常見設備的視頻信號切換設計方案及其PCB實用電路_圖文

1、5.2 視頻信號的切換在廣播電視中,為了防止視頻信號切換時圖像的瞬時抖動,要求進行切換的各路視頻信號的同步信號同頻、同相,即色副載波、行同步、場同步、P 脈沖(PAL 識別脈沖的頻率和相位嚴格一致,并且在場消隱期間切換。在應用電視系統(tǒng)中,允許視頻信號切換時圖像的瞬時抖動,為了簡化電路,一般不采用同步切換,常常將相互不同步的視頻信號在任意時刻切換。 有些場合可用琴鍵開關來切換視頻信號。KZJ2MXN 型是常用的琴鍵開關。其中,M 為擋數(shù),N 為刀數(shù),X 可以分別是H 、W 、Z ,H 代表互鎖,W 代表無鎖,Z 代表自鎖。例如,KZJ2-7H2型代表七擋互鎖開關,每擋有兩刀。目前市場還有可由用戶

2、自行按需組配的琴鍵開關出售,但價格較貴。目前,在多數(shù)應用電視系統(tǒng)中,采用單片微機控制,既能手動切換,又能自動定時切換,常用單片機鎖存的TTL 電平輸出信號來控制切換電路。 5.2.1 繼電器切換電路繼電器的驅(qū)動電路比較簡單,TTL 電平輸出信號經(jīng)一個晶體管驅(qū)動就可控制繼電器的吸合和放開。圖59是三個視頻通道的繼電器切換電路。當控制輸入D2D0的電平是001B 時,J0吸合,視頻輸入1被接到視頻輸出;當控制輸入D2D0的電平是010B 時,J1吸合,視頻輸入2被接到視頻輸出;當控制輸入D2D0的電平是010B 時,J1吸合,視頻輸入2被接到視頻輸出;當控制輸入D2D0的電平是100B 時,J2吸

3、合,視頻輸入3被接到視頻輸出。常作視頻切換用的繼電器有JRC5M 型超小型密封繼電器。它的工作電壓有3V 、6V 、12V 、24V 等四種,線圈電阻分別是50、200、750、3k。兩組觸點都能負荷27V(DC、1A 電流。由于是密封繼電器,可靠性較高。選用驅(qū)動器時,要注意晶體管或驅(qū)動器的最大負載電流一定要大于繼電器線包的吸合電流數(shù)倍。當需要進行切換的視頻信號路數(shù)較多時,為了節(jié)約繼電器與驅(qū)動器,常將繼電控制輸入視頻輸入U +123視頻輸出J0U +J1U +J2D 0D 1D 2器觸點接成網(wǎng)絡。圖510是八個視頻通道的繼電器切換電路。圖510 八個視頻通道的繼電器切換電路繼電器的驅(qū)動電路簡單

4、,使用方便,隔離性能好。但繼電器壽命短,一般為105次;繼電器吸合,放開時線包的反電動勢易影響同電源的其他電路;繼電器觸點上電流通、斷時易產(chǎn)生飛弧,會影響微機工作5.2.2 集成模擬開關切換電路常用的集成模擬開關有CD4051、CD4067、CD4053等。這些集成模擬開關的電氣性能都是一樣的,只是開關的組合形式不一樣。這些集成模擬開關以其壽命長、功耗低、體積小和無抖動等優(yōu)點,逐漸在視頻切換電路中取代繼電器。 1. 集成模擬開關的主要參數(shù)集成模擬開關的參數(shù)有:最高工作頻率fmax 、導通電阻RON 、導通電阻路差RON 、開關斷開時的漏電流IOFF 。 1 最高工作頻率fmax工作頻率是指開關

5、接通、斷開的頻率。在視頻切換電路中是指切換的頻率,切勿與開關導通時能傳輸信號的最高頻率相混淆。集成模擬開關的最高工作頻率是2MHz ,而開關導通時能傳輸信號的最高頻率在40MHz 以上。所以用集成模擬開關來切換6MHz 帶寬的視頻信號是完全可以的。 2導通電阻RON集成模擬開關的導通電阻隨電源電壓和輸入電壓而變化。圖511是集成模擬開關導通電阻RON 與輸入電壓UIN 的關系曲線。圖中,由上至下分別是UDD-USS=5V 、10V 、15V 時的三條曲線。圖中為了便于比較這三條曲線,畫的是正、負電源的情況。當只用正電源時,三條曲線形狀不變,只是三條曲線的橫坐標作相應的移動。D 2控制輸入視頻輸

6、入123視頻輸出45768U +J2J1U +J0U +D 1D 0圖511 集成模擬開關RON 與UIN 的關系從圖511可以看出電源電壓為5V 時,導通電阻較大,且導通電阻隨輸入電壓幅度變化發(fā)生突變。當電源電壓是1015V 時,導通電阻只有100左右,導通電阻隨輸入電壓幅度變化只產(chǎn)生緩變;當輸入電壓是電源電壓的一半左右(中點電壓時,導通電阻變化最小。所以在集成模擬開關切換電路中,集成模擬開關的電源電壓應取10V 以上,應將輸入視頻信號箝位于電源電壓的一半左右。圖512是模擬開關導通時的等效電路。其中,Ri 是信號源內(nèi)阻,也就是前級電路的輸出阻抗;RL 是負載電阻,也就是后級電路的輸入阻抗;

7、CL 是負載電容。 模擬開關的插入損耗為在RON 固定的情況下,增大RL 可以減小模擬開關 的插入損耗。所以,要求模擬開關的后級電路輸入阻 抗要高。圖512 開關導通等效電路0R O N U I N501003000250200150-8-6-4-22468U DD -U SS =5 VU DD -U SS =10 VU DD -U SS =15 V 20lg(L L O NR A dB R R =+R O NC LU iR iU LR L3 模擬開關的導通電阻路差RON模擬開關的導通電阻路差RON 是指同一集成電路中各個開關的導通電阻存在的差異。一般情況下RON10。RON 對切換電路的影響

8、是使各視頻通道的插入損耗不同,當RL 很大時,RON 的影響可以忽略,故從減少導通電阻路差對切換電路的影響的角度來考慮,也要求后級電路是高輸入阻抗的4 開關斷開時的漏電流IOFF一般每個開關斷開時的漏電流是10-7 A 。在多路輸入選1的視頻切換電路中,n 個開關接到一個公共端,只有一個開關導通,(n-1個開關處于斷開狀態(tài),總的漏電流(n-1IOFF 加到公共端。其等效電路如圖513所示。因為模擬開關的后級電路是高輸入阻抗的RL Ri+RON ,可以近似認為所有的漏電流都流經(jīng)Ri 和RON 。這時,在公共端因漏電流而引起的誤差電壓為 Ue=(n-1(R i +R ON I OFF (52圖51

9、3 n 選1切換等效電路由此可得n 選1集成模擬開關的隔離度為式中:Ui 為開關的輸入電壓,也就是開關前級電路的輸出電壓; Ri 為信號源內(nèi)阻,就是開關前級電路的輸出阻抗;R L 為集成開關的負載電阻,就是集成開關后級電路的輸入阻抗; R ON 為開關導通電阻;I OFF 為開關斷開時的漏電流;R O NR iR L(n -1I O FF20lg (20lg(1(L ui LO N i O N L O FFU G dB U U R G dB n R R R R I =-+n 為開關的個數(shù)。當需要切換很多路視頻信號時,可將m n 路視頻信號分成m 組,每組n 路,進行兩級切換。圖514是m n

10、路視頻信號兩級切換接線示意圖。圖515是m n 路視頻信號的兩級切換時的開關等效電路圖。可以看出,當m n 路視頻信號分m 組,每組n 路進行兩級切換時,因漏電流引起的誤差電壓為由此可得m n 路視頻信號兩級切換時開關的隔離度為當mn 路視頻信號兩級切換時,(m-1n 個第一級開關的漏電流被第二級開關所限制,所以能大幅度減少因漏電流而引起的誤差電壓。2.集成模擬開關切換電路的特點綜合上面對模擬開關的幾個主要參數(shù)的分析可知,對模擬開關的切換電路應該有如下要求:模擬開關的電源電壓大于10V(僅對4000系列集成開關而言,輸入信號應箝位于電源電壓的一半左右,集成開關的后級電路輸入阻抗要高,集成開關的

11、前級電路輸出阻抗要低。 圖516是集成模擬開關切換電路的方框圖。進入切換電路的視頻信號來自不同的設備,有的直接從攝像機送來,有的從光接收器、幅度均衡器送來,直流電平往往相差較大且可能被低頻干擾所調(diào)制,所以先用箝位電路將視頻信號箝位于電源電壓的一半左右。這樣,導通電阻隨輸入電壓變化較小。箝位電路要求后級的輸入阻抗要高,而模擬開關要求前級電路的輸出阻抗要低,所以在箝位電路和模擬開關之間應加入射極跟隨器。為了提高輸入阻抗、降低輸出阻抗、射極跟隨器常常采用復合管,特別常采用互補型復合射極跟隨器。模擬開關之后是高輸入阻抗電路,由于模擬開關的插入損耗,切換后信號電壓減小,為了保證輸出信號幅度有1V (pp

12、 ,用深負反饋寬帶放大器將信號放大,再經(jīng)75輸出匹配電路輸出。有時為了簡化電路,可使用把高輸入阻抗電路、負反饋放大器和75輸出匹配電路這三部分合為一體的負反饋放大器。圖516 集成模擬開關切換電路的方框圖 3.集成模擬開關切換實用電路在視頻切換電路中常用的是8選1模擬開關CD4051。圖517是CD4051的引腳圖。表51是CD4051真值表。如圖所示IN0IN7是8個輸入腳,COM 是公共輸出端。也可以將COM 看成是公共輸入端,IN0IN7看作8個輸出端。C 、B 、A(LSB是二進制通道選擇控制信號。INH 是禁止端,當其為高電平時,8個通道全不導通。這4位控制信號一般由單片機鎖存后輸出

13、,送到CD4051。圖518是用CD4051進行視頻切換的實用(1(1(2ei O N O FF i O N O FF U n R R I m R R I =-+-+20lg(1(1(2(i Li O N i O N O N L O FF U R G dB n R R m R R R R I =-+-+集成模擬開關視頻輸入1控制輸入來自單片機箝位電路視頻輸出視頻輸入n低輸出阻抗緩沖箝位電路低輸出阻抗緩沖高輸入阻抗緩沖電路負反饋放大器75輸出匹配電路。圖中,V1、C1、R1組成箝位電路,將輸入的視頻信號同步電平箝位于固定的直流電位約4.7V ;V2、V3組成互補型射極跟隨器,具有較低的輸出阻抗;

14、R2、V4是當整片CD4051都不選通時防止漏電流輸出的電路。在這種情況下,-8V 電壓通過R2使V5截止;V6、V7、V8組成寬帶深負反饋放大器,保證輸出電壓幅度是1V (pp ,其輸出阻抗較低,可與75電纜匹配。當然V6V8可用寬帶視頻運放來代替。圖517 CD4051的引腳圖 表51 CD4051真值表12348765COM AINHB C CD4051IN4IN6IN7IN5U E E IN2U SS 910111213141516U D D IN1IN0IN3圖518 用CD4051進行視頻切換的實用電路5.2.3 矩陣切換電路近幾年來,商業(yè)系統(tǒng)和賓館等行業(yè)都將電視監(jiān)控作為安全防范的

15、主要手段。電視監(jiān)控系統(tǒng)的規(guī)模不斷擴大,少則有10來臺攝像機,多則達幾十臺甚至上百臺攝像機。為了隨意地、靈活地選取所需的圖像,視頻信號切換器滿足以下要求: (1輸入、輸出的路數(shù)多。(2可以進行任意切換,即任意一個輸出端可以得到任意一個輸入端提供的信號。 一般將具有上述兩特點的切換器稱為矩陣切換器。1. 用CMOS 模擬開關構(gòu)成矩陣切換器CD4067是經(jīng)常使用的4000系列集成模擬開關,除了是16選1開關外,其他性能與CD4051視頻輸入1來自單片機控制信號6.8 R 1+10 V +10 V820103 k1.2 kV 5V 6V 8680130330753301.8 k視頻輸出輸入緩沖輸入緩沖

16、IN7IN0COMC A INHB CD4051V 4R 2V 71.8 k5.6 k2.7 k2.7 k330 k-8 V V 3V 2+6 V2.7 MV 1C 1視頻輸入8相同。故上述對CD4051的討論也完全適用于CD4067。圖519是CD4067的引腳圖,表52是CD4067的真值表。圖520是用16片CD4067構(gòu)成的328矩陣切換電路。表52 CD4067真值表 圖519 CD4067的引腳圖圖520 用16片CD4067構(gòu)成的328矩陣切換電路12348765U D D COM 9101112INH C CD4067X7DA U SSB X5X4X6X3X2X1X013141

17、5161718192021222324X8X9X10X11X12X13X14X15視入16X0X15COMA D INH緩沖輸入116共8片視入17視出1鎖存器1電平轉(zhuǎn)換AX0AX4Y0Y7譯碼器5444455334視入1輸出驅(qū)動18X0X15COMA DINH視出8視入32X0X15COMA D INH緩沖輸入1732共8片X0X15COMA D INHAY0AY2GAX0AX4共8片鎖存器8GAY0AY2輸入視頻信號經(jīng)過由箝位電路和射極跟隨器組成的輸入緩沖電路接到CD4067的輸入端X0X15,左邊一組8片CD4067對116路輸入信號進行切換,右邊一組8片CD4067對1732路輸入信號

18、進行切換,兩組中對應的兩片CD4067的輸出端(COM并接在一起,經(jīng)由負反饋放大器組成的8個輸出驅(qū)動器輸出以驅(qū)動75負載。來自單片機的輸入編碼AX0AX4和輸出編碼AY0AY2先進行電平轉(zhuǎn)換以控制UCC 為12V 的CD4067, AY0AY2經(jīng)3-8譯碼器譯碼后的輸出信號作為8個鎖存器的鎖存允許將AX0AX4鎖入鎖存器18中的一個。 每個鎖存器提供對應于某路輸出的輸出端相連的兩片CD4067的切換控制信號,AX0AX3直接接到兩片CD4067的A D ,而AX4用作CD4067的禁止信號,當輸入編碼小于等于16時,AX4為“0”,左邊一片CD4067選通,右邊一片被禁止(輸出高阻;當輸入編碼

19、大于16時,AX4為“1”,右邊一片CD4067選通,左邊一片被禁止。CD4067是中規(guī)模集成電路,當電視監(jiān)控系統(tǒng)規(guī)模較大時,比如要從64路視頻信號中切換出16路信號,要用64片CD4067,16片鎖存器,加上譯碼器、反相器,一共要用上百片集成電路,電路過于復雜后易引起干擾、串擾。為了簡化線路、降低能耗,規(guī)模較大的矩陣切換器可以采用交叉點矩陣開關2. 用MT8816構(gòu)成矩陣切換器MT8816是加拿大MITEL 公司的產(chǎn)品,原是為模擬程控交換機進行空分交換而研制的168交叉點矩陣開關,其導通電阻是65,導通時能傳輸信號的3dB 帶寬是45MHz ,路間串話指標10MHz 時還有45dB ,輸入輸

20、出電容是20pF ,開關傳輸延時是30ns ,交流特性比用CMOS 模擬開關好,可作視頻切換用。圖521 MT8816方框圖7-128地址譯碼AX0控制鎖存AY2AX3AY0168交叉點開關CS DI RES11281281X0X15Y7Y0ST 圖 521 是 MT8816 的方框圖。芯片由 7128 地址譯碼器、控制鎖 存器和 168 交叉開關組成。CS 是片選信號，高電平有效；ST 是選 通脈沖，選通脈沖允許行地址碼 AX0AX3、列地址碼 AY0AY2 經(jīng) 7-128 譯碼器譯碼后的信號 1128 去控制相對應交叉點上的模擬 開關導通或斷開，從而實現(xiàn)相應行信號(X0X15與列信號(Y0

21、Y7 的接通或斷開。DI 為導通或斷開控制數(shù)據(jù)，DI 為高電平時，被選開 關導通；DI 為低電平時，被選開關斷開。RES 為復位信號，為高電 平時將全部開關斷開。 圖 522 是 MT8816 的引腳圖。表 53 是 MT8816 的真值表。表的上半部是 0 列(Y0與各 行(X0X15接通的真值表，還有 1 列7 列，若這樣寫下去，一共有 128 行，表格過于冗 長，所以作了簡化，表中“同上”表示原應有的與上半部相同的 16 行表格已經(jīng)略去。 表 53 MT8816 真值表 M T 88 16 Y3 AY2 RE S AX3 AX0 X14 X15 X8 X9 X10 X11 X12 X13

22、 NC Y7 U SS Y6 ST Y5 U EE 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 40 39 38 37 36 35 34 33 32 31 30 29 28 27 26 25 24 23 22 21 UDD Y2 DI Y1 CS Y0 NC X0 X1 X2 X3 X4 X5 X6 X7 AY1 AY0 AX2 AX1 Y4 圖 522 MT8816 的引腳圖 圖 523 是用 8 片 MT8816 構(gòu)成的 6416 切換矩陣，64 路視頻輸入分成 4 組，每組 16 路， 分別通過輸入緩沖電路接到 4 組 MT881

23、6 的行線， 每組兩片 MT8816 輸入端分別并接在一起， 各組的左邊一片 MT8816 輸出端(列線分別并接在一起成為 18 路輸出，經(jīng)驅(qū)動器驅(qū)動 75 負載， 各組的右邊一片 MT8816 列線也分別并接在一起成為 916 路輸出。 來自單片機的 輸入編碼 AX0AX5、輸出編碼 AY0AY3 和控制信號 ST、DT、RES 先進行電平轉(zhuǎn)換， 然后將 AX0AX3、AY0AY2、ST、DI、RES 共 10 路信號直接接到各片 MT8816 的相應 腳，將 AX5、AX4、AY3 經(jīng) 3-8 譯碼后作為 8 片 MT8816 的片選。 視入 1 視入 16 緩沖 輸入 116 視入 17

24、 視入 32 緩 沖 輸 入 1 7 3 2 視入 33 視入 48 緩 沖 輸 入 3 3 4 8 視入 49 視入 64 緩 沖 輸 入 4 9 6 4 X0 X15 Y0Y7 C S X0 X15 Y0Y7 C S X0 X15 Y0Y7 C S X0 X15 Y0Y7 C S X0 X15 Y0Y7 C S X0 X15 Y0Y7 C S X0 X15 Y0Y7 C S X0 X15 Y0Y7 C S 10 10 10 10 10 10 10 輸出 驅(qū)動 18 視出 1 視出 8 輸出 驅(qū)動 916 Y7 C AX5 譯碼 器 B AX4 Y0 A AY3 3 10 控制 信號 驅(qū)動和

25、 電平 轉(zhuǎn)換 AX0AX5 AY0AY3 ST DI R E S 視出 9 視出 16 圖 523 用 8 片 MT8816 構(gòu)成的 64 矩陣切換電路 16 單片機上電后先送復位信號 RES，使各交叉點開關全部斷開，然后逐個接通需要接通的交 叉點開關。因為芯片規(guī)定：在 ST 上升沿前地址信號必須進入穩(wěn)定狀態(tài)，在 ST 下降沿處數(shù) 據(jù) DI 輸入也應該是穩(wěn)定的， 所以每接通一個交叉點開關， 單片機應先發(fā)出視頻輸入編碼號、 視頻輸出編碼號和 DI 數(shù)據(jù)， 再發(fā) ST 信號。 交叉點開關與常用的 N 選 1 開關不一樣， CD4051、 CD4067 等 N 選 1 開關的輸出端只能接通 N 路輸

26、入信號中的一路， 相當于 N 擋的互鎖開關， N 選 1 開關控制出錯時切換出來的圖像與要求的不符， 還是可看的圖像； 而交叉點開關的輸 出端有可能同時接通多個輸入端相當于一組自鎖開關， 交叉點開關控制出錯有可能使多路輸 入信號接通在一起， 形成雜亂無章的使人厭惡的不可看畫面。 在用單片機控制交叉點矩陣開 關時， 應在 RAM 中，最好是 E 2PROM 中指定一塊區(qū)域?qū)ｉT記錄每一路輸出的接通位置，每次控 制切換時，必須首先將該路輸出上次接通的交叉點開關斷開，才能接通新的交叉點開關。為 了可靠起見，斷開的信號還應多次反復發(fā)，以確保原接通的交叉點開關斷開。 3. 防串擾 措施 矩陣切換電路的主要

27、技術指標是減少路間串擾。 矩陣切換電路因為有多路視頻 信號輸入，有多路視頻信號輸出，視頻信號線往往拉得較長,還有印制板排列不當或機內(nèi)走 線不當?shù)榷紩鸶髀芬曨l信號之間的串擾。要減少串擾的發(fā)生，工藝上必須注意： (1印制板上的輸入緩沖電路與輸出驅(qū)動電路應盡量靠近后面板的 BNC 插座， 與 BNC 插座連線短時可采用雙絞線，連線長時要采用單芯屏蔽線或 SYV752 電纜。 (2各輸入緩沖電路之間應有明確的界線，周界應盡可能用地線框起來，每個緩沖電路都 要單點接地，防止緩沖電路之間有公共阻抗引起串擾。 (3每一個緩沖電路電源上都要接瓷片濾波電容，每幾個緩沖電路加 型去耦 濾波，總電源要用較大容量進行電容濾波。 (4緩沖電路到 MT8816 的引線應盡量短。若信號線較長且平行走線，則應在 信號線之間加起屏蔽作用的地線或直流線。為減短緩沖電路到 MT