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）。