汎用のVFDドライバICというのが今でも生産されていることを今頃知った。

蛍光表示管の駆動方法

VFDメーカーであるノリタケitronのページのリンクがbookmarkしてあったので、以前見てなかったページをみたら書いてあった（´Д｀；）

しかしTIのはデータシートがないのう。

入手したMSM5524RSをR-1000に換装してみた。

RF基盤を取り外すためにワイヤーハーネスを取り外す。元に戻す時にわからなくならないように、あらかじめデジカメで結線部分を撮影しておく。

まずは故障しているICを基盤から取り除かなければならない。かなり込み入った場所にあるので、精密ニッパで足を切り落としていかないといけないが、基盤面に近いところはニッパの刃がとどかないためやむを得ずICパッケージの根本から切断することに。



ICを取り外した後に、足が残るので、なるべく短くニッパで切りそろえる。



ここまでも大変だったが、こっからがまた大変。

さきっちょだけ基盤に残ったICのピンを半田吸い取り機で吸い出して穴をきれいにする作業。結局折れ曲がっていたりするので、半分以上は半田こてで部品面に押し返したり、半田面に半田の表面張力で引っ張りだしたりして取り除く。

半田フラックスをランド周辺に丁寧に塗って、半田くずやボールが残らないように半田ごてをちょっとあててきれいにする。

半田吸い取り機を長時間あてるとパターンが剥離したりするのでそれらが起きてないかルーペで丹念に確認。

問題がなければ丸ピンソケットを差し込んで半田付け。



それから新品のMSM5524RSをソケットに差し込むのだが、ピンの足が新品の場合開いているのでソケットには素直に刺さらない。ピンが平行になるように調整してすべてのソケットにすべてのピンが間違いなく差し込めることを確認してギュッと押す。

最初ひとつだけピンがソケットにぶつかって曲がってしまっていたが、折れてしまう前に直して事なきを得た。



そして基盤を本体に戻してケーブルを元通りに接続して電源を入れて動作確認。

じゃーん



おろ。

VFDは生きているのはわかったが、周波数カウンタとしても時計としてもまったく機能しない。

受信周波数レンジを変えるとなぜかVFDの輝度がそれに応じて変わるし変だ。

オシロでICの信号を観測してみると

・クリスタル発振用ピンが機能していない（発信動作していない）
・被周波数カウント入力信号がVFDの制御ピンに出てきている
・クリスタルが発信していないので当然ながらVFDのダイナミック点灯動作を示す信号はみられない

というわけでNGだった。

原因としては

・外付け3.2768MHz水晶回路の故障
・新しいICの故障

のいずれかの可能性が考えられる。しかし水晶が壊れていても周波数カウンタ入力信号がVFD制御ピンに出てくるのはおかしい。ICの疑いも高い。

とりあえずVFDは生きているのでpoorman's msms5524を造ればいいということだけは確かだ。

あるところにはあると聞いていたが、幸運にもOKI MSM5524RSの新品を入手することができた。



リードも金属光沢があり、経年変化をまったく感じさせない良い状態である。

とりあえず、故障したR-1000のMSM5524RSを除去して、丸ピンソケットを換わりに実装し、その上にこの新品を挿すことにしよう。

そうすれば動作確認と併せて、頓挫していたpoorman's msm5524を試すこともできる。

それ以前に正常な状態でのMSM6624と冷陰極線管との間のインタフェースを確認することができる。これはpoorman's msm5524のインタフェース回路を設計する上で重要なキーとなる。そもそも冷陰極線側の仕様が不明なので実際に動作している電圧や波形を観測してあたりをつける必要があるためだ。

CPLDとPチャネルMOSFETが届いた。

若松通商はいつになく早い。注文受付メールが届いた翌日にもう届いた。仕事早過ぎ。

鈴商のFETも割とスピーディに届いた。

さてあとは回路設計を。

今回はR-1000の周波数カウンター機能だけを復活させるだけのデザインに。時計とタイマー機能は入らないので実装しない。まあ特に無くても困らないし。

シグネチャアナライザを完成すべくそちらも回路設計をしよう。

そろそろ１ステップアップしたアプリケーションに挑戦したいところなので、やりかけのままにしたくない。

そろそろ正月休みが近いので、Poorman's MSM5524とPoorman's Signature Analyzerの２つを製作するために主要部品を調達しておかないと。

とりあえず要るのはCPLDとPLCCソケットかな。

あとは回路設計してEagleで配置配線したものを手配線。

という計画でいこう。

見た目を良くするという試みは今回も無し。

VFDドライバ回路に使うPチャネルMOSFETをみつけないといけない。

PチャンネルMOSFETは国産だと2SJで始まる型番の中に混じっている。2SJといってもJunctionタイプのFETであったりしてFET規格表で確認しないとわけがわからない。規格が少しでも書いてあれば、最大ドレイン電流Idがマイナスの値で書いてあるのはPチャネルであり、Vgsスレッショルド電圧が書いてあればEnhancementタイプで検討の対象となる。

秋月とか千石で扱っているものにもPチャネルMOSFETでEnhancementタイプがあるが、どれもだいたいパワーMOSFETと呼ばれるものだったり、電源回路に用いられるものだったりして、大電流が流せるタイプで大きさがやや大きいのと、大電流が流せるタイプはチャネルの幅が広いのでそれだけ寄生容量も桁違いに大きく高速なスイッチングには向かない。といってもダイナミック点灯の速度であれば問題ない範囲だが、ちょっと大きいのともったいない。

鈴商のページをみたら、VISHAYから出ているVP0808Lという小型の高速スイッチング用PチャネルMOSFET(Eタイプ)を扱っているのを発見。耐圧も最大ドレイン電流も十分。なによりも小信号トランジスタのようなパッケージなので小さく扱い易い。値段も手頃なのでこれを買って試してみよう。

周波数カウンター機能のデザインは煮詰まった感があるので、残るVFDドライバ回路を決めないと。

VFDドライバ回路はアナログ回路だけどデジタルスイッチなので非線形回路である。増幅回路のようなトランジスタの線形領域を主に利用する場合にはトランジスタが常にON状態なので回路設計は線形回路の知識があれば比較的簡単である。

ところがデジタルスイッチング回路はトランジスタの非線形領域を主に利用し線形領域は過渡的にしか使用しない点が異なる。

定常状態がONとOFFの２つの状態があるというのも常にONのアナログ増幅回路とは異なる。

回路設計の要はTTL入力信号からスイッチング素子ドライブ電圧へのレベルシフト回路に尽きる。

今回は入力がTTLとして、出力が-20Vの負電源と蛍光表示管のセグメント用プレートの閉ループ回路のスイッチングを行う。

スイッチング素子には少なくとも25V以上の耐圧を持つバイポーラPNPトランジスタかEタイプPチャネルMOSFETを使用することにする。

スイッチング素子にPNPトランジスタを使った場合、



スイッチング素子にPチャネルMOSFETを使った場合、



原理的にはNPNトランジスタやNチャネルMOSFETでもスイッチングは可能であるが、その場合、駆動回路の基準点であるエミッタもしくはソースが蛍光表示管のプレート側に接続されているためOFF状態でその電圧が不定となる問題が生じる。そのため基準点の電位が不定にならないように余分な回路が必要となる。

バイポーラトランジスタの場合にはE→B方向に導通があるので、ベースが負電圧になった場合に電流が流れてその電圧降下で負電圧がキャンセルされるというやっかいな問題がある。かといって5V電源にエミッタを接続すると今度は蛍光表示管に流れる電流が5V電源を介してループすることになり受信機全体にノイズをまき散らすことになる。これは通信型受信機では絶対避けなければならない。

その点MOSFETはS→G方向に流れる電流は極わずかなのでその心配が無いだけ簡単である。

どちらの場合でも電源投入直後はOFF状態になるように安全サイドに設計する必要がある。そうでないと蛍光表示管に予期しない電流が流れてたちまち劣化してしまいかねない。

P.S

いろいろ検討した結果、当初考えたコンパレーターを使うよりもPチャネルMOSFETをPNPトランジスタ回路でドライブした方が簡単だという結論に達した。回路シミュレーターで確認したところうまいことスイッチングが出来ている。



入力がHの時にはゲートドライブ用のPNPトランジスタにはベース電流が流れないためE-C間はOFF状態になる。するとゲート電圧は負電圧となりFETはON状態になる。入力がLの時はベース電流が流れるためE-C間はON状態になり、ゲート電圧が正電圧となる。過度の飽和を避けるためにダイオードクランプでVgsを制限している。

ちょっと当初考えていた時のものと入力の論理極性が正反対になっているが、おそらくMSM55254内部でも同じような回路になっているのではないかと推測する。こうしたドライブ回路は往々にして特許になっているケースが多いので、製品に適用して販売する場合には注意が必要である。IC内に内蔵すると簡単には特許侵害かどうか解らないので最近ではIC内に特殊なドライバ回路は内蔵されるのがほとんどである。。

あとは実際の部品を使って実験で確かめてみる必要はありそうである。

XILINXでも同じようにしてコンパイルし直してみたところISEのコンパイラは中身が空っぽのモジュールをインスタンスするとエラーが出る。

Quartusみたいにはいかないようなので、CLOCK TIMERモジュールのインスタンスも条件コンパイルに変更してコンパイルは完了。

だがマクロセル数が98なのでXC95108ではfitしなかった。一回り大きいXC95144で69%の占有率で余裕で入る感じ。さすがにもっと削るのは大変そうだ。

ちなみにAlteraの5V仕様のPLD MAX7000SシリーズでやってみたらEPM7128SLC84に90%のマクロセル占有率でfitした。これなら秋葉原で売っているので使えそうである。PLCC 84ピンなので実装し易い。

これにしようかな。

シミュレーションも問題なし。

あとは懸案のVFDドライバ回路だ。

CLOCK TIMERモジュールを条件コンパイル文でインクルードされないようにしてコンパイルしてみた。

結果はトラ技付録MAX II基板に余裕で入った。占有率は57%。予想はしていたが使用するリソースは万年カレンダー時計に比べれば少ない。



変更のついでに最上位桁のゼロサプレス論理を追加。こちらもシミュレーションで確認して問題なし。

ただしMAX IIだと信号レベルがオリジナルMSM5524と互換性が無いので、XILINXのPLDに入らないかどうか同じようにCLOCK TIMERを入れないでやってみる予定。

あれからいろいろ考えたらひとつ良いアイデアが生まれた。

といっても以前レストアしたHP3456A精密デジタルマルチメーターでみかけたアナログスイッチの仕組み。

LM339というコンパレータ４個入りのICでTTL閾値のリファレンス電圧とデジタル制御入力を比較してコンパレーター出力をON/OFFする。

コンパレータは出力がオープンコレクタなのでそれを外部のスイッチング用P channel MOSFET(E type)のゲートかPNPトランジスタのベースにつなぐ。ゲートバイアスは負電源から抵抗を介してひっぱってくる。

問題は負電源を引っ張ってこないといけないのでオリジナルのMSM5524とピン互換ではない。VFD用の負電源からもってくればいいので問題ないが。

まだピン互換にこだわっていろいろ考えている。それと出来ればMOSFETじゃなく普通の2SAタイプのバイポーラPNPトランジスタを使えないか思案中。耐圧的に問題無いけど、P channel MOSFETと同じようにベース電圧をマイナス側に振らないとONしてくれないのでコンパレーターを使うというのが一番簡単。

それとあまり低いON抵抗は要求されないので、出力段トランジスタと直列に低抵抗を入れて、ON時の電流を制限すると同時に電圧降下を利用してそれをゲートバイアス電圧源に使用する。ONした状態で-2V以上あればON状態を保てる。

あまり部品数を増やすと８回路必要なのでスペースがかさばりすぎるのでそのあたりのトレードオフも必要。

のんびりやろう。