Общие сведения. Уровни ТВ сигнала должны быть пропорциональны яркости деталей передаваемого изображения

Уровни ТВ сигнала должны быть пропорциональны яркости деталей передаваемого изображения. В качестве примера исследуем изменение яркости вдоль строк различных по содержанию изображений, первое из которых - черная полоса на белом фоне, а второе - белая полоса на черном фоне. Средние яркости их существенно различны и равны соответственно L_рс1 и L_рс2, а минимальные и максимальные яркости одинаковы. Телевизионный сигнал U_с содержит постоянную составляющую (среднее значение сигнала за время, равное длительности нескольких десятков ТВ полей), которая пропорциональна средней яркости U_рс1  L_рс1 и U_рс2  L_рс2, а размах ТВ сигнала пропорционален перепаду яркости (рис. 2.1, а).

Полная потеря постоянной составляющей происходит в широкополосных видеоусилителях переменного тока, где между каскадами включены разделительные конденсаторы. В этом случае ТВ сигнал располагается относительно нулевой оси (или так называемой линии равных площадей) таким образом, что площадь, ограниченная положительной частью сигнала и осью, равна площади, ограниченной отрицательной частью сигнала и осью (рис. 2.1, б). Если сигналы, искаженные подобным образом, использовать для модуляции тока луча L_л приемной трубки, то яркости ТВ изображений L_из также будут искажены: в зависимости от положения ТВ сигнала на модуляционной характеристике кинескопа изображение будет либо затемняться, либо высвечиваться (рис. 2.1, б). При этом фактический амплитудный диапазон сигнала увеличивается в 1,5–2 раза. Для того чтобы избежать подобных искажений, необходимо использовать то обстоятельство, что в ТВ сигнале изменение положения гасящих импульсов (ГИ) приемной трубки происходит в соответствии со средней яркостью изображения.

Рис. 2.1. Уровни видеосигналов изображений различной яркости.

Восстановление постоянной составляющей сигнала в отдельных точках тракта, например в модуляторе радиопередатчика, осуществляется с помощью фиксации уровня гасящих импульсов, т. е. путем стабилизации положения ТВ сигнала от всех передаваемых изображений относительно некоторого постоянного потенциала (рис. 2.1, в). Для этой цели используются специальные пиковые детекторы, так называемые фиксирующие схемы (неуправляемые и управляемые).

Обобщенная схема фиксации уровней ТВ сигнала показана на рис. 2.2, а. Во время прохождения гасящих импульсов ТВ сигнала напряжение на коммутирующем элементе (КЭ) схемы - диоде (диодах) или транзисторе (транзисторах) – увеличивается. При этом КЭ самостоятельно под воздействием напряжения ТВ сигнала (неуправляемая схема) или принудительно под воздействием строчных импульсов (СИ) (управляемая схема) открывается или переходит в насыщение и его малое прямое сопротивление R_in шунтирует сопротивление R_р разделительной цепи и входное сопротивление следующего каскада (рис. 2.2, б). В результате напряжение ТВ сигнала на базе транзистора в указанные интервалы должно стать равным опорному напряжению фиксации E_ф вне зависимости от прежнего значения уровня черного.

Рассмотрим работу схемы рис. 2.2,а более подробно. В обычном усилительном каскаде ТВ сигнал располагается относительно напряжения смещения E_ф по линии равных площадей (интервал времени t₁  t₂ рис. 2.2, в). При наличии схемы фиксации КЭ открывается во время прохождения гасящих импульсов (ключ замыкается на внутреннее сопротивление КЭ в прямом направлении R_in при t = t₃ рис. 2.2, б, в). Для того чтобы напряжение на базе VT₂ за время действия сравнительно короткого импульса ТВ сигнала стало равно E_ф, величина постоянной времени заряда должна быть небольшой

(2.1)

где R_in || R_p || R_вх - параллельное соединение сопротивлений R_in,R_p иR_вх, причем R_in << R_р || R_вх; R_вых - выходное сопротивление предыдущего каскада; t_и - длительность строчного гасящего импульса (СГИ) при неуправляемой или длительность СИ при управляемой схеме фиксации.

Рис.2.2. Схема фиксации уровня и временная диаграмма уровней сигнала.

К концу действия импульса за счет выпрямления напряжения ТВ сигнала коммутирующим элементом на конденсаторе С_р образуется дополнительное напряжение U_Ср, величина которого примерно равна постоянной составляющей сигнала U_cр и определяется в общем случае размахом сигнала в момент отпирания КЭ и постоянной времени заряда. При t = t₄, когда КЭ запирается (ключ S замыкается на внутреннее сопротивление КЭ в обратном направлении R_i0, рис. 2.2, б), ТВ сигнал оказывается смещенным относительно напряжения E_ф на величину U_Ср. Суммарное напряжение смещения будет равно U_cмE_фU_Ср, т.е. будет зависеть от формы ТВ сигнала и, в частности, от размаха гасящих импульсов. При этом все площадки гасящих импульсов ТВ сигнала будут «привязаны» к уровню напряжения смещения, т. е. постоянная составляющая сигнала восстанавливается.

Напряжение U_Ср при запертом КЭ медленно уменьшается за счет разряда конденсатора С_р на сопротивления R^'_р = R_рR_io R_вх и R_вых. Через промежуток времени, равный T_z - t_и (при t = t₅, рис. 2.2, в), оно уменьшится на величину U. Величина напряжения U определяет величину перекоса ТВ сигнала U_c, т. е. величину изменения яркости изображения вдоль строки на экране приемной трубки. Для того чтобы это изменение не было заметно на изображении, допустимый относительный перекос ТВ сигнала должен быть

Постоянная времени разряда при  0,05 и R^'_р >> R_вых будет равна

(2.2)

В неуправляемых схемах ВПС (рис. 2.3) открывание диода VD (КЭ на рис. 2.2) осуществляется напряжением U, от величины которого зависит сопротивление R_in и значение _з, что приводит к нестабильности уровня фиксации. Эти схемы также обладают большой инерционностью: если за изображением с большой средней яркостью передается изображение с малой средней яркостью, то фиксация уровня длительное время не производится (t = t₆  t₇, рис. 6.2, в) до тех пор, пока конденсатор C_p не разрядится. Если же уменьшить величину _p, то инерционность станет меньше, однако в соответствии с уравнением (2.2) относительный перекос ТВ сигнала  увеличится, что приведет к недопустимым яркостным искажениям изображения.

Рис 2.3. Схема неуправляемой фиксации уровня

Управляемые схемы ВПС лишены указанных выше недостатков за счет принудительного открывания КЭ каждую строку в интервалы СГИ напряжением СИ достаточно большого размаха (R_in и соответственно _з малы, и уровень фиксации стабилен). В схеме инерционности нет, так как C_p оперативно перезаряжается.

В видеоусилителях применяется также схема с одним или двумя транзисторами, работающими в ключевом режиме.

Рис 2.4. Схема управляемой фиксации уровня на двух транзисторах.

Строчные управляющие импульсы поступают на базы транзисторов VT₁ и VT₂ (рис. 2.4) и переводят их в режим насыщения, в котором их сопротивления малы; происходит заряд конденсатора C_p до напряжения U_Cp U_cp. В промежутках между управляющими импульсами транзисторы закрываются, и на выход схемы подается ТВ сигнал U_вых и напряжение смещения U_см = E_ф + U_ср, величина которого пропорциональна постоянной составляющей сигнала. В настоящее время схемы ВПС выполняются в основном в соответствии с приведенной на рис. 2.4 схемой, т. е. схемой транзисторного типа. Применение в качестве коммутирующего элемента компенсированного ключа с двумя транзисторами гарантирует надежное закрывание схемы ВПС в промежутке между СИ вне зависимости от полярности и размаха ТВ сигнала. Действительно, при любой полярности ТВ сигнала его напряжение всегда является закрывающим для одного из пары транзисторов VT₁ - VT₂. Следовательно, сопротивление разряда R_p и соответственно _p будут оставаться высокими, обеспечивающими малый перекос яркости вдоль строки.

Фиксирующие цепи дают возможность уменьшить величину НЧ помех, суммируемых с ТВ сигналом, за счет периодической (с частотой строчной развертки) «привязки» уровней ГИ сигнала к одному и тому же опорному напряжению E_ф. С помощью фиксации уровня удается использовать в тракте усилительные элементы меньшей мощности и уменьшить нелинейные искажения ТВ сигнала. Фиксация уровня необходима также при ограничении уровней ТВ сигнала, коррекции полутоновых искажений и модуляции сигнала несущей частоты ТВ изображения.

1. Описание схемы лабораторной работы.

Рис. 3.1. Структурная схема лабораторного стенда

Приведенная на рис.3.1 структурная схема отражает в упрощенном виде основные процессы преобразования видеосигнала и показывает контрольные гнезда осциллографического контроля сигналов в процессе предлагаемых по пунктам работы исследований. Для лучшего понимания работы лабораторного стенда ниже приведена принципиальная схема ВПС и ее описание.

Рис. 3.2. Электрическая принципиальная схема стенда ВПС.

Электрическая принципиальная схема стенда представлена рис. 3.2. она содержит предварительный амплитудный селектор синхроимпульсов на транзисторе VT1, узел формирования стробирующих импульсов (ФСИ), ключ управляемой схемы фиксации уровня на транзисторе VT4, управляющий ключ на транзисторе VT2, усилитель постоянного тока на транзисторах VT3, VT5, VT6 и повторитель напряжения фиксации на транзисторе VT7. Видеосигнал с разъема X2 через фильтр R1, С2 и разделительный конденсатор С1 поступает на предварительный амплитудный селектор синхроимпульсов на транзисторе VT1 и одновременно через разделительный конденсатор С6 (С5+С6) поступает на вход усилителя постоянного тока на транзисторах VT3, VT5, VT6. С коллектора VT1 предварительно выделенные синхроимпульсы подаются на узел формирования стробирующих импульсов (ФСИ), где производится окончательное формирование стробирующих импульсов, которые поступают на управляющий ключ на транзисторе VT2, который обеспечивает коммутацию ключа на транзисторе VT4 управляемой схемы фиксации уровня. Напряжение фиксации устанавливается резистором R21 и через повторитель напряжения фиксации на транзисторе VT7 подается на исток ключа на транзисторе VT4. Переключатель SB1 обеспечивает изменение значения разделительной емкости, переключатель SB2 служит для отключения схемы фиксации уровня.