{"id":2969,"date":"2014-04-01T10:06:41","date_gmt":"2014-04-01T08:06:41","guid":{"rendered":"http:\/\/www.brennecke.org\/?page_id=2969"},"modified":"2014-05-18T20:18:22","modified_gmt":"2014-05-18T18:18:22","slug":"pal-modul","status":"publish","type":"page","link":"https:\/\/www.brennecke.org\/?page_id=2969","title":{"rendered":"PAL-Modul"},"content":{"rendered":"

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Zur\u00fcck zur Schaltungsbeschreibung des Bildr\u00f6hrenmoduls<\/a><\/p>\n

Zun\u00e4chst: Von einem „PAL-Modul“ d\u00fcrfte hier eigentlich nicht die Rede sein, denn es erfolgt keinerlei Verarbeitung von Farbsignalen – PAL\u00a0 oder „Phase Alternating Line“ ist eines der Verfahren zur \u00dcbertragung von Farbe beim analogen Fernsehen. Das im folgenden vorgestellte Modul bereitet im Gegensatz dazu ein Composite-Video-Signal aus, bei dem Synchronimpulse, das Bild und die Farbe in einem einzigen Signal verwoben sind und \u00fcber ein einziges Kabel transportiert werden. Da aber „PAL“ oftmals auch als Synonym f\u00fcr unsere Fernsehnorm mit ihren 625 Zeilen, einer Bildgr\u00f6\u00dfe von 720×576 und den Frequenzen 15.625 kHz und 50 Hz benutzt wird, wird im folgenden von „PAL-Modul“ statt von „Composite-Video-Modul“ gesprochen.<\/p>\n

Bereits im vergangenen Jahr hatte ich eine Adapterschaltung<\/a> entwickelt, die VGA- und Composite-Video-Eing\u00e4nge f\u00fcr die Bildr\u00f6hreneinheiten verf\u00fcgbar macht. Die Schaltung war nicht perfekt, zeigte aber, dass die R\u00f6hren durchaus auch mit h\u00f6herwertigen Signalen umgehen k\u00f6nnen.<\/p>\n

Signaleingang und -aufbereitung<\/h2>\n

Zur Signalaufbereitung f\u00fcr Composite Video kommt der integrierte Baustein LM1881 zum Einsatz. Dieser nimmt ein komplettes Videosignal entgegen und stellt an seinen Ausg\u00e4ngen verschiedene Varianten davon zur Verf\u00fcgung: die horizontalen und vertikalen Sync-Signale, Backporch (Austastung) und Odd-Even (zur Erkennung der ungeraden und geraden Halbbilder, weil letztere oben in der Mitte beginnen und vorher keine Bildinformation tragen). Die Sync-Signale werden dem Mikrocontroller (vom Typ ATMega88) an den Eing\u00e4ngen INT0 (horizontal) und INT1 (vertikal) \u00fcbergeben, das Videosignal gelangt hingegen unver\u00e4ndert (also mit den Sync-Signalen) zur Aufbereitung auf das Bildr\u00f6hrenmodul.<\/p>\n

Von den weiteren Ausg\u00e4ngen des LM1881 wird nur der Odd\/Even-Ausgang benutzt. Durch die Nutzung eines Mikrocontrollers wird eine Implementierung des Zeilensprungverfahrens extrem einfach. Das Schaltbild findet sich im folgenden gemeinsam mit der vertikalen Ablenkung.<\/p>\n

Vertikale Ablenkung<\/h2>\n

Ein Schwachpunkt des ersten Entwurfs war die Linearit\u00e4t des vertikalen S\u00e4gezahnsignals. Daher sollte von Anfang an ein anderer Weg beschritten werden, der in jeder Lage zu einem stabilen und absolut linearen Signal f\u00fchrt. Nachdem die Mikrocontrollertechnik zur Erzeugung der Synchron- und Austastsignale sich bew\u00e4hrt hatte, wurde nun also ein 12-Bit-D\/A-Wandler in Form eines MCP4921 hinzugenommen, der aus den Signalen des MC wieder einen sauberen S\u00e4gezahn generieren sollte.<\/p>\n

\"V_Sa\u0308gezahn\"<\/a><\/p>\n

So ein D\/A-Wandler ist eine feine Sache. Man sendet ihm eine Zahl, und schon erzeugt er eine Spannung passender H\u00f6he. Damit kann man grunds\u00e4tzlich beliebige Signalarten generieren, wie sp\u00e4ter noch zu zeigen sein wird. Hier sollte nun ein S\u00e4gezahn entrstehen, und dazu erh\u00f6ht man einfach eine Variable Schritt f\u00fcr Schritt, bis das Synchronsignal eintrifft und die Variable wieder auf Null gesetzt wird.<\/p>\n

Die Erh\u00f6hung des Z\u00e4hlers wird clevererweise synchron mit dem Horizontalsignal behandelt, so dass die Reaktion auf das Synchronsignal des LM1881 extrem einfach ausf\u00e4llt:<\/p>\n

ISR(INT1_vect)\r\n{\r\n\/\/ Behandlungsroutine f\u00fcr vertikales Sync-Signal\r\n\u00a0\u00a0 \u00a0cli();\r\n\/\/ Bilder werden ab 1 nummeriert, unser Z\u00e4hler ist nullbasiert\u00a0\u00a0 \u00a0\r\n\u00a0\u00a0 \u00a0if (even_line)\r\n\u00a0\u00a0 \u00a0\u00a0\u00a0 \u00a0line_count = 1;\r\n\u00a0\u00a0 \u00a0else\r\n\u00a0\u00a0 \u00a0\u00a0\u00a0 \u00a0line_count = 0;\r\n\u00a0\u00a0 \u00a0sei();\r\n}<\/pre>\n
Wenn eine gerade Zeile ansteht, beginnt der D\/A-Wandler mit einer etwas h\u00f6heren Spannung, so dass beide Bilder exakt miteinander verwoben werden. Danach erfolgt eine Erh\u00f6hung des Z\u00e4hlers um den Wert 2 bei jeder Zeile, so dass der Abstand immer gewahrt bleibt. Es mag dahingestellt sein, ob das bei kleinen R\u00f6hren sinnvoll ist. Bei der D10\/191 sollte der Effekt aber bereits erkennbar sein. Grunds\u00e4tzlich kommt man auch mit einem 10-Bit-Wandler aus, denn wir ben\u00f6tigen f\u00fcr 625 Zeilen genau 625 Schritte.<\/p>\n
Um das Signal mit einer m\u00f6glichst hohen Amplitude zu gewinnen, wird es vor der Ausgabe mit dem Faktor drei multipliziert und dann noch verdoppelt – letzteres ist eine Aufgabe, die der D\/A-Wandler von sich aus beherrscht. Insgesamt l\u00e4uft das Signal dann von 0..3750 oder von 0..4,5V, wenn man die Betriebsspannung von 5V voraussetzt.<\/p>\n
Da das Signal ohnehin sowohl in der Amplitude als auch in der Position um den Nullpunkt regelbar sein sollte, wurden pro Kanal (x und y) zwei OpAmps (in einem gemeinsamen Geh\u00e4use) vom Typ NE5532 vorgesehen in ganz \u00e4hnlicher Beschaltung wie bei den Eingangsstufen des Bildr\u00f6hrenmoduls. Hier kommt nun noch ein weiteres Potentiometer hinzu, dass den Eingang E+ des zweiten Operationsverst\u00e4rkers mit einer von Null abweichenden Spannung versorgt. Um diesen Wert wird dann auch das Ausgangssignal von Null abweichen. Warum macht man das? Weil ich nicht bei jedem Signalwechsel die Bildposition in x- und y-Richtung nachregeln, aber auch keinen Trennkondensator einbauen wollte, weil der das Signal ver\u00e4ndern k\u00f6nnte. Der erste Operationsverst\u00e4rker entkoppelt das Signal lediglich, ist ansonsten aber nicht als Verst\u00e4rker geschaltet.<\/p>\n
Die Austastung der nicht erw\u00fcnschten vertikalen Bildanteile und R\u00fcckl\u00e4ufe erfolgt aus technischen Gr\u00fcnden im Rahmen der horizontalen Ablenkung.<\/p>\n
Horizontale Ablenkung<\/h2>\n
Die horizontale Ablenkung ist der Dreh- und Angelpunkt f\u00fcr die Erzeugung des Rasters.<\/p>\n
void Create_Sync_Signals(void);\r\n{\r\n\u00a0\u00a0 \u00a0int i; \u00a0\r\n\r\n\/\/ Pause einlegen - hier wird das Sync-Signal um fast eine Zeile verz\u00fcgert\r\n\/\/ Damit gelangt es auf den linearen Teil der S\u00e4gezahnkurve des Ablenkverst\u00e4rkers\r\n\/\/ L\u00f6st man den Sync-Impuls sofort aus, dann fehlt links ein Teil vom Bild,\r\n\/\/ weil der Ablenkverst\u00e4rker nicht so schnell reagiert \r\n\/\/ wie die S\u00e4gezahnkurve des Ablenkgenerators\r\n\r\n\u00a0\u00a0 \u00a0for (i=0;i<PORCH_DELAY;i++)\r\n\u00a0\u00a0 \u00a0\u00a0\u00a0 \u00a0NOP20;\r\n\r\n\/\/ Hochz\u00e4hlen des Vertikalgenerators, dauert etwa 90 Takte\u00a0\u00a0 \u00a0 \u00a0\r\n\u00a0\u00a0 \u00a0Write_Vertical_Data(); \r\n\/\/ Strahl ausschalten\u00a0\u00a0 \u00a0\r\n\r\n\/\/ Jetzt Sync-Impuls ... \u00a0\u00a0 \u00a0\r\n\u00a0\u00a0 \u00a0hsync_on;\r\n\/\/ ... Pause bis zum Abschalten einlegen ...\r\n\u00a0\u00a0 \u00a0NOP20; \r\n\u00a0\u00a0 \u00a0beam_off;\r\n\u00a0\u00a0 \u00a0NOP20; NOP20; NOP20; NOP10; NOP20; \r\n\/\/ ... und Sync abschalten\u00a0\u00a0 \u00a0\r\n\u00a0\u00a0 \u00a0hsync_off;\r\n\r\n\/\/ Strahl wieder einschalten\u00a0\u00a0 \u00a0\r\n\u00a0\u00a0 \u00a0if ((line_count >= VERTICAL_ON) &&\u00a0 (line_count <= VERTICAL_OFF))\r\n\u00a0\u00a0 \u00a0\u00a0\u00a0 \u00a0beam_on;\r\n}<\/pre>\n
Das horizontale Sync-Signal wird verz\u00f6gert erzeugt. Der Grund hierf\u00fcr ist das Verhalten des horizontalen Endverst\u00e4rkers auf der BRE-Platine – der folgt dem s\u00e4gezahnf\u00f6rmigen Signal nicht so ideal, wie man es sich w\u00fcnschen w\u00fcrde. W\u00fcrde man nun das Signal synchron anzeigen, dann fehlt am linken Rand ein St\u00fcck Bild. Deshalb verschieben wir das Sync-Signal bis fast vor das Eintreffen des n\u00e4chsten Sync-Signals und erlauben so eine horizontale Bildkorrektur.<\/p>\n
\"Sa\u0308gezahn<\/a><\/p>\n
Danach wird zun\u00e4chst der Z\u00e4hler f\u00fcr das vertikale Signal erh\u00f6ht und dessen Daten auf den D\/A_Wandler geschrieben. Dazu dient die Routine\u00a0 „Write_Vertical_Data()“, die hier nicht im Einzelnen erl\u00e4utert wird, weil sie au\u00dfer dem Beschreiben des SPI-Bus nichts wesentliches enth\u00e4lt.<\/p>\n
Nun wird das Sync-Signal erzeugt und der Strahl abgeschaltet, um den R\u00fccklauf zu unterdr\u00fccken. Der Strahl wird dann wieder aktiviert – allerdings nur dann, wenn er innerhalb des sichtbaren vertikalen Bereichs liegt. Andernfalls bleibt das Bild dunkel, und damit sind auch vertikale R\u00fcckl\u00e4ufe oder unbenutzte Bildbereiche ausgeblendet.<\/p>\n
Es wurde Wert darauf gelegt, dass auch bei fehlendem Eingangssignal immer ein Raster zu sehen ist – das Bild bricht also nie zusammen. Dazu dient ein interner Ablaufgenerator – nach einer Zeile wird eine Routine aufgerufen, die dann die Zeilenerzeugung aufruft:<\/p>\n
ISR(TIMER1_COMPA_vect)\r\n{\r\n\/\/ Diese Routine wird aufgerufen, wenn kein externes Sync-Signal anliegt \r\n\/\/ und der\u00a0 Ablaufz\u00e4hler tats\u00e4chlich abl\u00e4uft\r\n\/\/ Die Horizontalfrequenz liegt dann etwas niederiger als bei FBAS (ca. 15,2 kHZ)\r\n   Create_Sync_Signals();\r\n}<\/pre>\n
Dieser Ablaufgenerator wird immer dann angesprungen, wenn eine gewisse Zeit abgelaufen ist, und diese Zeit ist ein bisschen l\u00e4nger als die eigentliche Zeile, so dass das entstehende Raster eine Zeilenfrequenz von etwa 15,2 kHz hat. Der Grund hierf\u00fcr ist einfach: solange ein echtes Sync-Signal anliegt, soll dieser Ablaufz\u00e4hler gar nicht zum Einsatz kommen – er springt nur als Backup ein, wenn kein externes Signal anliegt.<\/p>\n
Der eigentliche Aufruf des Sync-Signals erfolgt wieder \u00fcber eine Interrupt-Routine, die au\u00dfer dem Aufruf nur noch den Z\u00e4hler f\u00fcr den Ablaufgenerator zur\u00fccksetzt, damit er nicht versehentlich angesprungen wird.<\/p>\n
ISR(INT0_vect)\r\n{\r\n\/\/ Ablaufgenerator neu starten, damit er nicht ausgel\u00f6st wird\r\n\u00a0\u00a0 TCNT1 = 0;\r\n   Create_Sync_Signals();\r\n}<\/pre>\n
\"H_Sa\u0308gezahn\"<\/a><\/p>\n
Die Erzeugung des horizontalen S\u00e4gezahns geschieht auf konventionelle Weise per Kondensator und kontrolliertem Ladestrom. Die Spannung am Kondensator ist eine lineare Funktion, sofern der Ladestrom konstant ist. Das gilt nat\u00fcrlich nur innerhalb der Betriebsspannungsgrenzen, die hier zwischen 0 und 5V liegen, und die Amplitude liegt noch deutlich darunter, damit man ein Maximum an Linearit\u00e4t herausholen kann. Die benutzte Schaltung hierf\u00fcr ist einfach. Ein Transistor erzeugt aus dem Mikrocontroller-Impuls einen Sync-Impuls rund um einen festgelegten Arbeitspunkt, der zweite l\u00e4dt kontinuierlich einen Kondensator auf, bis \u00fcber eine Diode der Sync-Impuls eintrifft und den Kondensator entl\u00e4dt. Es mag ungew\u00f6hnlich erscheinen, dass hier PNP-Transistoren zum Einsatz kommen und damit die Ladespannung nicht auf Masse, sondern auf +5V bezogen wird. Letztlich ist das eine Frage der Bewegungsrichtung – das Signal soll von links nach rechts gef\u00fchrt werden, und dazu ist am Eingang des Bildr\u00f6hrenmoduls ein steigender S\u00e4gezahn erforderlich.<\/p>\n
Der Rest der Schaltung mit den zwei Operationsverst\u00e4rkern ist funktional identisch mit dem Vertikalgenerator; nur die Verst\u00e4rkung wurde wegen der geringeren Amplitudenh\u00f6he anders gew\u00e4hlt.<\/p>\n
Bildqualit\u00e4t<\/h2>\n
Die erzielte Bildqualit\u00e4t ist genau genommen eine Aufgabe der Videoendstufe und daher Teil des Bilr\u00f6hren-Moduls. Hier soll daher nur die Linearit\u00e4t der Signale betrachtet werden.<\/p>\n
\"IMG_5998\"<\/a><\/p>\n
W\u00e4hrend das vertikale Ablenkung dank des D\/A-Wandlers wie erwartet v\u00f6llig linear verl\u00e4uft, ist das horizontale Signal nicht vollst\u00e4ndig linear – man erkennt links geringf\u00fcgig gr\u00f6\u00dfere Abst\u00e4nde bei den K\u00e4stchen als rechts. Den Bildeindruck tr\u00fcbt das kaum, aber mehr w\u00e4re nur mit h\u00f6herem Schaltungsaufwand zu erreichen.<\/p>\n
Ein paar Worte zur Austastung<\/h2>\n
Zus\u00e4tzlich wird am Ausgang PB0 des Mikrocontrollers ein Austastsignal bereitgestellt, das einen etwas gr\u00f6\u00dferen Rahmen abdeckt, als es das Sync-Signal tut. Damit sind dann auch Bildteile am linken und rechten Rand sicher aus dem Bild entfernbar. Die Unterdr\u00fcckung geschieht \u00fcber einen Transistor, der \u00fcber einen 150-Ohm-Widerstand an das Eingangssignal angeschlossen ist. Damit wird die Unterdr\u00fcckung des Signals nicht vollst\u00e4ndig – bei voll aufgeregelter Helligkeit erkennt man nach wie vor die ausgeblendeten Bereiche. Ein geringerer Widerstand (75 Ohm – Abschlusswiderstand) wird aber nicht empfohlen, denn diese Unterdr\u00fcckung beeinflusst auch das Eingangssignal und den am Videoeingang h\u00e4ngenden LM1881 – es kann dann zu Aussetzern beim Sync kommen. Daher wurde diese Alternative gew\u00e4hlt, die bei normaler Helligkeit zu guten Ergebnissen f\u00fchrt.<\/p>\n
Allerdings enth\u00e4lt das Videosignal ebenfalls die Austastsignale, was die Qualit\u00e4t der Austastung noch unterst\u00fctzt.<\/p>\n
Das Modul bietet eine Menge Anschl\u00fcsse und kann direkt mit dem Bildr\u00f6hrenmodul verbunden werden. Es enth\u00e4lt eine Mischstufe bestehen aus einem CD4053 mit drei Umschaltern, so dass zwischen externem Eingangssignal und interner PAL-Erzeugung (mit externem Composite-Video-Eingang) umgeschaltet werden kann.<\/p>\n
Am rechten Rand finden sich vier Pfostenstecker:<\/p>\n