隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步和社會(huì)的發(fā)展，人們對(duì)圖像顯示質(zhì)量的要求越來(lái)越高。當(dāng)今顯示技術(shù)的發(fā)展方向是大屏幕、高清晰、重量輕、平面或短管顯示，平板顯示器件正體現(xiàn)了這一特點(diǎn)。在平板顯示器件中，等離子體顯示器（PDP）以其諸多的獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，正逐步成為大屏幕、高清晰度電視的首選，越來(lái)越多的人將目光投向了PDP這以超大規(guī)模集成電路與尖端工藝技術(shù)結(jié)合的新型顯示器件。其主要優(yōu)點(diǎn)有：易于實(shí)現(xiàn)大面積顯示，對(duì)角線(xiàn)可達(dá)60 in（1 in＝25．4mm）以上；可以實(shí)現(xiàn)全彩色顯示，利用紅、綠、藍(lán)三基色，灰度等級(jí)可以超過(guò)256級(jí)；數(shù)字化驅(qū)動(dòng)；亮度高，對(duì)比度高，視角大（平板顯示器中最大），色純度好（可等同于CRT）；器件結(jié)構(gòu)及制作工藝簡(jiǎn)單，環(huán)境性能優(yōu)異，可滿(mǎn)足MIL標(biāo)準(zhǔn)等。

然而由于PDP驅(qū)動(dòng)方式的限制，它只接受特定格式的數(shù)字視頻信號(hào)，而現(xiàn)有的視頻信號(hào)種類(lèi)豐富，有多種模擬視頻信號(hào)（如復(fù)合廣播電視信號(hào)、計(jì)算機(jī)視頻信號(hào)）和多種數(shù)字視頻信號(hào)。為了擴(kuò)大PDP的應(yīng)用范圍，就有必要在PDP整機(jī)電路系統(tǒng)中設(shè)計(jì)視頻信號(hào)接口電路，其主要功能是對(duì)各類(lèi)視頻信號(hào)進(jìn)行數(shù)字化和解碼，然后對(duì)解碼后的數(shù)字信號(hào)進(jìn)行格式變換和圖像處理，得到適合PDP顯示的高質(zhì)量的數(shù)字視頻信號(hào)。

由于現(xiàn)階段數(shù)字電視尚未普及，模擬視頻信號(hào)占據(jù)了視頻信號(hào)源的主體地位，因此模擬視頻數(shù)字化電路也就成為PDP視頻接口電路的重要組成部分，對(duì)這部分電路的研究和開(kāi)發(fā)對(duì)于整套PDP顯示系統(tǒng)的研發(fā)具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1設(shè)計(jì)方案

1．1模擬視頻信號(hào)分類(lèi)

模擬視頻信號(hào)從用途來(lái)看，主要可以分為兩類(lèi)：模擬電視信號(hào)和計(jì)算機(jī)視頻信號(hào)。細(xì)分一下可以有以下幾種格式：

①?gòu)?fù)合視頻（Composite video）

復(fù)合視頻信號(hào)定義為包括亮度和色度的單路模擬信號(hào)，也即從全電視信號(hào)中分離出伴音后的視頻信號(hào)，這時(shí)的色度信號(hào)還是間插在亮度信號(hào)的高端。由于復(fù)合視頻的亮度和色度是間插在一起的，在信號(hào)重放時(shí)很難恢復(fù)完全一致的色彩。這種信號(hào)信號(hào)帶寬較窄，一般只有水平240線(xiàn)左右的分解率。目前世界各國(guó)使用多種不同的復(fù)合視頻信號(hào)格式，主要有：NTSC（National Television Systems Committee），PAL（Phase Alternation Line），SECAM（SystemElectron－ique Color Avec Memories）等制式。

②S－Video（Y／Cvideo）

S－Video是一種兩分量的視頻信號(hào)，它把亮度和色度信號(hào)分成兩路獨(dú)立的模擬信號(hào)，用兩路導(dǎo)線(xiàn)分別傳輸并可以分別記錄在模擬磁帶的兩路磁跡上。這種信號(hào)不僅其亮度和色度都具有較寬的帶寬，而且由于亮度和色度分開(kāi)傳輸，可以減少其互相干擾，水平分解率可達(dá)420線(xiàn)。與復(fù)合視頻信號(hào)相比，S－Video可以更好地重現(xiàn)色彩。

③計(jì)算機(jī)模擬視頻信號(hào)（VGA，SVGA，XVGA，SXGA信號(hào)）

計(jì)算機(jī)模擬視頻信號(hào)是由計(jì)算機(jī)顯示卡輸出的，它由5路信號(hào)組成（包括分離的RGB彩色信號(hào)和VS、HS同步信號(hào)），從最早的CGA發(fā)展到現(xiàn)在VGA、SVGA等制式，具有多種分辨率格式。

1．2模擬視頻信號(hào)數(shù)字化原理

模擬視頻信號(hào)數(shù)字化的基本步驟是取樣（Sam－pling）、量化（Quantization）和編碼（Coding）。根據(jù)Nyquist定理，取樣頻率必須大于信號(hào)帶寬的兩倍，才能從取樣信號(hào)中完全恢復(fù)原信號(hào)。以對(duì)PAL制電視信號(hào)進(jìn)行數(shù)字化為例，它的取樣頻率常采用彩色副載波的二倍或四倍，即13．29 MHz或17．72 MHz。取樣頻率必須與副載波連鎖，這是為了避免因差拍而產(chǎn)生干擾，從而增加復(fù)原圖像的噪聲。

通過(guò)取樣，把模擬信號(hào)變?yōu)闀r(shí)間上離散的脈沖信號(hào)。這些脈沖信號(hào)的幅度仍然是模擬的，因此還必須對(duì)模擬幅度進(jìn)行離散化處理，才能用數(shù)碼來(lái)表示其幅值。這種對(duì)幅值進(jìn)行分級(jí)，并按每級(jí)進(jìn)行舍零取整的過(guò)程叫作量化。

把量化后的信號(hào)，轉(zhuǎn)換成數(shù)字編碼脈沖，這一過(guò)程被稱(chēng)為編碼。然后用n個(gè)比特的二進(jìn)制碼來(lái)表示已經(jīng)量化了的取樣值。每一個(gè)二進(jìn)制數(shù)字字節(jié)對(duì)應(yīng)一個(gè)量化值，再經(jīng)過(guò)排列后得到由二值脈沖組成的數(shù)字信息流。

在對(duì)模擬信號(hào)進(jìn)行取樣時(shí)，取樣頻率必須與輸入信號(hào)之間保持一定的相位關(guān)系，這就需要把取樣時(shí)鐘與輸入信號(hào)鎖相。

此外，在模擬信號(hào)數(shù)字化電路中還必須很好的從輸入信號(hào)中分離出行場(chǎng)同步信號(hào)等控制時(shí)鐘，將它們和數(shù)字化后的視頻信號(hào)一起送入下一級(jí)處理單元。

1．3方案的選擇

對(duì)于模擬視頻信號(hào)的數(shù)字化處理，方法之一是根據(jù)不同的輸入信號(hào)格式和輸出精度要求，挑選合適的視頻A／D芯片，然后配以時(shí)鐘分離同步器，鎖相環(huán)，濾波器等電路，組成完整的模擬視頻信號(hào)數(shù)字化電路，這樣做的優(yōu)點(diǎn)是成本低廉。然而它的缺點(diǎn)也很明顯，這樣設(shè)計(jì)的電路配置復(fù)雜，設(shè)計(jì)過(guò)程煩瑣，精度難以保證，同時(shí)輸出的數(shù)字信號(hào)格式也比較單一，很難滿(mǎn)足PDP對(duì)圖像高質(zhì)量和系統(tǒng)電路高度集成化的要求。

隨著由于VLSI及視頻處理技術(shù)的進(jìn)步，現(xiàn)在業(yè)界已有較多的單片數(shù)字解碼芯片解決方案，通常這些芯片只需要配合很少的外圍電路，便能實(shí)現(xiàn)視頻信號(hào)從模擬到數(shù)字的轉(zhuǎn)換，而且它們可以通過(guò)控制接口，由用戶(hù)方便地實(shí)時(shí)調(diào)整其內(nèi)部參數(shù)，以適應(yīng)不同的轉(zhuǎn)換要求。因此在設(shè)計(jì)視頻信號(hào)數(shù)字化電路時(shí)，采用現(xiàn)成的視頻處理芯片，可以大大縮短開(kāi)發(fā)時(shí)間，提高電路的集成度，保證輸出精度的穩(wěn)定性。全球各大半導(dǎo)體公司都提供了多種視頻數(shù)字化處理芯片，有PHILIPs公司的SAA7110系列，三星公司的KSO127系列，Genesis公司的GmD2000系列等。各類(lèi)視頻數(shù)字化芯片的主要區(qū)別在于：信號(hào)輸入端口的多少、A／D轉(zhuǎn)換器的精度、A／D轉(zhuǎn)換速率和支持的輸出格式等。根據(jù)PDP對(duì)視頻信號(hào)的處理要求，通過(guò)對(duì)各款視頻處理芯片的性?xún)r(jià)比進(jìn)行的比較，我們決定采用TI公司的THS8083和PHILIP公司的SAA7111A分別作為計(jì)算機(jī)模擬視頻和CV／S－Video的數(shù)字化處理芯片。

1．4數(shù)字化處理芯片性能簡(jiǎn)介T(mén)HS8083有以下主要特點(diǎn)：

①三路數(shù)字轉(zhuǎn)換通道，在其內(nèi)部可以獨(dú)立的進(jìn)行嵌位控制，自動(dòng)增益控制和8 bit模數(shù)轉(zhuǎn)換；

②既可獨(dú)立獲得行、場(chǎng)同步信號(hào)，也能實(shí)現(xiàn)從Y／G信號(hào)中的行、場(chǎng)同步信號(hào)的自動(dòng)檢測(cè)和分離，并且行同步信號(hào)的起始和結(jié)束位置均可根據(jù)需要進(jìn)行編程控制。片內(nèi)可以產(chǎn)生13～95 MHz的時(shí)鐘，通過(guò)數(shù)字PLL鎖定行同步；

③提供數(shù)種數(shù)字圖像數(shù)據(jù)輸出格式，可以根據(jù)不同的需要選擇合適的格式；

④可以通過(guò)編程控制，實(shí)現(xiàn)多種分辨率和刷新率的模擬視頻信號(hào)向數(shù)字圖像信號(hào)的轉(zhuǎn)換；

⑤提供專(zhuān)門(mén)的數(shù)據(jù)時(shí)鐘輸出，可以方便的鎖定輸出的數(shù)據(jù)。

SAA7111a視頻輸入處理器有以下主要特點(diǎn)：

①可編程選擇4路視頻輸入中的一路或兩路組成不同的工作模式，在其內(nèi)部有兩路模擬視頻信號(hào)處理通道，可進(jìn)行靜態(tài)增益控制或自動(dòng)增益控制，兩路8 bit的A／D；

②可對(duì)芯片編程進(jìn)行白電平控制、抗混疊濾波、梳狀濾波；

③能實(shí)現(xiàn)行同步、場(chǎng)同步信號(hào)的自動(dòng)檢測(cè)、分離，并且行同步信號(hào)的起始位置與結(jié)束位置均可根據(jù)需要進(jìn)行編程控制，片內(nèi)產(chǎn)生的時(shí)鐘通過(guò)數(shù)字PLL鎖定行同步；

④場(chǎng)頻50 Hz或60 Hz自動(dòng)檢測(cè)，并自動(dòng)在PAL和NTSC之間自動(dòng)切換，并能對(duì)不同輸入制式的亮度信號(hào)、色度信號(hào)進(jìn)行處理，并實(shí)現(xiàn)亮度，色度和飽和度的片內(nèi)控制；

⑤可方便使用不同的數(shù)字圖像數(shù)據(jù)輸出格式。

2硬件電路設(shè)計(jì)

在確定了模擬視頻信號(hào)數(shù)字化的電路的設(shè)計(jì)方案后，我們就設(shè)計(jì)了如圖1所示的系統(tǒng)電路。下面將介紹電路的各個(gè)主要組成部分的設(shè)計(jì)。

2．1模擬視頻輸入接口設(shè)計(jì)：

復(fù)合電視信號(hào)是通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)的BNC接口接入電路板，然后經(jīng)過(guò)匹配電阻和耦合電容輸入到SAA7111a的相應(yīng)端口。

S－Video信號(hào)是通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)的S端子接口接入電路板，分離的一路Y和一路C信號(hào)同樣經(jīng)過(guò)匹配電阻和耦合電容輸入到SAA7111a的相應(yīng)端口。

計(jì)算機(jī)模擬視頻信號(hào)是通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)的15針顯示接口接入電路板，在輸入的5路信號(hào)中，R／G／B三路信號(hào)可以經(jīng)匹配電阻和耦合電容接入THS8083的相應(yīng)端口，而根據(jù)THS8083時(shí)鐘端口的需要，HS和VS信號(hào)必須通過(guò)5～3．3 V的電平轉(zhuǎn)換和緩沖后接入相應(yīng)端口（如圖2所示）。

2．2電源電路設(shè)計(jì)

THS8083和SAA7111a都是3．3 V器件，而系統(tǒng)的主控芯片AT89C51是5 V器件，因此電路必須同時(shí)有5 V和3．3 V的電源來(lái)供電。我們?cè)陔娐分袃H從外界獲得5 V的電源，然后利用LM317設(shè)計(jì)了5～3．3 V的電源轉(zhuǎn)換電路，用來(lái)作為兩款視頻處理芯片的3．3 V電源。需要注意的是雖然SAA7111a是3．3V器件，但是它的存儲(chǔ)器控制單元確必須是5 V供電，因此要使其正常工作，必須提供一路5 V電源線(xiàn)路輸入到相應(yīng)端口中（管腳1）。

2．3主控電路設(shè)計(jì)

兩款視頻處理芯片都是按I2C總線(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)控制的。在主控電路中可以選擇使用專(zhuān)用的I2C控制芯片，然而用單片機(jī)模擬I2C總線(xiàn)控制十分方便，電路簡(jiǎn)單，同時(shí)成本低廉，因此系統(tǒng)采用單片機(jī)AT89C51模擬I2C總線(xiàn)控制。由于AT89C51的P1口還內(nèi)置了上拉電阻，因此我們用P1．6和P1．7口分別輸出的SCL（時(shí)鐘信號(hào)）和SDA（數(shù)據(jù)信號(hào)）可以直接接入到芯片的相應(yīng)端口中。為了提高單片機(jī)的穩(wěn)定性，我們還設(shè)計(jì)了單片機(jī)的抗干擾復(fù)位電路，如圖3所示。

2．4電路的抗干擾處理

在模擬視頻信號(hào)數(shù)字化電路中，既有模擬信號(hào)，又有數(shù)字信號(hào)，既有高頻信號(hào)，又有低頻信號(hào)，這是個(gè)容易出現(xiàn)干擾問(wèn)題的系統(tǒng)。而一旦出現(xiàn)干擾，將大大降低信號(hào)處理的精確度，為下一級(jí)的處理帶來(lái)困難，從而影響整個(gè)PDP視頻接口電路的性能，因此必須加強(qiáng)電路的抗干擾能力。

在具體的電路實(shí)現(xiàn)中我們主要采取了以下幾種方式來(lái)提高電路的抗干擾能力：

①合理地分開(kāi)電路的數(shù)字區(qū)和模擬區(qū)，以減少數(shù)字電路通過(guò)電場(chǎng)耦合的干擾；

②電路設(shè)計(jì)中采用線(xiàn)性電源供電，并加接了必要的濾波電路，以有效的減少電源紋波，抑制電源干擾，從而提高電路的信噪比；

③采用雙面印刷電路板布線(xiàn)技術(shù)和低阻抗的大面積布地，以保證電路的接地、屏蔽和隔離良好，同時(shí)減少電路體積；印刷板布線(xiàn)時(shí)，信號(hào)線(xiàn)盡可能

短、直，盡可能使拐角圓滑，以減小寄生電容；

④電路中多處使用抗干擾器件，比如在IC的電源處都增加了接地的旁路電容等。

3軟件控制設(shè)計(jì)

THS8083和SAA7111a都是以PC機(jī)作為開(kāi)發(fā)平臺(tái)的視頻圖像處理芯片，其所有的編程功能都是通過(guò)I2C總線(xiàn)向內(nèi)部的寄存器相應(yīng)的控制位置寫(xiě)入相應(yīng)的代碼來(lái)完成的。典型的開(kāi)發(fā)系統(tǒng)如圖4所示（實(shí)際開(kāi)發(fā)中可以用單片機(jī)或者CPLD代替PC機(jī)模擬實(shí)現(xiàn)I2C總線(xiàn)控制）。圖4中，SDA為雙向數(shù)據(jù)線(xiàn)，SCL為時(shí)鐘線(xiàn)，由PC機(jī)產(chǎn)生，最高頻率可以達(dá)到400 kHz（即工作在I2C總線(xiàn)快速模式下），需要注意的是如果THS8083輸出的DTOCLOCK小于25 MHz，則SCL只能工作于I2C總線(xiàn)的正常模式下（SCL頻率此時(shí)最高可以達(dá)到100 kHz）。SCL和SDA通過(guò)上拉電阻與VCC相連以增加負(fù)載驅(qū)動(dòng)能力。SDA在SCL的配合下，可以完成PC向寄存器寫(xiě)入數(shù)據(jù)的操作，也可以從寄存器里讀出數(shù)據(jù)。

在實(shí)際開(kāi)發(fā)中，我們采用AT89C51單片機(jī)模擬I2C總線(xiàn)，控制和改變芯片的工作方式。其單片機(jī)程序流程圖如圖5所示，需要注意的是芯片的寄存器有些是只讀的，有些是保留未使用的，在改寫(xiě)所需寄存器單元時(shí)，必須嚴(yán)格按照I2C總線(xiàn)的操作要求才能正確的控制芯片正常工作。

芯片經(jīng)過(guò)單片機(jī)配置后，就可以從模擬視頻信號(hào)接口接受相應(yīng)的模擬信號(hào)，經(jīng)過(guò)內(nèi)部數(shù)字化處理，輸出所需格式的數(shù)字視頻信號(hào)和控制時(shí)鐘到下一級(jí)處理單元。

4結(jié)束語(yǔ)

本文主要介紹了一套為PDP設(shè)計(jì)地模擬視頻數(shù)字化電路，它分別利用THS8083和SAA7111a實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)視頻信號(hào)和CV／S－Video信號(hào)的解碼和數(shù)字化，并支持包括PAL、NTSC、VGA、SVGA等在內(nèi)的多種視頻制式和分辨率。作為一個(gè)完整的視頻圖像采集系統(tǒng)的重要部分，它已經(jīng)被應(yīng)用到等離子體顯示器（PDP）視頻接口電路中。

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