Разработка принципиальной электрической схемы

АЦП

При переходе от аналоговой формы представления сигнала к цифровой можно выделить три существенных преобразования:

- дискретизация (по времени)

- квантование (по уровню)

- кодирование (цифровое представления отобранных уровней)

Все это осуществляется в аналогово-цифровом преобразователе (АЦП). Поэтому для выбора типа АЦП необходимо определить частоту дискретизации и число уровней квантования ТВ сигнала.

По теореме Котельникова, когда требуется передавать аналоговый сигнал с ограниченным спектром, можно не передавать полностью все его непрерывные значения. Достаточно знать лишь ряд его мгновенных значений через интервал времени: где F_гр – верхняя граничная частота передаваемого спектра, или где F_д – частота его дискретизации.

Исходя из этого, для телевизионных изображений высокого качества, нужно иметь полосу сигнала яркости около 6 МГц, при этом F_д должна несколько превышать 12 МГц. Значение F_д должно выбираться с учетом необходимости получения фиксированной ортогональной структуры отсчетов на телевизионном изображении. Для этого необходимо, чтобы частота дискретизации была кратна строчным частотам систем с разложением на 625 и 525 строк (и соответственно кадровым частотам). С другой стороны, частота дискретизации должна быть, по возможности, низкой, чтобы не увеличивать скорость передачи символов. Для дискретизации сигнала яркости подходит частота 13.5 МГц.

Согласно рекомендации МККР №601-1 выбираем частоту дискретизации 13.5 МГц. Эта частота удовлетворяет перечисленным выше требованиям.

Выбор числа уровней квантования ТВ сигнала основан на субъективном восприятии изображения человеческим глазом. Практика показывает, что для передачи цветного ТВ сигнала с высоким качеством необходимо 256 уровней квантования. При этом любой номер уровня может быть записан с помощью восьми символов, так как 2⁸ = 256 (N= log₂256 = 8 – число разрядов квантования). Соответственно для передачи используются двоичные символы в диапазоне от 00000000₂ до 11111111₂.

Скорость передачи двоичных символов цифрового сигнала яркости при 8-ми разрядном квантовании и частоте дискретизации 13.5 МГц составит значение = F_д× N = 13.5 × 8 = 108 (Мбит/с), а каждого из цветоразностных сигналов = = 6.75 × 8 = 54 (Мбит/с).

Отсюда находим объем двоичных символов, необходимый для передачи одной строки ТВС. Когда число строк в кадре z = 625 и частота кадров F_k = 25 Гц, частота строк при чересстрочной развертке F_s = z × F_k = 625 × 25 = 15625 (Гц) и T_s = 52 × 10^-6 (с) – протяженность активной части строки сигнала. При этом искомый объем O_S определяется произведением: O_S = S_E × T, тогда:

O_S = 108 × 10⁶ (бит/с) × 52 × 10^-6 (с) = 5616 (бит) = 5.616 (кбит).

Число отсчетов на длительности активной части строки задается при этом отношением: N_S = O_S / N = 5616 / 8 = 702 (отсчета).

Высокое значение граничной частоты спектра ПТВС приводит к необходимости использования в телевизионной технике быстродействующих АЦП, имеющих максимальную частоту преобразования от 20 до 100 МГц и более. Необходимым требованиям по быстродействию и разрядности удовлетворяют АЦП параллельно-последовательного и параллельного типов.

Все три типа АЦП (последовательного, параллельно-последовательного и параллельного) являются идентичными и к ним предъявляются следующие требования:

- разрядность N = 8;

- частота дискретизации F_д = 13.5 МГц;

- высокое быстродействие.

Анализ различных АЦП, выпускаемых отечественной промышленностью, показывает, что высокое быстродействие может быть достигнуто в АЦП параллельного типа серии 1107 и 1108. Учитывая необходимую разрядность выходного слова АЦП, целесообразно использовать интегральные микросхемы (ИМС) модели К1107ПВ2 (рисунок 3.1). Данная ИМС представляет собой 8-ми разрядный АЦП параллельного действия с частотой преобразования 20 МГц и временем преобразования не более 0.1 мкс. Микросхема не требует внешней схемы выборки и хранения (УВХ – устройства выборки и хранения), содержит 15623 интегральных элементов.

Рисунок 3.1 - Функциональная схема К1107ПВ2.

Микросхема представляет собой быстродействующий 8-разрядный АЦП параллельного типа с частотой преобразования 20 МГц и предназначена для преобразования входных сигналов в один из потенциальных кодов: двоичный (прямой и обратный) и дополняющий (прямой и обратный).

Назначение выводов: 1...10 - свободные; 11 - опорное напряжение U_оп1; 13,15,16,18,20 - входы (аналоговый сигнал); 14,19 - общий (аналоговая земля); 17 - вывод корректировки нелинейности; 22 - опорное напряжение U_оп2; 28,43 - напряжение питания U_п1; 29,42 - общий (цифровая земля); 30 - тактовый сигнал; 32 - вход 8 (младший разряд); 33 - выход 7; 34 - выход 6; 35 - выход 5; 36 - управление выходным кодом, вход 2 (УКВ2); 37 - выход 4; 38 - выход 3; 39 - выход 2; 40 - выход 1 (старший разряд); 41 - управление выходным кодом, вход 1 (УКВ1); 47...50 - напряжение питания -U_п2; 12,21,23...27,31,44...46,51...64 – свободные.

Работой ИМС управляет тактовый сигнал, состоящий из последовательности прямоугольных тактовых импульсов (ТИ). Выборка производится через 10-15 нс после подачи фронта тактового импульса, а кодирование производится по срезу тактового импульса. Минимальная длительность импульсов составляет 15 нс. Минимальный период следования импульсов равняется 30 нс. Результат кодирования передается на выходной регистр АЦП со следующим фронтом тактового импульса, т.е. возможно по фронту импульса одновременно осуществлять запуск АЦП и производить считывание информации в ОЗУ.

Согласно рекомендации МККР, уровню черного ПТВС яркости соответствует 16-ый (00010000₂) уровень квантования, а уровню белого – 235 (11101011₂). Оставшиеся свободными участки полной шкалы квантования обеспечивают резерв защиты от перегрузок при изменениях (колебаниях) уровня ТВС яркости (по отношению к номинальному) на входе АЦП. В связи с большей заметностью нелинейных искажений на белом фоне по отношению к области черного, резерв по защите уровня белого больше, чем резерв по защите уровня черного.