迟来的承诺：设计制作一款基于”云“技术的现代级电子管图示仪

独孤垂钓2003

好久没来了，论坛有点冷清，发一个不太一样的设计制作贴，可能有点长，慢慢更。。。

------------------------------   正文开始   ------------------------------------

（一）前言

许久之前，偶见咱台湾同胞发表了一篇采用PC串口操控的电子管图示仪制作帖，并基于其足够的技术底气以不菲的售价击退了众多的大陆追随者。当时年轻气盛的我在帖子中立下Flag，表示自己设计制作一台这种基于脉冲模式硬件架构的“玩具”并不需要那么离谱的售价。。。。。。

然鹅，许多年过去了，自己被现实的残酷拍晕了千百回。为生活所迫，不但没有去实践自己曾经许下的诺言，更是放马南山，尘封烙铁，洗手上岸，十多年间竟再无DIY任何一台机器，空余众多的胆机制作材料在厚厚的尘土中落寞，包括那些曾经高价团购的天狗牛桥本牛们，更别说那些在车库独处一隅无人问津的形形色色光怪陆离的廉价玻璃管了，而曾经那些一日不见如隔三秋的DIY机器们，甚至鲜有开声呻吟的时候。。。。。。

感谢祖国的大好盛世啊，历经辣么多年的生活浮沉和江湖历练，现如今，我终于可以衣食无忧的过上了温饱奔小康的幸福生活，但听起来似乎离退休的日子好像也不那么遥远了。。。。。。相信再过几年自己估计即将步入手无翻机之力而做机只能靠YY的境界了，想想曾经为之狂热的音响DIY，若说这些年还有些啥遗憾的，除了那些还躺在尘土中没有成机的DIY材料们，一直耿耿于怀的，也就数这个当年信誓旦旦许下的“空炮”了，尽管当时应该估计可能没有谁会把这个“空炮”当真的。。。。。。

在那些全城静默的特殊日子里，在那个大雨滂沱的夜，当我独倚窗台，思索着明天该去团购抢些什么维持生计的时候，当年放过的那个“空炮”突然跳进了我的脑海，思绪也瞬间从油盐柴米的日常琐碎中挣脱出来，浮游于“空炮”的周围而久久无法散去。。。。。。作为资深技术宅，当有灵光乍现的时候，总没有什么比尽快记录这些灵感更重要的了，那些瞬间产生的各种“实现方案”永远都会是他们心目中的那些个唇红齿白。。。。。。

于是乎，二十分钟后就有了下面的这张系统总体方案框图，而这个系统框图，从那时起就成为了那个“攻城狮”之后日子里魂牵梦绕的“月亮女神”。。。。。。（待续：（二）硬件篇）

硬件系统方案

补充内容 (2023-10-19 22:43):
59 楼更新300B实测图和云服务功能一瞥

补充内容 (2023-11-8 16:32):
70 楼更新的完整机器形态，增加了300B特性曲线完整扫描视频

独孤垂钓2003

（二）硬件

画图容易实现难，万丈高楼平地起全靠地基打的齐，对于一个软硬件一体的产品，硬件是基础，软件是核心，所以，一切的一切，始于硬件这个基础。。。。。。而最先开始的，便是各个子电路的方案验证。感谢祖国这么多年来对于制造业的大力扶持，国内电子行业的蓬勃迅猛发展使得像我这样总是懒于做电路仿真的“伪”工程师们有了以较小的金钱代价，用几次实际PCB打样来验证电路设计的可能，毕竟仿真并非实物，仿真可能存在偏差，所以有机会可以直接用实物验证电路的时候还要仿真干什么呢。。。。。。

整机采用+24V直流安全电压供电，不用220V交流电入机，一方面安全考虑，驾驭市电引入产品，还是需要一定的勇气和经验，风险大大滴；另一方面可以避免市电引入产生的大量EMI/EMC处理问题，可以简化设计，使得内部走线和信号传输更加干净，同时可以大幅减小整机的外观尺寸。总之好处多多，电源扔给专业的电源厂家设计制作，让专业的人做专业的事，你好我好才是真的大家好嘛。。。。。。

2.1 辅助电源设计
辅助电源设计比较简单，主体采用反向SEPIC拓扑，DC +24V输入，产生+/-12V固定电压，然后通过三端线性稳压产生+/-5V，给模拟电路供电。同时通过另外一路BUCK电路产生+5V和+3.3V，给数字电路供电。
不要三版，不要两版，只需一版PCB打样就定稿。。。。。。

2.2 灯丝电源设计
灯丝电源设计也比较简单，采用常规的BUCK拓扑，增加模拟调压控制接口，在DAC控制下实现0-24V输出调节，灯丝电压和电流的检测采用专门的高侧（High Side）电压电流检测传感器直接读取到实际的灯丝电压和电流参数，比采用低侧用采样电阻加运放反向放大后再进行换算的方式精确很多。

灯丝最大电流被设计为3A，最大功率20W，灯丝过载检测通过软件实现。硬件电路的PWM控制器内部自带电流过载检测和保护功能，所以软件检测的实时性要求木有辣么的高。

目前的设计，不支持灯丝电源外部接入功能，灯丝超过3A电流或高于24V电压的大管子，阳极电压估摸着也很高，哎呦喂，算了，太危险，安全第一，辣么大的灯泡，咱还是看看算了。。。。。。

灯丝电源打样了三版，哎，有点衰，先是用了高侧的电流检测，然后觉得可以用低侧电阻采样方式省点成本，踩雷了，然后又回到了高侧电压电流传感器的方案，净做无用功不说还浪费了不少时间和小钱钱，我真想狠狠抽自己几个大嘴巴子。。。。。。

2.3 栅极负压供电设计
栅极负压供电的设计过程，是一个悲伤的故事。。。。。。

独孤垂钓2003

三楼占位

土八路

顶

alpha700

这个牛了 持续关注学习

mountech

建議你可以去了解一下  uTracer  跟  eTracer  這兩款測管儀 .
本人有 eTracer 這款測管儀 , 而原廠也有提供了一個 relay 盤的選購模塊 , 可以做到自動跳接各個腳位 .
但 relay 盤並不能涵蓋所有 , 它還是有缺點的 , 尤其是測到跨導較大 電流較大的管子 , 很容易發生自激 .
所以說你的方塊圖 , 除了 手機 APP 及 雲端 這兩部分外 , 目前已經有現成的產品 .

回笼觉

大手笔，等详细

小米气态键盘

手持台湾同胞的测试仪帮顶

现在这台对我个人来说主要有以下待改进的点
1. 高压还不够高，个人认为高压能够给到1.2KV-1.5KV左右是更合适的，能够完整测定300B，KT150，KT170的负载线所在区间，能够兼顾一定的845/211/805的静态工作点测试。
2. 负压还不够深，这个是随着高压提升而自然而然增加需求的改进。

3. 负压扫描太慢，eTracer在负压使用和主高压电源相同的DCDC为电容充电的供电方案，在扫描较深的负压时，为这个电容放电实际占据了大多数的扫描时间，个人认为使用类似运放的高压推挽输出级作为栅极供电源要更加合理。
4. 正负压扫描分离，eTracer有正栅压扫描的方案，但由于正负压的扫描源分别由副高压与负压电路提供，两个电压源中间衔接是有明显分界的，因此在测量A2类情况时误差较大。

我之前简单考虑了以下几种备选的硬件设计
首先是主高压，我之前考虑使用到音频D类放大芯片，约10KHz正弦输出，搭配铁氧体变压器，多绕组输出，能够提供较大范围可调的高压，相较于eTracer设计使用的Boost电路，隔离的方案具有更可靠的绝缘性能，与更稳定且更易于预测的输出电压，配置多个次级绕组则可以允许在不使用平衡电阻的情况下使用较低耐压的电容。
其次是电压电流的测定，我之前简单测试过几个电压互感器，这些互感器的初次级耐压普遍在1.5KV以上，我认为可以用互感器实现更加精确的高侧电流采样。
主功率开关，在我之前的简单测试中，电压互感器某种程度上可以成为MOSFET的栅极驱动变压器，相较于使用更多的晶体管来组建顶端NMOS驱动，直接使用隔离的栅极驱动变压器，能够提供更可靠的耐压，与更低的导通压降。

目前考虑的就这些，不过因为目前手头很忙，暂时没时间继续这个想法，有机会多多交流

独孤垂钓2003

土八路 发表于 2023-10-13 19:27
顶

谢谢八路帮顶

独孤垂钓2003

alpha700 发表于 2023-10-13 20:03
这个牛了 持续关注学习

嗯嗯，还没完工，内容有点多，还在慢慢整理中

独孤垂钓2003

mountech 发表于 2023-10-13 20:10
建議你可以去了解一下  uTracer  跟  eTracer  這兩款測管儀 .
本人有 eTracer 這款測管儀 , 而原廠也有提 ...

uTracer的了解，他的blog内容比较详细，eTracer基本没啥技术资料公开的。。。
我这个设计跟上面两原理上一致，开篇就说了，基于脉冲方式，但实现方式上完全不同，而不仅仅是增加了App和云服务，后面会慢慢道来。。。
对于高u管测试中出现高频振荡，开关矩阵不能背锅哦

独孤垂钓2003

回笼觉 发表于 2023-10-13 20:15
大手笔，等详细

有点忙，会持续更新，争取不烂尾

独孤垂钓2003

小米气态键盘 发表于 2023-10-13 20:24
手持台湾同胞的测试仪帮顶

现在这台对我个人来说主要有以下待改进的点

哈哈，兄台大手笔哇，带开关矩阵模块吗？
高压问题不大，用变压器方式比如反激或倍频方式都可以做到，精确调压是关键，需要配合软件；
高压电流采样500V以上的，用高侧目前我没有找到现成的方案，都需要镜像到低侧，互感器精度估计很难做到0.1mA级别的；
速度慢其实不能让电容充电背锅，你可以算下充电到最大750V的理论时间，慢的根源在于他的充电PWM是由MCU软件算法来控制的，后面我会整理讲到这块的问题。
负压的精度要求比较高，对测试结果起决定因素，自己搭高压运放对器件的配对和温漂等要求太高了

高压MOS开关用电容自举方式我总觉得可靠性不高，一致性也欠缺，用变压器隔离驱动是一种方法，不过我觉得实现起来有点麻烦，哈哈，晚点看看我给出的是啥方案吧。。。

多多交流

魔幻蓝天

难得技术帖

丢丢1

好像我有台到1500V-1A（同时）的图示仪，用的外置开关电源，基于连续电压的脉冲取样，实际上测试结果离散比较大，曲线有点弯弯曲曲，不如etracer的电容放电来的平滑。

图示仪最难的是电压的拼合，栅极电压和屏极电压如果电压范围比较宽，为了保证精度无法用一个电压源从低压到高压都有足够的精度，只有用几节不同的电压源来拼合，拼合节点就很容易出问题。

路遥plus

很有实用价值的开发，赞一个！

独孤垂钓2003

丢丢1 发表于 2023-10-13 23:54
好像我有台到1500V-1A（同时）的图示仪，用的外置开关电源，基于连续电压的脉冲取样，实际上测试结果离散比 ...

电容充放电方案不存在多电压源切换或叠加的问题，一套充电电源搞定。
只做个控制单元，外接电源这种方式太low了，咱是讲究人，设计最终呈现的必须是一个产品级别的完整体，而不是需要外挂可调电源，外挂示波器，更不能有那一堆乱七八糟的连接线。。。。。。

独孤垂钓2003

路遥plus 发表于 2023-10-14 03:49
很有实用价值的开发，赞一个！

谢谢版主点赞，偶再接再厉继续。。。

小米气态键盘

独孤垂钓2003 发表于 2023-10-13 21:02
哈哈，兄台大手笔哇，带开关矩阵模块吗？
高压问题不大，用变压器方式比如反激或倍频方式都可以做到， ...

我之前考虑用D类音频放大这个方案主要是出于功率考虑，如果用比如100W左右的D类放大器，这样可以为管子提供一定的静态屏耗，能够进一步降低测量误差，不过静态屏耗带来的误差似乎不算特别大。

隔离顶端电流采样正常来说似乎应该用线性光耦，互感器我之前买几个玩主要是想当栅极驱动变压器用，测出来感觉能做脉冲采样，不过考虑到高压MOS开关的导通内阻，用底端电流采样应该是不成问题的。

速度慢就是电容背锅，eTracer的测试逻辑是高压先固定，负压逐渐往深加，每到一个值，开通高压，扫描多次取平均，负压最深扫完后负压放电，高压电容充电至更高一档的电压。在测量300B这种负压需要给到-150V以上的管子时，最耗时的是负压从-150V回到浅负压位置，实际上是负压部分的放电太慢，可能是需要精确停止？

负压精度自己搭高耐压的分立运放结构我觉得没问题，可以用精密运放组复合放大器来获得高精度，参考这个。
https://u.dianyuan.com/bbs/u/54/1828071182447029.pdf

既然现在MCU这么便宜了，我觉得可以多搞几块MCU，比如一颗主控MCU，将数据分成主高压，副高压，负压，参数测量所需的动作，分别交由其他几颗MCU来执行，每颗MCU专注干一件事，这样性能资源都宽裕了，速度和精度也能进一步提高。

灯丝供电倒比较简单，I2C控制的可编程Buck Boost DCDC有很多

开关矩阵模块我没买，我自己没有批量测同型号管的需求

丢丢1

希望能研发个可以测大管子的图示仪。

我那台是在仪器厂家定做的，更换电源可以扩展到2500V-3A（同时），只是厂家也没预料到电源精度有那么难做，自己解决不了，只有找专业电源厂定做程控电源，自己做的电源直接扔了。

低压小电流的就没必要再做了，etracer已经能测大多数管子，虽然略有误差但还是将就能用，只是大功率管没法测。