Исследование гамма корректоров

1.Роль гамма корректоров в телевидении

Одним из основных свойств телевизионной системы  является правильное воспроизведение  на экране приемника распределения  яркости в поле объекта. Это свойство телевизионной системы отображается ее полутоновой характеристикой, представляющей собой зависимость:

B_из=f (B_oб)

Где B_из – яркость экрана телевизионного приемника, а  B_oб – яркость объекта.

При точном воспроизведении  уровней яркости отдельных элементов  объекта график этой характеристики представлял бы собой прямую линию  с наклоном в 45⁰ (рис 1, линия 1).

В реальных телевизионных  системах график этой функции представляет собой выпуклую или вогнутую кривую.

Из приведенного графика ясно, что в системах с  нелинейной полутоновой характеристикой (кривые 2 и 3 на рис.1), яркости объекта соответствует нелинейное изменение яркости на телевизионном экране. Это приводит к искажению передачи полутонов в изображении. Если телевизионная система имеет полутоновую характеристику второго вида (кривая 2), то происходит увеличение контраста изображения при больших уровнях яркости, а при характеристике 3-го вида (кривая 3) наоборот уменьшение контраста при больших уровнях яркости.

Представленные  на рис. 1 графики (кривые 2 и 3) удобно выразить в виде степенной функции вида: 

B_из =kB^γ_oб

При этом для кривой 2 показатель степени γ<1, а для кривой 3, γ>1.

Нелинейность  полутоновой характеристики телевизионной  системы связана с нелинейностью  передаточных характеристик звеньев  системы: световой характеристики свет-сигнал, например, передающей телевизионной  трубки:

I_с=f₁(E_ф)

Где I_с - ток сигнала трубки, E_ф – освещенность фотомишени трубки;

Амплитудной характеристики тракта передачи сигнала:

U_вых=f₂(U_вх)

Модуляционной характеристики кинескопа:

B_из=f₃(U_с)

Где U_с – напряжение видеосигнала на модуляторе кинескопа.

Все три вида характеристик (рис.1), с достаточной  для практики точностью, могут быть аппрокоммированы степенными функциями:

         I_с=k₁E^γф_ф –световая характеристика;

         U_вых=k₂U_вх^γтр-амплитудная характеристика тракта;

         B_из=k₃U_с^γк-модуляционная характеристика кинескопа.

В этиж выражениях γ_ф , γ_тр , γ_к – коэффициэнты нелинейности соответствующих звеньев телевизионной системы.

Результирующий  коэффициент нелинейности телефизионной  системы равен:

γ= γ_ф γ_тр γ_к

Для придания результирующей полутоновой характеристике требуемой формы в состав телевизионной  системы вводят корректирующий нелинейный элемент о соответствующем значении γ_корр , называемый гамма-корректором.

С введением  гамма-корректор результирующий коэффициент  нелинейности будет равен:

γ= γ_ф γ_тр γ_к γ_корр          (1)

Следует отметить, что коэффициент γ не обязательно должен быть равен 1, в частности, в специализированных прикладных телевизионных системах может возникнуть необходимость искуственного контрастирования изображения и, тогда γ может быть, в одних случаях больше 1, в других – меньше 1.

Опыт черно-белого телевидения в кино показывает, что  зрительное восприятие изображений  улучшается при γ≈1,3, изображение становится как бы рельефным.

Из соотношения (1), при известных величинах γ, γ_ф , γ_тр , γ_k и γ_корр можно определить значение коэффициента нелинейности гамма-корректора:

Особую роль гамма-коррекция приобретает в  системах цветного телефидения.

Как известно, в составе телевизионной камеры цветного телевидения работают три, а в некоторых типах камер, четыре передающие трубки.

Остановимся на трехтрубочном варианте камеры. В такой камере передающие трубки работают каждая в одном монохроматическом  световом потоке (красном, зеленом или  синем).

Каждая их трех трубок обладает определенной формой световой характеристики и тогда, даже при одинаковом уровне освещенности на их фотомишенях, величины токов видеосигналов будут различными и соотношения между этим токами будут иными, чем между вызвавшими их освещенностями, т.е. :

E_R : E_B : E_G ≠ I_R : I_B : I_G

Каждая  из изображенных на рис.2 световых характеристик имеет свой коэффициент нелинейности: γ_R , γ_B , γ_G

В связи с  этим невозможно скомпенсировать неравенство  величин видеосигналов на любых, одинаковых в цветоделенных каналах, уровнях освещенности, путем подбора  коэффициентов усиления предварительных  усилителей камеры k_R , k_G , k_B (рис.3).

Для получения  равных, при одинаковых освещенностях  на фотомишенях, видеосигналов, например, при равносигнальном белом цвете, нужно скомпенсировать нелинейности световых характеристик всех трех передающих трубок с учетом нелинейности модуляционных характеристик кинескопов приемников. Если не производить гамма-коррекции, то произойдет нарушение цветового баланса и появятся искажения цветового тона в изображении.

Очевидно, что различие в коэффициентах γ_R ≠ γ_B ≠ γ_G вызовет различие и в величинах γ_{R корр} ≠ γ_{B корр} ≠ γ_{G корр} .

Анализ влияния  нелинейности световых характеристик  передающих трубок в составе передающих камер (или модуляционных характеристик  кинескопов приемников) даже при их инентичности показывает, что нелинейные искажения в цветоделенных каналах  приводят к нарушению цветового  тона и насыщенности цветов. Это  хорошо видно на цветовом графике, представленном на рис.4.

Рис.4. Цветовой график – Локус.

 

Как видно из представленных кривых, при  больших значениях γ т.е. при γ>1 , увеличивается насыщенность и цветовой тон воспроизводимой детали. Если при этом цвет детали сильно насыщен, то изменяется в большей мере его цветовой тон и напротив, при малой насыщенности цвета детали, она изменяется в сторону увеличения.

Если  же полутоновая характеристика системы  имеет γ<1, то насыщенность воспроизводимого цвета уменьшается.

Таким образом, нормальная работа цветной телевизионной  системы без введения в ее состав гамма-корректоров невозможна.

 

2.Принципы построения гамма-корректоров

В основе принципов построения гамма-корректоров  лежит исользование четырехполюсников  с нелинейной передаточной функцией.

Такие гамма-корректоры могут быть построены  в виде нелинейных делителей напряжения, либо в виде усилителей с нелинейной нагрузкой.

В практике телевидения этот, последний, вид гамма-корректоров используется наиболее часто.

Как правило, используются два вида схем: резисторный усилитель с нелинейной нагрузкой (рис.5) или каскад с общим  коллектором и с нелинейным делителем  напряжения в цепи эмиттера (рис.6).

Работа  схемы с нелинейной коллекторной нагрузкой (рис.5) протекает следующим образом. С помощью делителей R₂R₅, R₃R₆, R₄R₇, при отсутствии входного сигнала на базе транзистора на диоды D₁, D₂, D₃ подается запирающее напряжение и, таким образом, коллекторной нагрузкой транзистора является резистор R₁. По мере увеличения входного напряжения на базе транзистора, увеличивается падение напряжения на R₁ и тогда диоды один за другим, последовательно открываясь, параллельно R₁ подключают сначала R₂ R₅, затем R₃ R₆ и R₄ R₇. При этом коэффициент усиления каскада постепенно убывает (при такой полярности включения диодов γ<1), т.е. схема работает, как ускоритель с изменяющимся в зависимости от величины входного сигнала, коэффициентом усиления.

Выражение для коэффициента усиления каскада  запишется так:

Где Rγ(U_вх) – сопротивление делителей напряжения, зависящее от величины U_вх.

Схема, изображенная на рис.6 , работает следующим образом.

При запертых диодах D₁, D₂, D₃ схема работает эмиттерный повторитель с нагрузкой R₁, по мере открывания диодов входное напряжение делится и, таким образом, коэффициент усиления каскада по мере роста входного сигнала возрастает (при такой полярности включения диодов γ>1). Нормальная работа схемы обеспечивается при условии, что R₁<< R_э +R₂.

Выражение для  входного напряжения корректора при  этом запишется так:

 

 

где - эквивалентное сопротивление группы параллельно включенных цепей, состоящих из последовательно соединенных диодов и резисторов.

В схеме с  тремя диодами  будет иметь три значения:

- при открытом  диоде Д₁:

- при двух  открытых диодах (Д₁ и Д₂):

- при трех  открытых диодах:

Здесь - внутренне сопротивление открытых диодов.

Для обеспечения  эффективной работы гамма-корректора следует иметь ввиду, что видеосигналы на вход гамма-корректора (именно каскада γ – коррекции), следует подавать с восстановленной постоянной составляющей. В связи с этим во входной цепи каскада коррекции необходимо использовать управляемую схему восстановления постоянной составляющей (ВПС).

Методика  расчета приведенных схем излагается в последующих разделах пособия.

Расчет схемы  с эмиттерной нагрузкой ведется  как расчет эмиттерного повторителя  и дополняется расчетом управляемого входным сигналом делителя напряжения.

Следует отметить, что приведенные схемы (рисунки 5 и 6), могут работать в любом из режимов: с γ > 1 и с γ < 1. Это зависит от полярности диодов и выбора величин, запирающих их напряжений.

3. Порядок  расчета гамма-корректора

Прежде чем  приступить к расчету гамма –  корректора, следует выбрать его  структурную схему. Структура корректора определяется двумя предварительными условиями: необходимостью получения на его выходе позитивного сигнала, а также согласованием его выходного сопротивления с волновым сопротивлением коаксиального кабеля, с помощью которого корректор соединяется с другими устройствами телевизионного тракта.

Из названнах  условий следует, что выходной каскад следует строить по схеме эмиттерного  повторителя, а число каскадов, изменяющих полярность входного сигнала, должно быть таким, чтобы выходной сигнал оказывался бы в позитивной полярности.

Как правило, входной каскад корректора следует  строить как видеоусилитель по схеме  с общим эмиттером со стабилизируемым  положением рабочей точки транзистора. Следующий каскад строится по схеме, собственно, гамма – корректора, в базовую цепь которого включена схема восстановления постоянной составляющей, задающая положение рабочей точки  транзистора. В качестве оконечной  ступени выбирается эмиттерный повторитель (ЭП) (рис.7).

При таком построении устройства коэффициент  нелинейности корректирующего каскада  будет иметь величину, обратную заданному  коэффициенту, т.е 

 

3.1. Предварительный расчет корректора

3.1.1. Определим  общий коэффициент усиления корректора  по напряжению:

при этом

3.1.2. Учитываем, что для ЭП коэффициент усиления меньше единицы К_эп < 1, например, равен 0,7 – 0,8 , тогда коэффициент усиления двух других каскадов равен:

Для корректирующего  каскада коэффициент усиления можно  выбрать из условия:

Здесь К_вх – коэффициент усиления входного каскада, а К_γ – коэффициент корректирующего каскада.

3.1.3. Определив коэффициент усиления корректирующего каскада, определяем коэффициент усиления входного каскада.

3.1.4. Разбиваем диапазон изменения входного напряжения (от уровня черного до уровня белого) на 10-ть равных интервалов, после чего путем умножения интервальных значений входного напряжения на коэффициент усиления входного каскада определяем значение выходного напряжения для корректирующего каскада каскада по формуле , приняв , . По полученным данным строим график зависимости.

Uвх	0,01	0,02	0,03	0,04	0,05	0,06	0,07	0,08	0,09	0,1
Uвых	0,1	0,14	0,17	0,2	0,22	0,24	0,26	0,28	0,3	0,32

 

3.1.5. Строим график зависимости рис.8, приняв , приняв

Рис.8. График зависимости

3.1.6. Разбиваем кривую зависимости, построенную в п.3.1.5, на равные участки. Число участков, на которые разбивается кривая, зависит от величины гамма. При значениях гамма близких к 1, число участков можно уменьшить до 3 – 5-ти.

3.1.7. Для каждого из участков кривой вычисляется коэффициент усиления:

Значения  коэффициентов сводятся в таблицу 1.

Участок	АБ	БВ	ВГ	ГД
	0.07	0.07	0.03	0.05
	0.022	0.028	0.022	0.018
Коэф.усиления(Кi).	3.18	2.5	1.36	2.8

Таблица 1.

                   

           ET

 

                                                     ВПС

 

Рис.7. Структурная  схема гамма-корректора с отрицательно

полюсным (негативным) сигналом у входа.

 

Принципиальная  схема гама-корректора корректора с  отрицательно

полюсным (негативным) сигналом у входа.

Выбираем  транзистор КТ301А и строим рабочую точку на входной и выходной характеристиках этого транзистора.

Дано: транзистор КТ301А, напряжение питания Е_К = 12В, сопротивление нагрузки                  R_Н = 150Ом, постоянный ток смещения в цепи базы I_Б0 = 10 мкА, амплитуда переменной составляющей тока базы I_БМ= 150мкА.

Выходные статические характеристики транзистора с необходимыми построениями показаны на рисунке 9. Нагрузочная линия соответствует графику уравнения I_К=(E_К-U_КЭ)/R_Н. На семействе выходных характеристик ордината этой прямой при U_КЭ=0 соответствует точке I_К=E_К/R_Н. Абсцисса при I_К=0 соответствует точке U_КЭ=Е_К. Соединение этих координат и является построением нагрузочной линии. В нашем случае координаты нагрузочной линии: I_К = 12/1000 = 80 А и          U_КЭ = 12В. Соединяя эти точки, получаем линию нагрузки.

Пересечение нагрузочной линии  с заданным значением тока базы I_Б0 определяет рабочую точку (РТ) транзисторного каскада, нагруженного на резистор. В нашем случае рабочая точка соответствует пересечению нагрузочной прямой с характеристикой при I_Б= 200мкА. На входных характеристиках рабочую точку определяем как точку пересечения ординаты, соответствующей току I_Б0=200 мкА, и характеристики при U_КЭ=40 В (РТ). Определяем:                    U_БЭ0= 0,765В.

 

 

 

                                                                                          

                      

Рисунок 9. Выходные характеристики КТ602А.

 

 

 

Рисунок 10. Входная характеристика

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3.1.9. Выбор  транзистора для корректирующего  каскада следует производить  ориентируясь на его частотные  свойства. С этой целью определяется  время установления на все устройство, которое в нашем случае состоит из трех каскадов:

Здесь – верхняя  частота видеосигнала.

Время установления на каскад будет равно где –  число каскадов.

Следует выбрать  транзистор, у которого или.

3.1.10. Выбираем  положение рабочей точки на  входной и выходной характеристиках  используемого транзистора. При  выборе рабочей точки следует  распологать ее с учетом полярности  напряжения видеосигнала на базе  транзистора. При позитивном видеосигнале  рабочая точка выбирается в  нижней части кривой входной  характеристики, если же сигнал  негативный, то наоборот – в  верхней части. Причем, в обоих  случаях так, чтобы при полном  размахе входного напряжения  не было отсечки коллекторного  тока.

3.1.11. После  выбора рабочей точки, следует  вычислить по характеристикам  транзистора значение. Опеределить  можно также по формуле, где  – значение из справочника, - значение  тока в рабочей точке, - значение  коэффициента из справочника.

3.1.12. Опеределим  величину

Прежде чем  производить расчет остальных элементов  корректирующего каскада, необходимо рассчитаь цепи стабилизации режимов  входной ступеней устройства. После  расчета этих каскадов, будут известны их входные сопротивления и можно  будет продолжить расчет корректирующего  каскада.

 

-----------------------------------------

3.1.1. Опеределим  общий коэффициент усиления корректора  по напряжению:

 

3.1.2. Учитываем,  что для ЭП коэффициент усиления  меньше единицы К_эп < 1, например, равен 0,7 – 0,8 , тогда коэффициент усиления двух других каскадов равен:

Для корректирующего  каскада коэффициент усиления можно  выбрать из условия:

Здесь К_вх – коэффициент усиления входного каскада, а К_γ – коэффициент корректирующего каскада.

3.1.3. Определив  из п.3.1.2 коэффициент усиления  корректирующего каскада, определяем  коэффициент усиления входного  каскада.

3.1.4. диапазон  изменения входного напряжения (от  уровня черного до уровня белого) на 10-ть равных интервалов, после  чего путем умножения интервальных  значений входного напряжения  на коэффициент усиления входного  каскада определяем значение  входного напряжения для корректирующего  каскада.

3.1.5. Строим  график зависимости рис.8, приняв

3.1.6. Разбиваем  кривую зависимости, построенную  в п.3.1.5, на равные участки. Число  участков, на которые разбивается  кривая, зависит от величины гамма.  При значениях гамма близких  к 1, число участков можно уменьшить  до 3 – 5-ти.

3.1.7. Для каждого  из участков кривой вычисляется  коэффициент усиления:

Значения  коэффициентов сводятся в таблицу 1.

Участок	АБ	БВ	ВГ	ГД
Коэф.усиления.

Таблица 1.

3.1.8. Из выражения  для К_γ определяем численное значение произведения (для схемы корректора рис.5): здесь g₂₁^`- статический коэффициент усиления транзистора в выбранной рабочей точке, R_э – эквивалентное сопротивление нагрузки транзистора (в коллекторной цепи), К_i – коэффициент усиления из таблицы 1 для верхнего интервала входных напряжений корректирующего каскада.

3.1.9. Выбор транзистора для корректирующего каскада следует производить ориентируясь на его частотные свойства. С этой целью определяется время установдения на все устройсвто, которое в нашем случае состоит из трех каскадов:

Здесь – верхняя  частота видеосигнала.

Время установления на каскад будет равно где –  число каскадов.

Следует выбрать  транзистор, у которого или.

3.1.10. Выбираем  положение рабочей точки на  входной и выходной характеристиках  используемого транзистора. При  выборе рабочей точки следует  распологать ее с учетом полярности  напряжения видеосигнала на базе  транзистора. При позитивном видеосигнале  рабочая точка выбирается в  нижней части кривой входной  характеристики, если же сигнал  негативный, то наоборот – в  верхней части. Причем, в обоих  случаях так, чтобы при полном  размахе входного напряжения  не было отсечки коллекторного  тока.

3.1.11. После  выбора рабочей точки, следует  вычислить по характеристикам  транзистора значение. Опеределить  можно также по формуле, где  – значение из справочника, - значение тока в рабочей точке, - значение коэффициента из справочника.

3.1.12. Опеределим  величину

Прежде чем  производить расчет остальных элементов  корректирующего каскада, необходимо рассчитаь цепи стабилизации режимов  входной ступеней устройства. После  расчета этих каскадов, будут известны их входные сопротивления и можно  будет продолжить расчет корректирующего  каскада.

 

3.2. Расчет  цепей стабилизации положения  рабочей точки

 

В качестве схемы  стабилизации наиболее часто применяют  схему с отрицательной обратной связью по току (рис.9).

3.2.1. Выберем  коэффициент стабилизации, который,  как правило, должен лежать  в пределах:

где – коэффициент  усиления транзистора в схеме  с общей базой.

Ориентирвочно коэффициент стабилизации следует  выбирать, т.к. при значении S_с , стремящемся к единице, уменьшается входное сопротивление каскада и растет ток входного делителя напряжения.

3.2.2. Выбираем  положение рабочей точки на  входной характеристике транзистора,  ориентируясь на положение п.3.1.10.

Отметим, что  как правило, во входном каскаде  используется тот же транзистор, что  и в корректирующем каскаде.

3.2.3. Для выбранной  рабочей точки опеределяем

3.2.4. Выбираем  ориентировочное значение самопроизваольного  изменения значения коллекторного  тока (например, под действием тепла  и др. факторов).

3.2.5. Принимаем  значение падения напряжения  на эмиттерном сопротивлении  R_эм  равным:

и определяем

3.2.6. По заданной  максимальной рабочей температуре  устройства t_макс , определяем изменение тока коллекторного перехода:

из справочника  для температуры 20^oC.