彩条信号发生器

前言

视频信号发生器是检测电视系统视频通道传输质量的一种常用信号源，可以用来对电视系统中的视频通道的传输特性进行测试和调整；可以方便地检测复合视频信号的幅度、周期；对各彩条信号的编码关系等显示得也十分清晰而精确。本课程设计将主要研究如何利用单片机和视频编码芯片来制作视频信号发生器。用此方法设计的视频信号发生器因其性价比高，应用广泛，使本课题即彩条信号发生器的制作在提高实践能力的同时也具有重要的实际应用意义。

本课程设计利用单片机灵活的编程能力可以设计多种不同形式的视频信号发生器，如彩条信号发生器；棋盘格信号发生器；方格信号发生器；活动矩形信号发生器等。

本课程设计主要采用了陶学炜高级工程师的设计内容，指导书中还采用了我系2003级通信工程专业学生毕业论文中的相关内容，在此表示感谢。

第一章视频信号

1.1 扫描和同步

图像由像素组成，我国采用PAL制电视制式，电视屏幕的垂直方向扫描行数

为625行。传统的电视屏幕的宽（水平）、高（垂直）之比为4：3，理想情况下水平方向的点数应为（625-50）×4/3，考虑场回程扫描所需的行数（每场25行，两场共50行）。则电视屏幕上的实际像素（点）的总数为

（625-50）×（625-50）× 4/3 =44.1×104 个（约45万个）

像素越多，图像的清晰度就越高。

象素是通过扫描方式获得。每一帧图像均是由电子束顺序地一行接着一行连续扫描而成，这种扫描方式称为逐行扫描。逐行扫描占用的频带较宽，但它可以减少屏幕大面积闪烁和边缘闪烁，不易使眼睛疲劳。假设只有10行，图1-1所示为逐行扫描时场逆程回扫的轨迹；图1-2是逐行扫描场正程时的轨迹，实线是行扫描正程轨迹，虚线是逆程轨迹。隔行扫描方式是将一帧电视图像信号分成两场进行扫描。第一场扫出光栅的第1、3、5行等奇数行；第二场扫第2、4、6等偶数行。这样，每一帧图像经过两场扫描，所有像素就可全部传送完。隔行扫描占用的频带是逐行扫描的一半，假定每秒传送25帧图像，那么每秒扫描50场，即场频为50Hz，高于人眼的临界闪烁频率48Hz,解决了亮度闪烁的问题。仍假设只有10行，如图1-3，实线为场正程时的行正程扫描，虚线为行逆程，a到a＇为场逆程扫描轨迹。为了减少视频通道带宽，一般电视系统中均采用隔行扫描的方式。

图1－1 逐行扫描逆程轨迹图1－2 逐行扫描正程轨迹图1－3 隔行扫描为了重现图像，必须传送图像信号。但是，由于图像是顺序传输的，必须加入同步脉冲，使收发两端同步。而且，还要使发送端的行、场逆程期间不传输图像信号，在发端必须加上消隐信号。因此，一个完整的视频图像信号必须包括视

频信号、同步脉冲信号和消隐信号。

1.2 行、场消隐信号

行消隐是指电子束扫描完一行后回扫到另一行继续扫描的时间。行消隐信号就是在行消隐时，消去电子束回扫时留在屏幕上的回程线。行消隐信号由行消隐前肩、行同步、行消隐后肩组成，共12μs。

场消隐也是如此，隔行扫描分两场，从一场到另一场扫描时，也会出现场回程线。场消隐信号为20ms,为了保证在接受端用幅度分离法分出场同步脉冲期间不丢失行同步和保持垂直清晰度不变，在场消隐中加入了开槽和均衡脉冲信号。所以场消隐信号包括5个前均衡脉冲、5个开槽脉冲、5个后均衡脉冲和17或18个行同步信号组成。行、场消隐信号的主要参数如下表：

表1－1 行、场消隐信号的主要参数(单位：μs)

1.3 视频图象信号

310 336

图1－4 黑白全电视信号波形

黑白全电视信号的波形如图1－4黑白全电视信号波形（负极性）所示。它由图像信号及行、场同步，行、场消隐，槽脉冲和均衡脉冲六种辅助信号组成。图中给出了相邻两场的负极性黑白全电视信号波形图，其中，图像信号波形是示意性的。

第二章彩条图像信号

在自然界中，光的颜色与波长是一一对应的，比如，红、橙、黄、绿、青、蓝、紫，就是可见光谱的彩色。而物体的颜色通常是指在自然光（白光）下物体所呈现的彩色。它与物体对光的反射特性、透射特性有关。描述彩色视觉可以采用3个基本参量：亮度、色度和饱和度。

亮度是光作用于人眼所产生的明暗程度的感觉。光源的亮度正比于光通量，而物体的亮度决定于物体反射（或透射）光的能力，也决定于照射该物体的光源的辐射光功率。

色度表示颜色的类别，比如，红色、绿色、蓝色等。光源的色调与光源的所辐射的功率波谱有关。而物体的色调取决于物体对光的反射特性，即物体反射光的光谱成分决定了物体的色调。

饱和度用来描述彩色的深浅程度。饱和度越高，彩色越深；反之，颜色越浅。彩色光的饱和度决定于这种彩色光所含白光的多少。白光越少，则饱和度越高。色调和饱和度合称为色度。用亮度、色度和饱和度3个基本参量就能准确描述彩色光。而非彩色光由于没有色度，故只用亮度描述。

2.1 三基色原理与相加混色

由于人眼的彩色视觉特性，不同彩色刺激会引起不同的彩色感觉。彩色电视正是利用了这一特性来实现的。自然界中，任意一种颜色都可以由三种基色按不同的比例相加混合得到。反之，任意一种彩色都可以被分解为三基色。选择三种基色的要求是：三种基色彼此独立，即其中的一种基色不能用其他的两种基色混合得到。混色实验已经证实，由红、绿、蓝三种颜色以适合的比例相加混合可得到多种彩色。例如，将红色光与绿色光混合可得到黄光；绿色光跟蓝色光相混合是青色光；又如，将红色光和蓝色光想混合可得到紫色光；将红色、蓝色和绿色三种颜色的光相混合就能得到白光。相加混合的结果可用图2-1表示。

根据三基色原理，我们将红、绿、蓝三种基色按不同比例混合，可以获得各种色彩。国际规定下面三种光谱为基色光: 波长为700nm 的红光作为红基色，波

图2－1 三基色相加混色图

长为546.1nm的绿光为绿基色，波长为435.8nm的蓝光为蓝基色。

三路基色信号即R、G、B三个彩色图象信号。完全由三路基色信号来组成彩色传输系统是行不通的，因为三路信号的带宽之和是黑白信号的3倍，既不经济，也不合理；而且，更为重要的是与黑白电视接收机不兼容。所以，要把三个基色信号进行变换，得到一个亮度信号和两个色差信号来作为彩色电视的基本信号。

①亮度信号

为了满足兼容性，彩色信号必须有一种信号与黑白电视系统相同，并能送至黑白电视机显示的黑白图象。这就是与黑白视频信号相同的亮度信号，它与三个基色信号之间的关系式即亮度方程为：

Y = 0.30R+0.59G+0.11B (2-1)

②色差信号

为了传输色度信息，最好的方法是采用色差信号，即基色信号与亮度信号的差，它们是R-Y、B-Y、G-Y。三个色差信号中只有两个是独立的，第三个可用另外两个求出。对于任何颜色，绿色分量对亮度的贡献最大，故G-Y的值比其它两个色度信号小。传送一个小信号对改善信噪比不利，所以只传输R-Y、B-Y两个色差信号。它们与基色信号的关系为：

R-Y = R-(0.30R+0.59G+0.11B)

=0.7R-0.59G-0.11B (2-2) B-Y = B-(0.30R+0.59G+0.11B)

=-0.30R-0.59G+0.89B (2-3)

发送端传输亮度信号Y、色差信号R-Y、B-Y,在接收端按下式恢复出色差信号G-Y 为

G-Y = -[0.30（R-Y）+ 0.11（B-Y）]/0.59

= -0.51（R-Y）- 0.19（B-Y）（2-4）然后，再由3个色差信号加上亮度信号Y得到三个基色信号，完成图象的传送。经过调制的色差信号就是色度信号。

2.2 标准彩条信号

标准彩条信号是一种常用的测试信号，用来对电视系统的传输特性进行测试和调整。而且彩条信号发生器也是一种十分重要可广泛用作视频通道检测的信号源。

标准彩条的图形和信号波形如图2-2所示。图（a）为标准彩条图象，从左到右依次是白、黄、青、绿、紫、红、蓝、黑，共8条等宽的垂直条。图（b）、（c）、（d）分别为彩条所对应的红、绿、蓝三个基色信号的波形，其信号幅度非零即1。彩条所对应的亮度信号电平可根据式（2-1）计算，它是图（e）的8个亮度阶梯波，其中白条所对应的亮度电平最高为1；黑条所对应的亮度电平为零。在黑白监视器上观察到的亮度从左到右递减的垂直条图形。按式（2-2）、（2-3）

计算出8个彩条所对应是色差信号R

0-Y

、B

-Y

波形分别如图（f）、（g）所示。由

于基色信号非零即1，因此彩条中所对应的彩色全为饱和色，是100%的饱和度。

图2－2 标准彩条信号波形图

第三章单片机

单片微型计算机，也称单片机，是微型计算机的一个重要领域。它是一种不需要人工直接干预，能够对各种数字信息进行算术和逻辑运算的快速电子设备。它体积小、功能强、功耗低、可靠性和性价比高的特点，在过程控制、机电一体化产品、智能仪器、家用电器、计算机网络及通讯等方面得到了广泛应用。本设计采用ATMEL公司的89C2051单片机，是一个低电压，高性能CMOS 8位单片机，片内含2k bytes的可反复擦写的只读Flash程序存储器和128 bytes的随机存取数据存储器（RAM），器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准MCS-51指令系统，内置通用8位中央处理器和Flash存储单元。

3.1 8051单片机的基本组成

图3－1 8051的基本组成

8051单片机的基本组成如图3-1所示。它由CPU和8个部件组成，它们都通过片内单一总线连接，其基本结构依然是通用CPU加上外围芯片的结构模式，但在功能单元的控制上采用了特殊功能寄存器的集中控制方法。

CPU及8个部件的作用如下：

①中央处理器CPU

中央处理器是单片机的核心，完成运算和控制功能。

②内部数据存储器

8051芯片中共有256个RAM单元，但其中后128个单元被特殊功能寄存器占用，能作为存储器使用的只是前128个单元，其地址为00H～7FH。通常所说的内部数据存储器就是指这前128个单元，简称内部RAM。

③特殊功能寄存器

特殊功能寄存器(SFR)是用来对片内各部件进行管理、控制、监视的控制寄存器和状态寄存器，是一个特殊功能的RAM区，位于内部RAM的高128个单元，其地址为80H～FFH。

④内部程序存储器

8051芯片中有4K个单元，用于存储程序、原始数据和表格，称为程序存储器，简称内部ROM。

⑤并行I/O口

8051芯片内部有4个8位的I/O口(P0、P1、P2、P3),以实现数据的并行输入输出。

⑥串行口

8051片内有一个全双工的串行口，以实现单片机和其它设备之间的串行数据传送。该串行口功能强大，既可以作为全双工异步通信收发器使用，也可以作为同步移位器使用。

⑦定时器

8051片内有2个16位的定时器，实现定时或计数功能，并以其定时或计数结果对计算机进行控制。

⑧中断控制系统

8051单片机的中断功能强大，以满足控制应用的需要。8051共有5个中断源，

即外部中断2个，定时/计数中断2个，串行中断1个。全部中断分为高级和低级2个优先级别。

⑨振荡电路

8051芯片的内部有振荡电路，外接石英晶体和微调电容即可构成8051单片机产生时钟脉冲序列的时钟电路。系统允许的最高晶体振荡频率为12MHz。

3.2 AT89C2051单片机

AT89C2051是一个功能强大的单片机，但它只有20个引脚，15个双向输入/输出（I/O）端口，其中P1是一个完整的8位双向I/O口，两个外中断口，两个16位可编程定时计数器,两个全双向串行通信口，一个模拟比较放大器。同时，AT89C2051的时钟频率可以为零，即具备可用软件设置的睡眠省电功能，系统的唤醒方式有RAM、定时/计数器、串行口和外中断口，系统唤醒后即进入继续工作状态。省电模式中，片内RAM将被冻结，时钟停止振荡，所有功能停止工作，直至系统被硬件复位方可继续运行。

3.2.1 AT89C2051引脚功能

① P1口

P1口是一组8位双向I/O口，P1.2-P1.7提供内部上拉电阻；P1.0和P1.1内部无上拉电阻，主要是考虑它们分别是内部精密比较器的同向输入端(AIN0)和反向输入端(AIN1)，如果需要应在外部接上拉电阻。P1口输出缓冲器可吸收20mA 电流并可直接驱动LED。当P1口引脚写入“1”时可作输入端，当引脚P1.2-P1.7用作输入并被外部拉低时它们将因内部的上拉电阻而输出电流。P1口还在Flash 闪速编程及程序校验时接收代码数据。

② P3口

P3口的P3.0-P3.5、P3.7是带有上拉电阻的7个双向I/O口。P3.6没有引出，

它作为一个通用I/O口但不可访问，可作为固定输入片内比较器的输出信号，P3口缓冲器可吸收20mA电流。当P3口写入“1”时，它们被内部上拉电阻拉高并可作为输入端口。作输入端时，被外部拉低的P3口将用上拉电阻输出电流。P3口还有第二功能，用于实现AT89C2051特殊的功能，如表3-1所示。

③其它引脚

XTAL1: 振荡器反向放大器及内部时钟发生器的输入端；

XTAL2: 振荡器反向放大器的输出端；

RST: 复位输出。RST引脚一旦变成两个机器周期以上的高电平，所有的I/O 口都将复位到“1” (高电平)状态，当振荡器正在工作时，持续两个机器周期以上的高电平便可以完成复位，每个机器周期为12个振荡时钟周期；

V CC是电源电压；GND是地。芯片引脚图如图3-2所示。

表3－1 P3口第二功能对照表

图3－2 89C2051引脚图

3.2.2 时钟电路

2051单片机内部的振荡电路是一个高增益反向放大器，引线XTAL1和XTAL2分别是放大器的输入和输出端。单片机内部虽然有振荡电路，但要形成时钟，外部还需要附加电路。51单片机的时钟产生方式有两种。

图3－3 内部振荡电路图3－4 CHMOS型外部振荡电路

①内部时钟方式

利用其内部的振荡电路和XTAL1和XTAL2引线上外接定时元件，内部振荡电路便可以产生自激振荡。最常用的是在XTAL1和XTAL2之间连接晶体振荡器和电容构成稳定的自激振荡器，如图3-3所示。晶体可在1.2MHz～12MHz之间选择；电容无严格要求，但它的取值对振荡频率的稳定性、大小、振荡电路的起振速度有影响。

②外部时钟方式

在由多个单片机组成的系统中，为了个单片机之间时钟信号的同步，应当引入唯一的合用外部振荡脉冲作为个单片机的时钟。外部时钟允许更大的时钟频率，如2051单片机允许不超过24MHz的外部时钟频率，比内部晶体振荡器要高一倍。

外部时钟方式是把外部振荡信号直接接入XTAL1或XTAL2。CHMOS型单片机由XTAL1进入，外部振荡信号接至XTAL1，而XTAL1不接，如图3-4所示。

3.2.3 复位电路和复位状态

51单片机的复位是靠外部电路实现的。单片机工作后只要在RESET引线上加载10ms以上的高电平，单片机就能有效的复位。

① 复位电路

51单片机通常采用上电自动复位和按钮自动复位两种方式。如图3-5所示。上电瞬间，RC 电路充电，RST 引线端出现正脉冲，只要RST 端保持10ms 以上高电平就能使单片机有效得复位。

② 复位状态

复位电路的作用是使单片机执行复位操作。复位操作主要是把PC 初始化为0000H ，使单片机从程序存储器的0000H 单元开始执行程序。程序存储器的0003H 单元即是MCS-51单片机的的外部中断0的中断处理程序的入口地址。留出的0000H ～0002H3个单元地址，仅能够放置一条转移指令。除PC 之外，复位还对其它的一些特殊功能寄存器有影响，但对片内RAM 的状态(包括通用寄存器Rn)不影响。

3.3 指令的时序

3.3.1指令周期和机器周期

① 指令周期

计算机在程序的控制下工作，先把程序放到存储器的某个区域，再命令机器运行；CPU 就发出读指令的命令，从指定的地址(由PC 给定)读出指令，把它送到指令寄存器中。再经过指令译码器分析指令，发出一系列控制信号，以执行指令规定的全部操作，控制各种信息在计算机各部件之间传送。每条指令的执行由取指令、译码和执行构成。执行一条指令所需要的时间就是指令周期。

图3－5 简单的复位电路

②机器周期

把指令周期划分为一个个的机器周期，一个机器周期等于12个振荡脉冲周期。即当振荡脉冲频率为12MHz时，一个机器周期为1μs；当振荡脉冲频率为6MHz 时，一个机器周期为2μs。

3.3.2 MCS-51指令的时序

MCS-51共有111条指令，全部指令按其长度可分为单字节指令、双字节指令和三字节指令.执行这些指令所需要机器周期数不同，主要有以下几种情况：单字节指令单机器周期，单字节指令双机器周期，单字节指令四机器周期(乘除指令)，双字节指令单机器周期，双字节指令双机器周期和三字节指令双机器周期。具体情况请对应MCS-51指令表。

表3－2 部分MCS-51指令表

第四章电视彩条信号发生器的设计

本课程设计所涉及的彩条信号发生器，是利用单片机产生序列行、场同步信号（参见图1－5）和R、G、B三基色信号（参见图2－2），然后输入给视频编码芯片AD722产生白、黄、青、绿、紫、红、蓝、黑8种颜色的彩色条状图像信号。视频编码芯片AD722是美国模拟器件公司ADI生产的低成本的RGB编码器，可以把红色,绿色和蓝色组合成相应的、符合NTSC/PAL标准的亮度和色度信号，可同时产生复合电视信号和S-Video信号输出。

图4－1 彩条信号发生器系统框图

4.1 视频编码芯片AD722

4.1.1 AD722引脚功能

AD722引脚如图4－2所示，采用16引脚的SOIC封

装。RIN、GIN、BIN脚是三基色信号输入端；VSYNC、

HSYNC脚是行场同步信号的输入端。基色信号、行场

同步信号及电源、时钟脉冲等信号，经过编码后产生

图4－2 AD722引脚图适合S-Video接口的亮度信号(LUMA)和色度信号

(CRMA)，以及由色度和亮度信号合成产生的复合信号(COMP)输出。各引脚功能如表4－1所示。

表4－1 AD722引脚功能表

4.1.2 芯片工作原理

首先，由高低电平选定芯片的工作制式NTSC/PAL制和对应的时钟频率FSC/4FSC；当工作于FSC(副载波频率)模式时，芯片内部的锁相环电路(PLL)用来产生一个内部的4FSC时钟用于色度调制。当工作与4FSC(4倍副载波频率)模式时，锁相环电路(PLL)被设置为旁路。

三基色信号RGB通过钳位电路输入，当行同步信号(HSYNC)在下跳沿时钳位电路开始工作，恢复视频信号中的直流分量。然后三基色信号RGB经过编码矩阵(ENCODING MATRIX),完成式(2-1)～式(2-3)以及式(4-1)、式(4-2)的变化和幅度压缩,产生亮度信号(Y)和色度信号(U、V)。三基色信号RGB到亮、色度信号Y、U、V的转换，采用的是下面的公式：

U = 0.493×(B–Y) (4-1)

V = 0.877×(R–Y) (4-2)

之后，在延时线之前，亮度信号(Y)先通过3极贝塞尔低通滤波器以防止失真。亮度信号再加入复合消隐脉冲(CSYNC),经过延迟线170ns的延时后使三路信号均衡输出。

图4－3 AD722功能方框图

为防止在平衡调幅之前失真，色度信号(U、V)首先经过4极修正贝塞尔低通滤波器并加入色同步信号(BURST)。经调制后的色度信号独立的通过平衡调幅到达积分器合成色度信号输出。单独的亮度和色度信号输出用于S-Video接口的信号；通过加法器的亮度和色度信号合成复合视频信号，是一个全电视信号(CVBS)。两种信号可同时使用。

AD722的4FSC时钟驱动一个数字分离器(SYNC SEPARATOR)产生积分信号送到平衡调幅器。参考相位00用于U调制，相位900/2700用于NTSC/PAL制的V调制。行场同步信号(HSYNC、VSYNC)通过异或门(XNOR)产生复合同步信号(CSYNC)和色同步信(BURST)。

4.2 系统的硬件设计

4.2.1 主时钟的选择

系统时钟的选择，是系统设计的一个关键问题，它取决于系统所要求的的脉冲宽度的最小值的倒数,并将决定系统的稳定性和可靠性。本设计将由单片机产生的5种不同的信号，RGB是电视屏幕中图形的基色信号；行场同步是电视机识别该信号的先决条件，它们保证系统和电视机电子束扫描同频同相，使在屏幕上能显示出由RGB信号描述的图形。

电视机标准的行场同步信号参数如表1-1。由表可知，最小的脉冲宽度是行消隐时的行前肩，为1.5±0.3μs；其次是均衡脉冲2.35±0.1μs；还有行同步和开槽都是4.7±0.2μs。这几个小的脉冲宽度之间不成整数比，因此它们不能作为系统时钟的基准。由于指令周期有1、2 、3或者4个机器周期，所以系统的机器周期必须小于1.5±0.3μs一倍以上，而且行、场周期是确定的64μs和20ms，机器周期也必须是它们的整数分之一，才能用指令产生符合标准的脉冲。

前述三个脉冲取如下值时：1.6μs、2.4μs和4.8μs，它们正好是0.8μs的整数比。而且0.8μs也正好是行、场周期的整数分之一。以0.8μs的机器周期计算，每个参数具体的描述情况如下：

时钟： 15MHz 机器周期(1/15)x10-6 x12 = 0.8μs

一行： 64μs（80个周期）

行消隐：前1.6μs ＋同步4.8μs ＋后5.6μs 。（2个周期“0”＋6个周期“1”

＋7个周期“0”）

一场： 312.5行20ms（25000个周期）

均衡脉冲：前2.4μs （3个周期“1”）＋后29.6μs（37个周期“0”）（每组5个）开槽脉冲：前27.2μs（34个周期“1”）＋后4.8μs（ 6个周期“0”）（每组5个）场消隐：前160μs （5个均衡脉冲）＋同步160μs（5个开槽脉冲）＋后160μs