Signalgeneratoren zur Erzeugung der Synchronimpulse

VGA- und FBAS-Signale liegen in Bereichen, die ein AVR-Mikrocontroller gut erzeugen kann. Dessen Taktfrequenz liegt bei 20 MHz – er hat damit für jede Zeile 528 Takte bei SVGA, 634 Takte bei VGA bzw. 1280 bei FBAS Takte Zeit.

Warum überhaupt ein Mikrocontroller? Die Sync-Signale könnten direkt genutzt werden, um die benötigten Sägezahnsignale zu erzeugen. Darauf gibt es zwei Antworten:

• Die Nutzung der externen Sync-Signale zwingt das Bild in ein sehr starres Raster. Da insbesondere bei VGA auch ein sehr exaktes Timing vorliegt, bei dem der eigentliche Sync-Impuls nur einen kleinen Teil der gesamten Rücklaufzeit umfasst, hat man keine Regelmöglichkeiten für eine Bildlagekontrolle. Der Mikrocontroller hilft, die Rücklaufsignale von diesem starren Raster zu entkoppeln, so dass man die Bildlage sehr genau justieren kann.
• Der Mikrocontroller kann zudem auch selbst Sync-Signale erzeugen, wenn kein externes Signal anliegt. Er kann damit als selbständiger Signalgenerator arbeiten.

Um die Signale möglichst optimal aufbereiten zu können, wurde eine Kombination aus zwei AVR-Mikrocontrollern vom Typ ATMega88 gewählt. Diese Chips können mit maximal 20 MHz getaktet werden, bieten drei Eingangs- bzw. Ausgangsgruppen an und können über zwei Interrupt-Eingänge von außen zur Arbeit angeleitet werden.

Der Horizontalgenerator

Der Horizontalgenerator (im Schaltbild der untere Mikrocontroller) wird mit einem Quarz bei 20 MHz getaktet. Um die horizontalen Synchronimpulse zu erzeugen, besitzt der Mikrocontroller mehrere Arbeitsmodi, die an den Eingängen eingestellt werden können:

• FBAS extern: Der Mikrocontroller reagiert dann auf Impulse an seinem Eingang INT0. Gemäß der Spezifikation des FBAS-Signals wird die fallende Flanke des Signals genutzt (negative Sync-Impulse). Am Ausgang C0 des Mikrocontrollers wird dann ein um eine Zeile verzögertes Sync-Signal ausgegeben, dessen exakte Position über einen Schalter noch nachgeregelt werden kann – das ist die Zeilenlagekorrektur.
• VGA/SVGA extern: Der Mikrocontroller reagiert dann auf Impulse an seinem Eingang INT1. VGA liefert negative Sync-Impulse, SVGA hingegen positive. Da heute Geräte verfügbar, die sich nicht unbedingt an diese Spezifikation halten, kann die Erkennung der Taktflanken von „spezifikationskonform“ zu „reverse Sync“ geändert werden. Dann reagiert der INT1-Eingang auf die steigende bzw. fallende Flanke, wenn die Spezifikation eigentlich das Gegenteil voraussetzt. Am Ausgang C0 des Mikrocontrollers wird dann ein um eine Zeile verzögertes Sync-Signal ausgegeben, dessen exakte Position über einen Schalter noch nachgeregelt werden kann – diese Zeilenlagekorrektur arbeitet exakt wie bei FBAS. Für die Unterscheidung von VGA und SVGA ist ein spezieller Eingang vorgesehen, der bspw. mit einem Schalter versehen werden kann.
• FBAS intern: Der Mikrocontroller erzeugt timing-gerechte FBAS-Signale ohne Triggerung über INT0. Es wird zudem am Ausgang B0 auch das vertikale Sync-Signal ausgegeben. Signale mit höherer Taktung (50/100/200/400 Hz und 15625/31.250Hz/62.500/125.000 Hz) stehen dann an den Ausgängen B1-B4 bzw. C1-C4 zur Verfügung.
• VGA intern: Der Mikrocontroller erzeugt timing-gerechte VGA-Signale ohne Triggerung über INT0. Es wird zudem am Ausgang B0 auch das vertikale Sync-Signal ausgegeben. Signale mit höherer Taktung (60/120/240/480 Hz und 31.400/62.800/125.600/251.200) stehen dann an den Ausgängen B1-B4 bzw. C1-C4 zur Verfügung.

Der Vertikalgenerator

Der Vertikalgenerator (im Schaltbild der obere Mikrocontroller) wird aufgrund der geringen Anforderungen an die Betriebsfrequenzen mit seinem internen Taktgenerator mit 8 MHz getaktet. Um die horizontalen Synchronimpulse zu erzeugen, besitzt der Mikrocontroller mehrere Arbeitsmodi, die an den Eingängen eingestellt werden können:

• FBAS extern: Der Mikrocontroller reagiert dann auf Impulse an seinem Eingang INT0. Gemäß der Spezifikation des FBAS-Signals wird die fallende Flanke des Signals genutzt (negative Sync-Impulse). Am Ausgang C0 des Mikrocontrollers wird dann ein um ein Bild verzögertes Sync-Signal ausgegeben, dessen exakte Position über einen Schalter noch nachgeregelt werden kann – das ist die Bildlagekorrektur.
• VGA/SVGA extern: Der Mikrocontroller reagiert dann auf Impulse an seinem Eingang INT1. VGA liefert negative Sync-Impulse, SVGA hingegen positive. Da heute Geräte verfügbar, die sich nicht unbedingt an diese Spezifikation halten, kann die Erkennung der Taktflanken von „spezifikationskonform“ zu „reverse Sync“ geändert werden. Dann reagiert der INT1-Eingang auf die steigende bzw. fallende Flanke, wenn die Spezifikation eigentlich das Gegenteil voraussetzt. Am Ausgang C0 des Mikrocontrollers wird dann ein um ein Bild verzögertes Sync-Signal ausgegeben, dessen exakte Position über einen Schalter noch nachgeregelt werden kann – diese Bildlagekorrektur arbeitet exakt wie bei FBAS. Für die Unterscheidung von VGA und SVGA ist ein spezieller Eingang vorgesehen, der bspw. mit einem Schalter versehen werden kann.

Bei FBAS intern und VGA intern arbeitet der Mikrocontroller nicht. An seinen Ausgängen B1-B4 werden aber die Betriebsmodi angezeigt, die dann mit angeschlossenen LEDs visualisiert werden können.

Bild- und Zeilenlage

Die erwähnten Verzögerungen von Zeilen- und Bildsynchronimpulsen und die Länge der Synchronimpulse werden durch die Betriebssoftware der Mikrocontroller festgelegt. Sie sind von großer Wichtigkeit für den Gesamteindruck des Bildes:

• Stimmen Bild- oder Zeilenlage nicht, dann beginnt bspw. die Zeile nicht an der linken Seite, sondern zur Mitte verschoben – das Bild endet dann links von seinem Anfang.
• Stimmt die Länge der Sync-Impulse nicht, führt dies zu sichtbaren Rückläufen und zu Zeilenfehlern im Bild.
• Ist die Verzögerung zu lang, dann synchronisiert das Bild nicht mehr, sondern „läuft durch“.

Die Bilder zeigen ein VGA-Signal einmal mit korrekt ausgeführter Zeilenlagenkorrektur und einmal komplett ohne.

  

Das Bild rechts ist verschoben, erst die Verzögerung der HSync-Impulse sorgt für eine korrekte Darstellung.

Betriebssoftware

Die Software für die beiden Mikrocontroller wurde in C mit dem AVR-Studio erstellt. Sie weist keine wesentlichen Besonderheiten auf. In der Hauptschleife werden die Schalterstellungen für die Betriebsmodi ausgewertet.

Die externen Synchronimpulse werden über die Eingänge INT0 (FBAS) und INT1 (VGA) verarbeitet. Nur eine von beiden Interruptsteuerungen kann jeweils aktiv sein. Soll der Mikrocontroller als interner Generator arbeiten, dann erfolgt dessen Steuerung über einen Zeitablauf – nach jeweils einer Zeile erfolgt ein Trigger. Die höherfrequenten Signale werden dabei in der Zeitablaufsteuerung erzeugt, indem jeweils nach einigen Takten Signalausgänge an- oder abgeschaltet werden.

Wenn sich während des Betriebs etwas ändert, werden die laufenden Steuerungen unterbrochen und gemäß der neuen Einstellungen neu gestartet. Der Horizontalgenerator zeigte hier beim Übergang zum internen Betrieb manchmal Schwierigkeiten. Er kann daher über einen RESET-Taster auf der Platine auch von Hand neu gestartet werden.

Die Software kann hier heruntergeladen werden. Vorsicht: sie besitzt noch Prototypenstadium, da wird sich im laufe der Zeit noch einiges ändern. Damit die Codes korrekt kompiliert werden können, müssen sie jeweils in main.c umbenannt werden – dann klappt auch die Zusammenarbeit mit dem Makefile.

Bildgenerator_Prototyp_0.2

Pegelanpassung

Die erzeugten Signale haben eine Amplitude von 5V und sind nicht sehr belastbar. Daher wurde den Generatoren eine Kombination aus den Logikgattern CD4001 (4x NOR) und CD4071 (4x OR) nachgeschaltet. Hier werden einerseits die vertikalen Sync-Impulse für intern (erzeugt im Horizontalgenerator) und extern (erzeugt im Vertikalgenerator) gemischt und andererseits alle Pegel auf 9V gebracht.

Besonderheiten

Wenn im externen Betrieb kein Signal anliegt, bricht das Bild komplett zusammen, da keine eigenständigen Synchronimpulse erzeugt werden. Die Helligkeit des Bildes sollte daher so gewählt werden, dass der Leuchtpunkt nicht auf dem Bildschirm einbrennen kann.

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