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平板电视维修人员的必备知识–数字电路知识

2009年9月20日 郝铭 发表评论 阅读评论

数字电路基本知识

郝铭

现在的液晶、等离子及CRT的高清电视机,对于小信号电路处理部分均采用数字处理方式,其原因是:1,克服因场频过低出现的大面积闪烁现象,对场频进行倍频处理。2,液晶屏和等离子屏是属于数字显示方式,只能显示数字的图像信号。3,兼容重放高清数字信号及HDMI等高清视频信号等,数字处理方式还可以对信号进行各种优化处理,大幅提高重现图像的质量。

现在的液晶、等离子电视机处理信号的过程是:把接收下来的模拟的电视信号,经过高频头、中频放大、视频检波后得到模拟的视频信号,把模拟的视频信号先变换成相应的数字视频信号然后再进行放大、解码、倍频等处理,最终变换成液晶屏或等离子屏等适用的数字信号,重现图像。这种处理方式称为数字化处理方式,现在的液晶、等离子电视机也称为数字化的电视接收机。

数字处理就必须采用数字电路来进行,目前的电视机都采用了大规模数字集成电路来完成上述工作。要学好液晶、等离子、高清电视的维修技术,看懂电视机的数字电路图,掌握基本的数字电路知识和数字集成电路的知识是必须的。

一、为了看懂液晶和等离子电路图所具备的基本知识 

前期典型的采用TA7698集成电路的电视机,称为模拟电视机,之所以能称为模拟电机是因为TA7698是一块模拟集成电路,它所处理的信号即是当时电视台播出的SDTV(标清电视)电视信号,是模拟的电视信号,那么用模拟电路来处理模拟信号的电视机即称为模拟电视机,那么什么是模拟信号?什么又是模拟电路?

1、模拟信号及模拟电路

1) 模拟信号;是一个随时间变化的单值函数(在水平的时间轴上,每一个单位时间只有一个量),如图所示 波形的特点是连续,波形的振幅的大小随时间作连续变化,在时间轴上,每一个单位时间只有一个量,从图的纵轴上看,幅度的变化是十进制的。就可以得出结论;模拟信号的特点是;一是连续型;二是十进制。从波形上看,模拟信号比较直观,用示波器由波形及幅度的变化上即可简单的判断信号是否有畸变,并可以利用示波器屏幕上的刻度对其进行定量的分析,从而迅速确定故障的部位。模拟信号在传递(处理)的过程中,各部分的比例不能改变,如果各部份振幅比例、时间比例发生变化,传递的信号即出现失真,作为电视信号来说图像就不能正常显示,甚至无图像(同步头异常就会无图像),在传递的过程中,遇到异常信号叠加其上,即为出现干扰,图像出现各种干扰会严重了会破坏信号的传递,所以模拟信号抗干扰的能力极差。图1所示就是模拟的Y信号和模拟的音频信号的波形。

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模拟Y信号                                                      模拟音频信号

图一

2) 模拟电路;直接处理模拟信号的电路就是模拟电路,由于模拟信号的信息就包含在波形的波动和振幅的大小之中,所以波形的各部比例在处理过程中是不能改变的,否则会出现失真。对于这样的模拟信号进行处理(放大)的器件应该是线性的,并且要有足够的动态范围以保证被处理的信号不会被限幅。但是我们目前应用的只有半导体三极管,是一种非线性器件,对处理的信号会出现非线性失真(模拟信号的波形会随三极管的非线性特性,而出现非线性失真),用这样的信号要想完美的处理模拟信号是非常困难的,但是也没有其它更好的器件,这样我们就尽量利用半导体三极管特性较为线性的一段区域,把信号的处理的工作点移到这一点上面的中点。如图2所示

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A 晶体三极管基极电压电流特性曲线          B 工作点选在特性曲线线性区域的中点

图 2

图2A是晶体三极管的输入特性曲线,下面的横轴 Vb 是基极电压,侧面的纵轴 Ib是基极电流,坐标中的曲线是当在基极施加电压Vb时,基极电流变化的曲线。可以看出,当基极电压由0 V逐步上升时,基极电流上升很少,只有当基极电压上升到大于0.4V以上时,基极电压的微小上升都会引起基极电流的大幅上升。这说明;基极电压的上升引起基极电流的变化并不是一个正比关系,而是一个非线性关系(如果能成为正比关系,这个曲线就是一条直线,就是线性关系)。整个曲线的下部弯曲的很厉害,上部要比下部曲线要直一些,就这曲线而言,我们把下部弯曲厉害的部分称为;非线性部分(非线性区域),把上部弯曲少的直线部分称为;线性部分(线性区域)。图2B所示;那么,晶体三极管如果用来进行模拟信号的处理(放大),只有利用曲线的线性区域,工作点的选取就应该在线性区域的中点部分,才能进行模拟信号进行无失真的处理。

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A                                                                                   B

图3

工作点选取在基极特性曲线线性区域的中点时;图3A所示,输入信号和输出信号经过放大没有出现失真(波形各部份的比例没有变化)。工作点选取在基极特性曲线非线性区域时;图 3B所示,输出信号和输入信号相比,波形下部压缩,出现严重失真(波形各部比例发生严重变化)。

工作点的选取;这就是我们熟悉的在三极管电路上要设置调整工作点的偏置电路,图4所示;图中 R1、R2就是设置工作点的上偏电阻和下偏电阻。工作点设置完成后还要考虑到工作点的稳定性,即工作点不会受温度等因素的影响发生漂移,在数据库的发射极增加了一个直流负反馈电阻R4,以稳定工作点,而R4的增加会影响到三极管的交流增益,所以又在R4上并联一个旁路电容C,可以看出一个普通的三极管要它很好的完成模拟信号的处理,要有很多的周边元件才行,以上的措施只是保证线性区域工作点的稳定,对于动态范围的保证,就是尽量的采用较高的供电VCC,一般都在9V以上或12V。

就是这样处理的信号还是有失真存在(因为基极特性曲线的线性区域也并不是一条直线),多次接力处理信号,其失真的叠加也是不能接受的,对于一个处理模拟信号的模拟集成电路,为了使内部的三极管的工作点都能在线性区域工作,并具工作点稳定,在集成电路的外围部分设置了很多的阻容元件,使集成电路周边元件众多、复杂,这也是应用模拟集成电路,组成的原理图的特点。

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图4

2 数字信号及数字电路

1)数字信号;也是一个随时间变化的电信号,但是其幅度的变化只有两个状态;即“高电平”和“低电平”状态,高电平为“1”的时候,低电平就为“0”,也就是说;数字信号就是以“1”和“0”表示的一连串的电信号,这就是数字信号幅值的不连续特性(是在“1”和“0”之间跃变的),这也是数字信号的一个重要特点。如图5所示;

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                                                                         图5

从图5中可以看出;在每一个单位时间,只能允许是“1”或者是“0”这两个数,也就是说;数字信号只能是以“1”和“0”这两个数字表示,那么是属于二进制信号(它的进位关系就是逢二进一),这就可以得出结论;数字信号的特点是;一、是分离型;二、是二进制。从波形上看,数字信号是不直观的,用示波器观察一个视频的Y信号,就无法判断哪里是同步头信号,哪里是消隐信号(数字信号的传输是不会出现失真的,所以一般也无需进行波形分析,只要用示波器判断波形有、无即可)。数字信号携带的信息是表现在数字信号脉冲的个数和脉冲的“宽”“窄”中。

由于数字信号只有两个量的变化,(高电平和低电平的变化),所以处理起来就简单的多,任何器件只要能反映 “通”和“断”即可对数字信号进行处理,并且不会出现任何非线性失真。

在传输的路径中,遇到干扰信号的叠加,引起幅度的变化,只要采用简单的限幅电路,就可以把干扰去除干净,所以数字信号是不怕干扰的(干扰信号只会引起幅度的变化,不会改变数字信号脉冲的个数和脉冲的“宽”“窄”的变化)。

2)数字电路;所谓数字电路就是用于处理数字信号的电路。数字电路与模拟电路相比有很大的不同,从广义上讲;数字电路主要是对数字信号进行逻辑运算和数字处理,这些运算和处理有时是相当复杂的,但主要是通过软件来处理(进行各种逻辑处理和数字运算)。但是从我们能够看懂高清、液晶、等离子电视机的电路图、分析电路故障为目的,就简单的多了。下面我们就以此目的介绍数字电路的知识。

数字电路中只处理二进制中的“0”和“1”两种信号,从电路硬件这一角度上讲,数字电路中的元器件只要能反映“通”和“断”两种状态,即可对数字信号进行处理,例如;常用的普通晶体三极管,在进行数字信号处理时,当数字信号是高电平(“1”)加到基极,晶体三极管导通;当数字信号是低电平(“0”)加到基极,晶体三极管截止。那么晶体三极管的集电极就输出了,反相的数字信号。此时的三极管只是工作在;“饱和”和“截止”的开关状态。在“关”的状态,晶体三极管基极电位为“0”晶体三极管截止,在“开”的状态晶体三极管基极电位为“1”晶体三极管饱和导通,三极管无须向模拟电路一样进行工作点的设置,也无须设置模拟电路的稳定工作点的发射极反馈电阻和旁路电容,如图6所示;

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图6

由于数字电路在工作时是工作在;“饱和”和“截止”的开关状态,那么对于电路的供电(VCC)可以采用极低的供电,3.3V、1.8V、1.2V甚至更低,只要能反映三极管的导通和截止就可以了。

如此简单的数字处理电路,可以方便的进行大规模的集成,做成具有全部信号处理的单芯片集成电路,集成电路内部的三极管数量可以达到千万只数量。对于每只三极管的要求也极低,甚至三极管出现漏电也不会影响信号的处理,所以对于采用数字集成电路制造的设备;例如;数码相机、DV摄像机、MP3、移动电话(手机)、电脑等极少出现集成电路的损坏,可靠性极高。

在数字电路中,由于晶体三极管是工作在;“饱和”和“截止”的开关状态,所以与晶体三极管的非线性特性没有任何关系,也就不存在非线性失真的问题,经过多次的电路处理,信号也不会发生畸变,这也就是我们采用数字的方式反复的复制MP3、数码照片等,音乐、图像的内容都感觉不出有任何变化,而过去的模拟的录音磁带,只要是转录两次,音质即变得极差。

既然数字信号和数字电路在处理信号上有如此多的优点,远非模拟信号和模拟电路能比拟。采用数字的处理方式来处理各种信息也是发展的必然,例如;过去的模拟移动电话(大哥大)发展成为现在的GSM CDMA 全数字处理移动电话、过去的模拟电视机发展为现在的数字化电视机(尽管地面信号仍然是SDTV的模拟信号,但是用数字处理实现了倍频解决了大面积闪烁,并且图像更干净)、过去的模拟唱片播放时噪音极大,而现在的CD唱片及DVD都具有和在影院观赏的效果(所以称为家庭影院)。由于数字处理特有的压缩、复用技术,是信息传输的容量大大增加,例如现在的DVD在一张小小的盘片上就可以保存一个多小时的高质量的图像及声音,现在的数字移动电话,全国十亿人每人一台手机同时打电话也不会出现拥挤和相互占线现象。数字技术的发展是必然,必然取代过去的模拟技术。

3 数字化

1) 什么是数字化?

把模拟信号转化成数字信号的过程就叫数字化

从广义上来讲;自然界的各种彩色,各种美妙的声音都是模拟的,而人的眼睛、耳朵也是一种模拟的器官。模拟的器官感受自然界的各种模拟图像、色彩、音乐是最完美的,但是其距离是有限的,有时效的(无法存储),这些自然的、美妙的东西要进行远距离的传输,过去是采用模拟的传输方式,即把图像、色彩、声音变成模拟的电信号,在利用模拟电路进行一系列的处理,进行远距离的传送。采用模拟的录音机、录像机进行存储。由于这些传输、存储设备采用的主要器件晶体三极管是非线性器件,又要经过多次处理,那么图像、声音出现失真是不可避免的。

数字技术的出现完全的解决了这一问题。使我们在荧光屏上就可以欣赏到原汁原味的真实的自然界图像,使我们在扬声器里以欣赏到原汁原味的真实的自然界的声音。

把模拟的光信号、模拟的声音信号,变成数字信号经过一系列处理、传输、存储,然后再还原成模拟信号供眼睛、耳朵欣赏,这一系列的过程,就是一个数字化的过程,数字化实际上是一个高质量传输、存储的手段。

在现阶段目前的电视技术上,电视信号的产生发射仍然是上个世纪40~50年代制定的电视信号标准,是模拟信号标准,这个标准在当时是为小屏幕、低亮度显像管服务的,而现在的电视机随人们的要求屏幕越来越大、亮度越来越高,仍然重放这样一个低标准的信号,明显出现图像的清晰度差、高亮度显示闪烁感严重的现象,这些现象已经甚至严重的影响收看。

为了解决上述问题,采用了倍频的方式来解决显像管高亮度的大面积闪烁感现象。在解码电路中采用了优秀的数字Y/C分离及数字解码方式,以改善重现图像的质量,而这些技术只是针对数字信号的一种处理方式,为此我们接收下来的模拟电视信号,首先进行模拟信号~数字信号的转换,转换成相应的数字信号后,在进行解码、倍频及信号优化处理,最终如果显示器是显像管(显像管是模拟显示器件)还要再还原成模拟信号供显像管显示图像,如果是液晶或等离子显示屏(液晶、等离子是数字显示器件)就可以直接输送到屏逻辑电路,最后成像。

上述的电视机是把模拟的电视信号在电视机内部,采用部分的数字电路来处理,以改善重现图像的质量称为数字化电视机。数字电路处理模拟信号,就必须首先把模拟信号变换成数字信号再由数字电路进行处理,而将时间上连续变化的十进制的模拟信号变换为二进制数字信号的过程就叫做数字化,数字化也就是把模拟信号变成数字信号,在进行处理。

2)数字化的优点

①数字记录系统中,由于信号的记录形式是二进制数码,数字电路的任务只是判断出“0”和“1”两种信号,使数字电路的抗干扰能力得到大大加强。同时,与记录媒体的信噪比和重放信号的信噪比没有直接关系,这样,与模拟记录系统相比,对记录媒体的要求可以宽松得多,即数字系统可以用廉价的材料作为记录媒体。

②数字系统中这种只有“0”和“1”两种电平状态的信号在记录和重放过程中只要保持“0”、“1”信号之间足够的电子差,数字电路就能方便地将它们识别和分离。换句话讲,当一群代表低电平的“0”信号电平即使其幅度大小有所不同时,对于代表高电平的一群“1’’信号电平存在参差不齐情况时,只要“0”、“1”信号之间的电平差足够的大,数字电路通过限幅等处理都可以正确地分辨出“0”和“1”信号,这就说明数字电路的抗干扰能力很强。

③数字系统中,如果采样频率、量化位数确定了,电路的性能极服也就确定了,且不容易被改变,这说明数字记录系统性能的重现性很可靠。模拟记录系统中,由于许多不稳定因素的存在,其重现性能不稳定、不可靠。所以,数字系统的技术性能指标要比模拟系统的技术性能指标高出许多。

④数字系统中的数字信号要进行各种形式的编码处理,因编码后的信号与信号在处理过程中由于电路本身或外界混进来的干扰信号的性质不同,二者可以方便地分离,因而可以轻松地去除干扰信号,而不致于损害信号数码。

⑤数字系统中的数字信号“0”、“1”只有低电平和高电平两种变化,所以不必要求记录和重放系统中的换能器具有良好的线性。

⑥数字信号适合于计算机进行处理和运算,这使得对数字信号的各种编码、解码处理变成了软件的操作,大大方便了对电信号的各种处理,使得数字式家用电器具有更强的功能。同时,在实现同样功能时,数字电路的结构远远没有模拟电路那么复杂。

数字信号是二进制的 只有“0”与“1”两个数码,虽然只有“0”、“1”两个数码,但通过这两个数码同样可以组成许许多多的数。并且无论是多大的数,它都可以通过一序列的“0”、“1”组成来表示;二进制数按照“逢二进一”的原则计数。同十进制一样;二进制数可以进行加、减、乘、除运算。二进制数和十进制数之间可以进行相互转换。

4 二进制编码

二进制编码就是用表示低电平的“0”和表示高电平的“1”的一连串“0”、“l”的数来表示一个十进制数值,或是表示一个字母、符号等,这一过程称为二进制编码。也就是说二进制编码就是用二进制数表示十进制数的过程。二进制数的运算非常简单,有规律,并且很容易通过电路来实现(例如晶体三极管导通为“0”,截止就为“1”)所以在数字电路中通常采用二进制编码。

例如;1、2、3、4、5、6、7、8、9、0 是十进制数的十个数

1、0是二进制数的两个数

计数规则

十进制: 3529=9×100+2×101+5×102+3×103=3529

二进制: 1101=1×20+0×21+1×22+1×23=13

二进制和十进制对于关系

十进制的 1、 2、 3、 4、 5、 6、 7、 8、 9、 10

二进制 01、 10、 11 、100、101、110、111、1000、1001、1010

二进制数十进制数的简单变换方法:把一连串的二进制数按数位分别和二的次幂相乘,再把相乘的结果相加 其结果就是这一连串二进制数的十进制值

例如 二进制数 11101101的十进制值是:

二进制数 1 1 1 0 1 1 0 1

× × × × × × × ×

二的次幂 128 64 32 16 8 4 2 1

相乘结果 128 64 32 0 8 4 0 1

结果相加 128 + 64 + 32 + 0 + 8 + 4 + 0 + 1 =237

通过以上计算:二进制数 11101101的十进制值是:237

例如 二进制数 101111的十进制值是:

二进制数 1 0 1 1 1 1

× × × × × ×

二的次幂 32 16 8 4 2 1

相乘结果 32 0 8 4 2 1

结果相加 32 + 0 + 8 + 4 + 2 + 1 =47

通过以上计算:二进制数 101111的十进制值是:47

(1)码的基本名称

①数位与比特。码的位叫做数位,英文是digit。对于十进制码叫做十进制数位,英文是decimal digit。对于二进制码叫做二进制数位,英文是binary digit,对于二进制数位一般简称为bit,中文读作比特。

例如,如某一个二进制码是100101,该码共有6数位,所以称为6bit(比特)。

5、二进制编码

所谓二进制编码就是用表示低电平的0和表示高电平的1,用一连串0、l来表示一个十进制数值,或是表示一个字母、符号等,这一过程称为二进制编码。由于二进制数运算规律简单,它的“1”和“0”两个码很容易通过电路来实现,所以在数字系统电路中通常采用二进制编码。

(1)码的基本名称

①数位与比特。码的位叫做数位,英文是digit。对于十进制码叫做十进制数位,英文是decimal digit。对于二进制码叫做二进制数位,英文是binary digit,对于二进制数位一般简称为bit,中文读作比特。

例如,如某一个二进制码是100101,该码共有6数位,所以称为6bit(比特)。

②字。用二进制数表示某一个数值或字符时,该二进制数称为字,英文是word。在数字系统电路中,所有的信息,包括数据、字母、符号、代表机器操作指令的数据以及指令在存储器中的存放地址等,都是以二进制代码表示的,并作为一个整体来处理或运算,这样的一组二进制数码称为一个字,简称为字。字是二进制数的基本单位,是数据总线宽度。

③字长。微控制器中,一个字的二进制位数称为字长。微控制器的字长有1位、4位、8位和16位等。

④字节。信息量的单位常用字节来表示,英文是byte。在字长较长时,把一个字分成若干字节。现在国际上统一把8位二进制数定义为一个字节,而4位则称为半字节。习惯上,把210=1024个字节称为1K字节。

⑤字内位的名称。字内各个位的名称是有规定的,具体规定:最上位(最高一位)的比特叫做MSB(most significant bit);次高位叫做2SB(second significant bit);由此向下位移动,依次叫做3SB(third significant bit)……最后一位的比特叫做LSB(1east significant bit)。

(2)二进制编码的十进制码

图3—1—1所示是一个数字系统电路方框图。从图中可看出,数字系统本身只能识别二进制码,但数字系统的外部设备,如输入设备、负载和显示器件都是采用人们熟悉的十进制数(或是模拟量)。

由于人们习惯使用十进制数,所以数字系统的外部设备通常采用十进制数,而数字电路只能识别二进制数码,十进制数或模拟量(模拟信号)输入数字电路之前,必须将十进制数转换成二进制数,以便数字系统电路能够接收和进行相应的处理、运算,同时数字系统的输出显示又必须采用十进制数来表示,所以在显示信息输出数字系统后,还要将二进制数还原成十进制数。为了解决这一问题和转换的方便,就利用二进制码来对十进制数字进行编码。

(3)8421 BCD码

BCD码采用4bit,由4位二进制数码可组成16种状态,而十进制数中的0、1、2至9只有10个,所以可以从中任意选10个状态就代表0、1、2至9这10个数,这样的二一十进制表示有多种,比较常用的是8421BCD码,4位二进制的数权分别是8、4、2、1。8421BCD码是逢十进位的,所以它又是二进制编码的十进制数。

(4)ASCII码

数字系统中,除需要将十进制数编码成二进制码之外,各种字母和符号也必须按照某种特定规则用二进制编码来表示。目前世界上普遍采用的是ASCII码(美国标准信息交换码),ASCII码用7位二进制数码来表示,故可表示27=128种不同的字符,这其中包括了26个大小写英文字母、10个十进制数字符号0~9、7个标点符号、9个运算符号以及50个其他符号等。

6、二进制码传输

数字系统中所有的信号及控制操作都是二进制数,这些二进制码在数字系统电路中的传输方式有两种:一是串行传输,二是并行传输。

(1)串行传输方式

二进制数码是由一连串1、0构成的数据,在串行传输方式中,这些二进制数中的各位1、0码按先后顺序逐个传输,传输数码所需要的导线数目只用一条就可以,图3—1—2所示是串行传输示意图,4位数码加到电路B,电路B由1条线输出。

(2)并行传输方式

并行传输是指二进制数码的各位同时传输,这样就要求传输导线的数目与二进制数码的位数相同,例如传输一个8位二进制数码时要使用8条导线。并行传输方式中,各位数值用该位电平的“高”或“低”来表示。高电平为“1”,用“H”表示,低电平为“0”,用“L”表示。

(3)码的传输速率

模拟电路中,存在着信号工作频率的问题。数字系统中也一样,将单位时间内(每秒钟)传输数码的比特数就叫做码的传输速率(transmission rate),或称为记录速率(recording rate),或称之为传输码率,简称码率。

(4)带宽

模拟电路存在着频带宽度指标,数字电路中也同样存在这一问题,当码的传输速率高时,要求相应的频带宽,码率愈高,要求的带宽愈宽。

7、二进制数存取

数字电路与模拟电路还有一个不同之处就是,数字电路中有许多存储器电路,在工作过程中,时常要从存储器里取出有关信息,或送人有关信息,这在模拟电路中是不可能的,因为模拟电路中没有具有记忆功能的存储器电路。

(1)信息存放电路

数字电路中有关信息的存放有专门的记忆功能电路,如寄存器、存储器,这两种存放信息的电路用来存放各种功能的二进制码。

(2)读写操作

数字系统电路中,将信息(二进制码)从存储器中取出称为读操作,将信息存入存储器称为写操作,对存储器的读、写操作称为访问存储器。

对存储器进行存取时,至少需要下列两条控制线。

①区分读操作、写操作的读/写(R/W)控制线,这根线要连接到CPU的R/W引出端,由CPU决定读出或写入(即确定数据流向)。

②片选控制线CS,也称片启动控制线CE。当片选信号到来时(高电平),存储器才工作。否则由于三态驱动器的控制,存储器对数据总线呈高阻状态。

数字系统中的微控制器使用了能够存储大量信息的存储器,为了识别各个存储单元,以便存取信息,对这些存储单元进行了编号,这个编号就是各个存储单元的地址,即用二进制代码表示的地址码。通常是根据地址总线上的地址来查找存储器中的存储单元,将数据写入或读出。

高清电视机数字板基本知识和工作原理—A/D变换

 

在倍频电视中怎样把模拟信号转换为数字信号

高清电视内部处理信号的核心部分是一块在主板上可拔插的单元,我们常称为“数字板”或“解码板”。整机的小信号处理功能(解码、变频、视频信号、行场振荡等)基本都集中在这块板上,但是这块插板的主要的功能是进行场频的50Hz/S向100Hz/S变换(也有变换成75Hz/S),也就是完成倍频的功能(有时也称此板为倍频板)。由于倍频电视的普及,作为一个维修人员理解数字板的工作原理,对于今后的发展是至关重要的。下面逐步的分期介绍数字板的各部分工作原理。

一、 倍频原理

倍频就是把场扫描频率增加一倍,

我国电视信号的场频标准是50Hz/s,即每秒显示50场,而倍频就是每秒显示100场,也就是把原来显示的50场,再重复显示一次,原来的50场信号加上重复显示的50场信号显示的时间仍然是1秒。这样在一秒钟的时间就显示了100场信号,场扫描的频率由每秒50Hz变为每秒100Hz,场扫描频率加倍了,这就是倍频的含义。在同一时间要再次重复显示一个已经随时间流逝掉信号,是不可能的,怎么办?那么我们就设法使这个随时间流逝的信号,停顿、存储起来再显示一次,我们想到了数字存储技术,利用存储器把每秒50场的信号存储起来,用相同的时间,即在一秒钟时间内快速连续从存储器中读出两次,则得到了每秒100场的倍频信号。

由于存储器只能存储幅值为“0”和“1”的二进制数字信号,而模拟信号是十进制,无法存储的,所以要完成倍频功能,还必须把模拟信号经过A/D(模/数)变换变换成数字信号,倍频变换完成后,再经由D/A(数/模)变换还原成模拟信号。

变换的原理如图1所示 AB场的视频信号,首先经过A/D变换,变换成为AB场的数字信号后,A场信号进入存储器A,B场信号进入存储器B,进行存储,然后由时序控制器控制,在和存入相同的时间从存储器A连续两次读出AA场信号,从存储器B连续两次读出BB场信号输出信号加在一起输出的信号就是倍频的AABB场信号,从而完成了倍频的功能。这也就是数字板的主要功能。

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图1

二、模数(A/D)变换—取样量化编码(PCM)

模拟信号转换为数字信号要经过取样、量化、编码三个步骤最终才能形成二进制的数字信号,这三个步骤总称为“脉冲编码调制”(PCM–Pulse Code Modulation)。

取样;就是在时间轴上对模拟信号进行分段。

量化;就是确定分段后的模拟信号的每一个段的幅度值—样值。

编码;就是把每个样值转化为二进制数。

下面用例图来简单介绍取样、量化、编码的过程

以图2-A所示简单的模拟信号,来说明模/数(A/D)变换的原理和过程;

1.取样。首先在时间轴上对模拟信号进行分段,就是在时间上把模拟信号离散化,如图2-B所示;模拟信号则变成了,点状排列的曲线。这就是“取样”,两个点水平之间的距离是取样时间,点的重复频率就是取样频率。取样后的信号,虽然不是连续的,仍然具有模拟信号的特征,这就是断续曲线的整体形状、比例和原模拟信号相同,振幅比例没有改变,如图2-C所示。

2.量化。每个点和下面零轴的垂线,其幅度是不等的,幅度的大小随模拟信号振幅的变化而变化,也就是幅度的大小正比于模拟信号的幅度变化。每一个点垂线的长短,就是这个点的取样值,根据要求精度的不同,对连续依次取样值四舍五入,这就是“量化”,如图2-D

3.编码。把经过量化的每一个点的样值进行由十进制到二进制的转换,这个过程叫“编码”或“二进制编码”,以完成由模拟信号到数字信号的转换的过程,如图3所示。

我们以图3来详细介绍量化编码的方法及结果;在图3中,下面时间轴2对应的取样样值的幅值是3.2,四舍五入后是3,十进制3的二进制是011。下面时间轴3对应的取样样值的幅值是5.1,四舍五入后是5,十进制5的二进制是101,这样以此类推,就得到了每一个取样样值采用3个二进制数表示的以一连串“0”和“1”表示的二进制数“011101110110101100011010011100101”。再按照“0”表示低电平,“1”表示高电平,画出高低电平的波形图,这就是数字信号的波形,可以看出一个简单的类似一个正弦周期的曲线,经过变换后变成多个以“0”和“1”表示的一连串二进制数,其数字信号的波形也比模拟信号复杂的多。

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图2

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图3

4二进制码名词解释

所谓二进制编码就是用表示低电平的0和表示高电平的1,用一连串0、l来表示一个十进制数值,或是表示一个字母、符号等,这一过程称为二进制编码。由于二进制数运算规律简单,它的“1”和“0”两个码很容易通过电路来实现,所以在数字系统电路中通常采用二进制编码。

1)码的基本名称

数位与比特。码的位叫做数位,英文是digit。对于十进制码叫做十进制数位,英文是decimal digit。对于二进制码叫做二进制数位,英文是binary digit,对于二进制数位一般简称为“bit”,中文读作“比特”。

2)码率:: “码率”就是每秒位数,

码率=取样频率×每取样点的比特数

3)数字信号的比特位

某一个模拟信号的样值,经过转换为一串二进制码是 10101101,该码共有 8个数位,所以称为 8 比特 (bit)或 8 位。每一位的名称如下;右边第一位1称为;“比特0”位(bit0)。右边第二位0 称为;“比特1”位(bit1),以此类推,一直到比特8位。如图4所示

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图4

三、取样编码的标准

1、取样标准;从图3也可以看出,在进行A/D变换时,分段(点)越细越好,两个点水平之间的距离是取样时间,点的重复频率就是取样频率。可见取样频率越高,变换后的数字信号所含信息和原模拟信号信息误差越小,取样频率反映图像忠实于原模拟信号的忠实度,为了高保真的处理信息,取样频率越高越好,但是太高了,技术、系统都难以达到,根据取样定律;“奈奎斯特定律”(注1)为基础, 国际无线电咨询委员会(CCIR) ,通过了CCIR601号建议,确定以分量编码为基础, 即以亮度分量Y、和两个色差分量R-Y、 B-Y为基础进行编码,作为电视演播室数字编码的国际标准。标准规定; (1).不管是PAL制,还是 NTSC制电视,Y、R-Y、B-Y三分量的取样频率分别为13.5MHz、6.75MHz、6.75MHz。(2). 取样后采用线性量化编码,每个样值的量化编码“位”(bit), 用于传输为8位(bit)。(3). Y、R-Y、B-Y三分量样值之间比例为4 :2 :2。这就是我们常说的4 :2 :2 标准。

对于SDTV标准的模拟视频信号或Y 信号的取样频率即为13.5MHz。

2、量化编码标准;从图3中可以看出;每一个取样值都经过了四舍五入,这样一个经过量化编码的值都有3个二进制数,我们就叫它为 3位编码,一个二进制数就是一“位”,号的信息值有了偏差(有失真),如果不经过四舍五入就进行编码,如果每一个样值量化编码“位”提高,显然转换后的数字信号和原来模拟信号的信息偏差就小的多(无失真),编码的结果二进制数的“位”越多显示图像的层次越丰富,“位”反映图像的层次。对于我们现行的SDTV电视标准,国际上规定对于视频信号的量化编码标准是8位(bit),图像的层次可以达到256级。

四、SDTV模拟视频信号变换为数字信号后的“码率”

把模拟信号变换成数字信号以后,信号是以“0”和“1”来表示,每一个“0”和“1”是一个“位”,每一个样值的8位量化编码,就有8个位。那么;我们的视频信号经过模/数变换、解码后输出的Y U V (注2)数字信号,每秒到底要传输多少个“位”(bit)?

这就是“码率”,“码率”就是每秒位数。对于我们现行SDTV的Y U V信号的4 :2 :2标准,

码率=取样频率×每取样点的比特数。码率的计算如下;

Y信号取样频率是13.5MHz U信号取样频率是6.75MHz V信号的取样频率是 6.75MHz 量化位都是 8位。

码率= 13.5 MHz×8+6.75 MHz×8+6.75 MHz×8=216 MHz/秒

可以看出我们带宽为0~6MHz的视频信号,经过模/数变换为数字信号后,其数据量异常的庞大,每秒传输达到216兆位的数据量,

五、并行传输和串行传输

在模拟电视电路中,电路间Y 信号的传输,采用一根引脚则可以了,加上U V信号,共3根引脚,而在经过模/数变换的数字信号,由于码率达到 216兆位的数据量,如此庞大的数据量,仍然采用一根线传输,“0”和“1”的二进制数排队顺序传送,如图5(图5中 集成电路A 是一个 把输入模拟信号变换成数字信号的A/D转换电路)所示,对于SDTV每秒50场的动态图像,显然是有困难的,会造成传输信息堵塞。频繁出现“马赛克”图像,和静止图像。此种传输方式叫“串行传输”。

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                              集成电路A为A/B变换

                                                                  图5

为了解决此问题,采用按照每一个比特位一根线传输的方式,这种方式称为并行传输,如图6所示(图6中 集成电路A 是一个 把输入模拟信号变换成数字信号的A/D转换电路),集成电路A,输入的是模拟的Y信号,经过内部模/数变换后,变成bit0~bit7的数字信号,集成电路A由8根引脚输出bit0~bit7的数字信号,在集成电路B也由8个引脚输入bit0~bit7的数字信号,在内部处理是再按原来的顺序排列起来,这样传输就可以保证图像的流畅。但是对于电路来说,集成电路的引脚数量大大上升,R G B基色信号传输需要24 根引脚,Y U V信号传输也必须16根引脚。采用并行方式传输,图像重放清晰、流畅,目前高清电视机内部均采用此种方式。这就是为什么数字集成电路引脚特别多的原因。原来修惯了 TA7698模拟集成电路电视机的师傅,看到数字集成电路处理模拟信号电视机极不适应的原因。

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                           集成电路A为A/B变换

                                                                           图6

注1;“奈奎斯特定律”规定在模拟信号向数字信号转换中,取样频率必须大于被取样信号最高频率的2 倍。由于我们的SDTV视频信号的带宽为 0~6MHz 又考虑到取样频率必须是行频的整倍数(锁定行频)所以选13.5MHz比较合适。它是PAL制、SECAM制,行频的864倍,是NTSC制,行频的858倍,并且均大于视频信号带宽最高频率的两倍。

注2;U、V信号就是B-Y、R-Y色差信号经过幅度压缩的信号,其中幅度比值 U=0.493 B-Y , V=0.877R-Y其压缩的目的是;为了防止在编码的过程中B-Y和R-Y正交后,其幅值超过同步头,引起重放时破坏图像的同步。

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  1. 2021年9月2日19:10 | #1
  2. 2021年9月6日15:00 | #2
  3. 2021年9月7日07:56 | #3
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