粉墨登場的貓眼管

上回用萬用板測過基本的電路設計沒問題後, 我就開始思考要怎麼樣讓它變成一個漂亮的裝置.

貓眼管是用來指示訊號的, 因此要弄個訊源給它顯示, 讓它在那邊跳啊跳的, 才有感覺. 一般最常見的做法就是把它裝在真空管擴大機上, 一邊聽音樂一邊看它在那邊閃. 但我對裝真空管擴大機沒有很大的興趣, 對發燒音響更是嗤之以鼻, 所以並不想搞這一套.

那要用什麼東西當訊源來讓它閃閃動人呢 ?

訊源一: USB DAC

既然要用 USB 供電, 那也用 USB 來提供訊號好了. 我想起多年前和 Richard 合作 Euphonic 時, 順手做的 Whisper. Euphonic 是一個 SPDIF 輸入的超取樣 DAC, 當時 Sony 有一顆賣不掉的 DAC 晶片, Richard 又需要一個推得動耳機的 DAC, 我就用那顆晶片做了一個 SPDIF 輸入的 DAC, 板子上還用了一顆很小的 MSP430 來送指令.

Euphonic 做好後, 我發現辦公室沒有 SPDIF 的訊源可以測, 於是又順手做了一片有 SPDIF 輸出的 USB 音效卡, 它就是 Whisper.

Whisper 用了 TI 的 PCM2707 USB DAC. 這顆 DAC 的結構簡單, 完整性高, 輸出品質也不錯: 取樣率 48KHz, 解析度 16bit, 而且有 98dB 的 S/N 比, 曾經是發燒友自製 USB DAC 的一時之選. 只要電源隔離做得好, 它的 analog output 可以得到不錯的品質, SPDIF 更不用說.

我翻箱倒櫃找出這片電路板, 插上電腦, Windows 馬上認出 USB DAC 音訊裝置並自動裝好 class driver, 完全無痛. 板子上的日期是 2010 年 10 月, 距今也將近四個年頭了. 想想我以前還真的做了不少這種有的沒有的小玩具.

我量了一下 PCM2707 的工作電流, 在沒有耳機負載時, 它吃不到 100mA, 因此連同貓眼管的耗電, 應該還是可以將總耗電控制在 500mA 以內, 所以我就決定用它來當訊源.

PCM2707 的電路非常簡潔, 只要給了 clock 再加上一些濾波電容就可以動了. 它裡面還內建 3.3V 的 LDO 給它自己的 3.3V logic 使用, 所以連電源電路都省了.

訊源二: 麥克風

除了 USB DAC, 我又想到, 可以加個麥克風, 讓貓眼管可以隨著環境的聲音閃呀閃也不錯, 所以又補上了麥克風部份的電路.

電容式麥克風的輸出大概在 10mV 左右, 而要驅動貓眼管的前置放大電路大概需要 1V 以上的振幅, 所以需要一個 gain > 100 的放大器. 我用了一顆 LM358 裡的兩個 op amp 做了兩級的放大器. 用 op amp 做放大電路, 單級的 gain 最好不要超過 100 倍, 不然會有不穩定或震盪的問題發生, 因此我把 gain 平均分配在兩級, 實測後如果訊號不夠大的話還可以再調整.

教科書上的 op amp 電路幾乎都是雙電源的理想設計, 但現實生活中除了做發燒音響外很難有真正的雙電源, 這裡也不例外. 一般我們都會把交流號偏壓在 1/2 Vcc 以獲取最大的動態範圍, 前面那顆 PCM2707 DAC 也是這樣做的, 它內部有一個叫 VCOM 的 regulator, 用來產生 1/2 Vcc 的偏壓位準, 而所有的交流訊號就參考這一個位準.

那 op amp 這邊要怎麼處理呢 ? 如法泡製, 我用一個分壓電路產生 1/2 Vcc 當做參考位準, 然後用電容偶合從麥克風來的交流訊號, 就可以把訊號移到 op amp 的位準上了.

訊源三: MCU

最後, 因為最近剛拿到 NXP 的 LPC810 超小顆 Cortex-M0+ MCU 樣品, 想要試試它的能耐, 就順手也把它畫上去了.

LPC810 是 8-pin 的 DIP 包裝, 它應該是史上最猛的 DIP8 MCU 了, 扣掉 VCC 和 GND 兩隻電源腳, 剩下六隻腳統統可以拿來用, 像 RESET, ISP, SWDIO/SWCLK 這些在其它 MCU 上非有不可的腳位都可以 disable  掉當 GPIO 來用. 除了 GPIO, 它也有硬體的 I2C, UART, SPI 等介面, 而且可以透過一個叫 switch matrix 的選擇器把這些介面對應到任意的接腳上, 有沒有很厲害! 根本就是隻批著羊皮的狼!

NXP 的 Cortex-M0 MCU 都有內建的 RC oscillator, 也可以從外面給 clock 或用 crystal 起振, 不過 LPC810 的腳位實在是太少了, 所以它沒有外部的 clock 接腳, 一切都要靠內部的 12MHz RC oscillator 來給時脈.

它的 “state configutation timer” 有硬體 PWM 的功能, 所以我可以用它來產生 PWM 訊號, 再經過 RC 電路積分後去控制貓眼管.

電路設計好後, 就是畫板子了.

這種雙面的小板子畫起來很輕鬆, 只是要先花點時間幫沒用過的零件建好 footprint. 全部走線, 鋪銅, 加上調文字層, 大概花不到一個小時.

至於洗板子呢, 送給台灣的 sample house 洗雙面板的樣品大概是三四千塊, 三天交件. 不過後來我發現淘寶上居然也有洗電路板的賣家後, 我就不太用台灣的 vendor 了, 因為價差真的很大啊.

淘寶上的 PCB vendor 洗雙面樣品大概只要台幣四五百塊, 加上運費一百多塊, 還是比台灣的板廠足足便宜了好幾倍. 但就像在淘寶上買東西一樣, 在大陸洗板子多少也有品質的風險. 有些是文字層套不準就算了, 不影響功能, 但有些鍍化金鍍得跟沒鍍一樣, 或是噴錫噴得厚薄不均, 那就很討厭了. 好在這只是我 DIY 的小小興趣, 板子也不會送去打件, 看在它真的很便宜的份上, 這些小小的風險都還可以接受.

動手實裝

板子拿到後, 檢查了一下, 這次的品質還不錯, 馬上備齊零件開始組裝.

照例, 先裝高壓的部份. 這次的電路用了一級倍壓整流, 所以板子上有幾個體型不小的高壓電解電容. 有了前面幾次做 nixie clock 的經驗, 這個部份不太會出錯. 加上有倍壓電路的幫助, MC34063 的 boost ratio 沒那麼高, 只需要從 5V 打倒 125V 左右, 所以我可以用小顆一點的電感並把 switching frequency 提高.

我做了一些實驗去找這組昇壓電路的工作點, 再配合手上有的零件, 最後決定用 82uH 的工型電感, 讓它工作在 65KHz 左右的交換頻率, 電路既不熱也不會叫.

源達只有賣環型的繞線電感, 所以我在 layout 的時候留了環型電感的位置, 不過後來我在今華電子找到比較小顆的工型電感, 而且調電路的時候也確認小顆的電感就夠用了, 所以最後裝上去是這個樣子.

至於後面那顆很大的功率開關晶體, 是 500V/8A 的 IRF840, 真的是太超過了. 但我手上只有這顆 MOSFET 的耐壓超過 250V, 所以就很豪氣的放了它上去.

高壓電路確定沒有問題後, 就可以把屏極電阻跟管座裝上去, 上管子測試了.

三極管的屏極電阻是放大電路的負載, 即使它上面的電流不大, 但因為壓差很高, 所以電阻上的功耗並不是小到可以不管的那種. 根據管子的 datasheet, 屏極加上偏向電極會在屏級電阻上造成最多 0.5mA 的電流, 所以在電阻上的功耗大概是 0.12W.  0603 的 SMD 電阻只能耐 1/10W, 而且還要考慮 derating 的問題, 至於 0805 也只能耐到 1/8W, 再上去 1206 或 1210 的 SMD 電阻並不好買, 所以我還是決定放 DIP 的電阻.

曙光初現

貓眼管和其它熱陰極的真空管一樣, 通電之後並不會馬上亮起來. 它需要一點時間等燈絲去加熱陰極, 陰極到達工作溫度後才能發射電子出來, 管子才能工作.

大部份的金屬燈絲, 它們的電阻都有正溫度係數, 也就是說當溫度昇高後, 電阻會隨之增加. 這個特性對燈絲的穩定非常重要. 如果燈絲的電阻溫度係數是負的, 當溫度上升後, 電阻就會下降, 電流就會進一步增加, 然後溫度隨之再上升, 電阻再進一步下降… 最後燈絲就暴走, 然後燒掉了. 這個過程叫 thermal runaway, 對於有這種特性的負載, 不能用一般的電壓源驅動, 而要用像驅動氣體放電燈的恆流源之類的電源來驅動.

幸好物理上美妙的巧和讓燈絲是一個自驅穩定的系統, 只要給對了電壓, 它熱了之後就會自己穩定下來. 不然愛迪生當年可能沒辦法這麼容易把燈泡做出來, 那個年代應該還沒有恆流源吧 ?

這管子的燈絲額定電壓是 6.3V, 不過因為我用 USB 供電, 所以只用 5V 去推燈絲, 它會熱得稍慢一點. 上電之後電流差不多是 300mA, 這是燈絲在低溫時的電流, 隨著燈絲越來越熱, 電流會慢慢下降, 大概過了 10 秒左右, 電流會降到 250mA 左右. 但隨即電流又開始上升, 這是因為陰極到達工做溫度後, 開是發射電子, 因此陰極和屏極之間開始有電流流過, 整體的耗電也隨之上升. 而此時, 管壁上也開始出現漂亮的綠色螢光.

這個電路在穩定工作時, 5V 上面消耗的電流大概是 380mA, 這裡面大概一半左右是燈絲的電流.

這是三極管的閘極不加任何訊號時, 管子所指示的樣子. 因為這時閘極電阻還沒裝, 閘級整個是浮動的, 所以閘極上會因為跟屏極陰極之間的寄生電容而感應出一個電壓, 讓管子指示一個非零的訊號.

這板子上的高壓有 250V, 比 nixie clock 的 180V 還高出許多, 還是得幫它找個殼.

這次我在畫板子之前就先去找殼. 我在大創買到了單個公仔用的公仔展示盒, 底座大小是 85cm * 8.5cm, 高度 10cm, 我就照個這個大小把板子畫成 7.5cm * 7.5cm.

用 0.5cm 的短銅柱鎖上去剛剛好:

在透明上蓋上打個洞, 把 USB 插座露出來, 再蓋上去, 就大功告成了.

最後來看一下工作時的動態吧.