Преобразователь аналогового сигнала в цифровой для монитора

Содержание:

технический журнал для специалистов сервисных служб

Преобразователи аналоговых сигналов в LCD-мониторах

Мониторы LCD являются цифровыми устройствами – для вывода информации в них требуются сигналы, обеспечивающие коммутацию ключей, т.е. для работы им необходимы дискретные (цифровые) сигналы. Однако до сих пор значительная часть производимых видеокарт оборудуется аналоговым выходом, обеспечивающим управление мониторами ЭЛТ, в которых яркость цвета управляется аналоговым сигналом на катодах трубки. В более ранних версиях видеоадаптеров, тем более, повсеместно применяется стандартный 15-контактный аналоговый выходной разъем. Учитывая все это, большая часть производителей LCD- мониторов обеспечивает их возможностью работы с входными аналоговыми сигналами. Но такая возможность требует дополнительной обработки данных – входные аналоговые сигналы необходимо преобразовать в цифровые. Результатом этого является появление в составе LCD-мониторов такого модуля, как цифро-аналоговый преобразователь, характеристики которого в значительной степени определяют качество изображения. Кроме того, схемы цифро-аналогового преобразования имеют относительно высокий процент отказов, что связано с достаточно высоким значением потребляемой схемами мощности. Все это говорит в пользу более близкого знакомства с входным аналоговым интерфейсом жидкокристаллических дисплеев.

На входном аналоговом интерфейсе монитора (15-pin D-SUB) имеются три аналоговых сигнала: R (красный), G (зеленый), B (синий). Эти сигналы являются низковольтными – их полный размах составляет максимум 0.7 В. В этом диапазоне данные сигналы могут принимать абсолютно любое значение, что обеспечивает практически неограниченную возможность передачи цвета. Уровень сигнала отражает значение яркости соответствующего цвета. Чем больше размах сигналов R, G, B, тем большую яркость имеет соответствующий цвет.

В LCD мониторах уровни этих трех сигналов необходимо преобразовать в цифровые значения, описывающие размах (амплитуду) входных сигналов. Преобразованием аналоговых сигналов в цифровые значения осуществляются устройствами, получившими название цифро-аналоговые преобразователи – ЦАП (в английском варианте ADC – Analog-Digital Converter). В современной электронике эти устройства выполняются в виде интегральных микросхем.

Цифровое представление входных аналоговых сигналов монитора далее используется микросхемой видеоконтроллера (рис.1).

Рис.1 Преобразование сигналов в LCD-дисплеях

Так как обработка аналоговых видеосигналов является весьма распространенной и имеющей свои определенные особенности процедурой, имеется целый класс специализированных АЦП – преобразователи для видеосигналов. С развитием и широким распространением жидкокристаллических мониторов этот класс микросхем стал бурно прогрессировать, и сейчас они стали одними из самых распространенных (хотя уже сейчас можно наблюдать все более уверенный переход к цифровым интерфейсам LCD-мониторов). Но ремонтные и сервисные службы, все-таки чаще всего имеют дело не с ультрасовременной техникой, а с уже поработавшим оборудованием.

Получившей широкое признание у разработчиков мониторов микросхемой АЦП является TDA8752, имеющая множество разновидностей с различными характеристиками и параметрами. В какой-то мере, эту микросхему можно считать образцом АЦП для LCD-мониторов. На выходе микросхемы аналого-цифрового преобразователя формируется 8-разрядное цифровое значение для каждого канала цвета. В качестве питающего напряжения преобразователя используется напряжение +5В . Рассмотрим организацию и принцип работы TDA8752.

Описание, особенности и основные характеристики TDA8752

Трехканальный 8-разрядный АЦП (по каждому каналу)

– Частота выборки до 80 МГц

– Программируется по последовательной шине I2C

– Обеспечивает обработку входных аналоговых сигналов, амплитудой от 0.4 до 1.2 В

– Полоса пропускания усилителя до 250 МГц

– Слабая температурная зависимость коэффициента усиления

– Содержит три управляемых усилителя, коэффициент усиления которых программируется по последовательному интерфейсу I2C, что позволяет обеспечить полномасштабное разрешение АЦП с шагом 1/2 LSB

– Система ФАПЧ программируется по последовательному интерфейсу I2C, что позволяет задать такую частоту АЦП, которая обеспечит синхронизацию по строкам в диапазоне от 15 до 280 кГц

– Встроенный делитель ФАПЧ

– Выходы и входы совместимы с сигналами TTL

– Выходы с высоким импедансом

– Поддерживается режим отключения питания (Power Off)

– Рассеиваемая мощность до 1Вт

Одной из интереснейших особенностей микросхемы TDA8752 является возможность управления различными ее характеристиками (уровень фиксации, уровень опорного напряжения, коэффициент усиления) путем записи цифровых данных во внутренние регистры. Запись в эти регистры осуществляется, обычно, по шине I2C , хотя для этих целей может использоваться и обычный трехпроводной последовательный интерфейс.

Характеристики и параметры микросхемы дают возможность использовать ее для мониторов с высоким разрешением.

В качестве примера рассмотрим TDA8752H/8. Эта разновидность микросхемы позволяет осуществлять выборку сигналов с частотой 80 МГц.

Функциональная схема TDA8752H/8 представлена на рис.2, из которого видно, что микросхема содержит три канала аналого-цифрового преобразования. Все три преобразователя имеют общий сигнал фиксации (CLP), общий сигнал синхронизации по строкам (HSYNC) и общую схему ФАПЧ. Все это позволяет обеспечивать синхронную и пропорциональную обработку входных аналоговых видеосигналов.

Рис.2 Блок-схема аналого-цифрового преобразователя TDA8752H/8

Рис.3 Цоколевка корпуса микросхемы TDA8752H/8

Таблица 1. Описание контактов микросхемы АЦП – TDA 8752

Выводы (1, 5, 30, 31, 43, 44, 50, 51, 100) не подключены и не используются

Входы развязки внутреннего регулятора напряжения. К этим выводам подключаются развязывающие конденсаторы, второй вывод которых подключается к «земле».

Вход стабилизированного опорного напряжения, создаваемого внешними цепями. Напряжение на этом контакте используется для регулировки коэффициента усиления АРУ.

Выходы АРУ соответствующего канала цвета.

Контакты для подключения развязывающих конденсаторов выходной нагрузки. Конденсаторы подключаются между этими выводами и «землей»

RGAINC, GGAINC, BGAINC

Контакты для подключения конденсаторов схем усиления для соответствующего канала цвета. Напряжение на этих конденсаторах определяет значение коэффициента усиления

Контакты для подключения запоминающих конденсаторов схемы фиксации уровня черного для соответствующего канала цвета.

Контакты подключения развязывающих конденсаторов для регуляторов напряжения усилителей соответствующего канала цвета.

Питающее напряжение аналоговой части схемы усиления для соответствующего канала цвета.

Входы аналоговых видеосигналов для соответствующего канала цвета.

AGNDR, AGNDG, AGNDB

«Земля» аналоговой части схемы усиления для соответствующего канала цвета.

Входной сигнал, выбирающий тип интерфейса передачи данных. «Высоким» уровнем этого сигнала выбирается интерфейс I 2 C . «Низким» уровнем – трехпроводный интерфейс ( 3W) .

Входные сигналы управления адресом для шины I 2 C .

Сигнал запуска режима сканирующего тестирования. Сигнал активен «высоким» уровнем.

Выход сканирующего тестирования

Сигнал запрещения управления по шинам I 2 C и 3 W . При «высоком» уровне этого сигнала управление микросхемой по этим шинам запрещено.

Входной сигнал «разрешение выбора» последовательного интерфейса 3 W .

Линия передачи данных интерфейсов I 2 C и 3 W .

Питающее напряжение цифровой логики интерфейсов I 2 C /3 W .

«Земля» цифровой логики интерфейсов I 2 C /3 W .

Линия сигнала синхронизации интерфейсов I 2 C и 3 W .

Выход бита переполнения АЦП для соответствующего канала цвета.

«Земля» выходных буферов для соответствующего канала цвета.

Выходные цифровые значения АЦП синего цвета.

Напряжение питания выходных буферов для соответствующего канала цвета.

Выходные цифровые значения АЦП зеленого цвета.

Выходные цифровые значения АЦП красного цвета.

Выходной сигнал опорной частоты.

Третья выходная частота системы ФАПЧ (в фазе с выходной опорной частотой – CKREFO ).

«Земля» цифровой части ФАПЧ.

Вторая выходная частота ФАПЧ.

Первая выходная частота ФАПЧ (в фазе с внутренней частотой АЦП).

Напряжение питания выхода ФАПЧ.

«Земля» цифровой части микросхемы

Сигнал разрешения выходных данных. «Высокий» уровень сигнала переводит цифровые выходы в состояние высокого импеданса, т.е. запрещает работу выходных буферов. «Низкий» уровень сигнала разрешает работу выходных буферов.

Вход управления режимом отключения. Если на этом контакте устанавливается сигнал «высокого» уровня, микросхема переходит в режим отключения (энергосбережения).

Сигнал фиксации уровня черного цвета. Этот сигнал является общим для всех трех каналов.

Входной импульс строчной синхронизации.

Входной сигнал инвертирования выходной частоты ФАПЧ. При «высоком» уровне этого сигнала фаза выходных импульсов синхронизации смещается на 180°.

Вход внешней тактовой частоты.

Входной сигнал отключения фазового и частотного детектора во время обратного хода (по вертикали) или при отсутствии сигнала опорной частоты ФАПЧ ( CKREF ).

Сигнал входной опорной частоты для ФАПЧ.

Напряжение питания цифровой части микросхемы.

«Земля» аналоговой части ФАПЧ

Контакты для подключения фильтра ФАПЧ

Напряжение питания аналоговой части ФАПЧ

Пример построения одного канала (зеленого цвета) показан на рис.4. В его составе можно выделить следующие основные элементы:

1. Дифференциальный усилитель опорного напряжения (ДУ1)

2. Дифференциальный усилитель видеосигнала (ДУ2)

4. Схема автоматической регулировки усиления (АРУ)

5. Схема фиксации уровня черного цвета

6. Аналого-цифровой преобразователь (АЦП)

7. Регистр сравнения

8. Регистр «грубой» настройки коэффициента усиления

9. Регистр точной настройки коэффициента усиления

10. Регистр настройки уровня черного

11. Цифро-аналоговые преобразователи

Рис.4 Архитектура одного канала преобразования цвета микросхемы АЦП TDA 8752

Регистры настройки используются для задания соответствующих параметров аналого-цифрового преобразования. Эти регистры устанавливаются в необходимые значения путем записи по шине I2C . А так как параметры усиления и уровня черного в итоге управляются постоянными напряжениями, то цифровые значения этих регистров преобразуются к аналоговому виду внутренними цифро-аналоговыми преобразователями.

Одной из важнейших при оцифровывании видеосигналов является схема фиксации уровня черного цвета. Три независимых схемы фиксации ( Clamp – в английском варианте) необходимы для установки уровня черного цвета во входном видеосигнале. Установка уровня черного позволяет управлять контрастностью изображения и правильно интерпретировать входные видеосигналы.

В видеосигнале, приходящем на вход монитора имеется незначительная паразитная шумовая составляющая. Ее наличие определяется неидеальностью схем выходных усилителей и ЦАП видеокарты, тепловым дрейфом и помехами в соединительном кабеле. В результате на соответствующем канале присутствует сигнал (хотя и малый) (рис.5), наличие которого приводит к появлению серого фона на экране вместо идеального черного цвета. Говорить о высококачественном изображении и высоком качестве обработки сигнала в этом случае не приходится.

Читайте также:  Pycharm community edition django

Рис.5 В реальном сигнале всегда имеется шумовая составляющая

Задачей схемы фиксации уровня черного является, как раз, избавление от этого паразитного (темнового) тока. Для избавления от паразитных шумов задается другой (путем вычисления или принудительной установки) уровень черного цвета, относительно которого и будет определяться амплитуда входного видеосигнала (рис.6). При этом уровню черного на экране будет соответствовать действительно черный цвет. Правильной установкой схемы фиксации считается такая, при которой уровень черного соответствует нулевому коду на выходе АЦП (рис.7).

Рис.6 Избавление от "темнового" тока обеспечивается установкой "нового" уровня черного цвета

Рис.7 Реальный уровень черного цвета должен находиться ниже того уровня, которому соответствует нулевое цифровое значение цвета

TDA8752 позволяет программировать уровень черного в диапазоне от -63.5 до +64 ступеней (с шагом 1/2 LSB). Установка уровня осуществляется записью в 8-разрядный регистр цифрового значения, которое схемой ЦАП преобразуется в аналоговый сигнал. Уровень черного в TDA8752 может корректироваться в диапазоне от +/- 0.1В до +/- 10мВ . Время, необходимое для коррекции – 300 нс.

«Новый» уровень черного цвета фиксируется (запоминается) во внешнем конденсаторе ( GCLP ). Так как конденсатор имеет свойство со временем разряжаться, то периодически необходимо восстанавливать заданный уровень. Поэтому схема фиксации управляется импульсным сигналом CLP, который следует с частотой строчной развертки, т.е. в начале каждой строки уровень черного обновляется. Во время активного сигнала CLP (который формируется во время обратного хода по строке) конденсатор заряжается до заданного уровня. А уже во время формирования строки напряжение конденсатора GCLP задает уровень черного цвета для зеленого канала.

Уровень черного цвета, заданный конденсатором ( GCLP ), вычитается из входного видеосигнала дифференциальным усилителем ( ДУ2 ). Полученный сигнал далее через мультиплексор подается на схему усиления ( АРУ ) и на АЦП.

Задачей все усилительной части канала является обеспечение на входе АЦП такого сигнала, который бы соответствовал максимальному входного сигналу аналого-цифрового преобразователя. Максимальным уровнем входного сигнала для АЦП является 1В. Диапазон регулировок коэффициента усиления микросхемы таков, что позволяет усиливать видеосигналы с максимальной амплитудой от 0.4В до 1.2 В , и приводить их в соответствие с максимальной амплитудой входного сигнала АЦП ( ).

Для того чтобы исключить искажения обработки видеосигналов при изменении температуры корпуса микросхемы АЦП в составе TDA8752 имеется дифференциальный усилитель опорного напряжения ( ДУ1 ). Для устранения возможного температурного дрейфа опорное напряжение задается внешними цепями и подается на вывод Vref . Внешнее опорное напряжение должно иметь значение 2.5 В. Из этого напряжения дифференциальным усилителем ДУ1 формируется напряжение 0.156 В , которое используется для предварительной настройки системы АРУ. Калибровки коэффициента усиления канала осуществляется перед началом каждой видеостроки до начала импульса фиксации CLP по следующему сценарию:

1) Во время следования импульса синхронизации строки на вход TDA8752 приходит сигнал уровня TTL, управляющий мультиплексором. Этот сигнал носит название HSYNCI. Этим сигналом мультиплексор переключается между двумя дифференциальными усилителями. Т.е. на выходе мультиплексора может устанавливаться либо напряжение 0.156 В (от ДУ1 ) во время следования HSYNC (обратный ход по строке), либо напряжение видеосигнала (от ДУ2 ), когда HSYNC не активен (прямой ход по строке). Таким образом, во время обратного хода по строке на выходе мультиплексора, а, значит, на входе АЦП устанавливается опорное напряжение ( 0.156В ).

2) Опорное напряжение оцифровывается, т.е. преобразуется в 8-разрядное число и записывается в регистр сравнения, в котором уже находится предустановленное значение. Эти два числа сравниваются, и результат сравнения регулирует коэффициент усиления.

3) Предустановленное значение регистра сравнения может программироваться путем записи данных в регистр «грубой» настройки коэффициента усиления.

4) Полученный методом сравнения коэффициент усиления фиксируется во внешнем конденсаторе ( GGAINC ), напряжение которого управляет схемой АРУ.

5) Регистр точной настройки коэффициента усиления позволяет изменять опорное напряжение системы калибровки. Это дает возможность изменять коэффициент усиления системы АРУ и компенсирует рассогласование между тремя каналами цвета.

АЦП выдает 8-разрядный цифровой код, соответствующий амплитуде видеосигнала. Еще раз напомним, что уровень максимального сигнала на входе АЦП составляет . Но если этот входной сигнал имеет большую амплитуду, то на выходе микросхемы TDA8752 в «высокий» уровень устанавливается бит переполнения ( ROR, GOR, BOR ). Задержка между входом и выходом АЦП составляет 1 тактовый цикл, а тактовая частота работы может достигать 80 МГц.

Цифровые выходы АЦП микросхемы TDA8752 являются управляемыми, т.е. выдача сигналов может быть разрешена, а может и запрещаться. Для управления выходами используется сигнал #OE (OUTPUT ENABLE) активный «низким» уровнем. Если сигнал #OE устанавливается в логический «0», то на выходе TDA8752 появляются выходные цифровые данные. При «высоком» же уровне сигнала #OE выходы TDA8752 переводятся в состояние высокого импеданса, т.е. выдача данных запрещена. К выходам микросхемы рекомендуется подключать нагрузку с эквивалентной емкостью 10 пФ.

В качестве примера включения микросхемы TDA8752H/2 и ее практического применения рассмотрим схему аналогового входного интерфейса монитора Samsung SyncMaster 320TFT/520TFT. Комментариев по этой схеме мы никаких не даем, т.к. после изучения всего приведенного выше материала, надеемся, они и не требуются. Вся «обвязка» микросхемы обусловлена ее архитектурой и особенностями, о которых рассказывалось в статье и в таблице описания контактов микросхемы.

Данный тип оборудования довольно трудно отнести к какому-то конкретному разряду аппаратуры. Кстати, именно поэтому рассматриваемые здесь конвертеры очень непросто отыскать в известных онлайн-маркетах: непонятно, в какой категории товара вести поиск — среди устройств захвата, среди тюнеров или среди конвертеров? В то же время, эти устройства ближе всех подходят под категорию конвертеров, поскольку единственная их задача — это именно преобразование одного типа сигнала в другой. А уж каким образом можно будет использовать устройства — дело сугубо личное, и зависит от задач и умений пользователя.

  • Конструкция и технические характеристики
  • Подключение, настройка и эксплуатация
  • Особенности захвата
  • Выводы

Конструкция и технические характеристики

Рассматриваемые конвертеры поставляются в одинаковых блистер-упаковках, и с первого взгляда ничем не отличаются друг от друга. Лишь неприметная надпись-обозначение модели поможет разобраться, какой именно перед вами конвертер.

Другое дело — обратная сторона упаковки. Тут и читать ничего не требуется, достаточно взглянуть на разъемы, виднеющиеся под прозрачной упаковкой.

Первое устройство, с обозначением модели ET110, предназначено для конвертации стандартного компьютерного RGB-сигнала, поступающего через интерфейс VGA (15-контактный разъем, называемый иначе D-sub) в стандартный на сегодня цифровой сигнал с направлением по HDMI-разъему. Видеовыходы D-sub имеются в видеокартах персональных компьютеров, ноутбуков, иных устройств генерации видеосигнала.

Второй конвертер, ET111, занят преобразованием древнего композитного сигнала в цифровой, который также выводится через порт HDMI. Такими «тюльпанами» снабжался абсолютно каждый видеомагнитофон, игровая приставка или видеокамера прежних поколений.

Наконец, третий конвертер, с индексом ET113 (интересно, а почему не 112?), как видно по его разъемам, оцифровывает компонентный YPbPr-сигнал, идущий по обычным коаксиальным кабелям с «тюльпанными» разъемами. Такие видеовыходы имеются у игровых приставок, некоторых видеомагнитофонов и медиаплееров, даже современных.

ET110 ET111 ET113

Корпуса устройств изготовлены из пластика и состоят из двух половинок, накрепко сцепленных защелками. Для того, чтобы узнать расположение этих защелок, нам пришлось изрядно покорежить корпус одного из конвертеров. И все-таки разобрать аппараты удалось. Конструкция их оказалась чрезвычайно похожей, что и неудивительно, если учесть тот факт, что основной электронный компонент, оцифровывающий видео — это одна и та же микросхема производства Silicon Image.

ET110 ET111 ET113

  • микропрограмма конвертера упрятана в микросхему Winbond 25X40 (флэш-память с последовательным интерфейсом)
  • специализированная микросхема SiI8784 производства Silicon Image, являющаяся конвертером аналогового видео в HDMI/MHL с поддержкой технологии улучшения видео VRS ClearView video enhancement

  • AD12250A производства ESMT — конвертер аналогового стереозвука с поддержкой 24 бит 96 кГц

Наши устройства не являются банальными переходниками с перепаянными сквозными выходами, это вполне самостоятельные устройства, электроника которых работает по активной схеме, то есть требует питания. Для этого у каждого из рассматриваемых конвертеров имеется еще один «хвостик» — стандартный USB, который следует подключить к USB-порту телевизора или иного устройства. В крайней случае подойдет и обычная пятивольтовая батарея, так называемый powerbank, которых нынче расплодилось в избытке.

Основные технические характеристики конвертеров приведены в следующей таблице:

Интерфейс ET110 ET111 ET113
Вход
Питание USB 2.0
Видеовход D-sub 15 pin VGA кабель композитный («тюльпан») компонентный («тюльпаны»)
Аудиовход аналоговый джек 3,5 мм аналоговый стерео (L/R, «тюльпаны») аналоговый стерео (L/R, «тюльпаны»)
Входное разрешение
  • 640×480p@60 Гц, @67 Гц, @72 Гц, @75 Гц, @85 Гц
  • 720×400p@70 Гц, @85 Гц
  • 800×600p@56 Гц, @60 Гц, @72 Гц, @75 Гц, @85 Гц
  • 832×624p@75 Гц
  • 1024×768p@60 Гц, @70 Гц, @75 Гц, @85 Гц
  • 1152×864p@60 Гц, @75 Гц
  • 1280×720p@60 Гц
  • 1280×768p@60 Гц, @75 Гц, @85 Гц
  • 1280×800p@60 Гц, @75 Гц
  • 1280×960p@60 Гц
  • 1280×1024p@60 Гц, @75 Гц
  • 1360×768p@60 Гц
  • 1366×768p@60 Гц (16:9)
  • 1400×1050@60 Гц
  • 1440×900p@60 Гц
  • 1600×900p@60 Гц (RB)
  • 1600×1200p@60 Гц
  • 1680×1050p@60 Гц
  • 1920×1080p@60 Гц
  • 480i
  • 576i
  • 480i/p
  • 576i/p
  • 720p
  • 1080i/p
Выход
Максимальное разрешение HDMI тип A, до 1080p60 или UXGA (1200×1600)
Прочие характеристики
Температура эксплуатации от 0 до +40 °C
Наличие индикаторов индикатор питания
Размеры 102×33×16 мм
Масса (с разъемами) 91 г 65 г 76 г

Эти и прочие сведения можно увидеть на страничке продуктов.

Подключение и эксплуатация

Из внешнего и тем более технического описания устройств становится совершенно понятно, каким образом следует подключать конвертеры. Тем не менее приведем здесь схемы типовых применений аппаратов.

ET110 ET111 ET113

Как можно видеть, в каждой из схем конечным пунктом является цифровой телевизор или проектор. Но возникает вопрос: любой современный проектор или телевизор — за редчайшими исключениями — обязательно оснащен всеми видеовходами, как цифровым, так и различными аналоговыми, включая даже «компьютерный» D-sub. Из устройств отображения информации, лишенных аналоговых входов, автор может вспомнить разве что какие-то узкоспециализированные мониторы, навроде тех, которые устанавливаются на «башмак» видеокамер или фотоаппаратов. Что же мешает обычному пользователю подключить старый видеомагнитофон или ноутбук к современному телевизору напрямую, через имеющиеся в комплекте телевизора кабели, переходники? По какой причине он выберет подключение через отдельное обособленное устройство, которому, к тому же, еще и питание подавай?

Читайте также:  Как залить шрифты в фотошоп

За обычного пользователя ничего сказать не имеем, а вот с пользователем «необычным» все обстоит не так просто. Специфика раздела «Цифровое видео», в котором опубликована данная статья, требует вспомнить об устройствах захвата. Здесь-то и начинаются настоящие сложности: устройства захвата видео подразделяются не только на аппаратные или программные, стационарные или портативные. Одной из главных отличительных особенностей любого устройства захвата является тип сигнала, который это устройство в состоянии принять и преобразовать. Отыскать универсальное устройство, имеющее все необходимые входы и поддерживающее все возможные видеостандарты, чрезвычайно трудно. Особенно сейчас, когда устройства захвата оснащаются одним-единственным входом. И это, конечно же, HDMI. Таким образом, имея одно устройство захвата HDMI-сигнала и несколько разностандартных конвертеров, приводящих любое видео в цифровой стандарт, пользователь будет иметь возможность оцифровки абсолютно любого источника — VHS-магнитофона или камеры, игровой приставки прежних поколений, плеера Blu-ray или медиаплеера, ноутбука, старого персонального компьютера и так далее, вплоть до аппарата ультразвуковой диагностики.

Но достаточно теории, хотелось бы рассмотреть те немногие аспекты, которые вообще возможно здесь изучить. И первый из них, самый важный, касается задержки при обработке и передаче сигнала. Ведь рассматриваемые конвертеры могут быть использованы в качестве переходников между игровой приставкой и каким-то устройством отображения видеосигнала (телевизором, проектором). А какой фактор важен в игре, например в шутере или гонках и прочих симуляторах? Конечно, реакция игрока.

Играть мы не станем, играет пусть довольный потребитель, мы же вычислим задержку, которая, возможно, имеется при передаче сигнала. Рассматриваемые конвертеры работают по активной схеме, здесь любой входящий сигнал проходит полную обработку, конвертируясь в другой стандарт на лету. А на это, даже теоретически, требуется время.

Для начала соберем этакий спонтанный стенд для проведения теста. Подключим к телевизору ноутбук, используя его VGA(D-sub)-видеовыход, а в качестве конвертера сигнала задействуем устройство ET110. Именно по такой схеме, которая приведена выше в первом же примере. В результате ноутбук получил второй экран, куда выводится та же информация, что отображается на основном дисплее. Теперь запустим на ноутбуке воспроизведение специального видеоролика, имеющего частоту 60 кадров в секунду. Здесь, в ролике, находится вращающаяся стрелка, делающая один оборот в секунду, а также двигающийся по верхней шкале прямоугольник, который пробегает свой путь также за одну секунду. Остается провести видеосъемку получившегося тестового стенда, причем видеосъемка будет вестись с той же частотой 60 кадров в секунду. Вот и результат:

В данном ролике отчетливо видно, что задержка сигнала составляет 7 секторов из 60, то есть около 1/10 доли секунды. Много это или мало, не знаем — игровыми приставками никогда не увлекались. Однако в гонках, которые были запущены на большом экране с этого же ноутбука через данный конвертер, такая задержка никак не ощущалась. Возможно, мастера онлайн-шутеров и сумеют заметить какой-то раздражающий их лаг, но, честно говоря, не очень в это верится.

Следующий вопрос, он же заключительный в изучении таких простых (но в то же время сложных) устройств — это сохранение детализации при перекодировании сигнала. Устройство ET111, которое оцифровывает композитное видео, в этом плане изучать бесполезно. Ни о какой там детализации не может быть даже речи — этот древний стандарт слишком нещадно поступает с видеосигналом, в котором и пиксель неквадратный, и соотношение сторон кадра «неправильное», оверскан-области, не видимые на «трубочных» телевизорах, да еще и интерлейс приснопамятный, который вдвое снижает детализацию по вертикали. Пользуясь представившейся возможностью, мы произвели захват нескольких старинных VHS-кассет, подключив к композитному видеовыходу магнитофона конвертер ET111, и пустив сигнал в устройство захвата с единственным HDMI-входом. Качество (точнее, то, что может предоставить VHS) оказалось вполне на высоте, ничуть не хуже, чем во время прямого просмотра с магнитофона на телевизоре.

А вот остальные два устройства вполне даже интересно поизучать с точки зрения детализации — действительно ли данные конвертеры не шулерствуют с сигналом, не ужимают его, к примеру, в два раза, обрабатывая, и впоследствии растягивая до Full HD?

Проверить это предположение проще всего с помощью воспроизведения специального тестового видеофайла с последующим захватом видеопотока. В случае с ET110 воспроизводить файл будет ноутбук, а сигнал выведен черед его VGA-выход, пропущен через конвертер, и подан в устройство захвата. Во втором случае источником будет служить медиаплеер, оснащенный компонентными видеовыходами. Тестовый видеофайл содержит множество линий толщиной в один пиксель, которые расположены на таком же расстоянии друг от друга. Результаты захвата можно увидеть ниже.

HDMI (оригинал) ET110 D-Sub ET113 Component

Разная яркость кадров объясняется разным диапазоном видеовыходов (ноутбук имеет «компьютерный» диапазон яркости), а разную четкость объяснить также нетрудно: мы помним, что входящий в конвертер видеосигнал проходит полную обработку — вот они, результаты данной обработки, на стоп-кадрах.

Выводы

В каких же целях предполагается использовать эти недорогие устройства, являющиеся полноценными конвертерами аналогового сигнала различных форматов в один цифровой, поддерживаемый всеми без исключения современными устройствами отображения? Как уже говорилось, они могут потребоваться в случае отсутствия у телевизора нужного входа. Или даже в таких банальных ситуациях, как отсутствие необходимых переходников (один из телевизоров автора был получен в ограниченной комплектации, в результате чего все его аналоговые входы оказались недоступны по причине отсутствия специальных фирменных переходников).

Но все же вариант с захватом видеосигнала, имеющего самые разные стандарты, видится более убедительным. И даже предпочтительным, если учесть немалую стоимость разномастных устройств захвата. Конечно, идеальным выходом, который устроит всех, оказался бы конвертер сигнала, подобный одному из рассматриваемых, только имеющий сразу три типа входных разъемов — и VGA, и композитный, и компонентный. Но такое решение, видимо, совсем не входит в планы маркетологов.

технический журнал для специалистов сервисных служб

Преобразователи аналоговых сигналов в LCD-мониторах

Мониторы LCD являются цифровыми устройствами – для вывода информации в них требуются сигналы, обеспечивающие коммутацию ключей, т.е. для работы им необходимы дискретные (цифровые) сигналы. Однако до сих пор значительная часть производимых видеокарт оборудуется аналоговым выходом, обеспечивающим управление мониторами ЭЛТ, в которых яркость цвета управляется аналоговым сигналом на катодах трубки. В более ранних версиях видеоадаптеров, тем более, повсеместно применяется стандартный 15-контактный аналоговый выходной разъем. Учитывая все это, большая часть производителей LCD- мониторов обеспечивает их возможностью работы с входными аналоговыми сигналами. Но такая возможность требует дополнительной обработки данных – входные аналоговые сигналы необходимо преобразовать в цифровые. Результатом этого является появление в составе LCD-мониторов такого модуля, как цифро-аналоговый преобразователь, характеристики которого в значительной степени определяют качество изображения. Кроме того, схемы цифро-аналогового преобразования имеют относительно высокий процент отказов, что связано с достаточно высоким значением потребляемой схемами мощности. Все это говорит в пользу более близкого знакомства с входным аналоговым интерфейсом жидкокристаллических дисплеев.

На входном аналоговом интерфейсе монитора (15-pin D-SUB) имеются три аналоговых сигнала: R (красный), G (зеленый), B (синий). Эти сигналы являются низковольтными – их полный размах составляет максимум 0.7 В. В этом диапазоне данные сигналы могут принимать абсолютно любое значение, что обеспечивает практически неограниченную возможность передачи цвета. Уровень сигнала отражает значение яркости соответствующего цвета. Чем больше размах сигналов R, G, B, тем большую яркость имеет соответствующий цвет.

В LCD мониторах уровни этих трех сигналов необходимо преобразовать в цифровые значения, описывающие размах (амплитуду) входных сигналов. Преобразованием аналоговых сигналов в цифровые значения осуществляются устройствами, получившими название цифро-аналоговые преобразователи – ЦАП (в английском варианте ADC – Analog-Digital Converter). В современной электронике эти устройства выполняются в виде интегральных микросхем.

Цифровое представление входных аналоговых сигналов монитора далее используется микросхемой видеоконтроллера (рис.1).

Рис.1 Преобразование сигналов в LCD-дисплеях

Так как обработка аналоговых видеосигналов является весьма распространенной и имеющей свои определенные особенности процедурой, имеется целый класс специализированных АЦП – преобразователи для видеосигналов. С развитием и широким распространением жидкокристаллических мониторов этот класс микросхем стал бурно прогрессировать, и сейчас они стали одними из самых распространенных (хотя уже сейчас можно наблюдать все более уверенный переход к цифровым интерфейсам LCD-мониторов). Но ремонтные и сервисные службы, все-таки чаще всего имеют дело не с ультрасовременной техникой, а с уже поработавшим оборудованием.

Получившей широкое признание у разработчиков мониторов микросхемой АЦП является TDA8752, имеющая множество разновидностей с различными характеристиками и параметрами. В какой-то мере, эту микросхему можно считать образцом АЦП для LCD-мониторов. На выходе микросхемы аналого-цифрового преобразователя формируется 8-разрядное цифровое значение для каждого канала цвета. В качестве питающего напряжения преобразователя используется напряжение +5В . Рассмотрим организацию и принцип работы TDA8752.

Описание, особенности и основные характеристики TDA8752

Трехканальный 8-разрядный АЦП (по каждому каналу)

– Частота выборки до 80 МГц

– Программируется по последовательной шине I2C

– Обеспечивает обработку входных аналоговых сигналов, амплитудой от 0.4 до 1.2 В

– Полоса пропускания усилителя до 250 МГц

– Слабая температурная зависимость коэффициента усиления

– Содержит три управляемых усилителя, коэффициент усиления которых программируется по последовательному интерфейсу I2C, что позволяет обеспечить полномасштабное разрешение АЦП с шагом 1/2 LSB

– Система ФАПЧ программируется по последовательному интерфейсу I2C, что позволяет задать такую частоту АЦП, которая обеспечит синхронизацию по строкам в диапазоне от 15 до 280 кГц

– Встроенный делитель ФАПЧ

– Выходы и входы совместимы с сигналами TTL

– Выходы с высоким импедансом

– Поддерживается режим отключения питания (Power Off)

– Рассеиваемая мощность до 1Вт

Одной из интереснейших особенностей микросхемы TDA8752 является возможность управления различными ее характеристиками (уровень фиксации, уровень опорного напряжения, коэффициент усиления) путем записи цифровых данных во внутренние регистры. Запись в эти регистры осуществляется, обычно, по шине I2C , хотя для этих целей может использоваться и обычный трехпроводной последовательный интерфейс.

Характеристики и параметры микросхемы дают возможность использовать ее для мониторов с высоким разрешением.

В качестве примера рассмотрим TDA8752H/8. Эта разновидность микросхемы позволяет осуществлять выборку сигналов с частотой 80 МГц.

Функциональная схема TDA8752H/8 представлена на рис.2, из которого видно, что микросхема содержит три канала аналого-цифрового преобразования. Все три преобразователя имеют общий сигнал фиксации (CLP), общий сигнал синхронизации по строкам (HSYNC) и общую схему ФАПЧ. Все это позволяет обеспечивать синхронную и пропорциональную обработку входных аналоговых видеосигналов.

Читайте также:  Фото на аву одной и тоже девушки

Рис.2 Блок-схема аналого-цифрового преобразователя TDA8752H/8

Рис.3 Цоколевка корпуса микросхемы TDA8752H/8

Таблица 1. Описание контактов микросхемы АЦП – TDA 8752

Выводы (1, 5, 30, 31, 43, 44, 50, 51, 100) не подключены и не используются

Входы развязки внутреннего регулятора напряжения. К этим выводам подключаются развязывающие конденсаторы, второй вывод которых подключается к «земле».

Вход стабилизированного опорного напряжения, создаваемого внешними цепями. Напряжение на этом контакте используется для регулировки коэффициента усиления АРУ.

Выходы АРУ соответствующего канала цвета.

Контакты для подключения развязывающих конденсаторов выходной нагрузки. Конденсаторы подключаются между этими выводами и «землей»

RGAINC, GGAINC, BGAINC

Контакты для подключения конденсаторов схем усиления для соответствующего канала цвета. Напряжение на этих конденсаторах определяет значение коэффициента усиления

Контакты для подключения запоминающих конденсаторов схемы фиксации уровня черного для соответствующего канала цвета.

Контакты подключения развязывающих конденсаторов для регуляторов напряжения усилителей соответствующего канала цвета.

Питающее напряжение аналоговой части схемы усиления для соответствующего канала цвета.

Входы аналоговых видеосигналов для соответствующего канала цвета.

AGNDR, AGNDG, AGNDB

«Земля» аналоговой части схемы усиления для соответствующего канала цвета.

Входной сигнал, выбирающий тип интерфейса передачи данных. «Высоким» уровнем этого сигнала выбирается интерфейс I 2 C . «Низким» уровнем – трехпроводный интерфейс ( 3W) .

Входные сигналы управления адресом для шины I 2 C .

Сигнал запуска режима сканирующего тестирования. Сигнал активен «высоким» уровнем.

Выход сканирующего тестирования

Сигнал запрещения управления по шинам I 2 C и 3 W . При «высоком» уровне этого сигнала управление микросхемой по этим шинам запрещено.

Входной сигнал «разрешение выбора» последовательного интерфейса 3 W .

Линия передачи данных интерфейсов I 2 C и 3 W .

Питающее напряжение цифровой логики интерфейсов I 2 C /3 W .

«Земля» цифровой логики интерфейсов I 2 C /3 W .

Линия сигнала синхронизации интерфейсов I 2 C и 3 W .

Выход бита переполнения АЦП для соответствующего канала цвета.

«Земля» выходных буферов для соответствующего канала цвета.

Выходные цифровые значения АЦП синего цвета.

Напряжение питания выходных буферов для соответствующего канала цвета.

Выходные цифровые значения АЦП зеленого цвета.

Выходные цифровые значения АЦП красного цвета.

Выходной сигнал опорной частоты.

Третья выходная частота системы ФАПЧ (в фазе с выходной опорной частотой – CKREFO ).

«Земля» цифровой части ФАПЧ.

Вторая выходная частота ФАПЧ.

Первая выходная частота ФАПЧ (в фазе с внутренней частотой АЦП).

Напряжение питания выхода ФАПЧ.

«Земля» цифровой части микросхемы

Сигнал разрешения выходных данных. «Высокий» уровень сигнала переводит цифровые выходы в состояние высокого импеданса, т.е. запрещает работу выходных буферов. «Низкий» уровень сигнала разрешает работу выходных буферов.

Вход управления режимом отключения. Если на этом контакте устанавливается сигнал «высокого» уровня, микросхема переходит в режим отключения (энергосбережения).

Сигнал фиксации уровня черного цвета. Этот сигнал является общим для всех трех каналов.

Входной импульс строчной синхронизации.

Входной сигнал инвертирования выходной частоты ФАПЧ. При «высоком» уровне этого сигнала фаза выходных импульсов синхронизации смещается на 180°.

Вход внешней тактовой частоты.

Входной сигнал отключения фазового и частотного детектора во время обратного хода (по вертикали) или при отсутствии сигнала опорной частоты ФАПЧ ( CKREF ).

Сигнал входной опорной частоты для ФАПЧ.

Напряжение питания цифровой части микросхемы.

«Земля» аналоговой части ФАПЧ

Контакты для подключения фильтра ФАПЧ

Напряжение питания аналоговой части ФАПЧ

Пример построения одного канала (зеленого цвета) показан на рис.4. В его составе можно выделить следующие основные элементы:

1. Дифференциальный усилитель опорного напряжения (ДУ1)

2. Дифференциальный усилитель видеосигнала (ДУ2)

4. Схема автоматической регулировки усиления (АРУ)

5. Схема фиксации уровня черного цвета

6. Аналого-цифровой преобразователь (АЦП)

7. Регистр сравнения

8. Регистр «грубой» настройки коэффициента усиления

9. Регистр точной настройки коэффициента усиления

10. Регистр настройки уровня черного

11. Цифро-аналоговые преобразователи

Рис.4 Архитектура одного канала преобразования цвета микросхемы АЦП TDA 8752

Регистры настройки используются для задания соответствующих параметров аналого-цифрового преобразования. Эти регистры устанавливаются в необходимые значения путем записи по шине I2C . А так как параметры усиления и уровня черного в итоге управляются постоянными напряжениями, то цифровые значения этих регистров преобразуются к аналоговому виду внутренними цифро-аналоговыми преобразователями.

Одной из важнейших при оцифровывании видеосигналов является схема фиксации уровня черного цвета. Три независимых схемы фиксации ( Clamp – в английском варианте) необходимы для установки уровня черного цвета во входном видеосигнале. Установка уровня черного позволяет управлять контрастностью изображения и правильно интерпретировать входные видеосигналы.

В видеосигнале, приходящем на вход монитора имеется незначительная паразитная шумовая составляющая. Ее наличие определяется неидеальностью схем выходных усилителей и ЦАП видеокарты, тепловым дрейфом и помехами в соединительном кабеле. В результате на соответствующем канале присутствует сигнал (хотя и малый) (рис.5), наличие которого приводит к появлению серого фона на экране вместо идеального черного цвета. Говорить о высококачественном изображении и высоком качестве обработки сигнала в этом случае не приходится.

Рис.5 В реальном сигнале всегда имеется шумовая составляющая

Задачей схемы фиксации уровня черного является, как раз, избавление от этого паразитного (темнового) тока. Для избавления от паразитных шумов задается другой (путем вычисления или принудительной установки) уровень черного цвета, относительно которого и будет определяться амплитуда входного видеосигнала (рис.6). При этом уровню черного на экране будет соответствовать действительно черный цвет. Правильной установкой схемы фиксации считается такая, при которой уровень черного соответствует нулевому коду на выходе АЦП (рис.7).

Рис.6 Избавление от "темнового" тока обеспечивается установкой "нового" уровня черного цвета

Рис.7 Реальный уровень черного цвета должен находиться ниже того уровня, которому соответствует нулевое цифровое значение цвета

TDA8752 позволяет программировать уровень черного в диапазоне от -63.5 до +64 ступеней (с шагом 1/2 LSB). Установка уровня осуществляется записью в 8-разрядный регистр цифрового значения, которое схемой ЦАП преобразуется в аналоговый сигнал. Уровень черного в TDA8752 может корректироваться в диапазоне от +/- 0.1В до +/- 10мВ . Время, необходимое для коррекции – 300 нс.

«Новый» уровень черного цвета фиксируется (запоминается) во внешнем конденсаторе ( GCLP ). Так как конденсатор имеет свойство со временем разряжаться, то периодически необходимо восстанавливать заданный уровень. Поэтому схема фиксации управляется импульсным сигналом CLP, который следует с частотой строчной развертки, т.е. в начале каждой строки уровень черного обновляется. Во время активного сигнала CLP (который формируется во время обратного хода по строке) конденсатор заряжается до заданного уровня. А уже во время формирования строки напряжение конденсатора GCLP задает уровень черного цвета для зеленого канала.

Уровень черного цвета, заданный конденсатором ( GCLP ), вычитается из входного видеосигнала дифференциальным усилителем ( ДУ2 ). Полученный сигнал далее через мультиплексор подается на схему усиления ( АРУ ) и на АЦП.

Задачей все усилительной части канала является обеспечение на входе АЦП такого сигнала, который бы соответствовал максимальному входного сигналу аналого-цифрового преобразователя. Максимальным уровнем входного сигнала для АЦП является 1В. Диапазон регулировок коэффициента усиления микросхемы таков, что позволяет усиливать видеосигналы с максимальной амплитудой от 0.4В до 1.2 В , и приводить их в соответствие с максимальной амплитудой входного сигнала АЦП ( ).

Для того чтобы исключить искажения обработки видеосигналов при изменении температуры корпуса микросхемы АЦП в составе TDA8752 имеется дифференциальный усилитель опорного напряжения ( ДУ1 ). Для устранения возможного температурного дрейфа опорное напряжение задается внешними цепями и подается на вывод Vref . Внешнее опорное напряжение должно иметь значение 2.5 В. Из этого напряжения дифференциальным усилителем ДУ1 формируется напряжение 0.156 В , которое используется для предварительной настройки системы АРУ. Калибровки коэффициента усиления канала осуществляется перед началом каждой видеостроки до начала импульса фиксации CLP по следующему сценарию:

1) Во время следования импульса синхронизации строки на вход TDA8752 приходит сигнал уровня TTL, управляющий мультиплексором. Этот сигнал носит название HSYNCI. Этим сигналом мультиплексор переключается между двумя дифференциальными усилителями. Т.е. на выходе мультиплексора может устанавливаться либо напряжение 0.156 В (от ДУ1 ) во время следования HSYNC (обратный ход по строке), либо напряжение видеосигнала (от ДУ2 ), когда HSYNC не активен (прямой ход по строке). Таким образом, во время обратного хода по строке на выходе мультиплексора, а, значит, на входе АЦП устанавливается опорное напряжение ( 0.156В ).

2) Опорное напряжение оцифровывается, т.е. преобразуется в 8-разрядное число и записывается в регистр сравнения, в котором уже находится предустановленное значение. Эти два числа сравниваются, и результат сравнения регулирует коэффициент усиления.

3) Предустановленное значение регистра сравнения может программироваться путем записи данных в регистр «грубой» настройки коэффициента усиления.

4) Полученный методом сравнения коэффициент усиления фиксируется во внешнем конденсаторе ( GGAINC ), напряжение которого управляет схемой АРУ.

5) Регистр точной настройки коэффициента усиления позволяет изменять опорное напряжение системы калибровки. Это дает возможность изменять коэффициент усиления системы АРУ и компенсирует рассогласование между тремя каналами цвета.

АЦП выдает 8-разрядный цифровой код, соответствующий амплитуде видеосигнала. Еще раз напомним, что уровень максимального сигнала на входе АЦП составляет . Но если этот входной сигнал имеет большую амплитуду, то на выходе микросхемы TDA8752 в «высокий» уровень устанавливается бит переполнения ( ROR, GOR, BOR ). Задержка между входом и выходом АЦП составляет 1 тактовый цикл, а тактовая частота работы может достигать 80 МГц.

Цифровые выходы АЦП микросхемы TDA8752 являются управляемыми, т.е. выдача сигналов может быть разрешена, а может и запрещаться. Для управления выходами используется сигнал #OE (OUTPUT ENABLE) активный «низким» уровнем. Если сигнал #OE устанавливается в логический «0», то на выходе TDA8752 появляются выходные цифровые данные. При «высоком» же уровне сигнала #OE выходы TDA8752 переводятся в состояние высокого импеданса, т.е. выдача данных запрещена. К выходам микросхемы рекомендуется подключать нагрузку с эквивалентной емкостью 10 пФ.

В качестве примера включения микросхемы TDA8752H/2 и ее практического применения рассмотрим схему аналогового входного интерфейса монитора Samsung SyncMaster 320TFT/520TFT. Комментариев по этой схеме мы никаких не даем, т.к. после изучения всего приведенного выше материала, надеемся, они и не требуются. Вся «обвязка» микросхемы обусловлена ее архитектурой и особенностями, о которых рассказывалось в статье и в таблице описания контактов микросхемы.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

Adblock detector