дефолтный курсач / выполнение / 00_курсач_тв_велит

1. ЦЕЛЬ РАБОТЫ

Целями выполняемой работы являются: построение структурной схемы устройства преобразования телевизионного сигнала; расчёт аналоговой части разрабатываемого устройства.

2. ИСХОДНЫЕ ДАННЫЕ

fz 25 Hz – кадровая частота;

zr 819 – число строк в кадре;

d 0.0133 h – высота шахматной клетки тестового изображения;

3. ОСНОВНАЯ ЧАСТЬ

3.1. РАСЧЁТ ВРЕМЕННЫХ И ЧАСТОТНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК

3.1.1. РАСЧЁТ ДЛИТЕЛЬНОСТЕЙ УЧАСТКОВ СТРОЧНОГО СИГНАЛА

Рисунок 3.1.1.1 – Диаграмма произвольного импульса строки ТВ сигнала

Для нахождения частотных и временных характеристик самого строчного сигнала необходимо рассчитать его временные параметры, указанные на рисунке 3.1.1:

H – длительность строки;

T (H-a) – длительность прямого хода;

a – длительность гасящего импульса;

d – длительность синхронизирующего импульса;

c – интервал между фронтами гасящего и синхронизирующего импульсов.

αHa =0.188 ,

βFτ =0.08 .

Зная коэффициенты относительной длительности, можно рассчитать верхнюю граничную частоту спектра ТВ сигнала по следующей формуле:

где p – это коэффициент, зависящий от восприятия человека (в рамках задачи он равен 0.8).

Тогда верхняя граничная частота спектра ТВ сигнала будет равна:

fB 0.8 k zr2 fz 1-β =10.133 MHz.

2 1-α

3.1.3 РАСЧЁТ ЧАСТОТЫ ДИСКРЕТИЗАЦИИ ДЛЯ ТВ СИГНАЛА

Расчёт частоты дискретизации fd для оцифровки тв сигнала осуществляется

из двух основных условий: теоремы Котельникова и совместимости с системами PAL (625 строк) и NTSC (525) . Из первого условия следует, что частота дискретизации должна быть не меньше двух верхних частот в спектре (fd>2 fB), в из второго условия следует то, что частота дискретизации должна

быть кратна частоте строк обоих стандартов. В итоге общее условие представляет собой следующую систему:

где fr_PAL – частота строк стандарта PAL; fr_NTSC – частота строк стандарта NTSC.

Частоты строк стандартов вычисляются по следующим формулам и равны:

Тогда задача нахождения частоты дискретизации сводится к нахождению коэффициентов кратности для частоты строк каждого из стандартов.

Расчёт частоты дискретизации производился с помощью программы, представленной ниже, на рисунке 3.1.3.1.

Рисунок 3.1.3.1 – Листинг кода программы для нахождения частоты дискретизации

Расчёт дал следующие результаты: fd=25.594 MHz. Далее необходимо

проверить соответствие полученного решения условиям выше: если матрица (3.1.3.1) будет содержать лишь единицы, то условие выполняется.

Как видно из демонстрации выше, все три условия выполняются, значит найденная частота дискретизации является верной.

Так как в условии задано соотношение субдискретизации 4:2:2, найденная частота дискретизации является частотой дискретизации для яркостной составляющей сигнала, а частота дискретизации цветоразностных составляющих будет в два раза ниже. То есть частоты дискретизации будут следующими:

где fd_Y – частота дискретизации для яркостной составляющей ТВ сигнала; fd_C – частота дискретизации для цветоразностных составляющих ТВ сигнала.

Однако, по условиям задачи, так как fB=10.133 MHz, что меньше 100 МГц,

применяется оверсэплинг в 8 раз для дальнейших расчётов фильтров искомого устройства. Тогда частоты дискретизации для яркостной fd_Y_os и

цветоразностной fd_C_os составляющих будут равны:

3.2. СТРУТУРНАЯ СХЕМА ИСКОМОГО УСТРОЙСТВА

3.2.1. ОПИСАНИЕ СТРУКТУРНОЙ СХЕМЫ

Структурная схема преобразователя телевизионного сигнала представлена в приложении «А». На ней изображены функциональные блоки, из которых состоит преобразователь: три каскада согласования (КС), три регулируемых усилителя (РУ), усилитель с автоматической регулировкой усиления (УАРУ), каскад матрицирования (КМ), четыре фильтра нижних частот (ФНЧ), амплитудный селектор (АС), три схемы восстановления постоянной составляющей (СВПС), один аналого-цифровой преобразователь (АЦП1) для яркостной составляющей сигнала и два аналого-цифровых преобразователя (АЦП2) для цветоразностных составляющих, селектор кадровых синхроимпульсов (СКСИ), селектор строчных синхроимпульсов (СССИ), генератор тактовых импульсов для (ГТИ) для оцифровки яркостной составляющей сигнала (для АЦП1), частотный делитель (Д) для формирования опорной частоты для оцифровки цветоразностных составляющих сигнала (для АЦП2), мультиплексор (MS), цифровой фильтр нижних частот (ЦФНЧ) и формирователь интерфейса (ФИ).

В рамках работы необходимо составить принципиальные электрические схемы аналоговой части преобразователя (КС, РУ, КМ, ФНЧ, СВПС, АС, ЦФНЧ), а также рассчитать номиналы элементов в указанных блоках.

3.2.2. ВЫБОР ЭЛЕМЕНТНОЙ БАЗЫ

КС, РУ, КМ и СВПС основаны на операционных усилителях (ОУ). Основные критерии выбора операционных усилителей в рамках работы:

ОУ должен быть общего назначения;

ОУ должен иметь двухполярное питание (в идеале 12 В);

Граничная частота ОУ должна в десять раз превышать верхнюю

частоту спектра ТВ сигнала, рассчитанную в пункте 3.1.2 (10 fB=101.33 MHz).

Из вышеописанных соображений был выбран операционных усилитель THS4631 от компании Texas Instruments. Это широкополосный операционный усилитель с граничной частотой 210 МГц и максимально возможным напряжением питания ±15 В. Некоторые характеристики которого указаны в приложении «Ж».

К сожалению, он не подходит под первое условие, однако анализ каталога производителей Texas Instruments и Analog Devices показал, что ОУ общего назначения с настолько высокой граничной частотой не существует: имеются только высокоскоростные (высокочастотные) или широкополосные (как выбранный образец).

В схеме используются два разных АЦП с разной частотой дискретизации (для яркостной составляющей и для цветоразностных). При выборе АЦП необходимо руководствоваться следующими принципами:

АЦП должны быть с параллельным входом;

Частота выборок АЦП должна быть выше требуемых частот

Разрядность АЦП должна быть на два бита больше заданной (то есть равна двенадцати).

Исходя из вышеописанных соображений, в качестве АЦП для яркостной составляющей сигнала был выбран AD9634 производства Analog Devices. Это двенадцатиразрядный АЦП на частотой дискретизации 250 МГц. А в качестве АЦП для цветоразностных составляющих был выбран АЦП AD9233 производства Texas Instruments. Это также двенадцатиразрядный АЦП с частотой дискретизации 125 МГц.

Также в смехе используется резисторы различных номиналов сопротивления. Их выбор осуществляется по двум критериям:

Номинал сопротивления резисторов должен лежать в пределах от

10 кОм до 100 кОм;

Резисторы должны быть из ряда Е24 (или Е96 для СПВС).

При выборе конденсаторов необходимо руководствоваться только одним правилом: номинал ёмкости конденсатора должен соответствовать ряду Е24.

Отдельно стоит отметить некоторые моменты:

В рамках работы не требуется выбирать конкретные модели резисторов, конденсаторов и катушек индуктивности.

При округлении номинала элемента к его рядному значению, пересчёт параметров не производится.

Если будет необходим выбор конкретной модели какого-либо элемента, он будет осуществляться в соответствующем пункте.

Ряды номиналов резисторов и конденсаторов представлены в приложениях «Б», «В» и «Г» соответственно.

3.3. РАСЧЁТ ПРИНЦИПИАЛЬНЫХ СХЕМ ЭЛЕМЕНТОВ СТРУКТУРНОЙ СХЕМЫ ИСКОМОГО УСТРОЙСТВА

3.3.1. РАСЧЁТ КАСКАДОВ УСИЛЕНИЯ (КС)

Как видно из структурной схемы (приложение «А»), в преобразователе присутствуют три каскада согласования. В рамках задачи они одинаковые и должны согласовывать сопротивление 75 Ом (сопротивление коаксиального кабеля).

Принципиальная схема каскада согласования представлена на рисунке

3.3.1.1.

Рисунок 3.1.1.1 – Принципиальная схема каскадов согласования

Необходимо рассчитать номиналы всех представленных на схеме элементов.

До начала расчётов можно узнать номинал резистора Rc: номинал Rc должен быть равен сопротивлению коаксиального кабеля, так что его номинал выбирается равным 75 Омам: RC 75 Ω.

Также в рамках задачи принимаются следующие номиналы:

Внутреннее сопротивление источника питания здесь и далее принимается равным 0.5 Ом ri 0.5 Ω.

Ёмкость Ск (керамического конденсатора малой ёмкости) принимается равной 0.1 мкФ: Ck 0.1 μF.

Так как «связку» из Ск и Сбл (Cbl) необходимо использовать в цепи питания

ОУ всех блоков, где требуется сам ОУ, далее необходимо рассчитать Сбл. Ёмкость Сбл рассчитывается исходя из следующего условия: модуль коэффициента передачи RC-цепочки (рисунок 3.3.1.2) не должен превышать соотношения сигнал-шум на кадровой частоте . Формульно данное условие выражено в формуле (3.3.1.1).

где KuRC – модуль коэффициента передачи исследуемой RC-цепочки на

кадровой частоте;

Eerr – величина напряжения помехи; Es – величина напряжения сигнала.

Рисунок 3.3.1.2 – Исследуемая RC-цепочка

Величину напряжения помехи можно рассчитать по следующей формуле:

где EC – напряжения питания одной полярности (в рамках задачи EC 12 V); Ku – коэффициент передачи всей схемы по напряжению (берётся с запасом и

равен 10).

Тогда напряжение ошибок будет равно:

Модуль коэффициента исследуемой RC-цепочки выражается следующей формулой:

Из формул (3.3.1.1) и (3.3.1.3) можно выразить величину Cbl, так как равные

левые части обоих выражений равны. Итоговое выражение для величины блокировочного сопротивления представлено формулой (3.3.1.4).

однако такого значения нет в ряде номиналов конденсаторов Е24 (приложение «Г»), так что выбирается ближайшее подходящее:

Сbl 15 μF,

Далее необходимо рассчитать номиналы резисторов Rc и R1. Расчёт осуществляется из соображений того, что коэффициент передачи всего каскада согласования должен стремиться к единице. Формула для расчёта коэффициента передачи КС представлена ниже (каскад является неинвертирующим):

Из формулы (3.3.1.4) следует, что правое слагаемое должно стремиться к нулю, а для этого Roc должно быть кратно больше R1. Так как резисторы

ограничены по номиналу, R1 принимается равным допустимому минимуму: R1 10 kΩ , а Roc – допустимому максимуму: Roc 100 kΩ. Тогда коэффициент передачи схемы по напряжению будет равен:

Ku 1+ R1 =1.1 ,

Roc

что действительно примерно равно единице.