VGA-Module (CMOS-Technik)

Dieses Modul soll eine Brücke schlagen vom Video Modul des EE3023 hin zu aktueller Monitortechnik. Die ursprüngliche Idee ging sogar noch weiter – mittels DVB-T-Tuner und MPEG-Decoder sollte es möglich werden, eine aktuelle Version des EE2008-Fernsehers zu bauen.

Hinweis: Inzwischen ist eine modernere Version des VGA-Moduls entstanden, die die erforderlichen Timings besser einhält und auch flexibler bei der Generierung von Ausgangssignalen ist. Sie benötigt auch weniger Platz bei ansonsten gleicher Funktion. Ich empfehle daher zum Nachbau diese neue Version.

Entwurf

So blieb also der Bau eines VGA-Moduls, das als Ersatz für das Video Modul genutzt werden kann und dabei natürlich ohne den Umweg über die Antennenleitung eines Fernsehers auskommen soll. Statt dessen sollten die Signale in den VGA-Eingang eines herkömmlichen Computermonitors gespeist werden. Die Auflösung bleibt dabei auf 640×480 Punkte bei 60Hz beschränkt, da höhere Auflösungen zum Umgang mit Frequenzen zwingen, die mit dem diskreten EE-System zu konstruktiven Problemen führen können. Als besonderes Bonbon steht dabei natürlich Farbe zur Verfügung.

Als Ansatz wurde dabei die Technik gewählt, die auch bereits beim EE3023 zum Einsatz kommt – ein quarzgesteuerter Frequenzteiler, der nacheinander die horizontalen und vertikalen Sync-Impulse erzeugt. Teile der Schaltung im VGA-Signalteil entstammen einer im Netz verfügbaren Schaltung, die allerdings ein paar Änderungen erfahren hat, damit sie auch mit modernen TFT-Monitoren zurecht kommt.

Schaltungsbeschreibung

VGA weicht in seinen Frequenzen vom PAL-Signal ab. Die Horizontalfrequenz liegt bei 31,5 kHz, die Vertikalfrequenz bei 60 Hz. Es werden grundsätzlich Vollbilder übertragen – bei PAL sind es Halbbilder. Ein mit dem CD4060 aufgebauter Quarzgenerator erzeugt ein 8.MHz-Signal, das über die Teilerstufen des 4060 bis auf 31.250 Hz heruntergeteilt wird. Eine 4-fach-UND-Stufe (1/2 CD4082) stellt daraus das horizontale Synchronsignal zusammen. Ein CD4040 sorgt für die weitere Teilung. An seinen Ausgängen sitzt ein weiteres halbes CD4082, das einen Teiler durch 525 realisiert – 480 sichtbare Zeilen und 45 unsichtbare, während derer der Bildrücklauf ausgeführt werden soll. Auch wenn moderne TFT-Monitore dieses Timing eigentlich nicht mehr benötigen, wird es weiterhin für VGA benutzt. Ein drittes Vierfach-UND sorgt für die Erzeugung des passenden Vertikal-Synchronimpulses. Beide Signale werden in einem nachfolgenden 74HC32 gepuffert und stehen dann am VGA-Anschluss und an den Anschlüssen VS (60 Hz) und HS (31,250 Hz) zur Verfügung.

Zusätzlich sind folgende Signale herausgeführt: Q1 = 250.000 Hz Q2 = 125.000 Hz Q3 = 62.500 Hz Q4 = 31.250 Hz Q5 = 480 Hz Q6 = 240 Hz Q7 = 120 Hz Q8 = 60 Hz

Der Eingangsteil besitzt im Gegensatz zum Originalmodul drei Eingänge für die drei Grundfarben Rot, Grün und Blau. Die drei Eingänge sind gepuffert und gesichert über einen RGB-Umschalter vom Typ TEA 5114. Dessen Umschaltfunktion wird nicht genutzt, wohl aber seine Fähigkeit, bei zu hohen Eingangssignalen die Ausgänge abzuschalten, um eine Überlast des VGA-Monitors zu vermeiden. Die drei Eingänge sind außerdem über Kondensatoren von den Eingängen entkoppelt. Bei vertikalen Bildverläufen sieht man deren Einfluss auf das Bild durch Farbverläufe.

Der Zählerteil wird mit +5V (TTL-Pegel) über einen Spannungsstabilisator vom Typ 78L05 betrieben.

Der gezeigte Monitor stammt aus meiner Bastelkiste; er hat eigentlich einen Touchscreen und kann viele Auflösungen darstellen. Er passt größenmäßig gut zum Philips-System. Es kann aber natürlich jeder Monitor ansgeschlossen, der einen VGA-Eingang besitzt. Auch die meisten modernen Flachbildfernseher bieten nach wie vor eine VGA-Anschlussbuchse. Standard-VGA, also die Frequenzen, die hier benutzt werden, werden von all diesen Monitoren unterstützt. Selbstverständlich bleibt die Auflösung auch auf einem FullHD-Bildschirm auf 640×480 Punkte beschränkt.

Sinus-Rechteck-Generator

Der Sinus-Rechteck-Generator wurde ohne Änderungen am Bauplan von 6.01 aus EE3023 in das Design übernommen. Die Vertikalfrequenz von Q5 beträgt in diesem Modul 480 Hz, was den 400 Hz des Originalmoduls sehr nahe kommt. Zur Umschaltung des Signals (Rechteck-Sinus) und zur Einstellung der Signalstärke wurden Jumperleisten verwendet.

Oszilloskop

Das Oszilloskop ist weitgehend baugleich mit der Schaltung aus 6.1. Es ist klar, dass man hier nur von einem Schmalspur-Oszilloskop sprechen kann, da eigentlich alle wichtigen Features eines echten Oszis fehlen und nur feste Frequenzen dargestellt werden können. Andererseits eignet es sich für das Verständnis der im EE3023 im Kapitel 6 gezeigten Grundschaltungen gut und vermittelt auch Grundkenntnisse im Umgang mit Oszilloskopen.

 

Aufgrund des Zeilen-Bild-Verhältnisses verläuft die Anzeige senkrecht, die Ablenkung erfolgt mit einer Frequenz von 60 Hz. Die gezeigten Signale haben eine Frequenz von 480 Hz.

Es gibt aber eine wichtige Änderung: Im Original kann das Signal zwar mit dem Potentiometer verschoben werden, allerdings nicht sehr weit nach links. Der linke Rand bleibt praktisch unerreichbar. Auch das Verringern der zeitbestimmenden Kondensatoren und Widerstände bringt keine Besserung. Das Telespiel des EE3023 krankt ebenfalls daran – hier ist die „Wand“ sehr weit nach rechts verschoben, weil der „Ball“ sie sonst gar nicht erreichen würde.

Ein tieferer Blick ins Datenblatt des NE558 zeigt aber, dass die Philips-Jungs hier des Guten zuviel getan haben – sie haben nämlich zwischen die Timer einen kleinen Koppelkondensator (100pF) eingebaut, der laut Schaltungsbeschreibung das Signal „differenziert“. Das tut er tatsächlich – und wenn das Signal selbst kurz genug ist, dann bleibt nach dem Differenzieren nicht mehr genug davon übrig, um den zweiten Timer zu triggern. Das ist der Grund, warum alle Bildelemente im EE3023 verschwinden, wenn sie zu weit nach links geschoben werden.

Es gibt aber einfache Abhilfe: Die Timer des NE558 können nämlich ohne weiteres galvanisch hintereinander geschaltet werden; es muss nur ein Lastwiderstand nach Plus mit den Ausgängen verbunden werden. Ersetzt man nun den kleinen Koppelkondensator durch eine Drahtbrücke, kann man auch Bildelemente erzeugen, die sehr weit links sind. Es empfiehlt sich dabei, lieber den Kondensator etwas größer zu wählen und statt dessen den zeitbestimmenden Widerstand zu verkleinern – mindestens 2 kOhm sollte er haben.

Es wurden außerdem ein paar andere Widerstände angepasst. Das horizontale Signal hat gegenüber dem EE3023 die doppelte Frequenz, so dass das Timing jeweils halbiert werden muss.

Das Oszilloskop kann über zwei Jumper sowohl vom Horizontalsignal als auch vom grünen Eingang des VGA-Moduls komplett getrennt werden, so dass es das Bildsignal an den Eingängen nicht beeinflusst. Der Ausgang des Oszilloskops arbeitet auf den grünen Eingang des VGA-Moduls und kommt so der echten Oszilloskp-Darstellung nahe.

Das gezeigte Sinussignal zeigt einen 60-Hz-Schwinger, dessen Ursache ich noch nicht ermitteln konnte. Der Schwinger tritt auch auf, wenn man Oszilloskop und Generator extern auf der Grundplatte gemäß 6.1 des EE3023 aufbaut. Das Rechtecksignal zeigt diesen Schwinger nicht.

Die jeweiligen Bauteilwerte sind direkt in den Schaltbildern und im Bestückungsplan verzeichnet. Der Sinus-Rechteck-Generator entspricht in diesem Modul noch exakt der im EE3023 in 6.01. vorgestellten Schaltung. Das Oszilloskop enthält die oben beschriebenen Änderungen bei der Bauteiledimensionierung und insbesondere bei der direkten Kopplung der beiden NE558-Stufen. Im Oszilloskop-Modul und in der Mikrocontroller-Version des VGA-Moduls finden sich modifizierte Varianten des Oszilloskops, die einen linearen Verlauf zeigen und daher angenehmer zu verwenden sind.

Auf dieser Platine werden die Verbindungen zwischen VGA-Modul, Generator und Oszilloskop durch Jumper hergestellt. Wenn die beiden mit „O“ bezeichneten Jumper in die jeweils „Nicht-O“-Stellung gebracht werden, ist das Oszilloskop völlig vom VGA-Modul getrennt. Gleiches gilt für den Vierfach-Jumper auf der linken Seite; hier darf der Jumper nicht mit der linken Seite der Leiste verbunden sein, damit der Generator völlig vom VGA-Modul getrennt ist (und damit auch nicht schwingt).

Einige Anwendungen für das Oszilloskop finden sich hier.

VGA-Modul für Telespiele

Dieses Modul benutzt denselben Schaltungsteil wie das oben beschriebene VGA-Modul. Statt eines Oszilloskops und eine Sinus-Rechteck-Generators implementiert es aber einen „Rahmen“, der als Bildelement für Spiele benutzt werden kann.

Dieser Rahmen wird gebildet durch vier Balkenelemente, die aus dem Zählersignal gewonnen werden. Dafür gibt es viele Möglichkeiten mit Logikgattern und auch mit dem NE558, aber da in der Bastelkiste noch ein paar CD4515 lagerten, kamen diese 1-aus-16-Decoder zum Einsatz. Jeweils die Streifen am linken, oberen, unteren und rechten Rand kommen zum Einsatz und bilden ein „Fenster“, das als Horizontal- und Vertikalsignal nach außen geführt ist, um für Kollisionsdetektionen verwendet zu werden. Es wird außerdem über Jumper auf den Blau-Eingang des VGA-Moduls geführt. Die Jumper dienen dazu, wahlweise die Seiten, Decke und Boden oder alles auszublenden.

Das Modul kommt zum Einsatz beim Telespiel 

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4 Kommentare zu VGA-Module (CMOS-Technik)

  1. Burkhard Mankel sagt:

    Ich beschäftige mich auch heute noch mit Retro-Computern – u.a. Atari ST. Dieser hat verschiedene Video-Modi, zB. RGB nach TV-PAL Norm und hochauflösendes Monochrom. Ich beschäftige mich schon einen längeren Zeitraum damit, das ungeeignete RGB Farbsignal dieser Computer neben dem tauglichen Monochrom-Signal auf einen VGA-TFT darstellen zu können und bin jüngst über das Schaltbild unter dem Abschnitt „Schaltungsbeschreibung“ gestolpert. Meine Frage dazu: Kann mir diese Schaltung helfen, gewünschtes Ziel zu erreichen und – wenn ja – woher kann ich den exotischen IC TEA5114 beziehen?

    Für Ihre Hilfe danke ich schon mal im voraus!

  2. JeanLuc7 sagt:

    Salut,
    der TEA5114 ist ein Video-Schalter, er kann daher keine Wandlungen vornehmen (ist übrigens bei reichelt.de stets vorrätig). Für Ihre Zwecke besser geeignet ist der AD724:

    The AD724 is a low cost RGB to NTSC/PAL Encoder that converts red, green and blue color component signals into their corresponding luminance (baseband amplitude) and chrominance (subcarrier amplitude and phase) signals in accordance with either NTSC or PAL standards. These two outputs are also combined to provide composite video output. All three outputs can simultaneously drive 75 (ohm),

    Dann entsteht aus dem RGB-Signal ein klassisches FBAS-Signal (das mit den gelben Steckern), für das bis heute fast jeder TV einen Eingang vorsieht.
    Grüße, JL7

  3. Burkhard Mankel sagt:

    Vielen Dank, JeanLuc7, für Deine schnelle Antwort! Aber ich habe das Gefühl, die beschreibt etwa die andere Richtung! Ich beabsichtige, ein RGB-HV Signal nach PAL-Norm (15,{irgendwas} kHz und Halbbild) nach VGA (31,5kHz / Vollbild) zu wandeln …

  4. JeanLuc7 sagt:

    Salut,
    ok, dann habe ich dich falsch verstanden. Also nochmal: Du hast ein RGB-Signal (bereits nach PAL-Norm) und willst VGA daraus machen. Das ist nicht ganz einfach, da das Signal hierzu gespeichert und in höherer Frequenz ausgegeben werden muss – ich kenne keine Bastellösung. Man kann die Teile aber für einen erträglichen Preis kaufen, z.B. hier bei amazon:
    http://www.amazon.de/Ligawo-WIDESCREEN-Unterst%C3%BCtzung-Skalierung-1920x1080p/dp/B0028ACRNI/ref=sr_1_9?ie=UTF8&qid=1357981161&sr=8-9

    Wenn Du das nun mit meinem Vorschlag mit dem AD724 verknüpfst, entsteht die Kette Atari-ST(RGB)->AD724(PAL-Composite)->VGA-Wandler(VGA). Das sollte funktionieren. Vielleicht findest Du im Internet auch einen Wandler, der direkt RGB-Signale akzeptiert.
    Grüße, JL7

    Wenn Du planst,

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