制作YS9-4六管荧光电子管数码时钟(5)
时间:2013-03-03 15:55 来源:未知 作者:admin 点击:次
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确定了驱动形式后，首先需要解决的是高压部分的生成方案，通常驱动VFD可以选择使用正高压与负高压进行驱动，市场上常见的驱动芯片以负压的为多，而且价格低廉，本制作决定采用负高压驱动。在负高压的生成部分可以考虑使用单片机驱动分立元件组成的Buck-Boost电路来生成，它的优点是零件较少，成本较低，缺点是需要单片机主动驱动与电压检测，消耗单片机资源，而且由于驱动频率不高，电感尺寸较大，占用过多空间。考虑本制作的尺寸限制，此部分电路考虑使用专用的升压芯片构成。 在专用升压电源芯片的选型中，应首先考虑工作频率在300kHz以上的驱动芯片，驱动频率越高，所需要的电感量也就越小，则同样的输出电流的情况下，所使用的电感的尺寸也就越小。一般建议选择工作频率在１MHz左右的驱动芯片，在-20V，30mA输出电流的情况下，可以使用小尺寸的3*3mm微型功率电感，节约了大量的PCB空间。在驱动芯片的实际选型中，发现市场上大部分负压升压芯片都很难采购到，即使能够采购到，价格也高的离谱，在这种情况下，实际采用的电路形式是使用易采购的专用正压升压芯片构造升压电路，在输出端采用电容与二极管组成的电压反转电路输出负压。这种类型的负压转换电路的原理比较简单，可以简单地理解为直流方波经第一个电容转换成交流方波，交流方波的正向与负向分别通过两个二极管向第二个电容的两端充电，形成负输出电压(如果将电路中的D2位置设置成垂直，更容易理解)。理想状态下的负电压端可获得输入电压减去两个二极管压降后的负电压。这种转换电路的优点是价格低廉，零件易购，缺点是电流输出能力有限，且由于负输出端没有反馈，所以输出电压稳定性不高。 通过实际搭建的电路测试，获得的实验结果是：ys9-4单管全亮时典型所需高压电流是4mA，6个管子所有笔段全部点亮时总共需要大约24mA电流，在实际测试中，空载输出电压-24V的情况下，输出电流以30mA计，实际电压掉落大约3.2V左右，且长时间测试后并未发现电路有零件明显发热。由于大部分情况下VFD管并不是所有笔段全亮的，实际工作所需电流只有一半左右，而且VFD管允许一定程度的电压波动，所以以上测试结果基本可以满足实际驱动的需求。
就灯丝驱动电路需求上看，因YS9-4管子尺寸较短，灯丝电压很低，只需要1V2即可驱动。在规格说明书上标明允许使用交流或直流电压进行灯丝驱动，通过实际比较，使用交流或直流电源为灯丝供电，都不会产生明显的亮度差异，可根据实际情况进行选择。考虑到本制作高压部分采用负压驱动，需要与灯丝电压进行隔离，所以灯丝部分驱动电路采用交流电压进行驱动，灯丝电压与高压之间使用耦合电容进行隔离。在5V主供电电路中直接产生1V2左右的交流驱动电压，设计上存在一些困难，即使能够生成，实际驱动效率也不高，在综合线路复杂程度与制作成本的考量，最后决定将YS9-4的灯丝两两串联后使用2V4的交流电压进行驱动。当然，由于在设计上两只管子的灯丝是串联在一起的，所以如果出现一只显示管的灯丝断路的现象，会导致两只灯管不亮，检查时要注意到这点，不要错将好的灯管也更换掉。 电路中生成2V4的交流电压的方法是使用半桥电路，将5V直流电转换成半压的交流电，由于转换效率上不可能做到100%完美转换，通过调试，在优化半桥驱动频率与占空系数的情况下，可以做到两管串联的灯丝两端平均电压在2V2~2V3之间，基本符合管子灯丝驱动要求，实际显示效果稳定。
转接板的设计
转接板的主要功能是将显示器件的相关引脚通过排插座连接，以方便插接到主板上使用。由于板上零件很少，只有发光管与YS9-4显示管以及排插座，所以在PCB的连线设计上是比较容易的，主要就是要注意到灯丝引脚部分线路需要加粗。 在实际设计中，考虑在可制作的前提下，尽量使用较小尺寸的PCB规格，通过综合测量与比对，最后设计采用的是1.2cm*3.0cm尺寸的双面PCB设计，考虑到尽量使用较小的布局，但又要保持安装后的稳定性，所以总体结构上将YS9-4显示管设计在转接板的中心，转接板的上下两边选择采用2.0mm间距的排插座，主要目的是降低与主板接插后的整体高度（通常2.54mm的插座与插针连接后的连接塑料件部分的高度1cm，而2.0mm规格的高度只有大约6mm）。上下两边的排插座在选择上使用下边5pin*2规格，上边选择4Pin*2规格错位排列，可在一定程度上防止插反。实际设计中上方的4Pin*2规格的排插座只使用了6脚，主要是考虑到防反插设计的需要，以及3Pin*2规格的排插许需要定制的原因。 在转接板的中心设设置的是位于显示管下方的LED，总共设计了两种规格的发光管，分别是RGB真彩色的贴片二极管与3mm直径的单色直插LED，其中RGB真彩色为1210超小型表贴封装，可以大大降低显示管的高度，而3mm直径的单色直插发光管则具有一定的高度，可以抬高显示管的高度，可适应不同高度外壳的安装要求。使用单色直插管的原因是由于尺寸限制，无法同时在板上布下表贴与直插两种规格的真彩色LED。 默认设计的转接板是针对绍兴电子管厂生产的YS9-4显示管的管脚排列定制的，如果读者手头的管子规格不同，则需要自行设计转接板，只需要确保连接到排插座的引脚是一一对应的即可，如果无法做到一一对应，则应至少确保显示管的灯丝位置及LED连线保持一致，对于显示管的阳极与栅极引脚可根据实际情况自己排列在原范围内，这一部分的适配可在软件层部分进行修改。
真彩LED驱动方案
由于本制作采用的真彩色与单色LED可选的方式，为了丰富显示效果，在电路设计上应做到对每个LED单独进行控制，以使其产生独立的色彩变化。对于这种数量较多的LED的独立控制应用需求，单纯使用单片机来控制难以实现，所以考虑上用专用的恒流驱动芯片。通过对市场上多种LED显示芯片的比较与实际测试，最后选择点晶科技公司生产的专用8x3-通道LED 恒流驱动芯片DM163，完成所有真彩色LED的驱动工作。 DM163 是专为LED 显示应用所设计的恒流驱动芯片，其内部主要结构是串入移位缓存器、锁存器、恒流电路、以及64 x 256 灰度PWM 功能单元组成，总共提供8ⅹ3 个输出通道，分成三组独立的可由三个外部电阻确定的恒流输出（通道恒流输出5mA~60mA），可独立驱动8只RGB真彩色LED。DM163内部还设置有两级灰度数据，分别是BANK0中的6 bits灰度数据与BANK1中的8bits灰度数据。一般应用中，将其中某BANK中的数据作为校正数据，另一BANK中的数据作为图象灰度数据使用。整个芯片与外部电路的通讯连接使用简单的串行移位输入数据通路，连线数量少，通讯方式简单，非常适合本制作使用。 (责任编辑：admin) |
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