Преобразователи аналоговых сигналов в LCD-мониторах

Мониторы LCD являются цифровыми устройствами – для вывода информации в них требуются сигналы, обеспечивающие коммутацию ключей, т.е. для работы им необходимы дискретные (цифровые) сигналы. Однако до сих пор значительная часть производимых видеокарт оборудуется аналоговым выходом, обеспечивающим управление мониторами ЭЛТ, в которых яркость цвета управляется аналоговым сигналом на катодах трубки. В более ранних версиях видеоадаптеров, тем более, повсеместно применяется стандартный 15-контактный аналоговый выходной разъем. Учитывая все это, большая часть производителей LCD- мониторов обеспечивает их возможностью работы с входными аналоговыми сигналами. Но такая возможность требует дополнительной обработки данных – входные аналоговые сигналы необходимо преобразовать в цифровые. Результатом этого является появление в составе LCD-мониторов такого модуля, как цифро-аналоговый преобразователь, характеристики которого в значительной степени определяют качество изображения. Кроме того, схемы цифро-аналогового преобразования имеют относительно высокий процент отказов, что связано с достаточно высоким значением потребляемой схемами мощности. Все это говорит в пользу более близкого знакомства с входным аналоговым интерфейсом жидкокристаллических дисплеев.

На входном аналоговом интерфейсе монитора (15-pin D-SUB) имеются три аналоговых сигнала: R (красный), G (зеленый), B (синий). Эти сигналы являются низковольтными – их полный размах составляет максимум 0.7 В. В этом диапазоне данные сигналы могут принимать абсолютно любое значение, что обеспечивает практически неограниченную возможность передачи цвета. Уровень сигнала отражает значение яркости соответствующего цвета. Чем больше размах сигналов R, G, B, тем большую яркость имеет соответствующий цвет.

В LCD мониторах уровни этих трех сигналов необходимо преобразовать в цифровые значения, описывающие размах (амплитуду) входных сигналов. Преобразованием аналоговых сигналов в цифровые значения осуществляются устройствами, получившими название цифро-аналоговые преобразователи – ЦАП (в английском варианте ADC – Analog-Digital Converter). В современной электронике эти устройства выполняются в виде интегральных микросхем.

Цифровое представление входных аналоговых сигналов монитора далее используется микросхемой видеоконтроллера (рис.1).

Рис.1 Преобразование сигналов в LCD-дисплеях

Так как обработка аналоговых видеосигналов является весьма распространенной и имеющей свои определенные особенности процедурой, имеется целый класс специализированных АЦП – преобразователи для видеосигналов. С развитием и широким распространением жидкокристаллических мониторов этот класс микросхем стал бурно прогрессировать, и сейчас они стали одними из самых распространенных (хотя уже сейчас можно наблюдать все более уверенный переход к цифровым интерфейсам LCD-мониторов). Но ремонтные и сервисные службы, все-таки чаще всего имеют дело не с ультрасовременной техникой, а с уже поработавшим оборудованием.

Получившей широкое признание у разработчиков мониторов микросхемой АЦП является TDA8752, имеющая множество разновидностей с различными характеристиками и параметрами. В какой-то мере, эту микросхему можно считать образцом АЦП для LCD-мониторов. На выходе микросхемы аналого-цифрового преобразователя формируется 8-разрядное цифровое значение для каждого канала цвета. В качестве питающего напряжения преобразователя используется напряжение +5В. Рассмотрим организацию и принцип работы TDA8752.

Описание, особенности и основные характеристики TDA8752

– Трехканальный 8-разрядный АЦП (по каждому каналу)

– Частота выборки до 80 МГц

– Программируется по последовательной шине I2C

– Обеспечивает обработку входных аналоговых сигналов, амплитудой от 0.4 до 1.2 В

– Полоса пропускания усилителя до 250 МГц

– Слабая температурная зависимость коэффициента усиления

– Содержит три управляемых усилителя, коэффициент усиления которых программируется по последовательному интерфейсу I2C, что позволяет обеспечить полномасштабное разрешение АЦП с шагом 1/2 LSB

– Система ФАПЧ программируется по последовательному интерфейсу I2C, что позволяет задать такую частоту АЦП, которая обеспечит синхронизацию по строкам в диапазоне от 15 до 280 кГц

– Встроенный делитель ФАПЧ

– Выходы и входы совместимы с сигналами TTL

– Выходы с высоким импедансом

– Поддерживается режим отключения питания (Power Off)

– Рассеиваемая мощность до 1Вт

Одной из интереснейших особенностей микросхемы TDA8752 является возможность управления различными ее характеристиками (уровень фиксации, уровень опорного напряжения, коэффициент усиления) путем записи цифровых данных во внутренние регистры. Запись в эти регистры осуществляется, обычно, по шине I2C, хотя для этих целей может использоваться и обычный трехпроводной последовательный интерфейс.

Характеристики и параметры микросхемы дают возможность использовать ее для мониторов с высоким разрешением.

В качестве примера рассмотрим TDA8752H/8. Эта разновидность микросхемы позволяет осуществлять выборку сигналов с частотой 80 МГц.

Функциональная схема TDA8752H/8 представлена на рис.2, из которого видно, что микросхема содержит три канала аналого-цифрового преобразования. Все три преобразователя имеют общий сигнал фиксации (CLP), общий сигнал синхронизации по строкам (HSYNC) и общую схему ФАПЧ. Все это позволяет обеспечивать синхронную и пропорциональную обработку входных аналоговых видеосигналов.

Рис.2  Блок-схема аналого-цифрового преобразователя TDA8752H/8

Рис.3  Цоколевка корпуса микросхемы TDA8752H/8

Таблица 1. Описание контактов микросхемы АЦП – TDA 8752

Пример построения одного канала (зеленого цвета) показан на рис.4. В его составе можно выделить следующие основные элементы:

1. Дифференциальный усилитель опорного напряжения (ДУ1)

2. Дифференциальный усилитель видеосигнала (ДУ2)

3. Мультиплексор

4. Схема автоматической регулировки усиления (АРУ)

5. Схема фиксации уровня черного цвета

6. Аналого-цифровой преобразователь (АЦП)

7. Регистр сравнения

8. Регистр «грубой» настройки коэффициента усиления

9. Регистр точной настройки коэффициента усиления

10. Регистр настройки уровня черного

11. Цифро-аналоговые преобразователи

Рис.4  Архитектура одного канала преобразования цвета микросхемы АЦП TDA 8752

Регистры настройки используются для задания соответствующих параметров аналого-цифрового преобразования. Эти регистры устанавливаются в необходимые значения путем записи по шине I2C. А так как параметры усиления и уровня черного в итоге управляются постоянными напряжениями, то цифровые значения этих регистров преобразуются к аналоговому виду внутренними цифро-аналоговыми преобразователями.

Одной из важнейших при оцифровывании видеосигналов является схема фиксации уровня черного цвета. Три независимых схемы фиксации (Clamp – в английском варианте) необходимы для установки уровня черного цвета во входном видеосигнале. Установка уровня черного позволяет управлять контрастностью изображения и правильно интерпретировать входные видеосигналы.

В видеосигнале, приходящем на вход монитора имеется незначительная паразитная шумовая составляющая. Ее наличие определяется неидеальностью схем выходных усилителей и ЦАП видеокарты, тепловым дрейфом и помехами в соединительном кабеле. В результате на соответствующем канале присутствует сигнал (хотя и малый) (рис.5), наличие которого приводит к появлению серого фона на экране вместо идеального черного цвета. Говорить о высококачественном изображении и высоком качестве обработки сигнала в этом случае не приходится.

Рис.5  В реальном сигнале всегда имеется шумовая составляющая

Задачей схемы фиксации уровня черного является, как раз, избавление от этого паразитного (темнового) тока. Для избавления от паразитных шумов задается другой (путем вычисления или принудительной установки) уровень черного цвета, относительно которого и будет определяться амплитуда входного видеосигнала (рис.6). При этом уровню черного на экране будет соответствовать действительно черный цвет. Правильной установкой схемы фиксации считается такая, при которой уровень черного соответствует нулевому коду на выходе АЦП (рис.7).

Рис.6 Избавление от “темнового” тока обеспечивается установкой “нового” уровня черного цвета

Рис.7 Реальный уровень черного цвета должен находиться ниже того уровня, которому соответствует нулевое цифровое значение цвета

TDA8752 позволяет программировать уровень черного в диапазоне от -63.5 до +64 ступеней (с шагом 1/2 LSB). Установка уровня осуществляется записью в 8-разрядный регистр цифрового значения, которое схемой ЦАП преобразуется в аналоговый сигнал. Уровень черного в TDA8752 может корректироваться в диапазоне от +/- 0.1В до +/- 10мВ. Время, необходимое для коррекции – 300 нс.

«Новый» уровень черного цвета фиксируется (запоминается) во внешнем конденсаторе (GCLP). Так как конденсатор имеет свойство со временем разряжаться, то периодически необходимо восстанавливать заданный уровень. Поэтому схема фиксации управляется импульсным сигналом CLP, который следует с частотой строчной развертки, т.е. в начале каждой строки уровень черного обновляется. Во время активного сигнала CLP (который формируется во время обратного хода по строке) конденсатор заряжается до заданного уровня. А уже во время формирования строки напряжение конденсатора GCLP задает уровень черного цвета для зеленого канала.

Уровень черного цвета, заданный конденсатором (GCLP), вычитается из входного видеосигнала дифференциальным усилителем (ДУ2). Полученный сигнал далее через мультиплексор подается на схему усиления (АРУ) и на АЦП.

Задачей все усилительной части канала является обеспечение на входе АЦП такого сигнала, который бы соответствовал максимальному входного сигналу аналого-цифрового преобразователя. Максимальным уровнем входного сигнала для АЦП является 1В. Диапазон регулировок коэффициента усиления микросхемы таков, что позволяет усиливать видеосигналы с максимальной амплитудой от 0.4В до 1.2 В, и приводить их в соответствие с максимальной амплитудой входного сигнала АЦП (1В).

Для того чтобы исключить искажения обработки видеосигналов при изменении температуры корпуса микросхемы АЦП в составе TDA8752 имеется дифференциальный усилитель опорного напряжения (ДУ1). Для устранения возможного температурного дрейфа опорное напряжение задается внешними цепями и подается на вывод Vref . Внешнее опорное напряжение должно иметь значение 2.5 В. Из этого напряжения дифференциальным усилителем ДУ1 формируется напряжение 0.156 В, которое используется для предварительной настройки системы АРУ. Калибровки коэффициента усиления канала осуществляется перед началом каждой видеостроки до начала импульса фиксации CLP по следующему сценарию:

1) Во время следования импульса синхронизации строки на вход TDA8752 приходит сигнал уровня TTL, управляющий мультиплексором. Этот сигнал носит название HSYNCI. Этим сигналом мультиплексор переключается между двумя дифференциальными усилителями. Т.е. на выходе мультиплексора может устанавливаться либо напряжение 0.156 В (от ДУ1) во время следования HSYNC (обратный ход по строке), либо напряжение видеосигнала (от ДУ2), когда HSYNC не активен (прямой ход по строке). Таким образом, во время обратного хода по строке на выходе мультиплексора, а, значит, на входе АЦП устанавливается опорное напряжение (0.156В).

2) Опорное напряжение оцифровывается, т.е. преобразуется в 8-разрядное число и записывается в регистр сравнения, в котором уже находится предустановленное значение. Эти два числа сравниваются, и результат сравнения регулирует коэффициент усиления.

3) Предустановленное значение регистра сравнения может программироваться путем записи данных в регистр «грубой» настройки коэффициента усиления.

4) Полученный методом сравнения коэффициент усиления фиксируется во внешнем конденсаторе (GGAINC), напряжение которого управляет схемой АРУ.

5) Регистр точной настройки коэффициента усиления позволяет изменять опорное напряжение системы калибровки. Это дает возможность изменять коэффициент усиления системы АРУ и компенсирует рассогласование между тремя каналами цвета.

АЦП выдает 8-разрядный цифровой код, соответствующий амплитуде видеосигнала. Еще раз напомним, что уровень максимального сигнала на входе АЦП составляет 1В. Но если этот входной сигнал имеет большую амплитуду, то на выходе микросхемы TDA8752 в «высокий» уровень устанавливается бит переполнения (ROR, GOR, BOR). Задержка между входом и выходом АЦП составляет 1 тактовый цикл, а тактовая частота работы может достигать 80 МГц.

Цифровые выходы АЦП микросхемы TDA8752 являются управляемыми, т.е. выдача сигналов может быть разрешена, а может и запрещаться. Для управления выходами используется сигнал #OE (OUTPUT ENABLE) активный «низким» уровнем. Если сигнал #OE устанавливается в логический «0», то на выходе TDA8752 появляются выходные цифровые данные. При «высоком» же уровне сигнала #OE выходы TDA8752 переводятся в состояние высокого импеданса, т.е. выдача данных запрещена. К выходам микросхемы рекомендуется подключать нагрузку с эквивалентной емкостью 10 пФ.

В качестве примера включения микросхемы TDA8752H/2 и ее практического применения рассмотрим   схему аналогового входного интерфейса монитора Samsung SyncMaster 320TFT/520TFT. Комментариев по этой схеме мы никаких не даем, т.к. после изучения всего приведенного выше материала, надеемся, они и не требуются. Вся «обвязка» микросхемы обусловлена ее архитектурой и особенностями, о которых рассказывалось в статье и в таблице описания контактов микросхемы.