5.1. Аналоговые видеоблоки с цифровым управлением
Цифровое управление оказалось очень удобным средством не только для телезрителей, которым иногда приходится регулировать яркость, контрастность и цветовую насыщенность изображения, но и для специалистов, осуществляющих ремонт и обслуживание телевизоров. Теперь сложные операции, такие как, например, настройка частот разделительных фильтров, установка времени задержки яркостного сигнала, регулировка баланса белого и многие другие, могут быть произведены с помощью пульта дистанционного управления, причем для этого даже не понадобится снимать заднюю крышку телевизора.
5.1.1. Принцип действия
Главной задачей видеоблока является обработка полного цветного телевизионного сигнала (ПЦТС). При этом необходимо различать аналоговую обработку ПЦТС и цифровое управление видеоблоком.
При аналоговой обработке сигнал ПЦТС с помощью режекторных и полосовых фильтров разделяется на сигнал цветности (С-сигнал) и яр-костный сигнал (Y-сигнал). Эти два сигнала далее обрабатываются по-разному и только в видеопроцессоре опять сводятся вместе. Сигнал цветности подается в декодер PAL, NTSC или SECAM, где отделяются друг от друга цветоразностные сигналы R-Y и B-Y. Эти сигналы дематрици-руются с яркостным сигналом Y, пропущенным через линию задержки, и полученные в результате сигналы R, G и В подаются на выходные видеоусилители.
Регулировка контрастности, яркости и цветовой насыщенности в современных телевизорах осуществляется посредством цифрового управления. Устанавливаемые значения передаются в видеопроцессор в 5- или 6-битовом формате. В самом видеопроцессоре вырабатывается аналоговое управляющее напряжение, которое определяет коэффициент передачи управляемого усилителя и таким образом влияет на изменение установки. Цифровое управление позволяет также переключать видеопроцессор на прием внешних сигналов RGB, например, телетекста, а также производить регулировку таких параметров, как порог ограничения тока лучей кинескопа, высокое напряжение, баланс белого, размер и линейность по вертикали и тому подобное.
Установленные параметры поддерживаются неизменными благодаря автоматическим регулировкам, следящим за стабильностью частоты, компенсацией времени задержки и коэффициентом усиления трактов яр-костного и цветового сигналов. На рис. 5.1 представлена блок-схема видеомодуля с цифровым управлением. На входе имеется аналоговый коммутатор входных сигналов. Сего помощью можно по цифровой шине управления переключить вход на прием сигналов с тюнера, контактов SCART или от источника S-VHS. С выхода видеомодуля сигналы RGB подаются на выходные видеоусилители. По системной шине (чаще всего PC), подключенной к различным микросхемам видеомодуля, производится управление процессом обработки видеосигналов. В этом видеоблоке микросхема IC1 содержит кроме аналогового коммутатора входных сигналов, разделитель сигналов цветности и яркости, декодер PAL. На выходе IC1 имеются сигналы Y, R-Y и B-Y. Сигнал Y обрабатывается далее отдельно. Оба цветоразностных сигнала R-Y и B-Y поступают на входы IC2 - микросхемы улучшения качества изображения. В зависимости от возможностей схемы речь идет о различных улучшениях. Например, повышение четкости изображения достигается здесь путем уменьшения длительности цветовых переходов благодаря повышению верхней граничной частоты пропускания тракта усиления. Y-сигнал задерживается в IC2, причем время задержки может быть отрегулировано командами, поступающими по системной шине. В микросхеме видеопроцессора IC3 яркостный и цветоразностные сигналы дематрицируются и превращаются в сигналы R, G и В. Здесь же с помощью команд, поступающих по системной шине, происходит регулирование яркости, контрастности и цветовой насыщенности. Кроме того возможно переключение на прием внешних RGB-сигналов. Типичным примером аналогового видеоблока с цифровым управлением является модуль 29504-165.63 телевизора GRUNDIG шасси CUC 1822. Здесь впервые использована технология обработки видеосигналов, имеющая встроенные автоматические процедуры и не требующая каких-либо настроек при изготовлении и эксплуатации. Использование шины PC дало возможность задавать режим работы, управлять параметрами выходного сигнала и определять характеристики периферийных устройств. Приведенное ниже описание принципа работы модуля детализировано до уровня отдельных микросхем. Поскольку в данном телевизоре изображение выводится на экран с удвоенными частотами разверток, его видеоблок разделен на две секции, одна из которых обрабатывает обычные 50-Гц сигналы, а другая предназначена для работы с видеосигналами, преобразованными в стандарт с удвоенной частотой полей.
Рис. 5.1. Блок-схема видеомодуля с цифровым управлением
Рис. 5.2. Принципиальная схема видеомодуля телевизора GRUNDIG шасси CUC1822
Принципиальная схема видеомодуля 29504-165.63 приведена на рис. 5.2. В 50Гц-секции модуля с помощью аналоговой техники реализованы следующие функции:
- переключение режимов приема полного цветного телевизионного сиг нала (ПЦТС) или приема раздельных сигналов яркости и цветности
- Y/C, разделение сигналов яркости и цветности в режиме ПЦТС, а также декодирование сигналов цветности PAL, SECAM и NTSC в микросхеме TDA9160 (IC5001); - задержка цветоразностных сигналов PAL или SECAM на 1 строку в микросхеме TDA4661 (IC5100), матрицирование сигналов RGB и смешивание их с внешними RGB-сигналами в микросхеме TDA8443 (IC5021).
Декодированные 50Гц-сигналы Y50, B-Y50 и R-Y50 поступают из 50-Гц секции видеомодуля на входы блока FEATURE- BOX, который преобразует их из прежнего формата в формат с удвоенной частотой строк и полей. В таком виде эти сигналы, называемые уже Y100, B-Y100 и R-Y100 подаются на 100Гц-секцию видеомодуля, где они обрабатываются процессором OSD (текстового дисплея и меню) TDA4686 (IC5122). Здесь же происходит внедрение в полный видеосигнал сигнала PIP («кадр в кадре»), а также выдача окончательно сформированных сигналов RGB на выходные видеоусилители платы кинескопа. Кроме того, отдельно вычисленный компонент сигнала Y100 подается из этой секции на выходные усилительные каскады модулятора скорости (VM), который используется для улучшения резкости изображения.
5.1.2. Видеопроцессор TDA9160 и его навесные элементы
TDA9160 представляет собой комплекс узлов, сконструированных в корпусе одной микросхемы и выполняющих следующие функции:
- извлечение импульсов синхронизации из входного сигнала; - разделение сигналов яркости и цветности;
- декодирование сигналов цветности NTSC, PAL и SECAM;
- генерацию импульсов «вспышки» поднесущей сигнала цветности, ис пользуемых, главным образом, для точного стробирования моментов привязки уровней входных сигналов микросхемы TDA8443 и для так тирования внутреннего декодера сигналов цветности TDA9160;
- генерацию бланкирующих импульсов для выходных сигналов Y, B-Y и R-Y от TDA9160, синхронизированных с частотой полей.
Из других функций, которые способна выполнять микросхема TDA9160, используются только те, которые нужны для работы 50Гц-сек-ции. TDA9160 содержит 13 регистров, подключенных к шине 12С и обозначаемых R00-R0C, для записи всех параметров, которые могут быть изменены, а также отдельный регистр слова состояния, которое по шине I2C считывается центральным процессором. Основными регистрами для обработки видеосигналов являются R00, R01, R02 и R0C.
- в R00 находятся данные о состоянии входных ключей INA, INB, INC и IND, а также о том, какой кварц подключен (3,58 или 4,43 МГц);
- в R01 находятся данные о режиме обработки сигналов цветности (FM/SAF/FRQF-способ демодуляции);
- в R02 находятся параметры HUE/TINT (насыщенность и цветовой тон) для NTSC (все 8 бит);
- в R0C находится значение задержки Y-сигнала (DLM).
Все другие биты в регистрах, упомянутых выше, используются для синхронизации и регулировки геометрических параметров и не относятся непосредственно к обработке видеосигнала. Входные аналоговые переключатели выполнены таким образом, чтобы к двум независимым входам можно было подключать циклически три независимых источника сигналов. Этими источниками являются:
- ПЦТС1 (26 вывод);
- ПЦТС2 (24 вывод);
- пара входов для Y/C-источника (например, S-VHS) (22 и 23 выводы).
Все входы имеют номинальную чувствительность 1 В размаха сигнала ПЦТС при 300 мВ амплитуды «вспышки» цветовой синхронизации. Выход PIP (20 вывод) выдает сигнал ПЦТС в любом случае. При подаче на вход Y/C-сигнала на 20 вывод поступает сумма обоих компонентов. Сигнал, выбранный для вывода на экран телевизора, одновременно присутствует и на выходе ПЦТС-ТХТ (25 вывод) в том виде, в каком он поступает для дальнейшей обработки. Поэтому текстовая информация всегда является доступной. Номинальный уровень выходов PIP и ПЦТС-ТХТ также составляет 1 В размаха. Выходы PIP и ПЦТС-ТХТ могут быть подключены к разъему AV1. Сигнал с выхода ПЦТС-ТХТ подается также в модуль видеотекста для извлечения текстовой информации и в модуль FEATURE-BOX для синхронизации.
5.1.3. Разделение сигналов яркости и цветности
Микросхема TDA9160 содержит полностью аналоговый фильтр для разделения яркостных и цветовых составляющих полного видеосигнала, реализованный на гираторных схемах. Этот фильтр похож на известную CTI-схему задержки Y-сигнала в ICTDA4565. Под управлением схемы автоматического распознавания стандарта цветного телевидения центральная частота фильтра, выделяющего сигналы цветности, переключается и принимает значения 4,43 МГц (PAL и NTSC4.43), 3,58 МГц (NTSC) и 4,25 МГц (SECAM - колоколообраз-ная характеристика фильтра). В тракте сигнала Y содержится каскад задержки, который согласует во времени поступление яркостного и цветовых сигналов для дальнейшей обработки таким образом, что сигнал Y с 1 вывода поступает на 60нс позже, чем цветоразностные сигналы с 2 и 3 выводов. Эта задержка компенсирует запаздывание цветоразностных сигналов после их пропускания через микросхему TDA4661 - линию задержки 64 мкс. В случае приема Y/C-сигнала цветовая синхронизация в канале Y отключается (как в черно-белом телевидении, без опознавания цвета!), а время задержки корректируется путем подключения дополнительных гираторных каскадов.
5.1.4. Автоматическая регулировка
Аналоговые фильтры, содержащиеся в микросхеме TDA9160, могут быть перестроены с помощью соответствующих схемных устройств. Достигается это путем подсоединения разных источников опорного напряжения, определяющего требуемые характеристики фильтра. В TDA9160 управление производится схемой ФАПЧ. В течение периода обратного хода кадровой развертки схема ФАПЧ использует частоту опорного кварцевого генератора (резонатор подсоединен к 30 выводу) для подстройки колоколообразного фильтра, который работает в данные периоды как осциллятор. Две другие центральные частоты устанавливаются посредством подключения (или отключения) частотозадающих элементов. Управляющая петля ФАПЧ содержит внешний конденсатор (СС5026 47 нФ на 28 выводе), который используется как запоминающий элемент.
5.1.5. Декодер сигналов цветности и линия задержки 64 мкс
Декодер сигналов цветности в TDA9160 является мультисистемным и требует небольшого числа навесных деталей. Схема автоматической регулировки усиления (АРУ) цветовых сигналов управляется цифровыми средствами без использования внешних элементов. АРУ необходима для формирования необходимой амплитуды АМ-сигналов (NTSC, PAL) и достаточной для работы ФАПЧ амплитуды ЧМ-сигнала (SECAM) при различных (в пределах (20 дБ) уровнях входного сигнала цветности. Напряжение ФАПЧ для двух кварцевых осцилляторов (4,43 МГц на 30 выводе и 3,58 МГц на 29 выводе) фильтруется внешними цепями с двумя различными постоянными времени. В противоположность прежним конструктивным решениям (например, TDA4650) демодулятор SECAM выполнен не как схема совпадений, а как декодер ФАПЧ. Его номинальная частота также может быть откалибрована с использованием в качестве опорного осциллятора 4,43 МГц. Калибровка проводится в режиме идентификации сигнала SECAM в периоды обратного хода по кадрам. Поскольку центральные частоты поднесущих сигналов B-Y и R-Y в системе SECAM не равны 4,43 МГц (4,25 и 4,406 МГц соответственно), возникающий при демодуляции постоянный сдвиг автоматически компенсируется. Внешний запоминающий элемент этой управляющей цепи - конденсатор, присоединенный к 32 выводу. Время переходного процесса ФАПЧ- демодулятора, а с ним и амплитуда цветоразностных сигналов контролируется компаратором, сравнивающим ее с внутренне заданным опорным напряжением. После демодуляции цветоразностные сигналы пропускаются через известную микросхему TDA4661, которая содержит две линии задержки на время одной строки. Линии задержки выполнены на переключаемых конденсаторах (SCD-технология) и необходимы для фазовой коррекции сигналов PAL либо для регенерации пропущенных сигналов SECAM. Кроме того, в этой микросхеме благодаря сложению задержанного и незадержанного сигналов их амплитуда «усиливается» примерно вдвое, достигая номинальных значений 1,05 В для PAL и 1,33 В для NTSC.
5.1.6. Ввод внешних сигналов RGB и YUV50
Интерфейс YиY50-сигналов (сигналов Y, B-Y и R-Y), содержащийся в ICSDA9160, подключен к микросхеме матрицирования и внедрения внешних RGB-сигналов TDA8443. Внешние сигналы RGB, поступающие с разъемов SCART модуля сопряжения с внешними устройствами, преобразуются путем матрицирования в этой микросхеме в сигналы YUV. Входные буферные каскады (транзисторы СТ5111-СТ5113 и их навесные элементы) компенсируют погрешности матрицирования, присущие TDA8443. Внутренние выходные каскады имеют переключаемый по шине PC в пределах 6 дБ коэффициент передачи и обеспечивают амплитуду сигналов 900 мВ на 20 выводе, 2,66 В на 19 выводе и 2,1 В на 21 выводе. Выходные каскады для цифровых сигналов Y50, (B-Y) 50, (R-Y) 50 выполнены в виде активных фильтров, отсекающих помехи дискретизации. Цветоразностные сигналы буферизованы фильтрами второго порядка, каждый из которых построен на одном эмиттерном повторителе (СТ5101, СТ5071) и имеет единственную положительную обратную связь. Кроме того, пассивные делители напряжения CR5102, CR5103, CR5106 согласуют уровни сигналов B-Y и R-Y таким образом, что оба цветоразностных сигнала, поступающие на FEATURE-BOX, имеют размах 2,05 В (от пика до пика). Усилительные каскады СТ5081, СТ5082 в канале Y50 предназначены для того, чтобы уровень сигнала Y на входе эмиттерного повторителя СТ5093 составлял также 2,05 В. Эти каскады выполнены в виде фильтра третьего порядка также с одной положительной обратной связью. Фильтр имеет спад амплитудно-частотной характеристики -0,5дБ на частоте 5 МГц и -3 дБ на частоте 7 МГц. Время групповой задержки составляет 20 нc на частоте 5 МГц. Фильтры в канале Y и в каналах цветоразностных сигналов отрегулированы таким образом, чтобы иметь одинаковое время абсолютной задержки (50 нc).
5.1.7.100Гц-секция
Полоса пропускания сигнальных трактов 100-Гц секции видеоблока расширена до 13 МГц, поскольку эта секция обрабатывает видеосигналы, выводимые с удвоенной скоростью. Основным элементом этой секции является микросхема TDA4686 (IC5122), которая уже известна по предыдущим применениям. Она содержит:
- схему для ввода RGB-сигналов от двух внешних источников;
- каскады с регулировкой усиления (контрастности);
- схему регулировки уровня постоянной составляющей (яркости);
- схему регулировки цветовой насыщенности (только для YUV-интер- фейса).
Регулировка и задание различных режимов осуществляется по шине 12C. Выбор источников RGB-сигналов обусловлен режимом работы. Это может быть режим OSD (On Screen Display) или режим меню, или сигналы PIP. Если на входах RGB присутствуют оба сигнала, то приоритет отдается RGB2, чтобы управление через меню всегда было возможным. Номинальная чувствительность по входам YUV составляет соответственно 0,45, 1,33 и 1,05 В, поэтому сигналы YUV100, имеющие амплитуду 2,05 В, подаются на пассивные делители с выходным сопротивлением 750м. Чувствительность обоих входов RGB составляет 0,7 В максимальной амплитуды сигналов. Постоянная составляющая теряется на входных конденсаторах, но восстанавливается внутренними схемами привязки уровня. Реальная амплитуда сигналов меню или телетекста равна примерно 0,5 В, что меньше максимально допустимого уровня 0,7 В. Это, с одной стороны, улучшает разборчивость отображаемых символов и, с другой стороны, позволяет избежать больших изменений контрастности под влиянием автоматической регулировки при вводе в изображение сигналов меню или телетекста. Сигналы RGB на плату кинескопа подаются с выходных усилителей (20, 22 и 24 выводы), обеспечивающих амплитуду около 3 В. Постоянная составляющая сигналов регулируется таким образом, чтобы в точке гашения (отсечки) ток лучей кинескопа составлял 10 мкА. Это гарантирует правильное цветовоспроизведение, не зависящее от ухода параметров кинескопа вследствие старения. Стабилизация темнового тока лучей кинескопа производится путем подачи напряжения обратной связи с то-коизмерительного транзистора, находящегося на плате кинескопа, на 19 вывод. Конденсатор, сохраняющий значение смещения тока утечки, подключен к 17 выводу. Напряжение от трех измерительных импульсов запоминается на конденсаторах, присоединенным к 21, 23 и 25 выводам. Темновой ток кинескопа измеряется регулярно в периоды гашения по кадрам.
Выходные видеоусилители микросхемы TDA4686 содержат цепи регулировки уровня сигналов, предназначенные для установки под управлением по шине 12C оптимального баланса белого, а также два аналоговых входа для уменьшения контрастности. Эти входы используются для ограничения среднего (SSB, 15 вывод, около 1,5 мкА) и пикового (SSB, 16 вывод, около 7 мА) тока лучей кинескопа посредством уменьшения амплитуды сигналов RGB, подаваемых на плату кинескопа. Пиковый ток лучей кинескопа определяется путем измерения сигнала обратной связи цепи стабилизации темнового тока. Для того чтобы отделить измерение слабого темнового тока (около 10 мкА) от регистрации сравнительно больших импульсов пикового тока (около 7 мА), применяется буферный каскад на транзисторах СТ5211 и СТ 5202. 26 вывод 1C- это выход ЦАП, напряжение с которого может быть отрегулировано по шине 12C в пределах от 1,2 до 4,8 В. Это напряжение подается на базу транзистора СТ5176 входного каскада усилителя модулятора скорости, определяя его режим по постоянному току. Таким образом реализуется возможность регулировки в сервисном режиме порога срабатывания модулятора скорости (гл. 6). Трехуровневые импульсы SSC100, подаваемые на 14 вывод из блока повышения качества изображения FEATURE-BOX, синхронизируют привязку уровней, измерение темнового тока и гашение.
5.2. Выходные видеоусилители
Общепринятой в настоящее время является модуляция кинескопа по катодам сигналами RGB, причем требуемый размах сигналов составляет 80-150 В. И поскольку все основные операции производятся с аналоговыми видеосигналами, размах которых не превышает 1,5-3 В, либо с цифровыми видеосигналами (размах не более 5 В), то непременной составной частью практически всех современных телевизоров (как с аналоговой обработкой видеосигналов, так и с цифровой) являются три выходных видеоусилителя, подающие сигналы на катоды кинескопа. Широкая полоса пропускания этих видеоусилителей требует снижения емкости нагрузки, для чего их часто располагают на плате кинескопа, то есть в непосредственной близости от выводов катодов. При удвоенных частотах разверток полоса пропускания выходных видеоусилителей должна быть вдвое шире, чем для обычных телевизоров. Сравнительно высокое напряжение питания (+200 В) и повышенные требования к ширине полосы пропускания и линейности выходных видеоусилителей вынуждали разработчиков до последнего времени выполнять их на дискретных элементах. Типичным примером построения выходных видеоусилителей с полосой пропускания 12 МГц является плата кинескопа телевизора со 100-Гц разверткой SONY KV-S295, принципиальная схема которой представлена на рис. 5.3. Каналы усиления сигналов RGB аналогичны, поэтому рассмотрим один из них. Входной сигнал R поступает на базу транзистора Q712, входящего в состав каскадного усилителя ОЭ-ОБ с активной нагрузкой. В этом усилителе происходит усиление сигнала R по амплитуде более, чем в 30 раз. Активная нагрузка (транзистор Q703) согласует высокий выходной импеданс усилителя с входной емкостью катода кинескопа, обеспечивая широкополосность усилителя. В цепи катода кинескопа R включен транзистор Q709 для измерения темнового тока. Сигнал с Q709 объединяется с сигналами двух других то-коизмерительных транзисторов Q708 и Q707, буферизуется эмиттерным повторителем Q715 и подается через 6 контакт разъема CN0411 на схему автоматического баланса белого. Повышенный нагрев платы кинескопа и тяжелый режим работы выходных видеоусилителей сравнительно часто приводят к отказам. В связи с этим, для повышения надежности, в некоторых современных телевизорах выходные видеоусилители выполняются на специализированных высоковольтных микросхемах, наиболее широко из которых в настоящее время известна TDA6111. Принципиальная схема платы кинескопа телевизора GRUNDIG шасси CUC 1822, построенной на этих микросхемах, представлена на рис. 5.4. Полоса пропускания каждого из каналов RGB при малом сигнале равна 13 МГц, а при большом сигнале - не менее 10 МГц. Микросхема TDA6111 запитывается от двух источников +12 и +200 В и содержит низковольтные и высоковольтные усилительные каскады, а также цепь измерения темнового тока луча кинескопа, выход которой присоединен к 5 выводу. Пятые выводы всех трех микросхем объединены, и сигнал с них, пропорциональный току лучей кинескопа, подается на схемы автоматического баланса белого и ограничения тока лучей.