DIY示波器的視頻顯示設(shè)計(jì)案例解析

作者：jili1986729

我們通常認(rèn)為示波器是被用來分析電子電路的。但是很少有人注意到，當(dāng)有視頻信號(hào)的時(shí)候，它同樣也可以像電視機(jī)一樣工作。在這片文章中，你將會(huì)了解到如何把你的示波器變成一個(gè)電視機(jī)或者視頻監(jiān)控器。同時(shí)你也將會(huì)了解到，背后的原理是什么樣的。

進(jìn)入正題前我們來先看看效果是什么樣的。

示波器的視頻信號(hào)的顯示。我們傳統(tǒng)都認(rèn)為示波器僅僅是枯燥得被用來分析電子電路，但是它同樣可以像二十世紀(jì)時(shí)的電視機(jī)一樣使用。如果要理解方法，那我們必需理解電視機(jī)是如何工作的。全球一共有三種視頻信號(hào)，NTSC，PAL以及SECAM。NTSC是National Television System Committee的縮寫，采用這種制式的主要國家有美國、加拿大和日本。而我們中國采用的是PAL制的電視信號(hào)。這兩種信號(hào)本質(zhì)上是差不多的，這里主要介紹NTSC。而SECAM不適合這里的應(yīng)用。

首先，電子顯像管式的電視掃描圖片時(shí)是從屏幕的左上角，然后從左至右逐行掃描，從上至下，直至完成一張圖片。這一張圖片便是一幀，隨后整個(gè)過程重復(fù)一遍完成下一幀。由于整個(gè)過程很快，所以肉眼幾乎查覺不到什么。

屏幕的掃描方法有兩種interlaced scanning和progressive scanning。它們不同之處在于掃屏的方法。這兩種方式是互相不兼容的，必須經(jīng)過轉(zhuǎn)換后才能進(jìn)行互相使用。交錯(cuò)掃描指的是每一副畫面或每一幀被分割成了兩個(gè)子圖片（如下圖的兩個(gè)FIELD）。交錯(cuò)掃描在屏幕掃描過程中由兩個(gè)路徑組成，首先掃描組成Field1的水平路徑，然后回到初始點(diǎn)，掃描Field2的水平路徑，然后回到初始點(diǎn)。這種方法的好處是，行與行之間不會(huì)存在間隙，也可以提高視頻的分辨率。

逐行掃描，掃描路徑只有一個(gè)，從上至下掃描水平線。如下圖。

在1940年，NTSC引入了黑白視頻標(biāo)準(zhǔn)，將橫向同步信號(hào)、縱向同步信號(hào)以及輝度信號(hào)等信息捆綁在一個(gè)通道內(nèi)。其實(shí)我們?cè)诤竺媸褂脮r(shí)，最關(guān)鍵的是需要理解Luminance Levels，即輝度水平（電壓水平）。

隨后在接下來的幾十年中，又推出了彩色視頻信號(hào)標(biāo)準(zhǔn)。彩色視頻信號(hào)為了能與黑白電視信號(hào)相兼容，它的信號(hào)的基本結(jié)構(gòu)是一致的，只是將攜帶色調(diào)、飽和度信息的載波及標(biāo)準(zhǔn)顏色波形（color burst）附加至原有黑白視頻信號(hào)中。因此在visible line interval的時(shí)間段，波形所表達(dá)的信號(hào)參數(shù)分別為Luminance輝度、Hue色調(diào)、Saturation飽和度。色調(diào)即由相位角（Phase）來表達(dá)，飽和度由振幅（Amplitude）來表達(dá)，輝度由平均水平（Level）來表達(dá)。

在NTSC信號(hào)中，含有顏色信息的載波頻率為3.57954525Mhz，標(biāo)準(zhǔn)顏色波形（Color Burst）的振幅為20IRE（140IRE=1V）。標(biāo)準(zhǔn)顏色波形的作用是與電視機(jī)內(nèi)部的振蕩器進(jìn)行同步用的。如果你想知道哪個(gè)相位角對(duì)應(yīng)哪種顏色，那可以參考NTSC矢量圖。下圖表達(dá)說明了顏色的解析過程。

通常來說示波器的CRT使用的是向量掃描。然而為了顯示視頻信號(hào)，它必須采用光柵掃描技術(shù)。形象點(diǎn)說，就比如說要畫個(gè)圓，想象在一張紙上淡淡地畫緊密而又互相水平的水平線，僅僅在你要顯示圓的地方加深。一般來說，NTSC信號(hào)水平掃描頻率為15.734kHz，垂直掃描頻率59.94Hz。水平刷新頻率表明電子束以多快的速度從左向右移動(dòng)。垂直掃描頻率表明電子束以多快的速度從上向下移動(dòng)。首先需要給示波器提供這兩個(gè)頻率的鋸齒波信號(hào)。為什么要使用鋸齒波？想象一下屏幕掃描過程是從上至下，從左至右的。隨后產(chǎn)生信號(hào)的設(shè)備裝置或電路有能力產(chǎn)生真正的鋸齒波波形。當(dāng)然我們可以選擇電腦的聲卡、手機(jī)聲卡、信號(hào)源或者自己搭建個(gè)電路來達(dá)到產(chǎn)生所需信號(hào)的目的。如果你運(yùn)氣好的話，你可以在老式的電視機(jī)上獲取所需的鋸齒波信號(hào)。在進(jìn)入下一步前，我們需要對(duì)波形進(jìn)行檢查。如果的確是鋸齒波，沒有彎曲等情況，那我們可以進(jìn)入下一步了。

接著我們需要找到一個(gè)方法，如何使掃描過程中的每一個(gè)點(diǎn)獲得一個(gè)特定的亮度，從而構(gòu)成一個(gè)完整的圖片。示波器除了垂直方向的輸入和水平方向的輸入外（CH1和CH2通道），我們有時(shí)候可以看到另外一種輸入端，上面通常標(biāo)注著“Ext.Sync.”，“Ext.Input”或者“Z-Axis Input”。Z軸輸入是一個(gè)亮度調(diào)制輸入，功能是控制顯示信號(hào)的亮度?？梢哉fX軸是從左至右，Y軸是從上至下，Z軸向前向后。至于它的性能參數(shù)，我使用的示波器是二手的，在網(wǎng)上查找說明書，顯示參數(shù)為TTL compatible (blanked at TTL high)，42Vmax，輸入阻抗10千歐。簡單點(diǎn)說，輸入電壓值越高，點(diǎn)就越暗，電壓值越低，點(diǎn)就越亮。我具體測(cè)試下來，大概在1-2V內(nèi)亮暗有明顯的變化，大約2V以上全暗，1V以下全亮。視頻信號(hào)首先要被反轉(zhuǎn)才能使用，否則就是白的地方變成黑的，黑的地方變成白的。

首先按下圖連接，所需材料：示波器、信號(hào)源（可以是聲卡等等）、視頻信號(hào)源（攝像機(jī)、電視信號(hào)）、電線連接器等等。外部的信號(hào)源提供垂直掃描信號(hào)和水平方向的掃描信號(hào)，Z軸輸入視頻信號(hào)控制亮暗。如果發(fā)現(xiàn)圖像出現(xiàn)翻滾的情況，此時(shí)表明實(shí)際掃描頻率與標(biāo)準(zhǔn)頻率之間有一點(diǎn)點(diǎn)的差別，需要重新調(diào)整掃描信號(hào)頻率。同時(shí)注意視頻信號(hào)需要反轉(zhuǎn)，并且進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整。我這里使用的是一個(gè)放大電路來對(duì)視頻信號(hào)調(diào)整（可參見后面的電路圖），當(dāng)然你可以使用視頻信號(hào)調(diào)整器來調(diào)整。

X軸掃描波形

Y軸掃描波形

實(shí)際效果，如下

我們還可以使用LM1881來產(chǎn)生一個(gè)穩(wěn)定的垂直與水平的信號(hào)源。LM1881可以根據(jù)當(dāng)前輸入的視頻信號(hào)產(chǎn)生與之匹配的垂直與水平掃描的方波，具體可以網(wǎng)上下載LM1881的芯片資料。我們?cè)偈褂煤唵蔚腞C電路將方波改為鋸齒波（或者是有一定的斜率）。下圖是我使用的電路，一共分為兩個(gè)部分，X軸Y軸掃描信號(hào)和視頻信號(hào)調(diào)整。

X軸Y軸掃描信號(hào)部分，前面說過，不再重復(fù)。里邊的二極管用1N4148，R和C的具體值希望讀者自己通過調(diào)整找到合適的值。

視頻信號(hào)調(diào)整部分，作用是將視頻信號(hào)反向，同時(shí)可以調(diào)整視頻信號(hào)的放大值及信號(hào)之間的相對(duì)值，也即視頻的亮度及對(duì)比度。里邊有兩個(gè)可調(diào)電阻，分別可以調(diào)整視頻的亮度及對(duì)比度。讀者可以親身實(shí)踐一下，當(dāng)然也可以在原有的電路上進(jìn)行改進(jìn)。