Black Crow #03 27 июня 2000

Железо

Очумелые ручки - ZX-дигитайзер: оцифровка видеосигнала.

                                         
         ZX=ДИГИТАЙЗЕР         
                                         
(С) В.М.Гетманец      "РадiоАматор 10/95"
-----------------------------------------
ОТ РЕДАКЦИИ: ввиду особенностей вывода на
экран содержимого статьи и невозможностью
в полной мере поддержать стандарт отобра-
жения  наименования сигналов компьютера и
схематических тонкостей,  используемых во
всех печатных схемах, решено вместо верх-
ней черты использовать нижнее подчёркива-
ние. Данная оговорка действительна ТОЛьКО
для статей из "железного" раздела.       
                                         
        ЧТО ЭТО ТАКОЕ?         
        ==============         
                                         
  "Дигитайзером"  называется  устройство,
преобразующее видеосигнал в цифровую фор-
му для дальнейшей его обработки на компь-
ютере.  Предлагаемое устройство позволяет
наблюдать на экране компьютера  ZX-Spect-
rum чёрно-белое телевизионное изображение
в  реальном времени (50 кадров в секунду)
в оцифрованном виде - различным градациям
яркости соответствует различная плотность
точек (пикселей) на экране.  Текущий кадр
находится в видеоОЗУ компьютера, что поз-
воляет  как  распечатать его на принтере,
так и записать  на магнитный носитель для
дальнейшей обработки.                    
   Устройство стыкуется с ZX-Spectrum че-
рез системный разъём и не требует никаких
переделок в компьютере.                  
                                         
        ПРИНЦИП РАБОТЫ         
        ==============         
                                         
   Видеосигнал на вход устройства подаёт-
ся с входа видеодетектора радиоканала те-
левизора,  который работает вхолостую при
использовании телевизора в качестве мони-
тора. Также можно подавать сигнал с выхо-
да телекамеры или видеомагнитофона.  Пре-
дусмотрены два способа обращения к ZX-Ди-
гитайзеру:  аппаратный  (замыканием пере-
ключателя) и программный - в момент запи-
си  любого  числа в порт #F7 текущий кадр
запоминается в видеоОЗУ.                 
   Изображение  состоит из 256х192 точек,
атрибуты не используются. Часть изображе-
ния, соответствующее наружной рамке экра-
на (BORDER),  в ОЗУ не записывается.  Га-
рантируемое число градаций яркости не ме-
нее 6.                                   
   Важным преимуществом данного устройст-
ва  являются  простота конструкции и под-
ключение к компьютеру, возможность работы
в реальном времени,  два способа управле-
ния -  аппаратный и программный,  возмож-
ность передачи градаций яркости изображе-
ния, отсутствие дефицитных деталей. Самым
основным  недостатком является ориентация
на  компьютеры с общим полем памяти: "Ле-
нинград", "Пентагон", "Балтик", "Балтик",
"Профи" и другие.  Для владельцев компью-
теров  с  раздельными  полями памяти типа
"Краснодар", "Львов", "Оризон-микро" и им
подобным в схеме "ZX-Дигитайзера" имеется
определённая  избыточность  (формирование
сигналов WR, RD, A15), позволяющие произ-
вести индивидуальную адаптацию устройства
под любую модель.  Более того, схему сов-
сем нетрудно приспособить к режимам повы-
шенного разрешения, имеющимся в компьюте-
рах "Профи" и "АТМ-турбо", однако это вы-
ходит за рамки данной статьи.            
   Важным  и необычным, по мнению автора,
в  данной  разработке является применение
для  оцифровки изображения аналого-цифро-
вого  преобразования  (АЦП)  амплитуда  -
скважность, широко используемого в схемах
импульсных  источников напряжения. Допол-
нение  АЦП  чересстрочным  фазоинвертором
позволило  значительно  повысить качество
оцифрованного   изображения.  Новой  (при
всей кажущейся очевидности) явилась также
идея аппаратной реализации прямого досту-
па в  память компьютера, позволившая уст-
ройству  работать в режиме реального вре-
мени.                                    
                                         
        ОПИСАНИЕ СХЕМЫ         
        ==============         
                                         
   Все сигналы, кроме DOS и 7МГц, подают-
ся на разъём X1 с выводов процессора Z80.
Черта над названием сигнала означает, что
его  активный уровень низкий. Сигнал час-
тотой  7 МГц  берётся  с соответствующего
счётчика либо триггера ТМ2, который нахо-
дится на плате компьютера.  О сигнале DOS
подробнее будет сказано ниже.            
  Запись в порт 247 (#F7) и нажатие кноп-
ки  К1  приводят к сбросу триггера DDЗ.2.
При этом активизируется сигнал BUSRQ, ко-
торый отключает процессор Z80 от шин, пе-
реводя  его выводы в Z-состояние. Освобо-
див шины, процессор выставляет сигнал BU-
SAK на вход D микросхемы DDЧ.1, активизи-
руя  сигнал AEN, разрешающий захват диги-
тайзером  адресной  шины.  Одновременно с
этим строчные синхроимпульсы начинают по-
ступать  через  элемент  DDб.4 на триггер
DDЗ.1 и устанавливают его в единичное со-
стояние, разрешая  тем самым работу гори-
зонтальных счётчиков  DD1.2  и DD2.1, от-
считывающих  число  тактовых  импульсов в
одной  строке.   Снимается  также  сигнал
сброса с "вертикальных" счётчиков DD1.1 и
DD2.2, которые подсчитывают число строк. 
   После  отсчёта 64 строк (BORDER сверху
экрана)  сигнал V6 через элементы DD8.2 и
DD8.4  сбрасывает вертикальные счётчики и
триггер DDЧ.2.  Теперь  начинается отсчёт
192 строк  синклеровского экрана в сопро-
вождении низкого уровня сигнала VEN.     
   Одновременно  горизонтальные  счётчики
отсчитывают 96 тактовых (7 МГц) импульсов
от фронта каждого строчного синхроимпуль-
са в качестве левого BORDER`а.  В течение
последующих 256 тактовых импульсов, соот-
ветствующих экранной области, на 6-ом вы-
воде микросхемы DDS.1 поддерживается низ-
кий уровень. Низкий уровень на этом выво-
де  вместе с сигналом VEN разрешает вывод
данных  на шину DD1.4 и формирование сиг-
налов  MREQ и WR DD11, что приводит к за-
писи  сформированных  данных  в ту ячейку
экранной  области  ОЗУ  компьютера, адрес
которой выставлен в данный момент на DD14
и DD15.                                  
   Обратите  внимание, что до этого акти-
визировался  сигнал RD и адрес A15 указы-
вает на верхнюю половину ОЗУ. Это необхо-
димо  для проведения процесса регенерации
ОЗУ  в компьютерах с раздельным полем па-
мяти.  Для них же формируются сигналы WR,
RD  и  A15. Для компьютеров с общим полем
памяти  достаточно, чтобы первые два сиг-
нала имели всегда высокий уровень, а тре-
тий - всегда низкий.  Этого можно добить-
ся,  если WR и RD соединить с шиной пита-
ния  +5В резисторами 3/10 кОм, а на вывод
4 микросхемы DD16 подать нулевой уровень.
   После окончания записи в ОЗУ последней
строки сигнал с элемента DD8.1 через эле-
мент DD7.3 устанавливает триггеры DDЗ.2 и
DDЧ.1  в исходное состояние, блокируя ра-
боту цифровой части схемы ZX-Дигитайзера.
Сигнал BUSRQ снимается и управление шина-
ми передаётся процессору Z80.            
   Аналоговая часть устройства состоит из
предварительного  усилителя VT1, эммитер-
ного повторителя VT2, амплитудного детек-
тора  (селектора  синхроимпульсов)  VT3 и
выходного усилителя видеосигнала VT4.  От
номиналов   элементов   дифференцирующего
фильтра  С5,  R12,  R13 и R14 зависит вид
картинки на экране.  При R12=0 имеем мак-
симальное  число градаций яркости (диффе-
ренцирования  нет), а С5, R13 и R14 тогда
не нужны.  При  отсутствии R12 получается
контурная  картинка,  похожая  на детский
рисунок.                                 
   На элементе DD10.4 формируются импуль-
сы с частотой 3,5 МГц, фаза которых меня-
ется  на 180 градусов от строки к строке.
Интегрирующая цепочка R17, С9 придаёт им-
пульсам  пилообразную форму, а компаратор
DA1  сравнивает уровень пилообразного им-
пульса  на  входе  3 с уровнем яркостного
сигнала на входе 4.  Чем выше уровень яр-
костного   сигнала,  тем  более  короткую
часть он отрезает от "пилы", что приводит
к  изменению скважности (соотношения дли-
тельностей нулевого и единичного уровней)
выходного  сигнала микросхемы DA1, а зна-
чит, и яркости соответствующей области на
экране компьютера.  Наличие элементов С10
и R18 позволяет менять контрастность изо-
бражения.  Размах  сигнала на входе 4 DA1
устанавливают  подбором  резистора R9. На
элементах DD9.1, DD9.2 собран фильтр низ-
ких частот, выделяющий кадровые синхроим-
пульсы из синхросмеси.                   
                                         
      НАЛАДКА ДИГИТАЙЗЕРА      
      ===================      
                                         
   Наладку  следует начинать с аналоговой
части, т.к. до появления кадровых синхро-
импульсов (КСИ) на третьем выводе DDЧ.1 и
синхросмеси (SYN) на третьем выводе DDЗ.1
цифровая часть работать не может. Для на-
ладки этой части схемы подключать плату к
компьютеру не обязательно.               
   Вход VIDEO подключается к выходу виде-
одетектора  телевизора напрямую либо (при
сильных  помехах приёму) через эммитерный
(истоковый) повторитель, аналогичный кас-
каду на VT2, R5, R6.                     
   Качество работы амплитудного селектора
зависит  от  уровня сигнала на коллекторе
VT1,  который регулируется резистором R3.
Добейтесь  чётких КСИ и SYN, а затем под-
бором R9  установите амплитуду сигнала на
4-ом выводе DA1, примерно равную амплиту-
де на 3-м выводе этой микросхемы (2/3В). 
   Для проверки цифровой части схемы зам-
кните  кнопку  К1. Проверьте наличие всех
выходных  сигналов: сигнала на 3-м выводе
DA1  и первом выводе DD12, убедитесь, что
сигнал BUSRQ соединён с 25-м выводом про-
цессора. Сигнал DOS заводить с платы кон-
троллера  дисковода (низкий уровень озна-
чает  включение  контроллера),  но  можно
просто замкнуть 13-й вывод DD7.4 на +5В. 
   Теперь  плавно подстройте резистор R18
до появления изображения на экране. Регу-
лярное  повторение одинаковых частей изо-
бражения наверняка означает замыкание ад-
ресов  в любом месте дигитайзера, начиная
со счётчиков. Периодическая помеха, появ-
ляющаяся  на картинке, требует более точ-
ного подбора конденсатора С11 либо инвер-
тирования сигнала 7 МГц.                 
   Резисторы R12, R16, R17 можно заменить
перемычками.  Вместо микросхем серии К555
можно использовать аналогичные микросхемы
серии К1533 без ограничений. Для устране-
ния возможного самовозбуждения микросхемы
К554 САЗ рекомендуется замкнуть между со-
бой  выводы  7  и 8. Между шинами питания
желательно  равномерно  по  площади платы
установить не менее четырёх конденсаторов
ёмкостью 47 нФ...1.0 мкФ. Разводка разъё-
ма  X1  дигитайзера  полностью  идентична
разводке  системного  разъёма  компьютера
Ленинград-2.                             
   Вывод  5 микросхемы D11 лучше всего не
припаивать к плате (отогнуть) и соединить
его с выводом 2 этой же микросхемы. Необ-
ходима  одна перемычка между первым выво-
дом D14  и восьмым выводом D6. Между IORQ
и +5В поставьте резистор 1/3 кОм.        
                                         
        СПИСОК ДЕТАЛЕЙ         
        ==============         
                                         
  Можно использовать микросхемы любой се-
рии 555 или 1533. Применяемые детали:    
X1 - СНП-64                              
R1,R2,R6,R7,R13,R19 - 1К                 
R3,R18 -22К                              
R4,R10,R11 - 240                         
R5,R14,R15 - 10К                         
R8 - 100К                                
R9,R20,R21,R22 - 3К                      
R12,R16,R17 - 0...27                     
С1,С2,С4,С8 - 1.0                        
С3 - 33Н                                 
С5 - 100                                 
С6 - 47.0                                
С7 - 6Н8                                 
С9 - 1Н5                                 
С10 - 0.1                                
С11 - 470                                
DD1...DD2 - К5SSUE19                     
DDЗ...DDS - К5SSTM2                      
DDб - К5SSЛЛ1                            
DD7 - К5SSЛИ1                            
DD8 - К555ЛАЗ                            
DD9 - К5SSЛЕ1                            
DD10 - К5SSЛПS                           
DD11 - К5SSЛП8                           
DD12,13 - К5SSUP16                       
DD14 - К5SSUP23                          
DD15,16 - К5SSUP22                       
DA1 - К55ЧСАЗ                            
VT1...VT4 - КТЗ15Г                       
                                         
           ПРАКТИКА            
           ========            
                                         
   Несколько десятков  экземпляров  диги-
тайзера  успешно подключались ко всем по-
пулярным  вариантам "ZX-Spectrum" с общим
полем памяти.  Во всех случаях устройство
показало хорошую работоспособность и ста-
бильность параметров как при работе с те-
лекамерами и видеомагнитофонами, так и со
всеми моделями телевизоров.              
                                         
       ПРОГРАММИРОВАНИЕ        
       ================        
                                         
   Читатели, владеющие ассемблером, могут
самостоятельно  написать сложные програм-
мы,  которые, например, смогут запоминать
и  воспроизводить целые отрезки телепере-
дач как на весь кадр, так и на 1/16 экра-
на. Для примера программа на бейсике, ко-
торая осуществляет просмотр на экране ва-
шего  компьютера телевизионной передачи и
запись выбранного кадра на диск:         
                                         
 10 INPUT "Filename:"; A$: REM вводим имя
файла                                    
 20 OUT 247,0: PAUSE 0: REM записываем   
один кадр в ОЗУ                          
 30 IF CODE INKEY$ <> 32 THEN GO ТО 20:  
REM если нажать на пробел, то программа  
запишется на диск; любая другая клавиша -
просмотр следующего кадра                
 40 RANDOMIZE USR 15619: REM: SAVE A$    
CODE 16384,6144                          
 50 GO ТО 10                             
                                         
       СХЕМА ДИГИТАЙЗЕРА       
       =================       
                                         
   Не-е, не так быстро...  Э-э-э, это уже
не В.М.Г., а Макс - редактор журнала. Мне
ну очень жаль, но такая лень напала схему
рисовать, учитывая  её размеры, что вы уж
простите великодушно...  Если  кому надо,
то я могу выслать вам ксерокопию схемы за
определённую  плату. Плата чисто символи-
ческая - ксерокопия листа стоит 20 копеек
и  конверт по Украине на данный момент 45
копеек. Короче, жителям Украины схема бу-
дет стоить 1 гривну, а всем остальным чи-
тателям - 30 центов США. В письме с зака-
зом  отсылайте  квитанцию о переводе (для
России)  или шлите 1 гривну в этом же по-
слании, но так, чтобы она на свет не про-
свечивалась. Ещё короче - нет денег - нет
схемы! Нет квитанции - буду ждать прихода
денег, а это около месяца из России.  На-
пример, из  Курской области перевод шёл 1
месяц ровно. Я представляю, сколько будет
идти с Урала...