一款賽博朋克VFD時鐘

曾在大學一直關注的論壇，時隔一年多又來發DIY了。之前大部分制作的都是關于電源的，現階段在做VFD，想把把自己花了幾個月的做出來的時鐘進行一個分享，讓更多喜歡VFD的小伙伴加入！

一、VFD顯示原理

1.VFD簡介

真空熒光顯示屏（VACUUM FLUORESCENT DISPLAY）是從真空電子管發展而來的顯示器件，由發射電子的陰極（直熱式，統稱燈絲）、加速控制電子流的柵極、玻璃基板上印上電極和熒光粉的陽極及柵網和玻蓋構成。它利用電子撞擊熒光粉，使熒光粉發光，是一種自身發光顯示器件。

跟LED、LCD相比較，由于它可以做多色彩顯示，亮度高，不受周圍環境的影響，即使在晚上，也同樣發出鮮亮的光彩。VFD的壽命在3萬小時以上的連續工作壽命，即可以持續工作十年以上，比LCD、LED的壽命要長幾乎一倍左右。VFD熒光顯示屏，VFD熒光顯示屏由于其高亮度，多色彩，長壽命，抗干擾，高亮度等特性被廣泛應用于各類家電，衡器，電子儀器儀表，軍工等很多領域。

2.VFD驅動

VFD也是通過快速掃描從而實現視覺暫留效果。這個如果單純用單片機和三極管實現確實比較難，而且資源也比較浪費，這個工作可以交給一些串并轉換芯片實現，比如負壓PT63系列芯片、正壓HT165系列芯片（這種芯片比較貴）！

3.VFD供電

分為燈絲電源和高壓電源。燈絲一般采用交流，因為大多屏都是交流屏，若用直流供電那么兩側電勢不同會導致亮度不一致，影響體驗。高壓根據驅動芯片，大多是采用負壓，把負壓偏壓到交流燈絲上，然后陽極柵極給0電勢時，由于燈絲電勢低，電子被陽極柵極吸引加速撞擊熒光粉即可發光。

二、VFD制作過程

之前最早接觸的一款VFD屏是朋友送的，那款屏幕大概是2017年左右流放到市場的，這種屏幕大部分都是上個世紀的產物，很多都是庫存貨。估計看了下面的照片很多玩VFD的朋友都會比較熟悉。

這款是臺灣產的，型號11-BT-222GNK，用的驅動芯片是PT6311，電源是變壓器所產生的。這款屏幕顯示元素比較多，所以只要設計的好，顯示效果是非常棒的！

我展示一下我當時做的效果，可能不是很完善，但是感覺效果還可以！屏幕顯示的視頻放在了下方壓縮包里面，有興趣的小伙伴可以下載看一下！這款是控制芯片是用的STM32F103C8T6（很經典的一款芯片），功能是每天獲取一次網絡時間，然后通過RTC走時！雖然RTC精度達不到，但是每天網絡校準一次也是很精確了！這個屏幕現在基本上買不到了，所以代碼也沒有太大的研究價值了，如果有需要的小伙伴私聊我也行！

11-BT-222GNK.zip

三、從0開發的驅動和控制

1.選取緣由

因為上面那一款屏幕已經快沒有了，就考慮到選取其他屏幕進行設計。之前那款屏幕是帶驅動板的，所以不需要考慮驅動問題，只需要做一個單片機控制就行。在這個設計過程中最大的難點就是驅動板電源的設計，考慮到正壓驅動芯片成本比較貴的問題，所以就選擇了負壓驅動芯片，本次設計我個人選取的是PT6315，因為這個芯片性價比最高。對于電源大概分為兩種選擇，一種是變壓器，另一種是非變壓器（用CUK電路）。

2.屏幕選擇及測驗

這款屏幕尺寸12x5.5cm，厚度1.3cm。這個屏幕不管是外觀尺寸還是分量都是相當不錯的。我個人是感覺這個屏幕非常漂亮。

這個是變壓器驅動點亮的，當然剛開始最原始有效的方法就是兩路電源（燈絲+3.5V和柵源極+20V）強行點亮。每款屏幕的電壓可能不太一樣，其實測試的時候可以先慢慢升高燈絲電壓，直到看到燈絲略微發紅，然后就可以加柵源電壓。這個屏幕最后的效果其實看起來還是有很大的發揮空間的。包含了年月日時分秒正好適合做一款時鐘。下面是我測試得出來的簡略說明書（上面電壓是一個最低的啟動電壓）。

3.變壓器方案

剛開始我是選擇的變壓器，理由是電路簡單以及成本低廉。我在某寶上找到了一款專門為VFD設計的變壓器。

這個電路看起來就比較簡單，直流通過RC震蕩形成燈絲需要的交流電壓。其實技巧點有兩個：一個是前面震蕩頻率，另一個是后面的偏壓電路。下面電路圖是一種偏壓電路，因為屏幕點亮的條件就是柵極電壓（這里采用負壓解釋）需要高于燈絲交流電壓，所以這就需要一個偏置電路，讓負壓高于交流電壓。

這個設計方案在我嘗試的過程中遇到了一些問題。我當時沒有進行拍照，在做后來的測試過程中將其拆了，所以剩下的就是下面圖中的殘渣！因為是在做實驗，所以尺寸以及電路走線布局都是沒有放入首要考慮。

這個方案其實存在一下問題：第一點因為自己做DIY，量比較少，所以就只能采用現成型號的變壓器，這就會導致變壓器輸出功率和屏幕不匹配的問題。如果輸出能力高于屏幕還好（這個可以解決），但是如果達不到屏幕所需功率，就會導致屏幕亮度達不到，顯示效果自然不佳！顯示效果就是上面（2.屏幕選擇及測驗）展示的圖。因為這款屏幕比較大，所以自然就是后一種功率提供不足（這個變壓器在5V情況下，大概輸出0.4A電流，而這個屏幕是0.5A以上最佳）！

第二點就是這個采用的三級管驅動，效率低，發熱嚴重！這個其實是因為變壓器前面RC震蕩形成的是正弦波，所以在帶載情況下，有一部分三極管導通是不完全的。如果采用MOS效果可能會更好一些。

4.非變壓器方案

為了追求更好的顯示效果，當然需要另辟蹊徑了，雖然還需要進行更多的實驗，但是這不正是DIY的樂趣嗎！經過大量查閱資料以及實驗，對于燈絲的交流驅動，這個可以選取TI的一款專門的驅動芯片LM9022，但是這個芯片已經停產，可能是因為VFD屏幕已經不怎么使用了。這個芯片的一些庫存是真的貴！后來選取了一款它的升級芯片并且完全兼容，就是LM4871。我前面提到屏幕驅動芯片是采用的PT6315，所以這里需要一個-28V左右的電壓。最開始考慮到價格問題就選取MC34063，這個芯片幾毛一片是真的便宜。下面是大致電路。

但是這個存在問題就是，MC34063做CUK電路，內部是三極管，對于從+5V輸入，-28輸出，這個壓差是很大的。MC34063效率就會特別低，發熱很嚴重，最后會把內部三極管燒壞導致芯片不工作。

后面就換了另一款芯片XL6007，這個芯片轉換效率是比較高的，也不會出現發熱嚴重。下面是電路圖。

（此處電路引用自：https://oshwhub.com/XACT/hna-16mm64-vfd-di-ban）

5.控制電路

其實這款屏幕最大的難點就是上面講的驅動電路。驅動電路做出來之后控制電路就會簡單一些。單片機我是選擇STM32F031C6T6，這個芯片之前是用在電動車上的，量比較大，所以這次芯片漲價沒有殃及到它。對于時鐘芯片有兩款高精度的可以選擇，第一款是DS3231、第二款是RX8025（RX8025T和RX8025AC）。