EE3023 - Videotechnik

Das Videomodul

Das Herzstück dieses Experimentierkastens bildet das Videomodul. Es liefert für den Bildaufbau am Fernseher die notwendigen Signale. Verschiedene elektronische Schaltungen können an das Videomodul angeschlossen werden um mit ihnen Bilder oder Funktionen am Bildschirm darzustellen. Das Videomodul besteht in seinem Aufbau aus einem Impulsgeber, einem 12 Bit Dualzähler, einen LC-Oszillator und aus einem Hochfrequenz-Modulator.

Impulsgeber
Als Impulsgeber kommt ein Astabiler Multivibrator zum Einsatz. Dieser erzeugt eine Rechteck-Frequenz in Höhe von 125 kHz. Die Frequenz des Impulsgebers kann zum Abgleich der einzelnen Experimente mit dem rechten Trimm-Potentiometer (R11) nachjustiert werden. Dies ist von Fall zu Fall bei den einzelnen Schaltungen auch notwendig, um ein sauberes Bild darstellen zu können.

Der 12 Bit Dualzähler
Da das Fernsehbild eine Zeilenfrequenz von 15.625 Hz und eine Bildfrequenz von 50 Hz benötigt, muß das vom Impulsgeber erzeugte Rechtecksignal mit Hilfe des Dualzählers in weitere Frequenzen eingeteilt werden. Der 12 Bit Dualzähler besteht aus 12 in Reihe geschalteten Bistabilen Multivibratoren (FlipFlops). Jedes dieser FlipFlops halbiert die im zugeführte Frequenz und stellt diese gesondert an den Ausgängen Q1 - Q4, Q5 - Q8 sowie an VS (Zeilenfrequenz) und HS (Bildfrequenz), gemäß unten aufgeführter Tabelle zur Verfügung (im Anleitungsbuch ist die Schaltungstechnik der Frequenzteilung ausführlich beschrieben). Mit diesen Ausgängen und auch weiteren äußeren Beschaltungen können die Steuersignale für das Fernsehbild erzeugt werden.

LC-Oszillator
Der LC-Oszillator erzeugt eine Trägerfrequenz im Bereich von 40 - 68 MHz. Mit dem linken Trimm-Potentiometer (R16) des Videomoduls, kann die Höhe der Frequenz auf die Empfängerfrequenz des Fernsehers eingestellt werden. Der Programmschalter des Fernsehers muss dabei auf den Kanal 2, 3 oder 4 eingestellt sein. Die Trägerfrequenz wird zur weiteren Verarbeitung noch dem Hochfrequenz-Modulator zugeführt.

Hochfrequenz-Modulator
Die durch das Videomodul erzeugten Steuersignale können direkt oder über weitere äußere Beschaltungen den Eingängen E1 und E2 zugeführt werden. Im Hochfrequenz-Modulator werden diese Signale der Trägerfrequenz aufmoduliert und stehen anschließend zur Übertragung am Antennen-Ausgang zur Verfügung.

ZeilenfrequenzBildfrequenz
Q1 125.000 Hz Q5 400 Hz
Q2 62.500 Hz Q6 200 Hz
Q3 31.250 Hz Q7 100 Hz
Q4 15.625 Hz Q8   50 Hz
HS 15.625 Hz VS   50 Hz

Bildmuster-Generator

Das analoge Fernsehbild wird im sogenannten Zeilensprung-Verfahren aufgebaut. Dabei werden die Bildinformationen Zeile für Zeile auf den Bildschirm geschrieben. Der Bildschirm selbst ist in 625 Zeilen eingeteilt. Damit nun ein Vollbild darstellen werden kann, muss das einzelne Bild vor der Übertragung zeilenweise zerlegt und beim späteren Empfang, wieder entsprechend der einzelnen Zeileninformation, zusammengesetzt werden. Um für den Betrachter ein fließendes Bewegungsbild entstehen zu lassen, werden 25 Einzelbilder pro Sekunde auf dem Bildschirm dargestellt. Somit muss der Elektronenstrahl einer Bildschirmröhre in der Sekunde 25 x 625 = 15.625 Zeilen auf den Bildschirm schreiben. Für ein weitestgehend flimmerfreies Bild, wird das ursprüngliche Vollbild allerdings in zwei Halbbilder eingeteilt. Diese Halbbilder sind in gerade Zeilen und ungerade Zeilen aufgeteilt und werden nacheinander pro Sekunde aus je 25 Einzelhalbbilder aufgebaut. Zusammen ergibt das eine Bildfrequenz von 50 Hz.


Helligkeitssteuerung
Das Fernsehbild besteht aus unterschiedlich hellen und dunklen Bildpunkten. Die Helligkeit dieser Punkte ist dabei abhängig von der Höhe der Spannung des Bildimpulses. Wird zum Beispiel der Eingang E1 des Videomoduls über einen Vorwiderstand mit dem Pluspol der Versorgungsspannung verbunden, so erscheint die Bildschirmfläche in Weiß. Wird dagegen der Eingang an den Minuspol gelegt, so bleibt der Bildschirm schwarz. Über die Höhe der Spannung des Bildimpulses lassen sich die verschiedensten Graustufen darstellen. Je höher die Spannung, desto heller der Bildpunkt.


Schwarz-Weiß Feld
Wird nun der Eingang E1 mit dem Zeilenimpuls 15.625 Hz verbunden (Ausgang Q4), entsteht auf dem Bildschirm ein Schwarz-Weiß Feld. Die zugefühte Impulsfrequenz entspricht der Zeilenfrequenz des Fernsehers. Mit jedem Zeilenimpuls steht durch das zugeführte Rechtecksignal für eine halbe Zeile ein 0-Signal und für die andere Hälfte ein 1-Signal. Das 0-Signal weist keine Spannung auf, der Bildschirm bleibt an dieser Stelle schwarz. Die Zeilenimpulsfrequenz kann über den Ausgang Q5 verdoppelt werden (31.250 HZ). Auf diese Weise entstehen auf dem Bildschirm zwei vertikale schwarze und zwei weiße Balken.

Karomuster
Ein Karomuster kann erzeugt werden, in dem der Eingang des Videomoduls mit einem Bildfrequenzimpuls und einem Zeilenfrequenzimpuls verbunden wird. Dazu werden die Ausgänge Q2 und Q6 über je eine Diode an den Eingang E2 geschaltet. Die beiden Dioden stellen dabei eine ODER-Verknüpfung dar, so das 1-Signale immer an den Eingang des Videomoduls gelangen können. Nur wenn beide Impulsausgänge gleichzeitig ein 0-Signal führen, entsteht auf dem Bildschirm ein schwarzes Karo. Da diese Bedingung mehrfach auftritt, entsteht ein Karomuster.


Senkrechte schmale Streifen
Die Frequenzen der Ausgänge Q1 - Q4 weisen ein Tastverhältnis von 1:1 auf. Die Zeitdauer des 1-Signal hat die gleiche Länge wie das 0 - Signal. Will man nun schmale weiße Vertikalbalken erzeugen, muss die Zeitdauer des 1-Signales verkürzt werden. Dazu wird das Rechtecksignal von Q3 über ein Differenzierglied (RC-Kombination), bestehend aus eine Widerstand und einem Kondensator, in ein Nadelimpuls umgewandelt. Die Umformung des Rechtecksignals in Nadelimpulse nennt man Differenzierung. Bei einer Differenzierung werden nur die Schaltflanken des Rechtecksignals übertragen. Je größer dabei der Kondensator ist, desto länger dauert die Entladung und um so breiter erscheint der vertikale Balken. Während der Ladedauer des Kondensators wird anschließend das 1-Signal in ein 0-Signal umgewandelt und der Bildschirm bleibt an dieser Stelle dunkel. Die Einschaltimpulse treten bei der Frequenz des Ausgangs Q3 (31.250 Hz) zweimal pro Zeile auf, wodurch zwei schmale weiße Balken entstehen.


Aufbau des Oszilloskop

Impulsformer für Sinussignal
Das Videomodul liefert an seinen Ausgängen lediglich rechteckige Impulse. Um das Fernsehgerät auch als (einfaches) Oszilloskop benutzen zu können, soll aus dem Rechteck-Signal eine Sinusschwingung erzeugt werden. Dies erreicht man durch Filter, die aus drei hintereinander geschalteten RC-Gliedern (Reihenschaltung aus Widerstand und Kondensator) bestehen. Die zugeführten Rechteck-Impulse werden durch die Lade- und Entladevorgänge der Kondensatoren in einen Sinusimpuls umgewandelt. Um die Spannungsverluste am Ausgang des Filters wieder auszugleichen, erfolgt eine Rückkopplung über den nachgeschalteten Transistor als Verstärker. Der Impulsformer erfüllt im Zusammenhang mit dem Oszilloskop-Zusatz die Funktion des Sinus-Rechteck-Generators.


Oszilloskop-Zusatz als Impulsdehner
Mit den Signalen des Impulsformer können noch keine Sinusschwingungen auf den Bildschirm dargestellt werden. Wird der Ausgang des Impulsformers direkt mit dem Eingang des Videomoduls verbunden, zeigt das Fernsehgerät nur eine Folge von abgestuften Graustufen. Das Sinussignal kann noch nicht in einer Kurve dargestellt werden und muss weiter aufbereitet werden. Im Oszilloskop-Zusatz kommt ein Integrierter Baustein (IC) zum Einsatz, der 4 voneinander unabhängige monostabile Multivibratoren enthält. Ein solcher Baustein kann auch zur Zeitverzögerung bzw. Impulsdehnung eingesetzt werden. Die Zeitverzögerung wird dabei durch die äußere Beschaltung der verwendeten Bauteile bestimmt. Durch das Dehnen des Zeilensynchronimpuls entsteht eine vertikale weiße Linie, die bei Zuführung von Sinale z. B eines Sinus-Impules, diesen Sinalverlauf folgt und entsprechend auf dem Bildschirm darstellt.

Im Verdrahtungsplan des Oszilloskop-Zusatz hat sich ein Fehler eingeschlichen. Der Elektrolyt-Kondensator C4 ist dort in seiner Polarität vertauscht. Der Pluspol des Elkos muss mit der Basis des Transistors T1 (BC558 blau) verbunden werden. Der Fehler betrifft alle Verdrahtungspläne, in denen die Oszilloskop-Zusatz-Schaltung zum Einsatz kommt.


Hinweise zum Aufbau: Die Widerstände des Spannungsteilers 8,2 kΩ, 2,2 kΩ und 220 Ω wurden durch ein 10 kΩ Potentiometer (linear) ersetzt. Der 8,2 kΩ Widerstand lag dem Experimentierkasten zudem nicht bei. Für die Umschaltung von Sinus- auf Rechtecksignal, wurde zusätzlich ein Schiebeschalter eingebaut.

Mit der Oszilloskop-Schaltung dieses Experimentierkastens lassen sich viele elektronische Vorgänge wie Amplitutenbegrenzung, Einweggleichrichtung, Siebschaltung, Integration und Differenzierung sowie die Gegenkopplung am Transistor und die Phasenumkehr, in Verbindung mit einem Fernsehgerät darstellen. Desweiteren können die Signalverläufe an verschiedenen Schaltungen wie Phasenschieber-Generator, Astabiler-, Monostabiler- und Bistabiler-Kippstufe sowie am Schmitt-Trigger untersucht werden. Ein einfaches Beispiel mit dem Schmitt-Trigger als Analog/ Digitalwandler kann am folgendem Experiment nachvollzogen werden:

Neben dem Aufbau als Oszilloskop, sind mit dem EE3023 zusätzlich noch zwei weitere Experimente wie Sprachanalysator und das Telespiel "Pong" möglich. Beide Schaltungen sind eigenständig und stehen nicht mit der Oszilloskop-Schaltung in Verbindung.

Frank Brennecke stellt auf seiner Seite 53 Cent sein selbstentwickeltes VGA-Video-Modul für den Experimentierkasten EE3023 vor. Dieses Video-Modul schlägt eine Brücke zwischen der für die damaligen Fernseher erzeugten PAL-Bildsignale hin zu moderneren Monitortechniken.