如果输出能力高于屏幕还好(这个可以解决),但是如果达不到屏幕所需功率,就会导致屏幕亮度达不到,显示效果自然不佳!显示效果就是上面(2.屏幕选择及测验)展示的图。因为这款屏幕比较大,所以自然就是后一种功率提供不足(这个变压器在5V情况下,大概输出0.4A电流,而这个屏幕是0.5A以上最佳)!
  第二点就是这个采用的三级管驱动,效率低,发热严重!这个其实是因为变压器前面RC震荡形成的是正弦波,所以在带载情况下,有一部分三极管导通是不完全的。如果采用MOS效果可能会更好一些。 4.非变压器方案
  为了追求更好的显示效果,当然需要另辟蹊径了,虽然还需要进行更多的实验,但是这不正是DIY的乐趣吗!经过大量查阅资料以及实验,对于灯丝的交流驱动,这个可以选取TI的一款专门的驱动芯片LM9022,但是这个芯片已经停产,可能是因为VFD屏幕已经不怎么使用了。这个芯片的一些库存是真的贵!后来选取了一款它的升级芯片并且完全兼容,就是LM4871。我前面提到屏幕驱动芯片是采用的PT6315,所以这里需要一个-28V左右的电压。最开始考虑到价格问题就选取MC34063,这个芯片几毛一片是真的便宜。下面是大致电路。
  但是这个存在问题就是,MC34063做CUK电路,内部是三极管,对于从+5V输入,-28输出,这个压差是很大的。MC34063效率就会特别低,发热很严重,最后会把内部三极管烧坏导致芯片不工作。
  后面就换了另一款芯片XL6007,这个芯片转换效率是比较高的,也不会出现发热严重。下面是电路图。
  (此处电路引用自:https://oshwhub.com/XACT/hna-16mm64-vfd-di-ban) 5.控制电路
  其实这款屏幕最大的难点就是上面讲的驱动电路。驱动电路做出来之后控制电路就会简单一些。单片机我是选择STM32F031C6T6,这个芯片之前是用在电动车上的,量比较大,所以这次芯片涨价没有殃及到它。对于时钟芯片有两款高精度的可以选择,第一款是DS3231、第二款是RX8025(RX8025T和RX8025AC)。
  对于这两款芯片我简单做个对比总结:精度方面DS3231精度略大于RX8025,但是基本上是察觉不到的,两款年误差都是在一分钟内。其次是价格方面RX8025要比DS3231便宜很多。两款都支持主备电源切换。综上性价比还是RX8025更高一些。我是选择的RX8025T,内部在温度补偿。 6.实物展示
  今天比较晚了,帖子先更新这么多,后面会持续更新,先上图以及视频展示一下效果。视频超过了5M好像上传不了,我上传到了抖音,可以搜索dyrfr4szwhtz查看这款以及上一款视频效果,当然也做了几套,有喜欢的小伙伴可以点这个链接VFD实物,查看实物视频!
  这个是亚克力壳子。前面是黑茶半透明,其余六个面用的是黑色不透,这样做的效果是能够让屏幕滤光之后效果更佳,其次其他面看起来更显时尚复古一些!
  这个是没有加外壳的情况下,显得更有科技感一些,供电是直接用Typec供电。
  下面这个是全家福,对于驱动板和控制板,上面都留有Cyberpunk阻焊(银色效果),更具赛博朋克风格!
  对驱动板做了一个特拍!
  压缩包可到原文获取:
  https://www.dianyuan.com/bbs/2504551.html

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