close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

AstratovSmirnov

код для вставкиСкачать
Министерство образования и науки российской
федерации
Федеральное государственное автономное образовательное
учреждение высшего профессионального образования
САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ
АЭРОКОСМИЧЕСКОГО ПРИБОРОСТРОЕНИЯ
УСТРОЙСТВА ФОРМИРОВАНИЯ
И ОБРАБОТКИ
ТЕЛЕВИЗИОННОГО СИГНАЛА
Методические указания
к выполнению лабораторных работ 6–9
Санкт-Петербург
2015
Составители: О. С. Астратов, В. М. Смирнов
Рецензент – кандидат технических наук, доцент В. Г. Нефёдов
В процессе выполнения лабораторных работ студенты знакомятся с видом и характером формируемых телевизионных сигналов, основными методами их обработки и схемотехникой, проводят соответствующие измерения и исследования.
Предназначены для студентов очной, вечерней и заочной форм
обучения по направлению «Радиотехника».
Методические указания подготовлены к публикации кафедрой
радиотехнических и оптоэлектронных комплексов и рекомендованы
к изданию редакционно-издательским советом Санкт-Петербургского
государственного университета аэрокосмического приборостроения.
Редактор В. П. Зуева
Компьютерная верстка Ю. А. Гайнутдиновой
Сдано в набор 31.03.2015. Подписано к печати 29.05.2015. Формат 60 × 84 1/16.
Бумага офсетная. Усл. печ. л. 2,4. Уч.-изд. л. 2,6.
Тираж 100 экз. Заказ № 186.
Редакционно-издательский центр ГУАП
190000, Санкт-Петербург, Б. Морская ул., 67
© Санкт-Петербургский государственный
университет аэрокосмического
приборостроения (ГУАП), 2015
Лабораторная работа №6
ИССЛЕДОВАНИЕ СИНХРОНИЗАЦИИ
ТЕЛЕВИЗИОННЫХ СИСТЕМ
Цель работы: ознакомление студентов с созданием чересстрочного растра, составом сложного синхросигнала вещательной телевизионной системы и назначением отдельных его составляющих,
способами выделения и разделения строчных и кадровых синхронизирующих импульсов в телевизионных приемниках.
Методические указания по подготовке к работе
Для правильного воспроизведения изображения необходимо
обеспечить синхронное и синфазное движение электронных лучей в передающей и приемной телевизионных трубках (синхронное воспроизведение одноименных элементов изображения на стороне передачи и приема). С целью выполнения этого требования
кроме видеосигнала, несущего информацию о яркости элементов
изображения, на передающей стороне формируются дополнительные управляющие импульсы в виде синхронизирующих импульсов (СИ), определяющих моменты начала строчной и кадровой разверток в передающих устройствах и в видеомониторах (телевизионных приемниках). Синхронизирующие импульсы вырабатываются генератором синхронизирующих импульсов (ГСИ). Кроме
раздельных синхронизирующих строчных и кадровых импульсов
ГСИ вырабатывает полную синхросмесь (ССП), состоящую из последовательности строчных и кадровых СИ.
Одновременно с сигналами синхронизации ГСИ вырабатывает
специальные гасящие импульсы (ГИ), назначение которых гашение электронного луча кинескопа во время обратных ходов строчной и кадровой разверток. Гасящие импульсы также замешиваются в видеосигнал на передающей стороне телевизионной системы.
Они передаются на уровне чернее черного.
Смесь видеосигнала с синхронизирующими и гасящими импульсами называется полным телевизионным сигналом.
Выбирая форму полного телевизионного сигнала, исходят из условия максимального упрощения телевизионного приемника при
одновременном обеспечении устойчивой синхронизации и высокой помехоустойчивости телевизионного приема. Для обеспечения
3
этого условия во всех вещательных телевизионных системах сигналы синхронизации передаются во время обратного хода строчной и кадровой разверток (импульсов гашения). Импульсы синхронизации размещаются на гасящих импульсах за пределами
уровня черного и могут быть легко отделены от видеосигнала методами амплитудной селекции.
По длительности ГИ превышают соответствующие синхронизирующие импульсы, а по времени устанавливаются таким образом,
чтобы передний фронт ГИ несколько опережал передний фронт
СИ, задний же фронт ГИ заметно запаздывает относительно заднего фронта СИ (рис. 6.1, а). Расстояние по времени между передними фронтами ГИ и СИ образует переднюю полку ГИ, а расстояние
между задними фронтами ГИ и СИ – заднюю полку ГИ. Длительности СИ и ГИ, их форма и взаимное положение определяются по
ГОСТ 7845–92 «Системы вещательного телевидения. Основные параметры, методы измерения».Выделяются СИ на приемной стороне видеосигнала с помощью амплитудного селектора, на выходе которого получается полная ССП. При разделении СИ используется то, что строчной и кадровый синхронизирующие импульсы
(ССИ и КСИ) имеют различную длительность и частоту повторения, а следовательно, и различные спектры. Разделение осуществляется фильтрами с различными частотными характеристиками,
например при помощи дифференцирующих и интегрирующих цепочек.
В дальнейшем ССИ и КСИ используются для синхронизации соответствующих генераторов разверток телевизионного приемника.
В современном вещательном телевидении используется чересстрочное разложение, при котором каждый кадр изображения
состоит из двух полей, образованных чередующимися строками
(строки соседних полей как бы вкладываются друг в друга). Использование чересстрочного разложения позволяет увеличить частоту мелькания экрана в два раза по сравнению с построчным при
сохранении ширины спектра сигнала или сократить в два раза ширину спектра сигнала при той же частоте мельканий и четкости.
Возможность применения чересстрочного разложения связана
с особенностями зрения.
Использование чересстрочного разложения накладывает определенные требования на соотношение строчной и кадровой частот:
1. Между частотами ССИ и КСИ должна быть жесткая связь.
2. Строчная частота должна быть нечетной гармоникой кадровой частоты fс = (2n – 1) Fк, так как в кадре должно быть нечетное
4
а)
Уровень белого
Tc ги
Tc
c
Уровень черного
Уровень чернее
черного
б)
Т кги
l
p
Нечетный полукадр (поле)
ТКCИ
n
r
622
Тс(H)
23
623 624 625 1
22
5
6
4
3
2
Четный полукадр (поле)
311 312 313 314 315 316 317 319
309 310
335 336
Активные Уравнивающие
Полевой
Строчные
Уравнивающие
импульсы
синхроимпульсы
строки
синхроимпульс
импульсы
5 штук
Врезки
5 штук
Рис. 6.1. Состав синхронизирующих импульсов:
а – ТСГИ – длительность строчного гасящего интервала; ТССИ – длительность
строчного синхронизирующего импульса; с – длительность передней полки строчного
гасящего интервала;
б – l – длительность первой последовательности уравнивающих импульсов; КСИ –
длительность полевого синхронизирующего импульса; n – длительность второй
последовательности уравнивающих импульсов; КГИ – длительность полевого
гасящего интервала; p – длительность уравнивающего импульса; r – длительность
импульса врезки; H(Тс) – длительность строки
число строк с целью обеспечения формирования чересстрочного
растра в телевизионных приемниках.
В связи с этим, если первый (нечетный) полукадр (поле) начинается с начала строки, второй (четный) полукадр должен начинаться
с середины строки, так как каждый полукадр содержит целое число плюс половина строки. Фронты КСИ, определяющие моменты
начала полей, также совпадают с началом строки (фронтом ССИ)
5
для нечетных полей и совпадают с серединой строки для четных
полей. Неидентичность положения КСИ различных полей относительно ССИ может вызвать нарушение точности работы кадровой синхронизации в телевизионных приемниках (нарушение чересстрочности) из-за изменения момента выделения КСИ в четных
и нечетных полях.
Для устранения этого недостатка перед КСИ и после него устанавливаются уравнивающие импульсы, следующие с двойной
строчной частотой, которые обеспечивают идентичность формы
полного синхросигнала в области КСИ для нечетных и четных полей (рис. 6.1, б). Длительность уравнивающих импульсов выбирается в два раза меньше длительности ССИ для сохранения постоянной составляющей ССИ.
Длительность КСИ выбирается достаточно большой (по стандарту 2,5 Тс). Для того чтобы не потерять информацию о строчной частоте во время передачи, КСИ, ССИ передаются внутри КСИ в виде
врезок (коротких импульсов, полярность которых противоположна КСИ), задние фронты которых совпадают с передними фронтами ССИ (рис. 6.1, б). Для обеспечения идентичности формы синхросигнала в четных и нечетных полях частота врезок равна двойной строчной частоте.
Все импульсы, входящие в состав полного телевизионного сигнала: ССИ, КСИ, строчный гасящий интервал, кадровый гасящий
интервал, уравнивающие и врезки формируются специальным
устройством, входящим в состав аппаратуры телецентра – синхрогенератором.
Описание лабораторной установки
На вход лабораторной установки, схема которой представлена на рис. 6.2, подается либо ССП, представляющая смесь строчных и кадровых синхронизирующих импульсов (ССИ и КСИ), либо полный телевизионный сигнал (ПТС). В последнем случае ССП
выделяется из ПТС амплитудным селектором. Использование ПТС
позволяет замешивать в него шум и исследовать помехоустойчивость синхронизации. Выбор сигнала для схем разделения синхроимпульсов осуществляется переключателем П1 «ССП – Амплитудный селектор» на лицевой панели лабораторной установки.
Для проверки АЧХ-цепей выделения ССИ и КСИ на вход лабораторной установки подается гармоническое колебание с генератора ГЗ–109. Переключение входа цепей выделения КСИ и ССИ
6
Полный
ТВС
Г3
ССП
Г7
ССП
R2
SIN
ССП
Г8
Г9
Г10
R3
П2
R4
C3
Г6
C6
С1
Г11
R5
C4
C5
П3-1
Г12
R6
R1
П3-2
КСИ на ВКУ
ССИ на ВКУ
+12В
Задержка
КСИ
С7
К1
R9
С8
R8
Выделение
КСИ
ХА11
Г8
Г9
Г10
Г11
Г12
П1
Г13
ССИ
ХА11
Г8
Г9
Г10
Г11
Г12
R7
КСИ
174ХА11
Ампл.
селектор
Г5
SIN
Синхронизатор
Амплитудный
селектор
К2
Уровень
ограничения
R10
Рис. 6.2. Схема лабораторной установки
на гармоническое колебание осуществляется переключателе П2
«ССП–SIN».
Строчные синхронизирующие импульсы выделяются обычно
с помощью дифференцирующей цепи (С1, R1 на рис. 6.2), которая
практически полностью подавляет энергию КСИ благодаря малой
постоянной времени.
Кадровые синхронизирующие импульсы выделяются с помощью интегрирования или «слабого» дифференцирования с последующей амплитудной селекцией выходного сигнала. Постоянная
времени интегрирующей цепи выбирается таким образом, чтобы
7
по возможности, подавить энергию ССИ и сохранить энергию КСИ.
Завал переднего фронта КСИ на выходе интегрирующей цепи затрудняет их использование для синхронизации развертки (нестабильность момента синхронизации). Лучшие результаты дает многозвенное интегрирование (обычно двух- или трехзвенное), обеспечивающее большую крутизну фронтов выделенных КСИ при той
же эффективности подавления ССИ.
«Слабое дифференцирование» (С6, R6 на рис. 6.2) позволяет сохранить крутизну фронтов КСИ и обеспечивает высокую точность
момента кадровой синхронизации, но не обеспечивает достаточной помехоустойчивости кадровой синхронизации, поэтому в вещательном телевидении практически не используется, но находит
применение в специальных ТВ – системах.
В современных телевизионных приемниках для увеличения
помехоустойчивости строчной синхронизации задающий генератор строчной частоты фазируется строчными синхроимпульсами
не жестко, т. е. каждый фронт с выхода дифференцирующей цепи
С1, R1 не фазирует генератор, а включен в цепь фазовой автоподстройки частот (ФАПЧ). При этом попадание отдельных строчных
импульсов или появление лишних за счет шумов не вызывает сбоя
строчной синхронизации благодаря большой инерционности петли
ФАПЧ. Для демонстрации этого в схему лабораторной установки
введен блок синхронизации телевизоров третьего-четвертого поколения на микросхеме 174 ХА11 ().
Микросхема К174ХА11 представляет собой большую интегральную схему для управления строчной и кадровой развертками, а также блоком цветности в цветных телевизионных приемниках. Микросхема К174ХА11 выполняет следующие функции: амплитудную селекцию видеосигнала, автоматическую подстройку
частоты и фазы (АПЧиФ), формирование импульсов строчной развертки для работы с тиристорными и транзисторными выходными
каскадами, формирование синхроимпульсов кадровой развертки
и строб-импульса выделения цветовой поднесущей.
Переключение с RC-цепей разделения ССИ и КСИ на синхронизатор 174XA11 осуществляется переключателем П3 «Выделение
КСИ». В положении «174ХА11» синхронизация ВКУ осуществляется ССИ и КСИ с выхода 174ХА11, в остальных положениях ССИ
снимаются с Г6, а КСИ, выделенные интегрированием и имеющие
достаточно пологие фронты, предварительно подают на ограничитель и только потом используют для синхронизации задающих генераторов кадровой развертки.
8
Для определения времени задержки кадровой синхронизации
из-за пологого переднего фронта выделенного КСИ в схеме лабораторной установки имеются два компаратора. Порог срабатывания
обоих компараторов может изменяться с помощью потенциометра
R8 (Уровень ограничения). На второй вход одного компаратора (К2)
подается сигнал ССП, имеющий крутой передний фронт, а на второй
вход второго компаратора сигналы с гнезд Г8–Г12. Передние фронты импульсов с выходов компараторов дифференцируются и подаются на входы R – S триггера. Длительность импульса на выходе триггера «Задержка КСИ» будет тем больше, чем более пологий
фронт имеет импульс на выходе интегрирующих цепей Г8–Г11.
Порядок выполнения работы
1. Исследование строчного синхронизирующего импульса. При
исследовании в качестве сигнала изображения используется сигнал
«Белое поле». Подать на вход осциллографа полный телевизионный
сигнал с гнезда Г3 «Полный ТВС». Для измерения параметров
строчных импульсов установить переключатель синхронизация
развертки осциллографа в положение «Cтроки», полярность
синхронизации положительная «+», длительность развертки
установить 10 мкс. Наблюдать на экране осциллографа два периода
строчной развертки. Измерить период следования строчных синхронизирующих импульсов – Тс. Результаты измерений записать
и зарисовать форму телевизионного сигнала для двух строк.
Установить длительность развертки осциллографа 2 мкс. Наблюдать на экране осциллографа строчный гасящий интервал
и строчный синхронизирующий импульс. Измерить длительности
строчного синхронизирующего импульса – Тсси и строчного
гасящего импульса – Тсги. Измерение длительности строчного
синхронизирующего импульса производятся на уровне 0,5 от
размаха сигнала.
Измерить длительность передней и задней полки гасящего
интервала (рис. 6.1, а). Результаты измерений записать.
2. Исследование формы полного синхросигнала в районе
кадрового синхроимпульса. Для измерения параметров импульсов
полей переключатель синхронизация развертки осциллографа
оставить в положении «БВС», длительность развертки установить
5 мс. Наблюдать на экране осциллографа два периода импульсов
полей. Измерить период следования импульсов полей – Тп. Для измерения длительности гасящего и синхронизирующего импульсов
9
полей необходимо изменять длительность развертки (постепенно
уменьшать до 0,2 мс) и при этом ручкой «Номер строки» на блоке
выделения строки постоянно устанавливать полевой гасящий
интервал в начало развертки. Измерить полевой гасящий интервал –
Тпги. Уменьшить время развертки до (0,1–0,05) мкс, измерить
полевой синхронизирующий импульс – Тпси. Результаты записать.
Для наблюдения положения строчного синхронизирующего
импульса относительно полевого гасящего интервала установить
длительность развертки 0,1 мс и ручкой «номер строки» на
БВС установить полевой гасящий интервал в начало развертки
осциллографа, чтобы на развертке осциллографа укладывалось
8–10 строк ТВ-сигнала.
Измерить длительность первой последовательности уравнивающих импульсов (l – на рис 6.1, б) и период их следования, длительность второй последовательности уравнивающих импульсов
(n – на рис 6.1, б).
Уменьшив длительность развертки до (5–10) мкс, вращая ручку
«Номер строки» на БВС, найти начало полевого синхронизирующего импульса, измерить длительность уравнивающего импульса
и импульса врезки. Результаты измерений записать.
Установить длительность развертки 50 мс и ручкой «Номер строки» на БВС установить полевой гасящий интервал в начало развертки осциллографа, чтобы получить на экране осциллографа сигнал
от полевого синхронизирующего импульса, двух строчных синхронизирующих импульсов и пяти уравнивающих импульсов перед
ним. Меняя на БВС положение переключателя «поля» 1 или 2, пронаблюдать изменение положения строчных синхронизирующих
и уравнивающих импульсов относительно полевого синхронизирующего импульса. Результаты зарисовать.
3. Исследование методов выделения КСИ. Пронаблюдать и зарисовать сигнал ССП с выхода амплитудного селектора на Г7. При
большом уровне сигнала уменьшить амплитуду вертикального отклонения на осциллографе.
Установить переключатель П2 «ССП–SIN» в положение « ССП».
Установить переключатель П1 «ССП – Амплитудный селектор «в положение «ССП». Амплитуду вертикального отклонения установить
0,5 В/см. Пронаблюдать и зарисовать последовательно сигналы
на клеммах Г8 (однократное интегрирование), Г9, Г10, Г11 (трехкратное интегрирование) и Г12 (слабое дифференцирование). Сравнить между собой при одинаковых скоростях развертки и одинаковом усилении осциллографа сигналы на клеммах Г8 и Г11, а также
10
сигналы на Г9, Г10 и Г11. Обратить внимание на отсутствие реакции от ССИ на клеммах Г8 и Г11.
4. Исследование методов выделения ССИ. Пронаблюдать сигнал на клемме Г6 и зарисовать его. Обратить внимание на отсутствие КСИ на клемме Г6.
5. Измерение задержки кадровой синхронизации. Измерить
ошибку момента срабатывания кадровой синхронизации на гнезде
«Задержка КСИ» для одно- и трехкратного интегрирования. Для
этого переключатель П3 «Выделение КСИ» установить в положение Г8. С помощью потенциометра R7 «Уровень ограничения»
установить на клемме «Задержка КСИ» длительность импульса,
близкую к максимальной, и измерить ее ( при большом уровне сигнала уменьшить величину вертикального отклонения до 1В/см).
Не меняя уровень ограничения и устанавливая переключатель
«Выделение КСИ» последовательно в положение Г9, Г10, Г11, измерить длительность импульса на гнезде «Задержка КСИ». В отчете объяснить, почему длительность импульса в положении Г11
существенно меньше, чем в положении Г8.
6. Исследование АЧХ цепей выделения синхронизирующих импульсов. Подать на гнездо Г13 «SIN» синусоидальный сигнал от
генератора синусоидальных сигналов, переключатель П2 «ССП –
SIN» установить в положение «SIN». Подать на вход осциллографа
сигнал с гнезда Г8. Синхронизацию осциллографа поставить в положение «Внутр», ручкой плавной регулировки добиться устойчивого положения синусоиды на экране осциллографа. Последовательно подавая частоты, указанные в табл. 1, снять амплитудночастотную характеристику цепей выделения синхронизирующих
импульсов, измеряя амплитуды сигналов на гнездах Г6, Г8, Г9,
Г10, Г11, Г12. При проведении измерений следить за постоянством
сигнала на входе для всех частот и отсутствием ограничения в выходном сигнале, при увеличении частоты синусоидального сигнала изменять длительность развертки осциллографа.
7. Исследование помехоустойчивости строчной и кадровой
синхронизации. Переключатель П2 «ССП–SIN» установить в положение «ССП». Включить генератор шума на стойке. Установить
на генераторе шума минимальный уровень шума потенциометром
«Выходной сигнал».
Наблюдать по ВКУ устойчивость кадровой синхронизации для
однократного Г8, трехкратного Г11 интегрирования и «слабого
дифференцирования» Г12 для различного уровня шумов. Измерить
пороговое значение шумов, соответствующее началу сбоев кадровой
11
синхронизации для однократного, трехкратного интегрирования
и метода «слабого дифференцирования». Измерения проводятся по
размаху шумовой дорожки на гасящем интервале поля.
Таблица 1
Частота, Гц
Гнездо
Г6
Г8
Г9
Г10
Г11
Г12
50
200
500
2000
10000
15000
20000
30000
Пронаблюдать на ВКУ устойчивость строчной синхронизации
в зависимости от уровня шума при выделении ССИ методом дифференцирования (клемма Г6) и при строчной синхронизации с АПЧФ
(синхронизатор – 174ХА11). Измерить пороговое значение шумов,
соответствующее началу сбоя строчной синхронизации, для обоих
вариантов.
Содержание отчета
1. Осциллограммы ССС в районе КСИ для четного и нечетного
полей.
2. Осциллограммы напряжений на выходе схем разделения синхросигналов (Г6, Г8–Г12), с указанием ориентировочного значения постоянных времени дифференцирующих цепей (Г6 и Г12).
3. Амплитудно-частотные характеристики схем разделения
синхроимпульсов. Амплитудно-частотные характеристики схем
выделения КСИ изобразить на одном графике.
4. Осциллограммы напряжений на гнездах Г6, Г8, Г11, Г12 при
наличии шума на выходе схем разделения синхроимпульсов. Произвести сравнительный анализ помехоустойчивости схем разделения.
5. Выводы по проведенным исследованиям.
12
Контрольные вопросы
1. Для чего необходимо разделение ССИ и КСИ?
2. За счет чего возможно разделение ССИ и КСИ?
3. Состав ПСС, форма и назначение отдельных его элементов?
4. Достоинства чересстрочного разложения. Почему возможно
чересстрочное разложение?
5. В чем проявляется преимущество трехзвенной интегрирующей цепи по сравнению с однозвенной?
6. Доказать преимущество трехзвенной интегрирующей цепи
перед однозвенной.
Библиографический список
1. Телевидение: учебник для вузов / В. Е. Джакония, А. А. Гоголь
и др.; под ред. В. Е. Джаконии. – М.: Радио и связь, 2004. – 640 с.
2. Быков Р. Е. Основы телевидения и видеотехники: учебник
для вузов. – М.: Горячая линия – Телеком, 2006. – 399 с.
13
Лабораторная работа № 7
ИССЛЕДОВАНИЕ СХЕМ ВОССТАНОВЛЕНИЯ
СРЕДНЕЙ СОСТАВЛЯЮЩЕЙ В ВИДЕОСИГНАЛЕ
Цель работы: изучение методов косвенной передачи низких частот, методов восстановления средней составляющей в полном телевизионном сигнале, исследование влияния восстановления на
качество телевизионного сигнала.
Методические указания по подготовке к работе
Поскольку яркость передаваемого изображения может меняться только от какого-то минимального значения до максимального,
то и соответствующий ей видеосигнал тоже может меняться от минимальной величины до максимальной, т. е. видеосигнал униполярен. В таком сигнале всегда содержится постоянная составляющая
(средняя составляющая), а уровни черного и белого находятся на
строго одном и том же фиксированном уровне вне зависимости от
характера изображения. На рис. 7.1, а представлены два типовых
изображения, а на рис. 7.1, б – распределение освещенности при
перемещении по горизонтали. В общем виде сигнал такой можно
записать:
u(t) = U¥ (t) + Uñð ,
где Uñð =
1
T
t+T
ò
(1)
u(t)dt – средняя составляющая сигнала за время
t
наблюдения T; U¥ (t) – переменная составляющая сигнала, причем 1
T
t+T
ò
U¥ (t)dt = 0.
t
Спектр частот телевизионного сигнала начинается от нулевой
частоты (средняя составляющая) и самых низких частот порядка единиц герца. На рис. 7.1, в показаны осциллограммы напряжений, соответствующих изображениям на рис. 7.1, а при наличии постоянной составляющей. Переходные цепочки видеоусилителя не только не пропускают среднюю составляющую телевизионного сигнала, но и создают большое ослабление самых низких
частот. При потере средней составляющей уровни белого и черного
оказываются нефиксированными, в сильной степени зависимыми
14
а)
x
б)
B
Bmax
BСР2
Bmin
B
СР2
U
x
в)
UСР1
U
UСР2
СГИ
t
СГИ
Уровень
белого
г)
t
UСmax
Уровень
белого
≈2UС
U
Уровень
черного
Уровень
черного
Уровень белого
UСР1
д)
UС
Уровень фиксации
(уровень черного)
UСР2
t
Рис. 7.1. Особенности передачи сигнала о средней составляющей при
разных значениях средней яркости изображения: В – освещённость,
СГИ – строчные гасящие импульсы
15
от характера изображения, от значения средней составляющей
и величины ее искажения, от величины искажения самых низких
частот видеоспектра (рис. 7.1, г).
При потере средней составляющей ТВ-сигнал располагается
относительно временной оси (или так называемой линии равных
площадей) таким образом, что площадь, ограниченная положительной частью сигнала и осью, равна площади, ограниченной отрицательной частью сигнала и осью (рис. 7.1, г).
ТВ-сигнал без средней составляющей и частично с отфильтрованными низкими частотами будет давать изображение объекта на видеоконтрольном устройстве (телевизионном приемнике) с искажениями в отношении яркости общего фона и яркостных перепадов
крупных деталей. Кроме того, при этом фактический амплитудный
диапазон сигнала увеличивается в 1,5–2 раза (рис. 7.1, г). В передающем телевизионном тракте, когда уровни телевизионного сигнала
велики, отсутствие средней составляющей приводит к нерациональному (неэкономичному) использованию транзисторов усилителя.
Из сопоставления ТВ-сигнала со средней составляющей и без
нее можно сделать вывод, что если с ТВ-сигналом без средней составляющей и искажениями на самых низких частотах произвести обратную манипуляцию, т. е. в моменты времени, соответствующие уровню черного, искусственно привести уровень сигнала к
одному фиксированному значению, то тем самым будут восстановлены средняя составляющая и устранены низкочастотные искажения (рис. 7.1, д). Метод, реализующий эту идею, называется методом косвенной передачи низких частот с помощью строчных гасящих импульсов или фиксацией (восстановления) уровня черного.
Таким образом, при косвенной передаче средней составляющей
осуществляется модуляция размаха гасящих строчных импульсов
амплитудой средней составляющей, при этом уславливается соответствие уровня гасящих импульсов уровню черного в телевизионном изображении.
На приемной стороне восстановление средней составляющей реализуется с помощью схем привязки (фиксации). Наряду с восстановлением средней составляющей и низких частот схемы фиксации устраняют из телевизионного сигнала и низкочастотные помехи, наводки, которые проникают в телевизионный тракт до места
включения схем фиксации уровня.
Пусть на выходе усилителя VТ1 (рис. 7.2, а) в точке А видеосигнал на строке имеет вид, показанный на временной диаграмме
(рис. 7.2, б). Прохождение сигнала через разделительную цепь
16
а)
E
R1
VT2
A
C
VT1
Б
R2
R3
Есм
Ua
б)
t
0
E
UБ
t
0
Eсм
Рис. 7.2. Особенности передачи сигнала средней составляющей при
разных значениях средней яркости
приводит к тому, что в точке Б проходящий сигнал будет располагаться относительно Есм по закону равных площадей. Фиксация
уровня (восстановление постоянной составляющей) означает приведение, например, уровня «чернее черного» телевизионного сигнала
к вполне определенному уровню независимо от вида видеосигнала.
На рис. 7.3 показана схема фиксация уровня «чернее черного»
на уровне Есм с помощью идеального ключа К, замыкаемого на время действия импульса Uкл. Включение ключа в момент времени t1
(рис. 7.4) приводит к разряду емкости С до потенциала Есм с постоянной времени τ = CR1.
17
E
R1
VT1
A
C
VT2
Б
Uкл
R2
R3
Есм
Рис. 7.3. Типовая схема связи между усилительными каскадами
UA
t
0
E
Uкл
t1
0
t2
t
t
UБ
Eсм
Рис. 7.4. Управляемая ключевая схема привязки
После прекращения действия импульса в силу наличия напряжения смещения, создаваемого током разряда емкости С на резисторе R2 в точке Б, приходящий телевизионный сигнал будет располагаться ниже рассматриваемого уровня. Поскольку постоянная
времени разряда велика, к моменту прихода следующего управляющего импульса в момент t2 уровень «чернее черного» сместится
относительно Есм незначительно.
Таким образом, все уровни яркости, отображенные напряжением видеосигнала, всегда будут воспроизводиться верно на экране
видеоконтрольного устройства, а смещение уровня привязки будет
практически незаметным.
18
Описание лабораторной установки
Обобщенная функциональная схема лабораторной установки
приведена на рис. 7.5. На вход видеоусилителя с помощью переключателя S1 могут подаваться либо видеосигнал от изображения
черная полоса на белом фоне, положение «ГИ» , либо видеосигнал
от изображения белая полоса на чёрном фоне, положение «Видео».
Входной сигнал, прошедший эмиттерный повторитель, поступает на каскады замешивания помехи. Вид замешиваемой помехи
(мультипликативная (МП) или аддитивная (АП)) определяется переключателем S3. Выбор типа помехи осуществляется переключателем S2. 1 – сигнал без помехи; 50Гц – синусоидальная помеха
частотой 50Гц; импульсная помеха – последовательность прямоугольных импульсов. Далее сигнал поступает на схему усиления
и на разделительные емкости, переключаемые с помощью переключателя S4. Номиналы переходных конденсаторов составляют
0,022мкФ, 0,1мкФ, 0,5мкФ. Переключатель S5 определяет вид
схемы восстановления постоянной составляющей: либо это просто
резистор цепь (РЦ), либо это неуправляемая схема привязки (НСП)
с регулируемым уровнем привязки, либо управляемая (УСП) также с регулируемым уровнем привязки. Управление схемой УСП
осуществляется специальной схемой, состоящей из блокинг-генератора, запускаемого строчными синхроимпульсами, которые
поступают через эмиттерный повторитель. Управляющие импульсы наблюдаются в гнезде Гн6.
Видео
ГИ
Ус
Гн3
Гн1
S1
МП
АП
ГИ
Уровень
мультипликативной
помехи
Импульсная
.
ССИ
помеха
S4
УС
Гн5
ЭП
Уровень
аддитивной S5
помехи
S3
Гн6
УСП
Гн2
1
50Гц
Гн4
НСП
РЦ
S2
Уровень
привязки
ЭП
Уровень
привязки
БГ
Рис. 7.5. Обобщённая функциональная схема лабораторной установки
19
Порядок выполнения работы
Исследования можно производить для одного из двух видов сигналов, подаваемых на вход видеоусилительного тракта: нагляднее
проводить измерения на смеси гасящих импульсов (ГИ) с видеосигналом от чёрной горизонтальной полосы высотой десять строк.
При выполнении разделов работы по исследованию прохождения видеосигнала измерения производятся с помощью телевизионного осциллографа, наблюдение изображения видеосигнала проводится на экране ВКУ.
В процессе работы необходимо зарисовать характерные осциллограммы для кадрового ГИ и записать результаты наблюдения
изображения на ВКУ.
1. Перед началом работы необходимо привести лабораторную
установку в исходное состояние. Для этого необходимо отключить
источник помех, поставив S2 в положение 1, отключить схемы
привязки уровня, поставив S5 в положение РЦ, включить питание ВКУ, осциллографа и питание лабораторной установки, установить переключатель S1 в положение «ГИ», подать исходный
видеосигнал с Гн1 на ВКУ, при этом на экране должна появиться
черная горизонтальная полоса на белом фоне.
Отрегулировать изображение ручками «Яркость» и «Контраст»
на лицевой панели ВКУ.
2. Исследовать прохождение видеосигнала через видеоусилитель с разными схемами привязки при различных значениях емкости разделительной цепи.
2.1. Установить на осциллографе «Длительность развертки»,
равную 2мс/см, переключатель синхронизация развертки осциллографа в положение «БВС» с положительным фронтом (полярность
сигнала «+»), режим синхронизации «Ждущий». Подключить вход
осциллографа к гнезду ГН1, зарисовать осциллограмму видеосигнала, подключить осциллограф к гнезду ГН4 и зарисовать осциллограмму видеосигнала. При большом уровне сигнала изменить положение «Амплитуда» вертикального отклонения.
2.2. Подключить вход осциллографа к гнезду ГН5. Переключатель S5 установить в положение «РЦ». Переключателем S4 установить величину емкости переходного конденсатора 0,022 мкФ. Зарисовать осциллограмму видеосигнала, измерить на осциллографе
перекос кадрового гасящего импульса в вольтах, выбирая возможно больший масштаб изображения ручкой «Амплитуда В/см».
Внимание! Ручка плавной регулировки амплитуды должна
быть защелкнута в крайнем правом положении.
20
2.3. Меняя величину емкости переходного конденсатора
(С = 0,1мкФ; 0,5мкФ), проделать операции, аналогичные п. 2.2.
2.4. Подключить ВКУ к гнезду ГН5 и последовательно меняя
переключателем S4 величину емкости переходного конденсатора,
пронаблюдать изменения на изображении. Результаты наблюдения записать.
2.5. Установить переключатель S5 в положение «НСП» (неуправляемая схема привязки) и последовательно проделать операции как в пп. 2.2, 2.3 и 2.4.
2.6. Установить переключатель S5 в положение «УСП» (управляемая схема привязки) и последовательно проделать операции
как в пп. 2.2, 2.3 и 2.4.
3. Исследовать прохождение видеосигнала с аддитивной помехой через видеоусилитель с различными схемами привязки.
3.1. Не меняя основных установок осциллографа, установить на
осциллографе «Длительность развертки», равную 5 мс/см. Переключатель S2 установить в положение «50 Гц», переключатель S3
установить в положение «адд», переключателем S4 установить величину емкости переходного конденсатора 0,1 мкФ.
Подключить осциллограф к гнезду ГН2 и зарисовать осциллограмму помехи. Подключить осциллограф к гнезду ГН4, отрегулировать уровень помехи, чтобы не было ограничения видеосигнала,
уровень помехи регулируется потенциометром «Уровень адд. помехи». Зарисовать осциллограмму видеосигнала с помехой.
Подключить осциллограф к гнезду ГН5. Пронаблюдать и зарисовать осциллограмму видеосигнала с помехой для различных положений переключателя S5.
3.2. Подключить ВКУ к гнезду ГН5 и последовательно меняя
переключателем S5 схемы привязки, пронаблюдать изменения на
изображении. Результаты наблюдения записать.
3.3. Переключатель S3 установить в положение «мульт» (мультипликативная помеха), переключателем S4 установить величину
емкости переходного конденсатора 0,1 мкФ.
Подключить осциллограф к гнезду ГН2 и зарисовать осциллограмму помехи. Подключить осциллограф к гнезду ГН4, отрегулировать уровень помехи, чтобы не было ограничения видеосигнала,
уровень помехи регулируется потенциометром «Уровень мульт.
помехи». Зарисовать осциллограмму видеосигнала с помехой.
Подключить осциллограф к гнезду ГН5. Пронаблюдать и зарисовать осциллограмму видеосигнала с помехой для различных положений переключателя S5.
21
3.4. Подключить ВКУ к гнезду ГН5 и последовательно меняя
переключателем S5 схемы привязки, пронаблюдать изменения на
изображении. Результаты наблюдения записать.
3.5. В качестве дополнительной работы по требованию преподавателя провести исследования прохождения импульсной аддитивной и мультипликативной помехи через схемы восстановления постоянной составляющей.
Для этого установить переключатель S2 в положение «Имп»
(импульсная помеха) и провести исследования по пп. 3.1–3.4.
Содержание отчета
1. Функциональная схема лабораторной установки.
2. Результаты наблюдений изображения на ВКУ, осциллограммы, сравнительный анализ функционирования схем привязки.
3. Выводы по основным пунктам исследований.
Контрольные вопросы
1. Понятие о средней составляющей и влияние её потери на качество телевизионного изображения. Причины потери.
2. Что такое косвенный метод передачи информации о средней
составляющей видеосигнала?
3. Неуправляемая схема привязки (принцип работы пояснить,
используя проведенные исследования, дать объяснение снятым осциллограммам). По какому уровню осуществляется привязка полного ТВ-сигнала, видеосигнала?
4. Управляемая схема привязки (принципы работы пояснить,
используя проведение исследования, объяснить снятые осциллограммы).
5. Провести взаимное сравнение схем привязки, варианты схемных решений.
6. Прохождение аддитивных и мультипликативных помех через
НСП и УСП.
Библиографический список
1. Телевидение: учебник/ В. Е. Джакония., А. А. Гоголь, Н. А. Ерганжиев и др. М.: Радио и связь, 2007. С. 204–211.
2. Быков Р. Е.. Основы телевидения и видеотехники: учебник
для вузов. – М.: Горячая линия – Телеком, 2006. 399 с.
3. Бабенко В. С., Астратов О. С. Физические основы телевидения. СПб.: ГУАП, 2009. С. 42–43.
22
Лабораторная работа № 8
ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕЛЕВИЗИОННОЙ
ПЕРЕДАЮЩЕЙ КАМЕРЫ НА ФОТОЧУВСТВИТЕЛЬНОМ
ПРИБОРЕ С ЗАРЯДОВОЙ СВЯЗЬЮ
Цель работы: изучение принципа действия и характеристик
телевизионной камеры на матричном фоточувствительном приборе с зарядовой связью.
Методические указания по подготовке к работе
Фоточувствительным прибором с зарядовой связью (ФПЗС) называется изделие электронной техники, предназначенное для преобразования оптического изображения в электрический сигнал,
действие которого основано на формировании и эффективном переносе дискретных фотогенерированных зарядовых пакетов по
поверхности (с поверхностным переносом) или внутри (с объемным переносом) полупроводникового материала. В матричном
ФПЗС фоточувствительные элементы организованы в матрицу
по строкам и столбцам. За один кадровый период матричный
ФПЗС преобразует в электрический сигнал один кадр оптического
изображения.
В исследуемой камере используется ФПЗС типа К1200ЦМ15.
Прибор представляет собой кремниевую интегральную микросхему, состоящую из следующих основных функциональных узлов:
секции накопления (светочувствительной секции), секции памяти,
выходного регистра, выходного устройства на МОП-транзисторах
и входного устройства. Функциональная схема прибора представлена на рис. 8.1.
Прибор состоит из 458 элементов по горизонтали и 580 элементов по вертикали, т. е. чувствительными являются 442×288 элемента. Прибор построен по обычной схеме с переносом кадра.
Фоточувствительный прибор с зарядовой связью имеет трехфазную организацию. В приборе используется объемный канал переноса. Из четырех крайних столбцов со стороны входа в выходной
регистр заряд сбрасывается в сливной диод, что ослабляет неоднородности, связанные с диффузией с периферии кристалла. Двенадцать столбцов со стороны выхода экранированы от света для обеспечения возможности привязки к уровню черного. Первая и последняя строки секции накопления также защищены от света.
23
Напрвление сдвига
Секция
накопления
458×290 бит
(активных
442 ×288)
Напрвление сдвига
Секция памяти
ФП1
458×290 бит
ФП2
Выходной регистр
457 бит
ФН1
ФН2
ФН3
ФП3
Сброс
Видеосигнал
Направление
сдвига ФР1 ФР2
ФР3
Устройство
электрического
ввода
Рис. 8.1. Структура ФПЗС-матрицы с покадровой организацией
Перенос заряда в выходной регистр осуществляется под электроды второй и третьей фаз регистра. Существует возможность
электрического ввода информации в выходной регистр методом
уравнивания потенциалов. Рабочая частота выходного регистра
8,5 МГц. Выходное устройство представляет собой двухкаскадный
истоковый повторитель с транзистором выборки между каскадами. Для управления положением рабочей точки затвор нагрузочного транзистора выведен отдельно. Во втором каскаде усилителя
используется внешняя нагрузка.
Основные
технические
характеристики
ФПЗС-матрицы
К1200ЦМ15
Число элементов разложения.................................. 458 × 580
(чувствительные................................................... 442 × 288)
Размер чувствительного элемента........................ 19 × 22 мкм
24
Система питания.......................................................... 3 фазы
Напряжение насыщения.................................................... 0,2В
Интегральная чувствительность................................. 5·10–2 В/лк
Коэффициент передачи модуляции на половине
предельной пространственной частоты............................ 60%
Рабочая частота регистра......................................... 8,5 МГц
Неравномерность выходного сигнала ............................. 10%
Неравномерность темнового сигнала .................................. %
Спектральный диапазон..................................... 0,4–1,1 мкм
Диапазон рабочих температур............................ – 60º ... +40ºС
Масса............................................................................. 6 г
Основные достоинства ФПЗС хорошо известны. Это конструктивная и технологическая простота, малые габаритные размеры и масса, малая потребляемая мощность, высокая надежность,
«жесткость» растра и др.
Принцип работы ФПЗС с покадровым переносом заключается
в следующем. В течение активной части кадра в секции накопления
происходит генерация зарядовых пакетов, пропорциональных пространственному распределению освещенности ФПЗС. Во время обратного хода по кадру зарядовые пакеты быстро сдвигаются из секции накопления в секцию хранения. Этот этап заключается в переносе всех строк изображения в секцию хранения, при этом управляющие переносом сигналы на соответствующих фазовых электродах
секций накопления и памяти изменяются синхронно. После этого
на электроды секции накопления подаются потенциалы, обеспечивающие накопление заряда, соответствующего распределению освещенности следующего кадра и далее процесс повторяется. Во время
обратного хода строчной развертки осуществляется сдвиг зарядовых пакетов из секции памяти в выходной регистр построчно. При
этом должна быть обеспечена синхронизация в формировании сигналов управления построчного сдвига из секции памяти в выходной
регистр и пакета сигналов управления выходного регистра и узла
детектирования. Для этого в момент переноса регистр останавливается в состоянии, когда потенциальные ямы образуются под второй
и третьей фазами и заряд выводится под эти электроды. Далее, во
время прямого хода строчной развертки, пакеты поэлементно сдвигаются в выходном регистре в сторону выходного устройства, где
и осуществляется их преобразование в электрический сигнал. Когда все зарядовые пакеты будут выведены, в секцию памяти будет
считана информация следующего кадра.
25
Полный
телевизионный
сигнал
Видеосигнал
ССП,
ФН1,
СГП,
ФН2,
ФормироССИ
ВидеоусиВыходной
ФН3,
Синхрователь
литель
видеоусиимпульсов
генератор
предварилитель
ФН, ФП
тельный
ФП1,
ФН1,
ФП2, ФП3,
ФН2, ВидеоФН3, сигнал
ОВР
ФП1,
Питающие напряжение
ФП2,
FT/12
ФП3
Блок
стабилизации
напряжения
Задающий
генератор
FT
Формирователь
импульсов
выходного
регистра
ФПЗС
ФР1,
ФР2, ФР3,
сброс
Рис. 8.2. Структурная схема телевизионной камеры на ПЗС матрице:
ФН – фаза накопления; ФП – фаза памяти; ОВР – останов выходного
регистра; FТ – тактовая частота; ССИ – строчные синхронизирующие
импульсы; ССП – сигнал синхронизации приёмника; СГП – сигнал
гашения приёмника
Рассмотрим работу телевизионной камеры на ФПЗС, структурная схема которой показана на рис. 8.2.
С помощью объектива оптическое изображение проецируется на
фоточувствительную поверхность ФПЗС, где преобразуется в электрический сигнал. В предварительном видеоусилителе производится усиление видеосигнала по мощности. Электрические режимы
ФПЗС по постоянному напряжению задаются резистивными делителями, расположенными в предварительном видеоусилителе.
Задающий генератор вырабатывает сигнал тактовой частоты FТ,
равный 25,5 МГц, и сигнал частоты FТ/12. Эти частоты необходимы
для формирования импульсных последовательностей в синхрогенераторе и формирователе импульсов выходного регистра.
Синхрогенератор предназначен для формирования импульсов
управления секциями накопления и памяти ФПЗС и сигналов синхронизации и гашения для формирования полного телевизионного
сигнала. Эта функция осуществляется микросхемой КФ1124АП4,
тактирование которой производится импульсами частотой FТ/12,
26
равной 2,125 МГц. Здесь также формируется сигнал останова выходного регистра (ОВР).
Формирователь импульсов секций накопления и памяти усиливает управляющие сигналы этих секций. Уровни импульсных напряжений устанавливаются путем регулировки питающих напряжений. В данной камере используется простейший метод двухуровнего питания секций памяти и накопления одним напряжением.
В формирователе импульсов выходного регистра осуществляется формирование сигналов управления выходным регистром и выходным устройством ФПЗС. Формирование сигналов и усиление
их по напряжению осуществляется специализированной микросхемой КФ1124АП4.
Видеосигнал с выхода предварительного усилителя поступает
на выходной видеоусилитель, где формируется полный телевизионный сигнал, который подается на выходной разъем телевизионной камеры. Выходной видеоусилитель имеет схему автоматической регулировки усиления, которая поддерживает неизменным
уровень выходного сигнала при изменении уровня освещенности.
Блок стабилизаторов напряжений вырабатывает выходные напряжения с параметрами, требуемыми для работы блоков камеры.
Описание лабораторной установки
Структурная схема лабораторной установки представлена на
рис. 8.3. В ее состав входят: телевизионная камера на ФПЗС, осветитель со встроенной испытательной таблицей, элементы коммутации, видеоконтрольное устройство (видеомонитор) и осциллограф. На экране видеомонитора наблюдается исследуемое изображение, на котором подсвечивается строка, отображаемая на экране
Испытательная
таблица
Осветитель
SA
1
Телевизионная
камера
ФПЗС
SA
Дополнительное
освещение
XC
1
XC
2
Видеоконтрольное
устройство
Рис. 8.3. Структурная схема лабораторной установки
27
осциллографа. С помощью кнопки на лицевой панели «Дополнительное освещение» увеличивается интенсивность светового потока через испытательную таблицу. Это позволяет наблюдать на
экране видеомонитора дефекты изображения, связанные с эффектом расплывания элементов изображения. Переключатели SA,
SA1 обеспечивают возможность подключения ко входам осциллографа требуемых сигналов для наблюдения и синхронизации
осциллографа.
Порядок выполнения работы
Ознакомьтесь с измерительными приборами, используемыми в работе, и с описанием лабораторного макета. Все измерения
производятся по осциллограммам на экране осциллографа, поэтому необходимо следить за ценой деления переключателя, который определяет чувствительность усилителя вертикального отклонения, и начальным положением луча. Для правильного измерения временных соотношений импульсных питающих напряжений
используется внешняя синхронизация развертки осциллографа,
в надежности которой следует убедиться перед выполнением каждого эксперимента. Длительность развертки и коэффициент усиления усилителей вертикального отклонения устанавливается таким
образом, чтобы наблюдаемая осциллограмма занимала по возможности большую часть экрана.
Осциллограммы импульсных последовательностей в каждом
пункте выполнения работы необходимо зарисовывать друг под
другом с соблюдением временных соотношений и фаз.
1. Включение установки. Включить измерительные приборы
и лабораторную установку. Выключить осветитель. Установить переключатель усилителя «Y» осциллографа в положение чувствительность – 1 В/см, переключатель синхронизация развертки осциллографа в положение «Внеш. 1:1» с положительным фронтом
(полярность сигнала «+»), режим синхронизации «Ждущий».
2. Исследование принципа переноса зарядовых пакетов.
2.1. Установите переключатель «Длительность развертки» осциллографа в положение 10 мс/см. Обеспечьте синхронизацию
осциллографа импульсами полей, подаваемых из основного блока лабораторной установки – переключатель SA в положении
«Поля». Зарисуйте друг под другом осциллограммы фаз секции
накопления ФН1, ФН2, ФН3 и секции памяти ФП1, ФП2 и ФП3 –
переключатель SA1.
28
2.2. Установите переключатель «Длительность развертки» осциллографа в положение 0,5 мкс/см. Обеспечьте синхронизацию осциллографа импульсами ФН1 из основного блока, переключатель
– SA. На экране осциллографа должен наблюдаться временной отрезок, соответствующий обратному ходу по полю (кадру). Ручкой
плавной синхронизации добейтесь устойчивого положения импульсов. Зарисуйте одну под другой осциллограммы напряжений всех
фаз секции накопления ФН1, ФН2, ФН3 и секции памяти ФП1,
ФП2 и ФП3, точно соблюдая фазовые соотношения между ними.
2.3. Установите синхронизацию осциллографа импульсами
строк (ССИ) из основного блока – переключатель SA. Длительность
развертки установить в положение 5 мкс/см. Снхронизация осциллографа в положении «Строки». На экране осциллографа наблюдайте временной отрезок, соответствующий обратному ходу
по строке. Зарисуйте одну под другой осциллограммы напряжений всех фаз секции памяти ФП1, ФП2, ФП3 (переключатель SA1)
и импульс останова выходного регистра (переключатель SA1 в положении ОВ). Дайте объяснение результатам наблюдения.
3. Наблюдение помех на изображении на экране ВКУ, связанных с дефектами ФПЗС и расплыванием элементов изображения
на экране.
3.1. Выключить осветитель. Наблюдайте и опишите характер
помех, проявляемых вследствие наличия дефектов в структуре материала матрицы.
3.2. Включить осветитель и повторить наблюдения. Нажать
кнопку «Доп.освещение». Опишите эффект расплывания изображения, который особенно заметен на фрагментах изображения
в углах испытательной таблицы. Дайте объяснения результатам
наблюдений.
4. Снятие световых характеристик. Установить синхронизацию осциллографа в положение блок выделения строки «БВС»,
установите переключатель входа источника синхронизации в положение «Видео» или «ССИ», переключатель SA1 в положении
ВС. Длительности развертки установить – 5мкс/см: чувствительность усилителя вертикального отклонения – 0, 1В/см. С помощью
БВС, вращая ручку «номер строки» на БВС, найти на изображении
строку, отображающую горизонтальный полутоновый клин испытательной таблицы. На экране осциллографа появится осциллограмма , соответствующая сигналу полутонового клина. С помощью осциллографа измерить величину напряжения между соседними перепадами сигнала полутонового клина по вертикали,
29
при необходимости увеличивая чувствительность осциллографа до
0,05 В/см. Считая, что длины каждой градации яркости на клине
постоянны, т. е. постоянны и соответствующие им временные отрезки на осциллограмме, отобразить результаты измерений в виде
«световой характеристики», принимая в качестве аргумента номер
перепада.
5. Оценка разрешающей способности по вертикали и горизонтали.
5.1. Определить визуально по штриховым мирам тестовой таблицы разрешающую способность по горизонтали (цифры около штриховой миры), разрешающую способность по вертикали
определить по горизонтальным клиньям испытательной таблицы
в центре экрана.
5.2. Измерить изменение глубины модуляции для различных
вертикальных штриховых мир. Для этого с помощью БВС, вращая
ручку «номер строки» на БВС, найти на изображении строку отображающую вертикальную штриховую миру. На экране осциллографа появится осциллограмма , соответствующая сигналу штриховой миры. С помощью осциллографа измерить максимальное
и минимальное напряжение миры, при необходимости увеличивая
чувствительность осциллографа. Измерения проводятся относительно гасящего уровня.
Соотнесите полученные результаты с размерами ПЗС-матрицы.
Оформление отчета по лабораторной работе
В отчете по лабораторной работе должны быть представлены:
1. Осциллограммы импульсных питающих напряжений и их
объяснения.
2. Описание проявления дефектов структуры материала ФПЗС,
расплывания изображения и их объяснения.
3. Таблицы измеренных величин.
4. Световая характеристика ФПЗС.
5. Результаты измерений разрешающей способности ФПЗС.
Контрольные вопросы
1. Объясните принцип переноса заряда в ФПЗС с трехтактным
питанием. Какие еще структуры питания существуют для организации переноса?
2. Укажите принципы организации матричных ФПЗС со строчным и кадровым переносом.
30
3. Сколько уровней напряжения питания используется в секциях накопления и памяти? Дайте объяснения.
4. Каким параметром характеризуется качество переноса заряда в ПЗС? От каких факторов он зависит?
5. В чем причины расплывания изображений? Перечислите методы устранения этих искажений.
6. Назовите параметры, характеризующие ФПЗС, сопоставьте
их с параметрами современных передающих электронно-лучевых
трубок.
7. Как достигается чересстрочность изображения в ФПЗС с многотактным питанием?
8. Объясните принцип работы матричных фоточувствительных
приборов с зарядовой инжекцией (ФПЗИ).
Библиографический список
1. Телевидение: учебник/ В. Е. Джакония, А. А. Гоголь, Н. А. Ерганжиев и др. М.: Радио и связь, 2007. С. 204–211.
2. Быков Р. Е. Основы телевидения и видеотехники: учебник
для вузов. М.: Горячая линия – Телеком, 2006. С. 132–176.
3. Бабенко В. С., Астратов О. С. Физические основы телевидения. СПб.: ГУАП, 2009. С. 74–82.
4. Кузнецов Ю. А., Шилин В. А.. Микросхемотехника БИС на
приборах с зарядовой связью. М.: Радио и связь. 1988. С. 95–135.
31
Лабораторная работа №9
ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕЛЕВИЗИОННОЙ ПЕРЕДАЮЩЕЙ
ТРУБКИ ТИПА «ВИДИКОН»
Цель работы: изучение принципа действия и характеристик телевизионной передающей трубки типа «Видикон».
Методические указания по подготовке к работе
Видикон является относительно простой и наиболее часто используемой на практике телевизионной передающей трубкой с накоплением зарядов. Видикон обеспечивает высокое качество изображения при освещенности в плоскости фотокатода порядка 1 лк,
что позволяет его широко использовать для внестудийных передач
в системах прикладного телевидения [1].
Разработаны модификации видиконов, различающиеся способами фокусировки и отклонения электронного луча, химическим
составом и физическими свойствами фотослоя с внутренним фотоэффектом, геометрическими размерами. Конструкция видикона с магнитными фокусировкой и отклонением электронного пучка показана на рис. 9.1. На торцевой части трубки расположена
фотополупроводниковая мишень, которая состоит из прозрачной
ВС
ФК
ОК А1
СП
КК Стеклянная
колба
Катод
iл
Ф
УЭ
А
iс
+ UВС
UС
RН
UСП
+_
+Uа2
+Uа1 −Uу
Рис. 9.1. Конструкция видикона: ФК – фокусирующая катушка;
ОК – отклоняющая катушка; КК – корректирующие катушки;
УЭ – управляющий электрод; А1 – первый анод; А2 – второй анод;
ВС – выравнивающая сетка; СП – сигнальная пластина;
Ф – световой поток
32
металлической сигнальной пластины и фотослоя толщиной в несколько микрон из материала с внутренним фотоэффектом. Тонкий электронный луч формируют с помощью тетродной электронной пушки, состоящей из катода, модулятора (управляющий электрод УЭ), первого анода, второго анода (фокусирующего электрода) и длинной фокусирующей катушки. С помощью магнитных
корректирующих катушек устраняют радиальные составляющие
скорости электронов пучка и приводят электронный пучок к оси
трубки. Второй анод создает эквипотенциальное поле, в котором
осуществляют отклонение электронного пучка магнитным полем
отклоняющих катушек. Второй анод заканчивается мелкоструктурной выравнивающей сеткой, создающей поле плоского конденсатора около мишени, что обеспечивает ортогональное падение
электронов коммутирующего пучка на мишень.
Элементами мишени (рис. 9.2) считают соединенные параллельно конденсаторы Сэ и зависящие от освещенности резисторы
Rэ . Проводимость элемента мишени:
ρ = ρò + ξ E υ ,
где rт и ξЕv – соответственно темновая и световая составляющие;
v – показатель степени, меньший единицы; ξ – размерный коэффициент пропорциональности, имеющий физический смысл чувствительности.
Сигнальная
пластина
Сэ
Rэ
Сэ
Ток луча
Rэ
Сэ
Катод
Rэ
Сэ
Rэ
RН
UС
Рис. 9.2. Эквивалентная схема мишени видикона
33
Uм
Uс.п
Uс min
Uт min
t
Tк
Рис. 9.3. Заряд мишени видикона
Сопротивление фотослоя Rэ = d/(ρSэ), здесь d – толщина фотослоя; Sэ – площадь элемента. Емкость элемента Сэ = εSэ, где ε –
диэлектрическая постоянная. Потенциал сигнальной пластины UСП составляет несколько десятков вольт. Тогда коммутация элементов
мишени осуществляется «медленными» электронами и потенциал мишени приводится к потенциалу катода, а напряжение на
фотослое в конце коммутации в первом приближении равно Uс.п
(рис. 9.3). В конце накопления зарядов через время кадра Тк на
светлом участке фотослоя установится потенциал:
Uc = Uñ.ï × exp(-α a ),
R
где α = T RC >> 1 – кратность изменения сопротивления мишени; а – отношение времени кадра Тк к постоянной времени разряда
мишени на темных участках фотослоя:
a = Tê R C .
ò
Потенциал темного участка:
Uò = Uñ.ï × exp(-a).
Глубина накопленного на мишени видикона потенциального
рельефа:
∆U = Uñ.ï × êé exp(–a ) - exp(-α a )úù .
ë
û
При коммутации пучком медленных электронов справедлива
эквивалентная схема зарядки элемента мишени (рис. 9.4).
Процесс коммутации рассматривают как заряд элемента мишени от источника Uс.п через постоянное сопротивление луча Rл.
34
С
Rл
Uс.п
Рис. 9.4. Эквивалентная схема коммутации зарядов на мишени видикона
В конце времени коммутации tк максимальное падение напряжения на слое:
é
ù
Umax = Umin + (Uñ.ï - Umin ) ê exp -tê τ ú
êë
ê úû
(
)
оказывается близким к Uс.п, где
τк = RлС; α = Rт/Rс >> 1.
Если принять, что накопленный на мишени заряд q=ΔUC считывается коммутирующим лучом линейно за время tк , ток полезного сигнала:
ic = q t = Uñ.ï éê exp(-a ) - exp(-α a )ùú × C t .
ë
û
ê
ê
( )
Световой характеристикой называют зависимость тока сигнала
i от освещенности фотослоя Е. Для видикона эта зависимость нелинейная: ее аппроксимируют степенной функцией:
ic = kU n × Ev ,
где n, v – показатели степени: v = (0.5 – 0.8); n = (1 – 1.5); k – размерный коэффициент. Световые характеристики снимают при
различных потенциалах сигнальной пластины Uс.п (рис. 9.5). Выбор оптимального потенциала сигнальной пластины имеет существенное значение для получения качественного изображения
в ТВ-системе с видиконом. При увеличении потенциала сигнальной пластины растет ток сигнала (рис. 9.5), что полезно. Однако
одновременно наблюдается рост темнового тока, который создает
на изображении помехи за счет неоднородности структуры мишени. Для каждой освещенности имеется оптимальное значение Uс.п,
35
Ic (мка)
0,3
0,2
UСП1
0,1
UСП2
UСП3
0,05
0,02
0,2 1,0 2,0 10
20 100 200 Е(лк)
Рис. 9.5. Световая характеристика видикона
S(λ)
1,0
1
0,8
2
0,6
3
0,4
0,2
λ[нм]
0,0
350
450
550
650
750
Рис. 9.6. Спектральная характеристика видикона: 1 – слой PbO;
2 – слой S2O3; 3 – кривая видности
которое устанавливают автоматически с помощью систем автоматической регулировки чувствительности (АРЧ).
Спектральная характеристика видикона (рис. 9.6) практически
полностью определяется свойствами фотослоя. За счет повышенной чувствительности внутреннего фотоэффекта к длинноволновым излучениям максимум спектральной характеристики смещен
в эту область.
Апертурная характеристика определяется соотношением между
диаметром электронного луча и размерами деталей изображения на
фотослое и хорошо аппроксимируется гауссовой кривой (рис. 9.7).
Диаметр луча в современных видиконах имеет величину порядка 50 мкм, что дает при размерах изображения в стандартных
36
Iост /Ic
1,0
1,0
0,75
0,75
0,5
0,5
0,25
0,25
0,0
200
400
600
800
Рис. 9.7. Апертурная
характеристика видикона
Z
0,0
Tк
2Tк
3Tк
4Tк
t
Рис. 9.8. Гистограмма
остаточного сигнала
дюймовых видиконах (9 × 12) мм разрешающую способность в 600
строк по всему полю кадра. В центре кадра разрешающая способность может достигать 800 строк. Ток сигнала на выходе видикона
близок к 0,1 мкА, что при выходной емкости сигнальной пластины
в 50 пФ позволяет получать соотношение сигнал/шум (60–100).
Особенностью стандартного видикона является инерционность,
которая слагается из фотоэлектрической и коммутационной составляющих. Причиной фотоэлектрической составляющей служит инерционность внутреннего фотоэффекта в высокоомных слоях. Коммутационная составляющая инерционности проявляется
за счет того, что электронный пучок обычно недостаточен для снятия всего накопленного на мишени заряда за один цикл коммутации. Инерционность оценивают по величине остаточного сигнала
в следующем кадре после прекращения света. Более полной характеристикой является график зависимости остаточного сигнала от
времени (рис. 9.8). Инерционность зависит от освещенности фотослоя, тока пучка и потенциала сигнальной пластины. Инерционность приводит к смазу изображения движущихся предметов, что
особенно сильно проявляется на мелких деталях.
Порядок выполнения работы
1. Включение и настройка установки. Красной кнопкой «Сеть»
на пульте «Внешнее управление» включите установку, включите осциллограф, затем включите видеоконтрольное устройство
(видеомонитор).
37
На пульте «Внешнее управление» включите лампу подсвета,
дающую освещенность на тест-таблице в 300 лк.
Установите с помощью потенциометра «Per. Uс.п» потенциал
сигнальной пластины 10 В.
Регулируя потенциалы фокусирующего электрода «Per. Uф.э»,
добейтесь качественного изображения тест-таблицы на экране
монитора.
2. Снятие световых характеристик.
2.1. Для снятия световой характеристики необходимо установить переключатель синхронизация развертки осциллографа в положение «Cтроки», запуск положительным фронтом «+»,
длительность развертки установить 10 мкс. Переключатель входов осциллографа – в положение «II», вход осциллографа открытый «=», включите фильтр положение «0–2». На экране осциллографа должны наблюдаться два периода строчной развертки. Отметку выделенной строки переместите на черно-белый перепад
в тест-таблице. Изменяя освещенность тест-таблицы путем последовательного включения источников освещения, фиксируйте с помощью осциллографа величину перепада напряжения сигнала на
участке черно-белого перепада изображения.
2.2. Повторите действия по п. 2.1 для потенциалов сигнальной
пластины Uс.п = 20 В и 30 В. Результат записать в табл. 1.
Таблица 1
Освещенность
тест таблицы, лк
Потенциал сигнальной
пластины, В
10
20
30
100
200
300
400
500
600
3. Оценка неравномерности сигнала.
3.1. Оценить неравномерность сигнала на белом участке таблицы
Нс. Для этого установите освещенность тест-таблицы, равную 100 лк.
Получите осциллограмму сигнала от строки, соответствующей
38
∆Uc
∆Uт
Uc
Рис. 9.9. Неравномерность сигнала
белому участку тест-таблицы (широкая горизонтальная белая
полоса на таблице). Замерьте размах сигнала от черного до белого
Uc и стрелу прогиба осциллограммы сигнала ΔUс (рис. 9.9). Подсчитайте неравномерность сигнала на белом:
(
)
Hc = ∆Uc U ×100%.
c
3.2. Оценить неравномерность сигнала на черном участке таблицы Нт. Для этого установите освещенность тест-таблицы, равную 100 лк. Получите осциллограмму сигнала от строки, соответствующей черному участку тест-таблицы (широкая горизонтальная черная полоса на таблице). Замерьте размах сигнала от черного до белого Uc и стрелу прогиба осциллограммы сигнала ΔUт
(рис. 9.9). Подсчитайте неравномерность сигнала на белом:
(
)
Hò = ∆Uò ∆U ×100%.
c
3.3. Повторите действия по п. 3.1 и 3.2 для освещенностей тесттаблицы 200 и 300 лк.
4. Снятие апертурной характеристики.
4.1. Установите освещенность тест-таблицы 300 лк, потенциал
сигнальной пластины – 20 В. Тщательно сфокусируйте изображение. Ручкой «Вход осциллографа» выключите фильтр (положение
«Откл»).
Установите длительность развертки осциллографа 5 мкс. С помощью ручки «Номер строки»блока «Выделения строки» выберете на изображении штриховую миру (подсвеченная строка на изображении) и получите осциллограмму сигнала. Замерьте размахи
39
сигналов от участков штриховой миры, соответствующих 100, 200
и 300 строкам.
5. Оценка инерционности видикона.
5.1. Выключите освещение тест-таблицы, установите переключатель «Синхронизация» осциллографа в положение «Внешнее 2»,
длительность развертки 20 мс. Наблюдайте на экране осциллографа осциллограмму, подобную рис. 9.8.
5.2. По пикам сигнала в соседних кадрах ТВ-развертки оцените
относительное значение остаточного сигнала от мигающего источника света.
Оформление отчета по лабораторной работе
В отчете по лабораторной работе должны быть представлены:
1. Рисунок видикона со схемой включения.
2. Таблицы измеренных величин.
3. Семейство световых характеристик видикона при различных
потенциалах сигнальной пластины.
4. Апертурная характеристика видикона.
5. Рассчитанные значения неравномерностей сигнала на белом
и на черном и графики зависимости этих неравномерностей от освещенности тест-таблицы.
6. Значения инерционности видикона.
Контрольные вопросы
1. Конструкция видикона и ее разновидности.
2. Принцип действия видикона.Световая характеристика видикона; ее зависимость от потенциала сигнальной пластины; выбор
оптимального потенциала сигнальной пластины.
3. Апертурная характеристика видикона; от каких условий зависит?
4. Как оценивают неравномерности сигнала на белом и на черном?
5. Причины неравномерностей сигнала и фона; от каких условий они зависят?
6. Физические причины инерционности видикона.
7. Как оценивают инерционность видикона?
Библиографический список
1. Телевидение/ под ред. В. Е. Джаконии. М.: Радио и связь,
2007. 456 с.
40
2. Бабенко В. С., Астратов О. С. Физические основы телевидения. СПб.: ГУАП, 2009. 113 с.
3. Телевидение: учеб. пособие для вузов/ Р. Е. Быков, В. М. Сигалов, Г. А . Эйссенгардт; под ред. Р. Е. Быкова. М.: Высш. шк.,
2005. 248 с.
41
Содержание
Лабораторная работа №6................................................... ИССЛЕДОВАНИЕ СИНХРОНИЗАЦИИ
ТЕЛЕВИЗИОННЫХ СИСТЕМ........................................... Лабораторная работа № 7.................................................. ИССЛЕДОВАНИЕ СХЕМ ВОССТАНОВЛЕНИЯ
СРЕДНЕЙ СОСТАВЛЯЮЩЕЙ В ВИДЕОСИГНАЛЕ.............. Лабораторная работа № 8.................................................. ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕЛЕВИЗИОННОЙ
ПЕРЕДАЮЩЕЙ КАМЕРЫ НА ФОТОЧУВСТВИТЕЛЬНОМ
ПРИБОРЕ С ЗАРЯДОВОЙ СВЯЗЬЮ................................... Лабораторная работа №9................................................... ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕЛЕВИЗИОННОЙ ПЕРЕДАЮЩЕЙ
ТРУБКИ ТИПА «ВИДИКОН»............................................ 3
3
14
14
23
23
32
32
Документ
Категория
Без категории
Просмотров
0
Размер файла
2 755 Кб
Теги
astratovsmirnov
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа