{"id":1328,"date":"2012-04-21T12:08:56","date_gmt":"2012-04-21T10:08:56","guid":{"rendered":"http:\/\/www.brennecke.org\/?page_id=1328"},"modified":"2012-05-06T19:08:33","modified_gmt":"2012-05-06T17:08:33","slug":"vga-modul","status":"publish","type":"page","link":"https:\/\/www.brennecke.org\/?page_id=1328","title":{"rendered":"VGA-Module (CMOS-Technik)"},"content":{"rendered":"

Dieses Modul soll eine Br\u00fccke schlagen vom Video Modul des EE3023 hin zu aktueller Monitortechnik. Die urspr\u00fcngliche Idee ging sogar noch weiter – mittels DVB-T-Tuner und MPEG-Decoder sollte es m\u00f6glich werden, eine aktuelle Version des EE2008-Fernsehers<\/a> zu bauen.<\/p>\n

Hinweis: Inzwischen ist eine modernere Version<\/a> des VGA-Moduls entstanden, die die erforderlichen Timings besser einh\u00e4lt und auch flexibler bei der Generierung von Ausgangssignalen ist. Sie ben\u00f6tigt auch weniger Platz bei ansonsten gleicher Funktion. Ich empfehle daher zum Nachbau diese neue Version.<\/a><\/p>\n

Entwurf<\/h3>\n

So blieb also der Bau eines VGA-Moduls, das als Ersatz f\u00fcr das Video Modul genutzt werden kann und dabei nat\u00fcrlich ohne den Umweg \u00fcber die Antennenleitung eines Fernsehers auskommen soll. Statt dessen sollten die Signale in den VGA-Eingang eines herk\u00f6mmlichen Computermonitors gespeist werden. Die Aufl\u00f6sung bleibt dabei auf 640×480 Punkte bei 60Hz beschr\u00e4nkt, da h\u00f6here Aufl\u00f6sungen zum Umgang mit Frequenzen zwingen, die mit dem diskreten EE-System zu konstruktiven Problemen f\u00fchren k\u00f6nnen. Als besonderes Bonbon steht dabei nat\u00fcrlich Farbe zur Verf\u00fcgung.<\/p>\n

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Als Ansatz wurde dabei die Technik gew\u00e4hlt, 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 verf\u00fcgbaren Schaltung, die allerdings ein paar \u00c4nderungen erfahren hat, damit sie auch mit modernen TFT-Monitoren zurecht kommt.<\/p>\n

Schaltungsbeschreibung<\/h3>\n

VGA weicht in seinen Frequenzen vom PAL-Signal ab. Die Horizontalfrequenz liegt bei 31,5 kHz, die Vertikalfrequenz bei 60 Hz. Es werden grunds\u00e4tzlich Vollbilder \u00fcbertragen – bei PAL sind es Halbbilder. Ein mit dem CD4060 aufgebauter Quarzgenerator erzeugt ein 8.MHz-Signal, das \u00fcber 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 f\u00fcr die weitere Teilung. An seinen Ausg\u00e4ngen sitzt ein weiteres halbes CD4082, das einen Teiler durch 525 realisiert – 480 sichtbare Zeilen und 45 unsichtbare, w\u00e4hrend derer der Bildr\u00fccklauf ausgef\u00fchrt werden soll. Auch wenn moderne TFT-Monitore dieses Timing eigentlich nicht mehr ben\u00f6tigen, wird es weiterhin f\u00fcr VGA benutzt. Ein drittes Vierfach-UND sorgt f\u00fcr die Erzeugung des passenden Vertikal-Synchronimpulses. Beide Signale werden in einem nachfolgenden 74HC32 gepuffert und stehen dann am VGA-Anschluss und an den Anschl\u00fcssen VS (60 Hz) und HS (31,250 Hz) zur Verf\u00fcgung.<\/p>\n

Zus\u00e4tzlich sind folgende Signale herausgef\u00fchrt: 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<\/p>\n

Der Eingangsteil besitzt im Gegensatz zum Originalmodul drei Eing\u00e4nge f\u00fcr die drei Grundfarben Rot, Gr\u00fcn und Blau. Die drei Eing\u00e4nge sind gepuffert und gesichert \u00fcber einen RGB-Umschalter vom Typ TEA 5114. Dessen Umschaltfunktion wird nicht genutzt, wohl aber seine F\u00e4higkeit, bei zu hohen Eingangssignalen die Ausg\u00e4nge abzuschalten, um eine \u00dcberlast des VGA-Monitors zu vermeiden. Die drei Eing\u00e4nge sind au\u00dferdem \u00fcber Kondensatoren von den Eing\u00e4ngen entkoppelt. Bei vertikalen Bildverl\u00e4ufen sieht man deren Einfluss auf das Bild durch Farbverl\u00e4ufe.<\/p>\n

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Der Z\u00e4hlerteil wird mit +5V (TTL-Pegel) \u00fcber einen Spannungsstabilisator vom Typ 78L05 betrieben.<\/p>\n

Der gezeigte Monitor stammt aus meiner Bastelkiste; er hat eigentlich einen Touchscreen und kann viele Aufl\u00f6sungen darstellen. Er passt gr\u00f6\u00dfenm\u00e4\u00dfig gut zum Philips-System. Es kann aber nat\u00fcrlich 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 unterst\u00fctzt. Selbstverst\u00e4ndlich bleibt die Aufl\u00f6sung auch auf einem FullHD-Bildschirm auf 640×480 Punkte beschr\u00e4nkt.<\/p>\n

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Sinus-Rechteck-Generator<\/h3>\n

Der Sinus-Rechteck-Generator wurde ohne \u00c4nderungen am Bauplan von 6.01 aus EE3023 in das Design \u00fcbernommen. Die Vertikalfrequenz von Q5 betr\u00e4gt in diesem Modul 480 Hz, was den 400 Hz des Originalmoduls sehr nahe kommt. Zur Umschaltung des Signals (Rechteck-Sinus) und zur Einstellung der Signalst\u00e4rke wurden Jumperleisten verwendet.<\/p>\n

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Oszilloskop<\/h3>\n

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 k\u00f6nnen. Andererseits eignet es sich f\u00fcr das Verst\u00e4ndnis der im EE3023 im Kapitel 6 gezeigten Grundschaltungen gut und vermittelt auch Grundkenntnisse im Umgang mit Oszilloskopen.<\/p>\n

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Aufgrund des Zeilen-Bild-Verh\u00e4ltnisses verl\u00e4uft die Anzeige senkrecht, die Ablenkung erfolgt mit einer Frequenz von 60 Hz. Die gezeigten Signale haben eine Frequenz von 480 Hz.<\/p>\n<\/div>\n<\/div>\n<\/div>\n

Es gibt aber eine wichtige \u00c4nderung: 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 Widerst\u00e4nde 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 w\u00fcrde.<\/p>\n

Ein tieferer Blick ins Datenblatt des NE558 zeigt aber, dass die Philips-Jungs hier des Guten zuviel getan haben – sie haben n\u00e4mlich zwischen die Timer einen kleinen Koppelkondensator (100pF) eingebaut, der laut Schaltungsbeschreibung das Signal „differenziert“. Das tut er tats\u00e4chlich – und wenn das Signal selbst kurz genug ist, dann bleibt nach dem Differenzieren nicht mehr genug davon \u00fcbrig, um den zweiten Timer zu triggern. Das ist der Grund, warum alle Bildelemente im EE3023 verschwinden, wenn sie zu weit nach links geschoben werden.<\/p>\n

Es gibt aber einfache Abhilfe: Die Timer des NE558 k\u00f6nnen n\u00e4mlich ohne weiteres galvanisch hintereinander geschaltet werden; es muss nur ein Lastwiderstand nach Plus mit den Ausg\u00e4ngen verbunden werden. Ersetzt man nun den kleinen Koppelkondensator durch eine Drahtbr\u00fccke, kann man auch Bildelemente erzeugen, die sehr weit links sind. Es empfiehlt sich dabei, lieber den Kondensator etwas gr\u00f6\u00dfer zu w\u00e4hlen und statt dessen den zeitbestimmenden Widerstand zu verkleinern – mindestens 2 kOhm sollte er haben.<\/p>\n

Es wurden au\u00dferdem ein paar andere Widerst\u00e4nde angepasst. Das horizontale Signal hat gegen\u00fcber dem EE3023 die doppelte Frequenz, so dass das Timing jeweils halbiert werden muss.<\/p>\n

Das Oszilloskop kann \u00fcber zwei Jumper sowohl vom Horizontalsignal als auch vom gr\u00fcnen Eingang des VGA-Moduls komplett getrennt werden, so dass es das Bildsignal an den Eing\u00e4ngen nicht beeinflusst. Der Ausgang des Oszilloskops arbeitet auf den gr\u00fcnen Eingang des VGA-Moduls und kommt so der echten Oszilloskp-Darstellung nahe.<\/p>\n

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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 gem\u00e4\u00df 6.1 des EE3023 aufbaut. Das Rechtecksignal zeigt diesen Schwinger nicht.<\/p>\n

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Die jeweiligen Bauteilwerte sind direkt in den Schaltbildern und im Best\u00fcckungsplan verzeichnet. Der Sinus-Rechteck-Generator entspricht in diesem Modul noch exakt der im EE3023 in 6.01. vorgestellten Schaltung. Das Oszilloskop enth\u00e4lt die oben beschriebenen \u00c4nderungen bei der Bauteiledimensionierung und insbesondere bei der direkten Kopplung der beiden NE558-Stufen. Im Oszilloskop-Modul<\/a> und in der Mikrocontroller-Version<\/a> des VGA-Moduls finden sich modifizierte Varianten des Oszilloskops, die einen linearen Verlauf zeigen und daher angenehmer zu verwenden sind.<\/p>\n

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 v\u00f6llig vom VGA-Modul getrennt. Gleiches gilt f\u00fcr den Vierfach-Jumper auf der linken Seite; hier darf der Jumper nicht mit der linken Seite der Leiste verbunden sein, damit der Generator v\u00f6llig vom VGA-Modul getrennt ist (und damit auch nicht schwingt).<\/p>\n

Einige Anwendungen f\u00fcr das Oszilloskop finden sich hier<\/a>.<\/p>\n

VGA-Modul f\u00fcr Telespiele<\/h3>\n

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 f\u00fcr Spiele benutzt werden kann.<\/p>\n

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Dieser Rahmen wird gebildet durch vier Balkenelemente, die aus dem Z\u00e4hlersignal gewonnen werden. Daf\u00fcr gibt es viele M\u00f6glichkeiten 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 au\u00dfen gef\u00fchrt ist, um f\u00fcr Kollisionsdetektionen verwendet zu werden. Es wird au\u00dferdem \u00fcber Jumper auf den Blau-Eingang des VGA-Moduls gef\u00fchrt. Die Jumper dienen dazu, wahlweise die Seiten, Decke und Boden oder alles auszublenden.<\/p>\n

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\"\"<\/a>Das Modul kommt zum Einsatz beim Telespiel<\/a> <\/p>\n
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