Методические указания к лабораторной работе №601

Министерство образования Российской Федерации
КАЗАНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ
им. А. Н. ТУПОЛЕВА
ИССЛЕДОВАНИЕ ЗАМКНУТОЙ ТЕЛЕВИЗИОННОЙ
СИСТЕМЫ
Методические указания к лабораторной работе №601
Казань 2010
1
2
Условные обозначения
- АПЧГ  автоматическая подстройка частоты гетеродина;
- АРУ  автоматическая регулировка усиления;
- АЧХ  амплитудно-частотная характеристика;
- ГКР – генератор кадровой развертки;
- ГСР – генератор строчной развертки;
- КСИ  кадровые синхроимпульсы;
- ПКСИ – полукадровые синхроимпульсы (синхроимпульсы полей);
- ПТК  переключатель (селектор) телевизионных каналов;
- ПТС – полный телевизионный сигнал;
- ПЦТС – полный цветной телевизионный сигнал;
- ССИ  строчные синхроимпульсы;
- УВЧ  усилитель высокой частоты;
- УНЧ  усилитель низкой частоты;
- УПЧЗ  усилитель промежуточной частоты звука;
- УПЧИ  усилитель промежуточной частоты изображения;
- УПТ  усилитель постоянного тока;
- ФСС  фильтр сосредоточенной селекции;
- fг  частота гетеродина;
- fнз  несущая частота звука;
- fни  несущая частота изображения;
- fпз1  первая промежуточная частота звука;
- fпз2  вторая промежуточная частота звука;
- fпи  промежуточная частота изображения;
- n  число кадров в секунду;
- z  число строк в телевизионном растре;
- i отклоняющий ток;
- l  величина линейного перемещения луча по экрану кинескопа;
-   угол отклонения угла кинескопа.
3
Цель работы. Целью настоящей работы является изучение и исследование структуры полного телевизионного сигнала (ПТС), принципов формирования чересстрочной развертки изображения, характеристик промышленной телевизионной установки и способов их измерения. Работа выполняется на основе промышленной телевизионной установки ПТУ-43.
Домашнее задание. По рекомендованному списку литературы и настоящим методическим указаниям необходимо изучить принцип формирования чересстрочной развертки изображения, ознакомиться со структурой ПТС, изучить принцип формирования ПТС передающей трубкой, изучить структурную
схему ПТУ и ознакомиться с ее характеристиками.
КРАТКИЕ СВЕДЕНИЯ ИЗ ИСТОРИИ
1. Обобщенные принципы построения телевизионных систем
Телевизионная система представляет
собой
комплекс
технических
средств, обеспечивающих передачу и прием зрительной информации. В любой
телевизионной системе существует объектив, который формирует плоское
изображение на фотомишени преобразователя светсигнал. В последнем лучистая энергия преобразуется в электрическую и осуществляется развертка изображения. В результате развертки на выходе преобразователя получается временной сигнал, называемый видеосигналом. Путем замешивания в видеосигнал сигналов синхронизации и гашения формируют ПТС, который поступает
в канал связи. На приемном конце из ПТС выделяются импульсы синхронизации и подаются на развертывающиеся устройства преобразователя (монитора)
сигналсвет для синхронизации его разверток.
В преобразователе (мониторе) сигналсвет переданное изображение поэлементно синтезируется при помощи развертываемого электронного луча.
Синхронная развертка обеспечивает геометрическое подобие воспроизводимого изображения передаваемому и соответствие яркости каждого элемента
4
мгновенным значениям сигнала изображения  подобие распределение яркостей в поле изображения.
2. Формирование сигнала изображения в передающей трубке
Формирование видеосигнала
в передающей трубке производится при
помощи развертываемого электронного пучка, считывающего потенциальный
рельеф с фотомишени. Потенциальный рельеф на фотомишени образуется за
счет различия в яркости различных участков изображения переданной на мишень оптической системой.
Обычно считывающий электронный пучок имеет конечную толщину,
и поэтому образуемый им на мишени развертывающий элемент  апертура
имеет форму круглого пятна. Рассмотрим процесс формирования телевизионного сигнала при прямолинейном движении апертуры с постоянной скоростью вдоль строки разложения.
На рис.1,а показан случай формирования сигнала, соответствующего резкому переходу от поля с яркостью L1, к полю с яркостью L2, причем L1 > L2.
Сигнал в каждый момент времени пропорционален средней яркости в пределах апертуры диаметра d. Относя значение сигнала к положению центра апертуры, легко построить зависимость U(t) при прохождении границы раздела полей. Штриховой линией на рис.1,а показана форма сигнала при передаче границы идеальной бесконечно малой апертурой. Из-за конечного размера апертуры d в течение некоторого времени она частично находится на поле с яркостью L1, а частично на поле с яркостью L2. При этом трубкой формируется
некий сигнал, соответствующий какой-то не существующей реально средней
между L1 и L2 яркости. Поэтому резкому перепаду яркостей L1 и L2 соответствует сигнал с плавным переходом от значения Е1 к Е2 длительностью tуст.
5
Если размеры деталей меньше развертывающего пятна,
размах
то
видеосигнала
уменьшается. Если чередуются черно-белые
детали
с
размерами,
равными половине или
менее диаметра апертуры,
Рис.1. Формирование телевизионного сигнала:
а – при развертке границ яркости;
б – при развертке чередующихся полос
то выходной сиг-
нал постоянен и пропорционален
яркости.
средней
Детали
по-
добных размеров не воспроизводятся. Это иллюстрирует рис.1,б.
Таким образом, конечные размеры апертуры приводят к размытию резких границ достаточно крупных деталей изображения и делают невозможной
передачу мелких деталей. Искажения данного типа называются апертурными.
3. Чересстрочная развертка
Чтобы свечение экрана приемной трубки воспринималось зрителем без
мельканий, необходимо повторить возбуждение всего поля экрана 48  50 раз
в секунду. Однако для воспроизведения движения объекта необходимо передавать всего 20  25 фаз движения в секунду. Учитывая, что полоса частот, занимаемая спектром телевизионного сигнала, прямо пропорциональна числу передаваемых в секунду кадров, их избыточное число надо ограничивать.
Избыточное число кадров в телевизионной передаче устраняется путем
применения чересстрочной развертки, сущность которой заключается в том,
что полный кадр изображения передается и воспроизводится за два поля.
В первом поле развертываются нечетные строки растра, а во втором  четные.
Каждое поле представляет собой растр с уменьшенным вдвое числом строк
6
и содержит в себе половину зрительной информации об изображении. Так
как критическая частота мельканий fкр практически не зависит от числа строк
в растре, то частота передачи полей, равная или большая fкр, обеспечивает
восприятие изображения без мельканий. Скорость же передачи информации,
определяющая максимальную частоту телевизионного спектра fmax, при этом
снижается вдвое. В телевизионном вещании приняты: частота полей fп = 50 Гц,
частота кадров fк = 25 Гц. В этом случае обеспечивается ширина телевизионного спектра от 50 Гц до 6 МГц, рассчитываемая по формуле
fmax = 2z2 k/3,
(1)
где z  число строк, k  число передаваемых в секунду кадров.
Процесс образования чересстрочного растра для z=9 пояснен на рис.2.
2h/z
2h/z
1
2
3
4
5
6
7
8
h/z
9
а
б
в
Рис.2. Формирование чересстрочного растра:
а – первый полукадр; б – второй полукадр; в – полный кадр
Работа телевизионной системы в чересстрочном режиме обеспечивается
при выполнении следующих требований:
1. Число строк в кадре z  нечетное, z = 2n+1 (n – целое число).
2. Частота строчной развертки fс = zfк .
3. Частота полей и частота кадровой развертки fп = 2fк и fс/fп = n+1/2.
При этом, если развертывающий элемент движется по горизонтали с постоянной скоростью, прочерчивая строку растра, и одновременно смещается
по вертикали, то к концу строки он сместится вниз относительно ее начала на
2h/z, т.е. на ширину двух строк полного кадра. Из-за выбранного соотношения
7
скоростей кадровой и строчной разверток в каждом поле получается нецелое
число строк. Так, к концу первого полукадра к моменту обратного хода по кадру оказывается прочерченной только половина нижней строки (рис.2,а). Поэтому, если считать время обратного хода по кадру бесконечно малым, вторая
половина нижней строки будет дочерчиваться уже на верху экрана (рис.2,б)
и ее расстояние до уже прочерченной ранее первой строки первого полукадра
будет равна h/z, т.е. будет соответствовать требуемому расстоянию между
строками полного кадра.
Вторая уже полная строка второго полукадра при этом оказывается на
2h/z ниже первой строки второго полукадра и на h/z ниже первой строки первого полукадра. В результате разности в полстроки растры первого и второго полей оказываются взаимно сдвинутыми по вертикали на ширину одной строки
полного растра, т.е. строки второго поля будут ложиться между строками
первого. За два периода вертикальной развертки образуется полный растр
(рис.2,в).
4. Полный телевизионный сигнал
Полный телевизионный сигнал (ПТС) состоит из непосредственно видеосигнала, снятого с передающей трубки, и замешанных в него импульсов
гашения, а также строчных и кадровых синхроимпульсов.
Гасящие импульсы используются для гашения луча монитора во время
обратного хода по строкам и по кадрам. Синхроимпульсы используются для
синхронизации работы генераторов строчной и кадровой развертки и передаются в области «чернее черного». На рис.3 показан вид ПТС для трех соседних
строк.
Строчные синхроимпульсы (ССИ) и кадровые синхроимпульсы (КСИ)
примерно в 40 раз отличаются по длительности. Их разделение в приемной
части телевизионной системы производится при помощи дифференцирующей и интегрирующей цепочек.
8
Для
того,
чтобы во время кадрового
синхроим-
пульса
не наруша-
лась синхронная работа
генератора
строчной развертки
(ГСР), в КСИ делаются врезки, выделяемые
Рис.3. Вид ПТС для трех соседних строк:
ВС - видеосигнал; ГИ – гасящие импульсы;
СИ – синхроимпульсы; УБ – уровень белого;
УЧ  уровень черного
дифферен-
цирующей цепью и используемые в качестве ССИ для синхронизации ГСР.
КСИ выделяется интегрирующей цепью при синхронизации генератора
кадровой развертки (ГКР) приемника. Поскольку кадр при чересстрочной развертке делится на два поля, то его синхронизация осуществляется два раза по
полям с помощью полукадровых или полевых синхроимпульсов (ПКСИ).
Фронт каждого ПКСИ определяет начало обратных полукадровых ходов. Поскольку номинальное число строк z при чересстрочной развертке должно быть
обязательно целым и нечетным, фронт одного из ПКСИ должен совпадать
с одним из строчных синхроимпульсов, а фронт другого ПКСИ должен приходиться на середину строки, т.е. отстоять от фронта ближнего ССИ на интервал времени Тстр/2 (см.рис.2). Поэтому ПКСИ, соответствующие полукадрам
четных и нечетных строк, различаются по структуре. Нечетный ПКСИ следует
за ССИ через интервал Тстр/2 и, следовательно, первая врезка отстоит от фронта
тоже на Тстр/2. Это видно из рис.4.
На рис.4,а,б показаны четные и нечетные ПКСИ, ССИ и врезки, сделанные внутри ПКСИ; вертикальными штриховыми линиями показаны моменты
времени, когда запускается генератор строчной развертки ГСР, т.е. моменты
начала строк.
9
Рис.4. Структура ПКСИ до и после дифференцирования и интегрирования:
а – четный ПКСИ; б – нечетный ПКСИ; в – четный ПКСИ после дифференцирования;
г – нечетный ПКСИ после дифференцирования; д – четный ПКСИ после интегрирования;
е – нечетный ПКСИ после интегрирования
Сигналы запуска ГСР получаются из ССИ и врезок с помощью дифференцирования ПТС. Эти импульсы, закрашенные черным, показаны на рис.4,в,г.
Не закрашенные импульсы, полученные при дифференцировании ПТС, схемой
ГСР игнорируются.
10
После интегрирования ПТС фронт нечетного ПКСИ оказывается менее
крутым, чем четного ПКСИ (рис.4,д,е). Как уже говорилось выше, эта разница
обусловлена различной внутренней структурой ПКСИ. Поэтому, если для простоты считать, что запуск ГКР, а соответственно и начало нового кадра, происходит по достижению сигналом на выходе интегрирующей цепочки некоторого порогового значения Uпор, то разница в моментах запуска будет не половина строки Тстр /2, как ожидалось на рис.4,а,б, а меньше.
Соответственно на экране строки двух полей не будут точно лежать между друг другом, а будут "слипаться". Четкость изображения ухудшается.
Чтобы обеспечить точное чередование четных и нечетных строк, необходимо сделать структуру четных и нечетных ПКСИ одинаковой. Для этого врезки делают в два раза чаще, через интервалы времени, равные половине длительности строки Тстр /2. Но из-за того, что четные и нечетные ПКСИ отстоят от
ССИ на разное время; некоторая разница  в крутизне фронтов проинтегрированных КСИ может возникнуть, так как во втором случае конденсатор интегрирующей ячейки может не успеть полностью разрядиться. Это видно из рис. 5.
Чтобы устранить и эту причину нарушения точного чередования
строк, впереди и позади ПКСИ
формируют по пять уравнивающих
импульсов, следующих один за другим через Тстр /2. При этом длительность уравнивающих
импуль-
Рис.5. К пояснению необходимости
введения уравнивающих импульсов
сов и врезок делается в два раза
короче длительности ССИ.
За кадровым КСИ и задними уравнивающими импульсами следуют ССИ,
обеспечивающие работу ГСР во время обратного хода по кадрам.
Структура ПТС, содержащая все компоненты, показана на планшете №1
(выдается преподавателем отдельно).
11
5. Методика экспериментального определения разрешающей
способности телевизионной системы
Для экспериментального определения разрешающей способности телевизионной системы используют штриховые таблицы, называемые мирами.
Эти миры входят в испытательную таблицу ИТ-72. С их помощью можно
определить число реально различимых строк изображения. Таблицымиры градуируют в эквивалентных строках разложения.
Если на телевизионном изображении минимально различима секция
с числом 400, то это соответствует четкости системы с 400 эквивалентными
строками разложения, хотя на экране монитора всегда есть 575 строк.
Физическое обоснование связи вертикальных и горизонтальных штрихов
миры с эквивалентным числом строк разложения состоит в следующем. Если
штрихи расположены вертикально с пространственным периодом Z и их изображение считывается развертывающим лучом, движущимся с посто-
v
янной скоростью v, то на выходе пе-
x
редающей трубки образуется видеосигнал, показанный на рис.6.
Z
Пространственный период Тпр
Tпр
тогда определится как Тпр = Z/v, от-
t
куда пространственная частота
Рис.6. К пояснению связи между пространственными характеристиками изображения
и частотными характеристиками видеосигнала
fпр = v/Z.
(2)
Пространственная
частота
увеличивается с ростом v и уменьшением периода Z штрихов миры.
Используя штриховую миру и
специальный телевизионный осциллограф с блоком выделения строки, можно
легко снять апертурную характеристику передающей камеры. Для этого надо в
нужном масштабе времени вывести на экран изображение той строки, в которой передается изображение черно-белых штрихов. Скорость развертки осциллографа должна быть калибрована. Тогда, зная скорость развертки [мкс/см],
12
можно по экрану осциллографа определить значение Тпр [мкс], а значит, и величину
fпр = 1/Тпр [МГц].
(3)
Замерив значение Ui для различных величин fпр, можно построить график
Ui= (fпрi). Это и будет апертурная характеристика.
Примечание. При высоких значениях fпр величина Тпр точнее определяется путем замера числа N укладывающихся в 1 см развертки периодов fпр.
Тогда
fпр = N/Vр [МГц],
(4)
где Vр  скорость развертки [мкс/см].
ОПИСАНИЕ ЛАБОРАТОРНОЙ УСТАНОВКИ
Лабораторная установка состоит из ПТУ-43 (телевизионной камеры КТП,
видеоконтрольного устройства ВКУ, пульта управления ПУ), цифрового осциллографа TDS1012 с функцией выбора строки видеосигнала, испытательной таблицы ИТ-72 (планшет c мирой). Аппаратура соединена
по схеме рис. 7.
Питание
установки
осуществляется от промышленной сети с напряжением
220 В. Для нормальной рабо-
Рис. 7. Структурная схема установки
ты КТП достаточно дневного
освещения.
13
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ РАБОТЫ
1. Подготовка к работе
1. Ознакомиться с аппаратурой, обратив внимание на элементы коммутации и регулировки ВКУ и осциллографа TDS1012 (рис.8) . Изучить структурную схему ПТУ.
2. Ознакомиться с таблицей ИТ-72 и лабораторным планшетом миры.
3. Подготовить установку к работе, для чего:
 включить кнопку «ВКЛ/ВЫКЛ» (рис.8 поз.3) осциллографа TDS1012;
 включить клавишу «Сеть» на пульте управления ПТУ;
 включить тумблер «Сеть» ВКУ;
 установить планшет с мирой в поле зрения камеры;
 после появления на экране ВКУ изображения при помощи объектива
«Гелиос» камеры отрегулировать его резкость;
- при необходимости произведите синхронизацию по строкам видеосигнала, для этого нажмите кнопку «АВТОУСТ» (поз.5), далее нажмите верхнюю
функциональную кнопку (поз.6) и выберете значение Line (Строка) для синхронизации по всем строкам (меню АВТОУСТ включает также значения All
Lines (все строки) и Line Number (Номер строки);
- универсальной ручкой «Выбор строки» (поз.1), «ВОЛЬТ/ДЕЛ» (поз.2) и
«СЕК/ДЕЛ» (поз.4) добиться, чтобы на экране осциллографа устойчиво просматривались 2-3 строки растра, занимающие по высоте примерно 60% экрана.
2. Исследование структуры ПТС
З а д а н и е:
 получить ПТС для ровного белого фона, для чего планшет с мирой перевернуть обратной стороной к камере;
 зарисовать осциллограмму ПТС, соответствующую 2-3 строкам с экрана осциллографа;
 определить следующие параметры ПТС: амплитуду видеосигнала Uвс,
амплитуду строчного синхроимпульса Uсси относительно полного сигнала при
14
максимально открытой диафрагме объектива камеры, длительность видеосигнала Твс, длительность строки Тстр, длительность гасящего импульса Тг, длительность строчного синхроимпульса Тсси.
Рис. 8. Лицевая панель осциллографа TDS1012B
3. Исследование работы схемы автоматической регулировки
режима видикона
Для выполнения данного пункта следует использовать регулировку величины светового потока, поступающего на видикон. На объективе имеется
два кольцарегулятора диафрагмы. Одно находится у внешней кромки объектива и перемещается дискретно. Оно устанавливается в положение «2», «2.8»,
«4», «5.6», «8», «11», «16». Второе кольцо плавно перемещается. Оно расположено рядом с первым, но ближе к той части объектива, которой он вворачивается в камеру. Диафрагма «16» соответствует минимальному световому потоку, поступающему на видикон, диафрагма «2»  максимальному.
Световой поток Ф, поступающий на видикон при установке любых
двух соседних значений диафрагмы, отличается в 2 раза, т.е., если принять
относительную величину светового потока, соответствующего диафрагме
«16», за единицу, то диафрагме «11» будет соответствовать поток Ф = 2, диафрагме «8»  Ф = 4 и т.д. Установка требуемой величины диафрагмы производится при помощи двух колец объектива. В случае установки наружного дискретного кольца до упора против часовой стрелки и в аналогичное положение
15
второго плавного кольца на видикон подается минимальный световой поток
Ф=1. Поворот наружного кольца на один щелчок по часовой стрелке при завернутом до упора против часовой стрелки плавном кольце увеличивает поток в 2 раза. Все направления поворота указаны при взгляде на объектив со
стороны зрачка.
З а д а н и е:
 получить ПТС для случая передачи ровного белого фона;
 получить на экране осциллографа строки, соответствующие примерно
середине белого поля;
 изменяя световой поток Ф на видиконе от 1 до 64, снять зависимость
максимального размаха видеосигнала U (от УЧ до УБ) от величины Ф;
 построить график полученной зависимости в полулогарифмическом
масштабе. Использовать при построении графика только те значения напряжения, в пределах которого происходят изменения U;
4. Исследование апертурной характеристики передающей трубки
З а д а н и е:
 установить планшет с мирой в поле зрения камеры на расстоянии
1,5  2 м таким образом, чтобы в поле зрения попали все секции со штрихами;
 произвести наводку на резкость с помощью объектива «Гелиос» (при
полностью открытой диафрагме «2»);
 при помощи универсальной ручкой «Выбор строки», «СЕК/ДЕЛ» и
«Горизонт. положение» (поз.7) получить на экране изображение одной строки, соответствующей передаче штрихов миры;
 масштабируя изображение при помощи ручки «СЕК/ДЕЛ» и перемещая его вдоль оси «Х» ручкой «Горизонт. положение», снять зависимость размаха переменной составляющей видеосигнала U (см.рис.6) от пространственной частоты fпр. Для удобства замера секции миры с одинаковой частотой
штрихов, определяющей fпр, разделены одинаковыми черными линиями. Замеры fпр и размаха переменного видеосигнала U производятся в пределах одной
16
секции по экрану осциллографа с учетом положения ручек «ВОЛЬТ/ДЕЛ» и
«СЕК/ДЕЛ;
- построить график полученной зависимости U = Ф(fпр);
- определить fпр max (частоту, для которой U = 0).
5. Исследование структуры синхросигналов ПТС
З а д а н и е:
 оперируя ручками «Выбор строки» и «СЕК/ДЕЛ», получить на экране
осциллографа изображение ПТС для группы строк, начиная с 622 второго поля
до (примерно) 68 первого поля.
Зарисовать полученную осциллограмму с экрана осциллографа. Для получения наглядности пустые строки не зарисовывать (как это сделано на
планшете №1);
 действуя аналогичным образом, получить на экране С9-1 группу
строк, начиная с 310 первого поля до (примерно) 320 второго поля. Зарисовать
осциллограмму;
 сопоставить две осциллограммы. Идентифицировать на них ССИ, КСИ,
сигналы врезок, уравнивающие импульсы. Объяснить разницу в двух осциллограммах;
 определить, чем используемый в ПТУ-43 ПТС отличается от стандартного, изображенного на планшете №1.
6. Оформление отчета о лабораторной работе
Отчет должен содержать:
 блок-схему ПТУ с пояснениями выполняемых функций;
 рисунки видеосигналов, полученных при выполнении пп. 2 и 5 с пояснениями;
 графики зависимостей,
снятых при выполнении пп. 3 и 4 с пояс-
нениями.
17
Контрольные вопросы
1. Принципы построения замкнутых телевизионных систем.
2. Формирование сигнала изображения в передающей трубке, апертурные искажения.
3. Чересстрочная развертка.
4. Структура ПТС (ССИ, ПКСИ, врезки, уравнивающие импульсы).
5. Методика
экспериментального
ности телевизионной системы.
18
определения разрешающей способ-