常见设备的视频信号切换设计方案及其PCB实用电路
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5.2 视频信号的切换
在广播电视中,为了防止视频信号切换时图像的瞬时抖动,要求进行切换的各路视频信号的同步信号同频、同相,即色副载波、行同步、场同步、P 脉冲(PAL 识别脉冲)的频率和相位严格一致,并且在场消隐期间切换。
在应用电视系统中,允许视频信号切换时图像的瞬时抖动,为了简化电路,一般不采用同步切换,常常将相互不同步的视频信号在任意时刻切换。
有些场合可用琴键开关来切换视频信号。
KZJ2―MXN 型是常用的琴键开关。
其中,M 为挡数,N 为刀数,X 可以分别是H 、W 、Z ,H 代表互锁,W 代表无锁,Z 代表自锁。
例如,KZJ2-7H2型代表七挡互锁开关,每挡有两刀。
目前市场还有可由用户自行按需组配的琴键开关出售,但价格较贵。
目前,在多数应用电视系统中,采用单片微机控制,既能手动切换,又能自动定时切换,常用单片机锁存的TTL 电平输出信号来控制切换电路。
5.2.1 继电器切换电路
继电器的驱动电路比较简单,TTL 电平输出信号经一个晶体管驱动就可控制继电器的吸合和放开。
图5―9是三个视频通道的继电器切换电路。
当控制输入D2~D0的电平是001B 时,J0吸合,视频输入1被接到视频输出;当控制输入D2~D0的电平是010B 时,J1吸合,视频输入2被接到视频输出;当控制输入D2~D0的电平是010B 时,J1吸合,视频输入2被接到视频输出;当控制输入D2~D0的电平是100B 时,J2吸合,视频输入3被接到视频输出。
常作视频切换用的继电器有JRC―5M 型超小型密封继电器。
它的工作电压有3V 、6V 、12V 、24V 等四种,线圈电阻分别是50Ω、200Ω、750Ω、3kΩ。
两组触点都能负荷27V(DC)、1A 电流。
由于是密封继电器,可靠性较高。
选用驱动器时,要注意晶体管或驱动器的最大负载电流一定要大于继电器线包的吸合电流数倍。
当需要进行切换的视频信号路数较多时,为了节约继电器与驱动器,常将继电
控制输入
视频输入U +
1
2
3
视频输出
J0
U +
J1
U +
J2
D 0
D 1D 2
器触点接成网络。
图5―10是八个视频通道的继电器切换电路。
图5―10 八个视频通道的继电器切换电路
继电器的驱动电路简单,使用方便,隔离性能好。
但继电器寿命短,一般为105次;继电器吸合,放开时线包的反电动势易影响同电源的其他电路;继电器触点上电流通、断时易产生飞弧,会影响微机工作
5.2.2 集成模拟开关切换电路
常用的集成模拟开关有CD4051、CD4067、CD4053等。
这些集成模拟开关的电气性能都是一样的,只是开关的组合形式不一样。
这些集成模拟开关以其寿命长、功耗低、体积小和无抖动等优点,逐渐在视频切换电路中取代继电器。
1. 集成模拟开关的主要参数
集成模拟开关的参数有:最高工作频率fmax 、导通电阻RON 、导通电阻路差ΔRON 、开关断开时的漏电流IOFF 。
1) 最高工作频率fmax
工作频率是指开关接通、断开的频率。
在视频切换电路中是指切换的频率,切勿与开关导通时能传输信号的最高频率相混淆。
集成模拟开关的最高工作频率是2MHz ,而开关导通时能传输信号的最高频率在40MHz 以上。
所以用集成模拟开关来切换6MHz 带宽的视频信号是完全可以的。
2)导通电阻RON
集成模拟开关的导通电阻随电源电压和输入电压而变化。
图5―11是集成模拟开关导通电阻RON 与输入电压UIN 的关系曲线。
图中,由上至下分别是UDD-USS=5V 、10V 、15V 时的三条曲线。
图中为了便于比较这三条曲线,画的是正、负电源的情况。
当只用正电源时,三条曲线形状不变,只是三条曲线的横坐标作相应的移动。
D 2
控制输入
视频输入
123视频输出
45768
U +
J2
J1
U +
J0
U +
D 1
D 0
图5―11 集成模拟开关RON 与UIN 的关系
从图5―11可以看出电源电压为5V 时,导通电阻较大,且导通电阻随输入电压幅度变化发生突变。
当电源电压是10~15V 时,导通电阻只有100Ω左右,导通电阻随输入电压幅度变
化只产生缓变;当输入电压是电源电压的一半左右(中点电压)时,导通电阻变化最小。
所以在集成模拟开关切换电路中,集成模拟开关的电源电压应取10V 以上,应将输入视频信号箝位于电源电压的一半左右。
图5―12是模拟开关导通时的等效电路。
其中,Ri 是信号源内阻,也就是前级电路的输出阻抗;RL 是负载电阻,也就是后级电路的输入阻抗;CL 是负载电容。
模拟开关的插入损耗为
在RON 固定的情况下,增大RL 可以减小模拟开关 的插入损耗。
所以,要求模拟开关的后级电路输入阻 抗要高。
图5―12 开关导通等效电路
0R O N U I N
50
1003000250200150-8-6-4-22468U DD -U SS =5 V
U DD -U SS =10 V
U DD -U SS =15 V 20lg
()
L L O N
R A dB R R =+R O N
C L
U i
R i
~
U L
R L
3) 模拟开关的导通电阻路差ΔRON
模拟开关的导通电阻路差ΔRON 是指同一集成电路中各个开关的导通电阻存在的差异。
一般情况下ΔRON<10Ω。
ΔRON 对切换电路的影响是使各视频通道的插入损耗不同,当RL 很大时,ΔRON 的影响可以忽略,故从减少导通电阻路差对切换电路的影响的角度来考虑,也要求后级电路是高输入阻抗的
4) 开关断开时的漏电流IOFF
一般每个开关断开时的漏电流是10-7 A 。
在多路输入选1的视频切换电路中,n 个开关接到一个公共端,只有一个开关导通,(n-1)个开关处于断开状态,总的漏电流(n-1)IOFF 加到公共端。
其等效电路如图5―13所示。
因为模拟开关的后级电路是高输入阻抗的RL Ri+RON ,可以近似认为所有的漏电流都流经Ri 和RON 。
这时,在公共端因漏电流而引起的误差电压为 Ue=(n-1)(R i +R ON )I OFF (5―2)
图5―13 n 选1切换等效电路
由此可得n 选1集成模拟开关的隔离度为
式中:
Ui 为开关的输入电压,也就是开关前级电路的输出电压; Ri 为信号源内阻,就是开关前级电路的输出阻抗;
R L 为集成开关的负载电阻,就是集成开关后级电路的输入阻抗; R ON 为开关导通电阻;
I OFF 为开关断开时的漏电流;
R O N
R i
~
R L
(n -1)I O FF
20lg ()
20lg
()
(1)()()L u
i L
O N i O N L O FF
U G dB U U R G dB n R R R R I ==-++
n 为开关的个数。
当需要切换很多路视频信号时,可将m ×n 路视频信号分成m 组,每组n 路,进行两级切换。
图5―14是m ×n 路视频信号两级切换接线示意图。
图5―15是m ×n 路视频信号的两级切换时的开关等效电路图。
可以看出,当m ×n 路视频信号分m 组,每组n 路进行两级切换时,因漏电流引起的误差电压为
由此可得m ×n 路视频信号两级切换时开关的隔离度为
当m×n 路视频信号两级切换时,(m-1)×n 个第一级开关的漏电流被第二级开关所限制,所以能大幅度减少因漏电流而引起的误差电压。
2.集成模拟开关切换电路的特点
综合上面对模拟开关的几个主要参数的分析可知,对模拟开关的切换电路应该有如下要求:模拟开关的电源电压大于10V(仅对4000系列集成开关而言),输入信号应箝位于电源电压的一半左右,集成开关的后级电路输入阻抗要高,集成开关的前级电路输出阻抗要低。
图5―16是集成模拟开关切换电路的方框图。
进入切换电路的视频信号来自不同的设备,有的直接从摄像机送来,有的从光接收器、幅度均衡器送来,直流电平往往相差较大且可能被低频干扰所调制,所以先用箝位电路将视频信号箝位于电源电压的一半左右。
这样,导通电阻随输入电压变化较小。
箝位电路要求后级的输入阻抗要高,而模拟开关要求前级电路的输出阻抗要低,所以在箝位电路和模拟开关之间应加入射极跟随器。
为了提高输入阻抗、降低输出阻抗、射极跟随器常常采用复合管,特别常采用互补型复合射极跟随器。
模拟开关之后是高输入阻抗电路,由于模拟开关的插入损耗,切换后信号电压减小,为了保证输出信号幅度有1V (p―p ),用深负反馈宽带放大器将信号放大,再经75Ω输出匹配电路输出。
有时为了简化电路,可使用把高输入阻抗电路、负反馈放大器和75Ω输出匹配电路这三部分合为一体的负反馈放大器。
图5―16 集成模拟开关切换电路的方框图 3
.集成模拟开关切换实用电路
在视频切换电路中常用的是8选1模拟开关CD4051。
图5―17是CD4051的引脚图。
表5―1是CD4051真值表。
如图所示IN0~IN7是8个输入脚,COM 是公共输出端。
也可以将COM 看成是公共输入端,IN0~IN7看作8个输出端。
C 、B 、A(LSB)是二进制通道选择控制信号。
INH 是禁止端,当其为高电平时,8个通道全不导通。
这4位控制信号一般由单片机锁存后输出,送到CD4051。
图5―18是用CD4051进行视频切换的实用
(1)()(1)(2)e
i O N O FF i O N O FF U n R R I m R R I '=-++-+20lg
()
[(1)()(1)(2)]()i L
i O N i O N O N L O FF U R G dB n R R m R R R R I =-++-++集成模拟开关
视频输入1
控制输入来自单片机
箝位电路
视频输出
视频输入n
低输出阻抗缓冲
…
…
箝位电路
低输出阻抗缓冲
高输入阻抗缓冲电路
负反馈放大器75Ω输出匹配
电路。
图中,V1、C1、R1组成箝位电路,将输入的视频信号同步电平箝位于固定的直流电位约4.7V ;V2、V3组成互补型射极跟随器,具有较低的输出阻抗;R2、V4是当整片CD4051都不选通时防止漏电流输出的电路。
在这种情况下,-8V 电压通过R2使V5截止;V6、V7、V8组成宽带深负反馈放大器,保证输出电压幅度是1V (p―p ),其输出阻抗较低,可与75Ω电缆匹配。
当然V6~V8可用宽带视频运放来代替。
图5―17 CD4051的引脚图
表5―1 CD4051真值表
1234
876
5COM A
INH
B C CD4051
IN4IN6IN7IN5U E E IN2U SS 91011
1213141516U D D IN1IN0IN3
图5―18 用CD4051进行视频切换的实
用电路
5.2.3 矩阵切换电路
近几年来,商业系统和宾馆等行业都将电视监控作为安全防范的主要手段。
电视监控系统的规模不断扩大,少则有10来台摄像机,多则达几十台甚至上百台摄像机。
为了随意地、灵活地选取所需的图像,视频信号切换器满足以下要求: (1)输入、输出的路数多。
(2)可以进行任意切换,即任意一个输出端可以得到任意一个输入端提供的信号。
一般将具有上述两特点的切换器称为矩阵切换器。
1. 用CMOS 模拟开关构成矩阵切换器
CD4067是经常使用的4000系列集成模拟开关,除了是16选1开关外,其他性能与CD4051
视频输入1
来自单片机控制信号
6.8 R 1+10 V +10 V
820
10
3 k
1.2 k
V 5
V 6
V 8
680
130330
75
330
1.8 k
视频输出
输入缓冲
输入缓冲
IN7
IN0
COM
C A INH
B CD4051
V 4
R 2V 7
1.8 k
5.6 k
2.7 k
2.7 k
330 k
-8 V …
V 3
V 2
+6 V
2.7 M
V 1
C 1…
视频输入8
相同。
故上述对CD4051的讨论也完全适用于CD4067。
图5―19是CD4067的引脚图,表5―2是CD4067的真值表。
图5―20是用16片CD4067构成的32×8矩阵切换电路。
表5―2 CD4067真值表
图5―19 CD4067的引脚图
图5―20 用16片CD4067构成的32×8矩阵切换电路
12348765U D D COM 9101112
INH C CD4067
X7D
A U SS
B X5X4X6X3X2X1X013
1415161718192021222324X8X9X10X11X12X13X14X15视入16
X0~X15
COM
A ~D INH
缓冲输入1~16
共8片视入17
视出1锁存器1
电平转换
AX0~AX4
Y0~Y7译码器54
4
4
4
5
5
3
34
…
视入1
…
输出驱动1~8
…
X0~X15COM
A ~D
INH
视出8
视入32
…
X0~X15COM
A ~D INH
缓冲输入17~32
共8片…
X0~X15COM
A ~D INH
AY0~AY2
G
AX0~AX4共8片
…锁存器8
G
AY0~AY2…
输入视频信号经过由箝位电路和射极跟随器组成的输入缓冲电路接到CD4067的输入端X0~X15,左边一组8片CD4067对1~16路输入信号进行切换,右边一组8片CD4067对17~32路输入信号进行切换,两组中对应的两片CD4067的输出端(COM)并接在一起,经由负反馈放大器组成的8个输出驱动器输出以驱动75Ω负载。
来自单片机的输入编码AX0~AX4和输出编码AY0~AY2先进行电平转换以控制UCC 为12V 的CD4067, AY0~AY2经3-8译码器译码后的输出信号作为8个锁存器的锁存允许将AX0~AX4锁入锁存器1~8中的一个。
每个锁存器提供对应于某路输出的输出端相连的两片CD4067的切换控制信号,AX0~AX3直接接到两片CD4067的A ~D ,而AX4用作CD4067的禁止信号,当输入编码小于等于16时,AX4为“0”,左边一片CD4067选通,右边一片被禁止(输出高阻);当输入编码大于16时,AX4为“1”,右边一片CD4067选通,左边一片被禁止。
CD4067是中规模集成电路,当电视监控系统规模较大时,比如要从64路视频信号中切换出16路信号,要用64片CD4067,16片锁存器,加上译码器、反相器,一共要用上百片集成电路,电路过于复杂后易引起干扰、串扰。
为了简化线路、降低能耗,规模较大的矩阵切换器可以采用交叉点矩阵开关
2. 用MT8816构成矩阵切换器
MT8816是加拿大MITEL 公司的产品,原是为模拟程控交换机进行空分交换而研制的16×8交叉点矩阵开关,其导通电阻是65Ω,导通时能传输信号的3dB 带宽是45MHz ,路间串话指标10MHz 时还有45dB ,输入输出电容是20pF ,开关传输延时是30ns ,交流特性比用CMOS 模拟开关好,可作视频切换用。
图5―21 MT8816方框图
7-128地址译码
AX0控制
锁存
AY2
AX3
AY0
16×8交叉点开关
CS DI RES
1128
128
1
X0
X15
Y7
Y0
ST ………
…
…
…
图5―21是MT8816的方框图。
芯片由7―128地址译码器、控制锁存器和16×8交叉开关组成。
CS是片选信号,高电平有效;ST是选通脉冲,选通脉冲允许行地址码AX0~AX3、列地址码A Y0~AY2经7-128译码器译码后的信号1~128去控制相对应交叉点上的模拟开关导通或断开,从而实现相应行信号(X0~X15)与列信号(Y0~Y7)的接通或断开。
DI为导通或断开控制数据,DI为高电平时,被选开关导通;DI为低电平时,被选开关断开。
RES为复位信号,为高电平时将全部开关断开。
图5―22是MT8816的引脚图。
表5―3是MT8816的真值表。
表的上半部是0列(Y0)与各行(X0~X15)接通的真值表,还有1列~7列,若这样写下去,一共有128行,表格过于冗长,所以作了简化,表中“同上”表示原应有的与上半部相同的16行表格已经略去。
表5―3 MT8816真值表
图5―22 MT8816的引脚图
图5―23是用8片MT8816构成的64×16切换矩阵,64路视频输入分成4组,每组16路,分别通过输入缓冲电路接到4组MT8816的行线,每组两片MT8816输入端分别并接在一起,各组的左边一片MT8816输出端(列线)分别并接在一起成为1~8路输出,经驱动器驱动75Ω负载,各组的右边一片MT8816列线也分别并接在一起成为9~16路输出。
来自单片机的输入编码AX0~AX5、输出编码AY0~AY3和控制信号ST 、DT 、RES 先进行电平转换,然后将AX0~AX3、AY0~AY2、ST 、DI 、RES 共10路信号直接接到各片MT8816的相应脚,将AX5、AX4、AY3经3-8译码后作为8片MT8816的片选。
图5―23 用8片MT8816构成的64×16矩阵切换电路
U D D M T8816
Y2DI X1Y4
AX1AY0AY1Y1CS Y0NC 1234876591011121314151716181920
Y3NC AX3X10X11X14X15X8X12X13Y6U SS Y7ST Y5U E E
AX0RES AY2X921
23242225262728293032313334353637383940X0X2X3X4X5X6AX2X7视出1输出驱动译码器ST 缓冲输入1~16
视入1
X0~X15Y0~Y7CS
1~8Y7C 控制信号驱动和电平转换
DI RES
10
10
101010
3
AX5
AX4
视入16
…X0~X15Y0~Y7CS
…
视出8视出9输出驱动9~16…
视出16
视入17
X0~X15Y0~Y7CS
视入32
缓冲输入17~32
X0~X15Y0~Y7CS
视入33
…X0~X15Y0~Y7CS
…视入48
缓冲输入33~48
X0~X15Y0~Y7CS
X0~X15Y0~Y7CS
视入49
视入64
…X0~X15Y0~Y7CS
101010…
…AY0~AY3
AX0~AX5B A AY3
Y0缓冲输入49~64
单片机上电后先送复位信号RES,使各交叉点开关全部断开,然后逐个接通需要接通的交叉点开关。
因为芯片规定:在ST上升沿前地址信号必须进入稳定状态,在ST下降沿处数据DI输入也应该是稳定的,所以每接通一个交叉点开关,单片机应先发出视频输入编码号、视频输出编码号和DI数据,再发ST信号。
交叉点开关与常用的N选1开关不一样,CD4051、CD4067等N选1开关的输出端只能接通N路输入信号中的一路,相当于N挡的互锁开关,N选1开关控制出错时切换出来的图像与要求的不符,还是可看的图像;而交叉点开关的输出端有可能同时接通多个输入端相当于一组自锁开关,交叉点开关控制出错有可能使多路输入信号接通在一起,形成杂乱无章的使人厌恶的不可看画面。
在用单片机控制交叉点矩阵开关时,
应在RAM中,最好是E 2PROM中指定一块区域专门记录每一路输出的接通位置,每次控制切换时,必须首先将该路输出上次接通的交叉点开关断开,才能接通新的交叉点开关。
为了可靠起见,断开的信号还应多次反复发,以确保原接通的交叉点开关断开。
3. 防串扰措施
矩阵切换电路的主要技术指标是减少路间串扰。
矩阵切换电路因为有多路视频信号输入,有多路视频信号输出,视频信号线往往拉得较长,还有印制板排列不当或机内走线不当等都会引起各路视频信号之间的串扰。
要减少串扰的发生,工艺上必须注意:
(1)印制板上的输入缓冲电路与输出驱动电路应尽量靠近后面板的BNC插座,与BNC插座连线短时可采用双绞线,连线长时要采用单芯屏蔽线或SYV―75―2电缆。
(2)各输入缓冲电路之间应有明确的界线,周界应尽可能用地线框起来,每个缓冲电路都要单点接地,防止缓冲电路之间有公共阻抗引起串扰。
(3)每一个缓冲电路电源上都要接瓷片滤波电容,每几个缓冲电路加Γ型去耦滤波,总电源要用较大容量进行电容滤波。
(4)缓冲电路到MT8816的引线应尽量短。
若信号线较长且平行走线,则应在信号线之间加起屏蔽作用的地线或直流线。
为减短缓冲电路到MT8816的引线,可以将MT8816的列线(Y0~Y7)作为输入,行线(X0~X15)作为输出。
市售的矩阵切换机产品,有的采用D型插头座集中输入视频信号,输入线捆扎实在一起,各路视频信号间容易产生串扰,引起图像质量下降。
有的矩阵切换机产品,如PELCO和AD等公司的矩阵切换机,输入视频信号由BNC插座分别接入,信号间相互串扰小,输出的图像信噪比高,能保证整个系统的图像质量。
5.2.4 同步切换电路
在应用电视系统中,为了减少费用,一般不要求摄像机同步锁相,来自各个摄像机的视频信号是不同步的。
当监视器对某一视频信号同步时,突然切换到另一视频信号,监视器会出现短暂的场不同步。
这是因为行不同步后恢复到正常的同步状态所需时间很短,不易被察觉,而场不同步后恢复到正常的同步状态所需时间较长。
当两视频信号的场同步相隔接近20ms时,图像只是轻微的抖动;
当两视频信号的场同步相隔过近或过远时,图像会出现上下翻滚。
在视频切换比较频繁的场合,这种跳动和翻滚会使人感到厌烦和视觉疲劳。
这时,需将摄像机进行同步锁相,常用的方法有电源同步和外同步。
5.2.5 常用切换方式
前面介绍的切换电路在单片机的控制下能进行各种各样的切换。
最常用的切换方式是固定切换、自动定时切换和成组切换三种。
1.固定切换
固定切换也称手动切换,是将某一路输入视频信号固定连接到某一路视频输出端。
也就是指定监视器固定显示指定摄像机的图像,直至接到另一键盘命令。
2.自动定时切换
自动定时切换也称顺序切换或巡视,是将若干路输入视频信号按指定顺序按指定时间(一般为1~30秒)轮流连接到某一路视频输出端。
也就是指定监视器自动定时显示指定的一组摄像机的图像,周而复始直至接到另一键盘命令。
3. 成组切换
成组切换是将若干路(m×n)输入视频信号按指定顺序和指定时间(一般为1~30秒)轮流连接到若干路(n)视频输出端。
也就是指定的一组监视器自动定时显示指定的一组摄像机的图像,经m次切换后周而复始,直至接到另一键盘命令。
一组监视器显示的画面是同时切换的,使人感觉整齐、有条不紊。