Nixie-Projekt

von Neumann, Paul und Prechtl

Projekt Sommersemester 2011: Gasgefüllte Kaltkathoden-Anzeigeröhren

Nixie-Anzeigeplatinen für ZM 1020, IN-8-2 und IN-12A

1. Einleitung

Unsere Aufgabe war der Anzeigeteil zahlreicher Schaltungen, wie z. B. Uhren, Pulsmesser, Safeschloß etc. Es wurden Anzeigeplatinen mit je zwei Nixieröhren, des Typs ZM 1020, IN 8-2 und IN 12A, erstellt. Diese wurden modular aufgebaut, so daß sie durch Aneinanderreihen auch eine höhere Ziffernzahl darstellen können. Dezimalpunkte können durch Glimmlampen zwischen den Nixieröhren realisiert werden.
Für den Arduino Mikrocomputer kann ein Beispieltreiberpaket zur Ansteuerung der Nixieröhren auf http://www.ogilumen.com/pub/fileroom/001/drivermux.zip kostenlos heruntergeladen werden.

2. Schnittstellen

Die Platinen besitzen drei Pinheader des Typs PINHD-1X2 (zweiköpfig) und zwei Pinheader des Typs PINHD-1X5 (fünfköpfig). Sie benötigen eine Spannungsversorgung über +170 V/DC bzw. +5 V/DC. Die einzelnen Ziffern der Nixieröhren werden über die zwei Pinheader PINHD-1X5 an einem 8-Bit-Schieberegister (ST74HC595) angesteuert. Dessen Ausgänge liefern zwei 4 Bit BCD Codes, die über einen BCD zu Dezimal Anzeigetreiber(74141) führen und die Nixie Röhre ansteuern.
Es handelt sich hierbei um ein 8-Bit-Serial-In/Parallel-Out gelatchtes Schieberegister mit Speicherfunktion, Schiebefrequenz von bis zu 55 MHz. Es existieren zwei getrennte, positiv flankengesteuerte Clockeingänge für Schieberegister (SCK) und Speicherregister (RCK). Das Einlesen der Werte geschieht nun über den seriellen Eingang (SER), der mit einem Mikrocomputer verbunden wird, und per Schieberegister Clock (SCK) einlädt. Über die Speicherregisterclock (RCK) werden die Werte auf den Ausgang geschaltet. Funktionsweise Schieberegister siehe auch Bild. Das serielle Ausgangssignal (QH*) kann bei Bedarf einer weiteren Platine zugeführt werden. Hierbei sollte die max. Frequenz, die der Microcontroller zulässt, verwendet werden (Im Beispiel Arduino: 16 MHz; Zeit zwischen zwei RCK Werten 10 ms, um Flimmern zu vermeiden).

Zeitdiagramm Schieberegister:
über Serial In (SI) gehen die Daten per Shift Clock (SCK) hinein
und werden per Register Clock (RCK) auf die Ausgänge geschaltet
(beide bei positiver Taktflanke)

Die Eingangspins von JP1 (PINHD-1X2):
PIN 1 = +170V/DC
PIN 2 = +170V/DC

Die Eingangspins von JP2 (PINHD-1X2):
PIN 1 = +170V/DC
PIN 2 = +170V/DC

Die Eingangspins von JP3 (Pinheader-1X5) auf das Schieberegister sind:
PIN 1 = SCK
PIN 2 = RCK
PIN 3 = SER
PIN 4 = VCC
PIN 5 = GND

Die Eingangspins von JP4 (Pinheader-1X5) auf das Schieberegister sind:
PIN 1 = SCK
PIN 2 = RCK
PIN 3 = QH*
PIN 4 = VCC
PIN 5 = GND

Die Dezimalpunkte können durch Anlegen von GND auf JP5 realisiert werden:
PIN 1 = (GND)
PIN 2 = (GND)

Die Ausgänge des Schieberegisters QA-QD steuern die erste Nixieröhre an:

Ziffer	QA	QB	QC	QD
0	L	L	L	L
1	H	L	L	L
2	L	H	L	L
3	H	H	L	L
4	L	L	H	L
5	H	L	H	L
6	L	H	H	L
7	H	H	H	L
8	L	L	L	H
9	H	L	L	H

Die Ausgänge des Schieberegisters QE-QH steuern die zweite Nixieröhre an:

Ziffer	QE	QF	QG	QH
0	L	L	L	L
1	H	L	L	L
2	L	H	L	L
3	H	H	L	L
4	L	L	H	L
5	H	L	H	L
6	L	H	H	L
7	H	H	H	L
8	L	L	L	H
9	H	L	L	H

3. Schaltung

3.1 Schaltplan

In diesem Abschnitt werden der Schaltplan und die Funktion der Anzeigeplatine näher beschrieben. Das Schaltbild der Nixie-Röhren wurden aus zusätzlichen Eagle Bibliotheken entnommen (siehe Links auf der Projektseite).

Dem Datenblatt der Nixieröhren wurde entnommen, dass ein Strom von 2,5 mA für eine Röhre benötigt wird. Da wir einen Anodenwiderstand von 22 kOhm haben, muss die benötigt Leistung des Widerstandes berechnet werden:

P = I² * R = 2,5² * 22 000 = 137,5 mW

Ein Viertelwatt-Widerstand reicht also gerde nicht mehr, weshalb Widerstände mit einer maximalen Leistung von 0,5W vorgesehen wurden. Die Nixie-Röhren werden über die 22-kOhm-Anodenwiderstände mit der 170-V-Versorgungspannung verbunden. Die Glimmlampen sind über einen 10-kOhm-Widerstand (0,5W) an der hohen Spannung angeschlossen. Der zweite Pin der Glimmlampe wird über einen Steckverbinder zu einer zusätzlichen Transistor Open-Collector Ansteuerung geführt. Diese Schaltung ist nicht Teil der Anzeigeplatine da die Glimmlampen nur bei Bedarf bestückt werden.
Die Ansteuerung der Röhren erfolgt über je ein TTL-IC 74141 welches direkt an den Röhrenkathoden angeschlossen ist. Dies ist aufgrund der speziellen Schaltung der 74141 direkt ohne zusätzliche Widerstände möglich. Angesteuert werden diese Nixietreiber über ein 8-Bit-Schieberegister. Es wird der Baustein 74HC595 verwendet. Das Register erhält die Daten über den seriellen Eingang, welcher mit dem Microcomputer über die Steckerpins verbunden wird. Weiterhin wird der serielle Ausgang zu einer Buchse geleitet um das Signal bei Bedarf auf die nächste Platine zu überführen wo es wieder als Eingssignal des Schieberegisters dient. Um eine dauerhafte Anzeige zu realisieren wurde hierfür ein Schieberegister mit einem parallelen Latch verwendet. Jedes IC wird mit einem 100-nF-Kondensator versorgungsmäßig abgeblockt.

3.2 Testprogramm

Die Pinbelegung des Arduino für die Ansteuerung der Nixie-Boards ist:

Pin 2 - Serial In              // SER - Pinnummer
Pin 3 - Serial Clock           // SCK - Pinnummer
Pin 4 - paralleles Latchen     // RCK - Pinnummer

Zum Testen der gelöteten Board wird folgendes Programm eingesetzt:

// include the library
#include 

#define dataPin 2  // SER - Pinnummer
#define clockPin 3 // SCK - Pinnummer
#define latchPin 4 // RCK - Pinnummer
#define numDigits 2 // Anzahl der Ziffern

#define longDelay 500 // Wartezeit vor der Aktualisierung

// Es wird ein Objekt der Klasse Nixie erzeugt werden, welches
// weiter verwendet wird
Nixie nixie(dataPin, clockPin, latchPin);

void setup()
{
  nixie.clear(numDigits);
}

void loop()
{
  int i = 0;
  int j = 0;
  int arrayNums[numDigits];

  for(j=0; j < 10; j++)
  {
    for(i=0; i < 10; i++)
    {
      // Werte von 0-99
      arrayNums[0] = i;
        arrayNums[1] = j;
      // Write out the array
      nixie.writeArray( arrayNums, numDigits);
      delay(longDelay);
    }
  }
}

4. Board

Im folgenden wird das Layout der Platine näher erläuter. Die Größe des Anzeigeboards für die drei verschiedenen Nixie-Röhren: ZM 1020, IN-12 und IN-8-2 sind gleich. Es wurde sich an der größten Bauform orientiert, dies ist die ZM 1020. Dadurch ergeben sich die Platinenmaße von 3,05 inch (77,47mm) x 3,35 inch (85,09mm). Auf jeder Platine besteht die Möglichkeit, zwei Nixie-Röhren zu bestücken. Der generelle Aufbau der Platine ist zusammensteckbar. Dadurch wurden die Röhren so platziert, dass sie immer den gleichen Abstand zueinander besitzen. Bei der ZM 1020 beträgt der Abstand 0,40 inch (10,14mm). Bei der IN-12 beträgt dieser Abstand 0,90 inch (22,86mm) und bei der IN-8-2 0,95 inch (24,13mm) Die Glimmlampen sind die Dezimalpunkte und sitzen links von den Röhren. Für die Befestigung der Platine sind 4 Bohrungen mit einem Durchmesser von 0,12 inch (3mm) vorgesehen.
Generell sind auf der Platine zwei Spannungen vorhanden. Zum einen ein "Hochspannungsteil", der die Spannungsversorgung von +170 V für die Röhren und Glimmlampen ist. Dieser Teil befindet sich im oberen Teil der Platine, wo auch die Glimmlampen und die Röhren zu finden sind. Im unteren Teil sind die Digitalbausteine zu finden, welche eine Spannungsversorgung von +5 V benötigen. Für die Hochspannung und den Digitalbereich sind je zwei Stecker auf der linken und zwei Buchsen für die rechte Seite vorhanden. Diese Kombination dient für das Zusammenstecken von mehreren Anzeigeplatinen. Für die Glimmlampen ist in der linken oberen Ecke ein zweipoliger Stecker vorgesehen. Mit Hilfe dieser Pins können die bei Bedarf bestückten Glimmlampen angesteuert werden. Für die +170 V ist ein zweipoliger Stecker auf der linken Seite und eine zweipolige Buchse rechts vorgesehen.
Für den Digitalbereich ist ein fünfpoliger Anschluß rechts und links vorgesehen. Daher lassen sich mehrere Platinen aneinanderreihen (ca. 1 mm Abstand) und durch Lötbrücken verbinden. Um die Robustheit des Digitalbereichs zu steigern, wurde eine sogenannte Goundplane dort verwendet. Diese wirkt wie ein Kondensator mit den Spannungsversorgung zusammen. Der Generelle Aufbau der Platine ist weitestgehend symmetrisch. Die beiden Nixie-Röhren und deren Ansteuerung wurden aus Gründen der Leiterbahnoptimierung senkrecht untereinander angeordnet. Nur das Schieberegister liegt zwischen den beiden Decodern.
Die Nixieröhren sind so angeordnet, dass die Treiber unten liegen. Durch die Höhe der Röhren ist ein Geräuseeinbau problemlos möglich. Bei den Fassungen für die Röhren wurden bei den Prototypen sowohl die Standard-Röhrenfassungen als auch einzelne Einlötpins verwendet.

ZM-1020-Board

IN-12-Board

IN-8-2-Board

5. Stücklisten

Im folgenden sind die Stücklisten der einzelnen Anzeigeplatinen aufgelistet.

5.1 Stückliste IN8-2

Partname	Value	Bauform
C1	100n
C2	100n
C3	100n
GL1
GL2
IC1	74141N	DIL16
IC2	74LS595N	DIL16
IC3	74141N	DIL16
JP1	1x2	2,54mm
JP2	1x2	2,54mm
JP3	1x5	2,54mm
JP4	1x5	2,54mm
JP5	1x5	2,54mm
N1	IN8-2
N2	IN8-2
R1	22 kOhm	0.5 W
R2	82 kOhm	0.5 W
R3	22 kOhm	0.5 W
R4	82 kOhm	0.5 W

5.2 Stückliste ZM1020

Partname	Value	Bauform
C1	100n
C2	100n
C3	100n
GL1
GL2
IC1	74141N	DIL16
IC2	74LS595N	DIL16
IC3	74141N	DIL16
JP1	1x2	2,54mm
JP2	1x2	2,54mm
JP3	1x5	2,54mm
JP4	1x5	2,54mm
JP5	1x5	2,54mm
N1	ZM1020
N2	ZM1020
R1	22 kOhm	0.5 W
R2	82 kOhm	0.5 W
R3	22 kOhm	0.5 W
R4	82 kOhm	0.5 W
X1	Sockel

5.3 Stückliste IN12A

Partname	Value	Bauform
C1	100n
C2	100n
C3	100n
GL1
GL2
IC1	74141N	DIL16
IC2	74LS595N	DIL16
IC3	74141N	DIL16
JP1	1x2	2,54mm
JP2	1x2	2,54mm
JP3	1x5	2,54mm
JP4	1x5	2,54mm
JP5	1x5	2,54mm
N1	IN-12A
N2	IN-12A
R1	22 kOhm	0.5 W
R2	82 kOhm	0.5 W
R3	22 kOhm	0.5 W
R4	82 kOhm	0.5 W
X1	Sockel	B13B

6. Eagle-Dateien

ZM 1020 Board
ZM 1020 Schaltung
IN-8-2 Board
IN-8-2 Schaltung
IN-12 Board
IN-12 Schaltung