基于算法配对的电子管特性图示仪

suncand

独孤垂钓2023 发表于 2024-8-17 22:57
另外，再多说一句，可能您不爱听，如果这个方案也是用单片机或通用MCU通过软件PWM或软件PID来控制四路电压 ...

感谢您提供的建议。栅极电压控制确实值得仔细研究。如果确实需要低内阻的电压控制电路，可以考虑再增加组包括正负电源的浮地高压控制电路。
另外，我的电路里，只有灯丝电压是由MCU通过PWM来控制的。其他几路都是通过外部独立的DAC来控制。

suncand

独孤垂钓2023 发表于 2024-8-17 22:36
栅极供电高输出阻抗会有问题的，任何电子管都会有栅漏电流，这会导致栅极在设定低电压时候不准和引起波动， ...

        回顾了一下eTracer的说明书，其中关于负压部分的描述是这样的：


        可以看出eTracer的栅极负压也是通过电容C42的冲放电实现。这个电路的主要问题是：通过计算目标电压对C42充电后，放电过程中没有稳压控制。如果栅极漏电流比C42上的负电压更低，会对C42进行反向充电，导致栅压偏离目标值。
        Ronald的电流镜电路由运放控制输出电压，虽然内阻比较大，但还是有一定的应对灌电流（吸收电流）和推电流（输出电流）的能力，理论上比eTracer电路控制电压的能力更强。不过Ronald为了得到更低的负压，将整体电路的参考地，设定在了供电电压正极，这样他的的电流镜电路也只能输出负电压了。
        对于栅极控制电路，如果电路拓扑只能提供从0开始的负稳压，那么在接近0V时，输出电压的精度都会降低。这种稳压电路因为输出负电压，通常不能提供推电流的能力，输出电压容易收到栅漏电流的影响，特别是输出低电压的情况下。
        此外，很多电子管也支持正向偏压特性，因此栅极电源最好可以提供正负稳压输出，采用推挽输出结构，应该可以比较好地应对负载的变化。

suncand

3.        整合好的工程机

3.1        整体电路板
将灯丝，栅压，阳极，第二栅极电源，以及MCU控制部分集成在一块电路板上。整体结构如下


1）        为外部电源输入和变换部分
        外部输入两路电源。
        一路16V是主电源。一方面经过变换生成正负12V电源，给主板上运放供电；12V电源又进一步生成5V电源，给MCU，DAC和数字芯片供电。另一方面，主电源也给灯丝电源，栅极电源供电
        另一路是400V高压。分别给阳极电压和第二栅极电压控制电路供电。

2）        灯丝电源和电压控制部分
        灯丝电源通过LM2596ADJ，生成1V到14V的可调电压，最大输出电流3A。给灯丝供电。
        电子管灯丝工作电流一般比较大。连接灯丝电源端到电子管的导线如果存在压降，会导致实际的输出电压降低。特别是需要电压，大电流供电的电子管。因此在灯丝电路输出端采用了四线连接方式，给灯丝增加了测量通路。MCU会实时监测加载在电子管上的灯丝电压，按照目标电压进行动态调整。如果出现当前值和目标值偏差过大，MCU会及时关闭灯丝电路。
        灯丝电压的控制，是由MCU输出PWM，再通过简单的滤波得到的。虽然精度没那么高，但在控制灯丝电压方面，应该是够用了。
灯丝电路的输出端，安装了二极管和稳压管组成的保护电路，仿制高压误接入导致电路损坏。

3）        栅极电源和电源控制部分
        栅极电源由MCU产生定时脉冲，控制BOOST电路产生负电压。作为栅极电流镜的负电源。正12V作为电流镜的正电源。
        由MCU控制外部DAC生成栅极电压控制信号，驱动电流镜电路输出栅极电压。
        栅极驱动电路的输出端，安装了阻尼电阻，防止测量的时候电子管产生自激。输出端也安装了二极管和稳压管组成的保护电路，仿制高压误接入导致电路损坏。

4）        阳极电压控制部分
        红框内阳极电压部分是全浮地的隔离控制部分。
        输入端有0.5A的保险丝，起到短路保护。在各个电流检测量程内，也有过量程保护电路。同时也是电路短路保护的一部分。例如：如果当前测量量程是5mA，如果输出端短路，那么电路最多输出5mA电流。
        输出功率管由两个IGBT和一个功率晶体管堆叠组成，确保了输出的稳定可靠。
        由于采用了浮地结构，可以有效的利用电源电压范围，实现轨到轨的输出。阳极供电电压是400V，实际输出的最高电压可以到399V。这是因为，输出功率管的驱动电路参考地是功率管发射极。驱动电路的工作电压是正负12伏。所以驱动信号最高是输出电压+12V，这个就可以很容易让功率管达到深度饱和。充分利用电源电压。
        阳极电压的输出端增加了隔离二极管，仿制阳极和第二栅极电压误接触，损害电路。但是这个隔离二极管会造成输出电压约0.7V的降低，需要在软件中考虑。

5）        第二栅极电压控制部分
        第二栅极电压和阳极电压完全一样，就不再赘述。

6）        MCU及串口控制部分
        MCU部分采用了通用的产品。主要是实现以下功能：

• 和电脑的串口通信
• 通过定时任务生成栅极伏高压
• 通过生成PWM，控制灯丝电压，并通过定时任务检测灯丝电压，进行动态调整
• 通过控制外部DAC，输出栅极电压
• 通过控制外部DAC和ADC，输出阳极和第二栅极电压，并测量电流
  

3.2        到目前为止的工程机

        选用了现成的开关电源作为主电源。和厂家沟通，希望输出一路16V 3A, 一路500V 0.5A。但可惜厂家只能提供400V的。因此目前电路的最高电压只能到400V。
        找厂家帮忙做了一个外壳，可以把电源和主电路板集成到一起。工程机的内部结构如下：


        为了便于测量，工程机的面板，用PCB制作，可以安装不同的电子管座，通过导线连接管脚和图示仪的输出。如下图:


        基于算法配对的电子管图示仪的硬件部分，暂时先介绍这些。感谢海版主和各位烧友给予的宝贵的建议。特别是扩展测量电压，栅极电压范围，提高栅极电压控制能力方面，在后续版本中，会进一步考虑优化。也希望和各位烧友，论坛前辈进行更多的交流和讨论。
        就像我前面提到的，只用图示仪看曲线是不够的，重点是后续的应用。这部分需要靠电脑端的应用软件实现。应用软件不是仅仅实现测量控制和曲线展现。更需要管理电子管，管理测量结果，提供分析功能，配对功能等。应用软件复杂度，其实比硬件电路还要高。
        后续将重点介绍应用软件部分的思路。

未完待续

yjgzhjin2008

搞得这么复杂？
灯丝，尤其是栅极偏置，完全可以经过半波整流。
因为在阳极和屏栅极电压是负的时候，如果栅极电压丢失半个周期，电子管是不会导通。
只是算法换算时等效直流电压的0.53倍（更精确的数据可以经过测试得出）。

suncand

第二部分 应用软件设计

2.1        概述
        应用软件还是使用了传统的开发方式，独立运行在电脑侧。基本功能是用于和图示仪上的SMU通信，控制图示仪测量电子管特性曲线，显示测量结果，并可以对图示仪进行校准等操作。
        在完成基本的测量后，应用软件将测量结果保存在数据中，后续可以再调出来进行研究，分析和比较。
        为了在电脑中管理测量结果，首先要建立电子管的数据库。为每个要测量的电子管建立唯一的编号，后续测量的结果都和这个编号关联。也可以通过这个编号，查询和修改电子管信息，并进行重复测量。
        应用软件除了管理电子管信息和测量结果，还支持基本特性分析，失真度分析，配对筛选等操作。
        基于测量结果，软件可以计算测量区域内某个工作点的参数，例如内阻，跨导等。这个工作点可以在已经测量的曲线上，也可以是测量区域内任意一点。
        在软件中，建立了三极管和四极管的共阴放大电路的模型。基于实际测量的特性曲线，通过设定工作电压，工作点，负载，反馈，输入信号动态范围等参数，软件可以计算此时电路的转移特性，放大倍数，失真度THD等参数，辅助进行电路模拟分析。
        此外，经常需要做电子管配对的操作。传统的配对方法，通常是看特定工作电压下，比较屏流的大小。只是单一点的测量。如果用图示仪，需要同时测量两个管，显示特性曲线后，靠人眼识别匹配程度。效率极低，匹配度也不能量化表示。在这个应用软件里，只需一次性测量一批电子管子，然后点击“配对“按钮，系统自动计算这批管中两两之间的相似度，并把满足相似度的管子筛选成不同的组。真正实现“一键配对”。
        后面将分模块介绍应用软件的功能。

2.2        管理电子管信息
        管理电子管信息就是要先在系统中创建要测量电子管的型号，然后在对要测量的电子管创建编号。通过下面的电子管信息数据模型，可以了解应用软件是如何存储电子管信息以及测量结果的。


2.2.1电子管信息数据模型
        数据模型主要包括两部分。第一部分是电子管型号部分。第二部分是元件及曲线测量结果部分。基于这个模型，可以生成数据库表结构，存放型号，元件和测量结果。


1）电子管型号
        系统可以保存的电子管包括二级管，三极管，四极管，以及双二极管，双三极管管，三/四极复合管。系统假设每个电子管有一组灯丝，包括两个灯丝引脚，一个灯丝电压参数。有些管的灯丝是带中间抽头的两段灯丝，可以并联和串联。在建立这种型号的管子时，尽量选择串联方式，记录灯丝两端的引脚和需要的灯丝电压。
        对于复合管，将按照二极管，和三极管拆成两个元件。为了保持数据完整性，单三极管和四极管也都包含一个三极管或四极管子元件。系统可以测量的子元件类型包括二极管，三极管和四极管。
        针对每个子元件，要定义阳极，栅极，阴极，第二栅极（仅对四极管）引脚，最大电压和最大耗散功率，便于测量的时候做参考。还可以定义每类管子不太特性曲线的缺省测量条件。这样就不用每此测量都要手工输入测量条件。
2）元件和特性曲线信息
        元件记录了要测量的每个电子管编号。对于复合管，会自动按照子元件的类型在电子管编号后加序号，识别是第一个子元件，还是第二个子元件。
        特性曲线和测量点记录了每次的测量结果。只要不删除，所有测量结果都保存在这两个数据结构中。

2.2.2创建电子管型号
        创建电子型号的操作界面，在应用软件的管理元件信息模块中。操作界面如下：


        首先输入电子管的型号，然后选择类型。目前支持的类型包括二极管，三极管，四极管，双二极管，双三极管，三/四极复合管。
        然后输入灯丝电压和灯丝的引脚。有些管的灯丝是带中间抽头的两段灯丝，可以并联和串联。在建立这种型号的管子时，尽量选择串联方式，记录灯丝两端的引脚和需要的灯丝电压。
        根据电子管类型，需要进一步输入元件的引脚，功耗和最高电压等信息。对于双二极管，双三极管，三/四极复合管，要分别输入两个子元件的引脚和功耗，最大电压等信息。
        为了简化测量过程上测量条件的输入。在创建型号的时候，可以针对可以测量的每类曲线，设置默认的测量条件。
        在界面中先选择曲线，然后根据曲线的Vg，Va，Vg2等条件，输入测量默认测量条件。
输入完成后，点击确认，就可以创建好型号。

2.2.3 创建电子管
        创建好型号后，就可以继续创建该型号下的电子管。创建界面非常简单，入下图：


        创建电子管的关键是为每个要测量的电子管创建编号。编号记录了我们要测量的每个电子管。为了确保我们要测量的电子管和数据库里的电子管编号可以一一对应起来，需要对编号进行仔细的规划。可以先在被测的电子管上贴好标签，按顺序编号。然后再在系统里生成这些编号。以后测量的时候，严格遵守实际测量的电子编号和系统中当前管的编号一致。


2.3        测量特性曲线
        在数据库里创建了电子管后，就可以开始测量了。测量的主界面如下：


        测量过程遵循“把大象装入冰箱”的三个步骤：1）选择要测量的电子管；2）设置测量条件；3）测量；

2.3.1选择要测量的电子管
        在主界面的左上部分是输入电子管编号，或者选择型号，然后查询电子管的界面。
        可以选择型号，然后点击查询。将在元件列表中显示库中所有这种型号的元件。
        也可以输入元件编号，可以只输入不完整的编号，然后点击查询，系统将按照模糊匹配的方式查询所有匹配的元件，显示在元件列表中。如果选择了精确匹配选项，将不支持模糊匹配查询。
        在查询到的元件列表上，选择一个要测量的元件，此时元件引脚的基本信息，会显示在界面上方测量条件区域。可以根据引脚信息，链接元件引脚和测量端子。
        同时该元件所对应的灯丝电压，也会显示在测量条件区域。在连接好元件引脚和测量端子后，可以点击启动灯丝按钮，点亮灯丝。

2.3.2设置测量条件
        在选定好被测元件，点亮灯丝后，就可以选择要测量的曲线，并设置测量条件了。
        通常在灯丝点亮后，最好等几分钟，等电子管充分热起来后再测量。
        在界面上方测量条件区域，通过下拉框的方式选择要测量的曲线。如果我们在创建型号的时候，针对该曲线输入的默认测量条件，那么这些测量条件就会在右侧显示出来，可以手工调整，也可以不更改，直接测量。
        需要说明的是，关于最大功率限制。该条件的默认值是根据创建电子管时设定的最大阳极功耗设定的。这个值是电子管可以长时间工作的最大值，但是短时间超过是没有关系的。为了更充分地测量曲线特性，可以将最大功耗设为大于手册值的50%~100%。

2.3.3测量并保存结果

        设定好参数后，点击开始按钮，就可以测量了。
        曲线测量完成后，系统默认自动保存到数据库。
        下次查询该管的时候，就可以看到测量曲线了。


2.4        查询和操作特性曲线
        查询和操作特性曲线主要包括从数据库中查询已经创建的电子管，及测量曲线，并在界面上控制显示曲线，及显示测量范围内某个工作点的参数。


2.4.1查询和导出测量结果
        在测量主界面，左上角选择电子管型号，或者输出电子管编号，然后点击查询。在左侧列表中会显示数据库中匹配的电子管及之前的测量曲线。
左侧列表中，有导出按钮，可以将查询出的电子管及曲线的测量结果按csv格式导出。

2.4.2显示曲线
        显示曲线包括两部分。一部分是在元件列表中选择要显示的曲线；另一部分是在曲线画布上控制显示的放大，缩小等。
        在元件列表上，选中某条曲线，画布上就可以按照默认的方式显示曲线，可以通过参数控制是否要显示测量点标示，线型及颜色；
        也可以选择显示相同测量条件的全部曲线。这样可以比较不同管在同样测量条件下的差异。
        在画布中，有如下的一些小工具，可以控制显示的放大和缩小等


2.4.3显示特性参数
        在显示出曲线后，可以在曲线测量范围内，显示任意一点的特性参数。如果下图，显示的是6P6P的输出特性曲线。可以将鼠标移动到区域内任意一点（不一定要在曲线上），点击鼠标右键，弹出菜单，可以选择显示参数，就可以显示出当前点的电压，电流，内阻和gm等参数。
        显示特性参数是应用软件的主要优点之一。实现的思路如下图：


        基本思路是通过拟合算法，求出任意点所在的输出特性曲线和转移特性曲线，然后输出特性曲线求导数，取倒数，就是内阻；对转移特性曲线就导数，就是gm。例如要求上图A中点P的参数，具体包括三个步骤：
1.        规范化测量数据：
        上图A是原始测量的曲线。虽然每条曲线都是在输出同样的Va条件下测量，只是Vg不同，但实际Va输出还是有些差异。
        受最大测量功率限制，不同曲线实际测量的点数量也不完全相同。
        所以需要按照每条曲线的实际测量数据，建立拟合函数；然后将每条曲线的边界扩展对齐，生成规范化的曲线族，如上图中的B。图中虚线部分是补充出来的部分。
2.        生成P点的输出特性曲线和转移特性曲线：
        在上图B中可以看，曲线族横向的点，构成了输出特性曲线族；曲线族的纵向点构成的曲线，其实就是转移特性曲线族；
        利用横向点的数据进行拟合，就可以生成P点的输出特性曲线。
        利用纵向点的数据进行拟合，就可以生成P点的转移特性曲线。
        模拟生成的P点曲线如上图C
3.        求P点的内阻rs和跨导gm
        电子管的rs和gm都是动态特性，理论上，不同的工作点，参数都不同。
        通过对经过P点的输出特性曲线，求P点的导数，然后再取导数，就可以到达P点的内阻rs
        通过对经过P点的转移特性曲线，求P点的导数，就可以得到P点的跨导gm
        参数显示结果如上图D

       
未完待续

cngtlj

基础扎实，工程不小！图片上网站logo影响大，建议发图时右下角留空。

ZhaoHome

很实用的设计，想预定一套，这下就有得玩了。
个人提个建议：能否在测试过程中的异常检测和保护方面，考虑做的更完善一些。因为实际测量过程中，所面对的管子有可能是开路短路的、漏气的、老化的，甚至是型号错的，还有些管子看不清型号，只能通过观察内部结构来判断，我用GS-5A测量这种管子的时候，也是短暂通电，反复多次确认没有发生异常。

suncand

2.5        基于特性曲线的失真度分析
        计算电路失真度，最权威的工具当然是电路仿真工具，Multisim，LTSpice等。但是这些工具中电子管的模型比较有限，往往不能满足要求。也有一些工具，可以对手册上电子管的曲线采样，生成Spice模型，然后在电路仿真工具中使用。这种方法，使用的是手册上的标准曲线，而实际的电子管特性曲线和手册上的曲线还是有一定的偏差，同一型号的电子管之间，差异也比较大。这些情况，导致用电路仿真工具的模拟计算结果还是不能很好地了解自己手头电子管的特性。
        利用图示仪测量的实际曲线，结合典型的放大电路，通过数值计算的方式，模拟电路工作情况，计算在不同动态范围，负载，反馈系数的情况下，定量分析电路的失真度，对于了解电路工作情况，了解具体某个电子管的特性，还是有一定帮助的。
        以下就是基于共阴放大电路，利用电子管实际测量结果，进行电路失真度分析的应用软件介绍。

2.5.1        构建共阴放大电路
        以四极管6P6P为例，在软件中构建的共阴放大电路如下图：

        电路采用自给偏压的方式。由阴极电流经电阻Rk1+Rk2转换为电压，为电子管提供静态工作偏压。电容Ck可以旁路Rk2上的交流信号，减少交流负反馈量。调整Rk1,Rk2的阻值，可以控制电子管的偏压和交流负反馈的量。
        VHT是电路的实际工作电压，需要根据电路的实际情况设置。VG2由测量特性曲线是设置的VG2确定，不用再设置。
        电阻Ra是静态负载电阻。Ra和Rk1, Rk2共同确定了电子管的静态工作点。在选定了工作点后，还需要设置Rk1，然后程序会根据工作点计算出Ra和Rk2。
        电阻RL是电路的实际负载。RL//Ra构成了电路的动态负载。不同的RL会影响电路的动态放大系数和失真度。

2.5.2        选择工作点，计算电路参数
        在失真度仿真计算界面，选中某个电子管后，就可以设置工作点及相关的必要参数。参数设置界面如下图：


        首先设置电路的外围工作条件。外围工作条件包括电源电压VHT，负载电阻RL和输入信号峰值Ui。
        然后是设置期望的工作点Iaq和Vaq。工作点可以是测量曲线的范围内的任意一点，不一定要在曲线上。如下图所示。


        最后是设置电路的反馈系数。只需要设置Rk1, Rk2会根据工作点自动计算。勾选Ck，可以让Rk2交流短路。此时，在保持Rk1+Rk2的和不变的情况下，调整Rk1和Rk2的值，可以改变电路的交流反馈量。

2.5.3        计算转移特性曲线
        通过计算电路的动态负载线，然后计算Vg沿动态负载线变化时，Ia的变化，就可以得到电路的转移特性。
        从转移特性的线性度上，可以大致了解电路的线性化程度。线性化程度越高，失真度越小。
        下图是基于某个工作点（Ia=50mA，Va=150V），负载电阻为10K时的动态负载线。以及基于动态负载线的电路IaVg转移特性。


2.5.4        模拟输入输出，计算失真度
        有了转移特性后，就可以计算输入信号为Ui时的输出信号Uo，对Uo进行傅里叶变换（FFT），就可以分析基频信号和谐波信号的能量。进而画出输出信号的频域特性。倍频信号的能量越多，说明失真越大。在输出信号没有出现限幅的情况下，失真多以偶次谐波为主。如下图中上图是输入频率为1kHz的峰值1V的正弦波，输出峰值约5.2V的正弦波。下图是输出信号的频域特性。为了便于显示，以基频信号作为基准，其他倍频信号取基频的倍数，并换算成db。所有计算结果再加100db。因此基频信号为确定的100db, 其他信号的强度以此类推。若某次谐波小于100db,则不显示出来。此时计算出来的失真度为1.73%。


未完待续

呀美喋

能增加电子管识别语音播报吗，比如插上电子管播报：您的管子是6p1

suncand

呀美喋 发表于 2024-8-30 08:02
能增加电子管识别语音播报吗，比如插上电子管播报：您的管子是6p1

这个暂时做不到