Kleurenmodulator
Met behulp van betrekkelijk eenvoudige middelen is het mogelijk een schakeling die een zwart/wit-videosignaal genereert zodanig uit te breiden dat de aantrekkelijke extra dimensie van kleur wordt toegevoegd. De aanvulling waarom het hier gaat kan bijvoorbeeld worden gekombineerd met de CCIRpatroongenerator (Elektuur maart-april 1977) of met een zwart-wit-tv-spelgenerator zoals die uit de laatste Halfgeleidergids. Samen met een dergelijke schakeling levert deze kleurenmodulator een kompleet kleurenvideosignaal.
De hier beschreven kleurenmodulator produceert samen met een zwart/witgenerator een signaal waarin vier kleuren voorkomen, afhankelijk van vier ingangssignalen. Op elk van de vier ingangen wordt als het ware het beeld gezet dat in een bepaalde kleur moet worden weergegeven; de vier monochrome kleurenbeelden samen vormen het meerkleurige beeld.
Het kleurenvideosignaal
Een van de belangrijkste eisen die gesteld worden aan het kleurenvideo-signaal is dat het kompatibel moet zijn met het zwart/wit-video-signaal; d.w.z. dat een zwart/wit-monitor of ontvanger het kleurensignaal probleemloos moet kunnen verwerken en als een bruikbaar zwart/wit-beeld moet kunnen weergeven. Vandaar dat het kleurensignaal in feite bestaat uit het zwart/wit-signaal waaraan de kleureninformatie afzonderlijk is toegevoegd door deze op een hulpdraaggolf te moduleren.
De samenstelling van het kleurenvideo-signaal is tamelijk komplex. Het bevat alle raster- en lijnsynchronisatiesignalen die het zwart/wit-videosignaal ook bevat - in Elektuur van maart jl. werden deze besproken - en daarnaast nog het nodige.
Bekend mag waarschijnlijk verondersteld worden dat een gekleurd beeld opgebouwd gedacht kan worden uit drie monochrome (eenkleurige) beelden; dit omdat iedere kleur is te beschouwen als te zijn samengesteld uit zekere hoeveelheden van drie basiskleuren. Bij kleurenvideo wordt uitgegaan van de drie basiskleuren rood, groen en blauw. Voor de opbouw van het kleurenvideosignaal gaat men dan ook uit van drie door de kleurenkamers geleverde videosignalen die de opbouw van de monochrome kleurenbeelden definiëren. De videosignalen voor het rode, groene en blauwe beeld noemen we resp. ur, ug en ub. Deze drie signalen staan op de een of andere manier in relatie tot het zwart/wit-signaal; immers, wanneer een of meer van de drie kleurenbeelden lichter wordt, zal dat ook in de zwart/wit-weergave van het beeld te zien moeten zijn. Proefondervindelijk kan worden vastgelegd dat het zwart/wit-signaal (of luminantie) uy als volgt kan worden samengesteld uit de drie basiskleursignalen: uy = 0,3 ur + 0,59 ug + 0,11 ub.
Het is duidelijk dat wanneer naast het luminatiesignaal uy twee van de drie basiskleursignalen bekend zijn, het derde basiskleursignaal daarvan afgeleid kan worden. Om technische redenen neemt men in het kleurenvideosignaal niet zonder meer twee van de basis-kleursignalen op, maar definieert men twee nieuwe videosignalen uu en uv, die samen de chrominantie genoemd worden:
uu = 0,49 (ub - uy),
uv = 0,88 (ur - uy).
Uit de drie signalen uy, uu en uv zijn de oorspronkelijke basiskleursignalen ur, ug en ub te herleiden.
De beide chrominantiesignalen uu en uv worden samen in een zg. kwadratuur-modulator gesuperponeerd op een hulpdraaggolf, de kleurendraaggolf van ca. 4,43 MHz. Een kwadratuur-gemoduleerd signaal kan men zich voorstellen als de som van twee amplitudegemoduleerde draaggolven, die 90° in fase verschoven zijn ten opzichte van elkaar. Bij toepassing in de kleurentelevisie wordt de resulterende draaggolf ook nog onderdrukt. Zonder al te diep op de teorie in te gaan geeft figuur 1 een indruk van deze kwadratuurmodulatie met onderdrukte draaggolf. Voor de duidelijkheid is in dit voorbeeld voor uu een sinus-signaal en voor uv een blokvormig signaal genomen. Zoals men ziet lijkt het resultaat wel wat op dat van een AM-signaal met onderdrukte draaggolf (DZB- of DSSC-signaal).
Uit figuur 1 blijkt al dat het detekteren van uu en uv uit het gemoduleerde signaal een zeer nauwkeurig proces is. In de ontvanger gebeurt dit door twee synchroondetektors die precies op het juiste moment de amplitude van de gemoduleerde draaggolf bemonsteren. Voor het goed verlopen van deze detektie moet een referentiesignaal in de vorm van de ongemoduleerde draaggolf beschikbaar zijn. Door de permanente aanwezigheid van een dergelijk referentiesignaal in het kleurenvideo-signaal zou dit letterlijk overvol worden. Het blijkt echter ook mogelijk het vereiste signaal in de ontvanger of monitor op te wekken. Voor een voldoende stabilisatie moet de oscillator die dit signaal opwekt wel voor elke beeldlijn, dus na iedere lijntijd van 64 µs gesynchroniseerd worden. Dit gebeurt door telkens vlak na de lijnsynchronisatie gedurende zeer korte tijd (ca. 2 µs) het referentiesignaal (de kleurendraaggolf) aan het videosignaal toe te voegen: de colourburst of kleurensalvo. Iedere burst bestaat uit acht à elf perioden van de kleurendraaggolf. Figuur 2 laat zien waar de burst in het videosignaal is opgenomen.
Figuur 1. De kwadratuurmodulatie in beeld gebracht. In figuur 1a is de kwadratuur-gemoduleerde draaggolf uy afgebeeld. 1b en 1c laten de beide op de draaggolf gemoduleerde signalen uu en uv zien, terwijl 1d en 1e duidelijk maken hoe deze signalen op draaggolven met 90° faseverschil worden gemoduleerd. Figuur 1a ontstaat door het spanningsverloop van figuur 1d op te tellen bij dat van figuur 1e.
Figuur 2. Verloop van het videosignaal gedurende een beeldlijn. De colourburst komt ca. 0,5µs na het verstrijken van de syncpuls.
Het PAL-systeem
Het kleurenvideosignaal zoals het tot nu toe besproken is staat bekend als het NTSC-signaal; in de Verenigde Staten is dit het standaardsignaal. Het kleuren-videosignaal volgens de in noordwest-Europa gebruikelijke PAL-norm is een verdere verfijning van dat volgens het NTSC-systeem. Het blijkt namelijk dat dit laatste systeem zeer gevoelig is voor tijdens overdracht en detektie ontstane faseverschillen tussen de beide chrominantiesignalen uu en uv. Een faseverschil van slechts 5° veroorzaakt al een onaanvaardbare kleurfout in het beeld. In het PAL-systeem worden de bezwaren van deze onvolkomenheid opgeheven door per beeldlijn afwisselend uv en -uv aan de kwadratuur-modulator toe te voeren. Een eventueel voorlopen van het uv-signaal ten opzichte van het uu-signaal wordt gekompenseerd door het in de volgende lijn evenveel nalopen van uv.
Dit kompenseren, 'uitmiddelen', van de faseverschillen kan op twee manieren gebeuren. In het PAL-simple-systeem (PAL-I) geschiedt het visueel: op zekere afstand lossen de tegengestelde kleurafwijkingen van twee lijnen in elkaar op en schijnt er slechts sprake te zijn van een - goede - kleur. In het meest gebruikte PAL-standardsysteem (PAL-II) en ook in het recente Neu-PAL of PAL-III vindt het uitmiddelen elektronisch plaats, door steeds de chrominantie van een beeldlijn op te tellen bij die van de vertraagde vorige lijn.
Dankzij deze vernuftige verfijning is de kleurweergave via het PAL-systeem (PAL = Phase Alternation on Lines) aanzienlijk beter dan die volgens het Amerikaanse systeem. Niet voor niets worden Amerikaanse kleurentelevisie-ontvangers wel 'body-builder-tv's' genoemd; om de paar minuten moet immers de kleur worden bijgesteld, een euvel dat de Europese kleurentelevisie veel minder vertoont. Essentieël bij het PAL-systeem is de PAL-schakelaar. Bij het moduleren zorgt deze - uiteraard elektronische - schakelaar voor het ompolen van het uv-signaal voordat dit naar de kwadratuurmodulator gaat. In de demodulator zorgt de PAL-schakelaar voor het herstellen van de juiste polariteit van uv. De PAL-schakelaar in de demodulator wordt weer gestuurd door een onderdeel van het komplete kleurenvideosignaal, namelijk door de al besproken colour-burst. De fase van deze burst is bepalend voor de 'stand' van de PAL-schakelaar - zie figuur 3.
Figuur 3. De fase van de colourburst stuurt de stand van de PAL-schakelaar in de ontvanger of monitor.
De kleurenmodulator
Voor het opwekken van een kleuren-videosignaal volgens de PAL-norm is zo op het eerste gezicht dus nogal wat nodig. Toch is het blokschema van een eenvoudige kleurenmodulator niet ingewikkelder dan dat van figuur 4. De kleurendraaggolf, waarvan de frekwentie om precies te zijn 4.433.618,75 ± 1 Hz bedraagt, wordt opgewekt in een kristaloscillator. Van deze draaggolf XTO wordt de geïnverteerde - dus 180° in fase verschoven - XTO afgeleid. De twee signalen XTO en XTO leveren de draaggolf waarop het chrominantiesignaal uu wordt gemoduleerd. De draaggolf waarop het chrominantiesignaal uv wordt gemoduleerd wordt ook uit het XTO-signaal afgeleid (PSKXTO en de geïnverteerde PSKXTO). De PAL-schakelaar zorgt voor het ompolen van deze draaggolf, zoals dit voor het PAL-video nodig is (bij de hier toegepaste vorm van modulatie levert het ompolen van de draaggolf hetzelfde resultaat op als het ompolen van het modulerende signaal). De PAL-schakelaar wordt gestuurd door een flipflop FF, die op zijn beurt getriggerd wordt door de lijnsynchronisatiepuls. Het noodzakelijke faseverschil tussen de draaggolven voor het uu en het uv-signaal wordt verkregen door de - zeer geringe - vertraging in de poorten en een RC-netwerk.
Figuur 4. Blokschema van de kleurenmodulator. De schakeling heeft vier ingangen (B... E) voor het toevoeren van kleurinformatie.
De vier van de kristaloscillator afgeleide signalen worden toegevoerd aan de eigenlijke modulator. Deze heeft vier ingangen waarop videosignalen worden aangesloten. De uitgang levert dan het op 4,43 MHz gemoduleerde kleurensignaal. De colourburst, waarvan de fase iedere beeldlijn 180° draait, wordt afgeleid van het signaal PSKXTO, dat door de PAL-schakelaar immers ook in fase omgedraaid wordt. De burst-generator wordt gestuurd door de monostabiele MMV2, die zorgt dat de burst de vereiste lengte van ca. 2 µs heeft. Deze monoflop wordt op zijn beurt getriggerd door MMV 1, zodat de burst op het juiste moment komt (ca. 0,5 µs na het verstrijken van de lijnsyncpuls).
Het uitgewerkte schema
Figuur 5 toont het definitieve schema van de kleurenmodulator. Het blijkt mogelijk de modulator samen te stellen uit niet meer dan zes IC's, een kristal en enig klein materiaal: eenvoud is het kenmerk van het ware.
Figuur 5. Het uitgewerkte schema van de modulator. Zes IC's, een kristal en wat klein materiaal is alles wat nodig is.
De oscillator die de 4,43 MHz-draaggolf opwekt is op de bekende wijze met TTL-poorten uitgevoerd en behoeft verder geen kommentaar. De exklusieveof-poort N8 is de eigenlijke PAL-schakelaar en schakelt dus de polariteit van de draaggolf om. Immers, wanneer een van de ingangen van de exklusieveof-poort aan logisch 0 ligt, wordt het signaal aan de andere ingang onveranderd doorgegeven aan de uitgang; is het stuurnivo echter logisch 1, dan wordt het signaal geïnverteerd doorgegeven - zie figuur 6.
Figuur 6. De exklusieve-of-poort als polariteitsomschakelaar. Uit de waarheidstabel blijkt dat A onveranderd aan de uitgang C wordt doorgegeven als B = 0; is B = 1, dan geldt dat C = A.
Tussen de draaggolven voor het uvsignaal (PSKXTO en zijn inverse) en die voor het uu-signaal (XTO, XTO) wordt een faseverschil gerealiseerd door de vertraging in N8 en het netwerk C7-R10-P1.
De eigenlijke kleurenmodulator bestaat, zoals men ziet, eenvoudig uit een viertal logische poortschakelingen (N11 ... N18). De modulatie bestaat dan ook uit het al dan niet aanwezig zijn van de eventueel geïnverteerde draaggolf, hetgeen bepaald wordt door het logische nivo van de vier ingangssignalen B ... E. De vier dioden D1 ... D4 beveiligen de modulator tegen spanningspieken. Met de dioden D5 ... D8 is een zeer eenvoudige of-poort gerealiseerd die de vier uitgangsnivo's van de modulatorpoorten kombineert.
De colourburst - die zoals we al zagen bestaat uit een zeer kort stukje draaggolf - wordt ontleend aan het signaal uit de PAL-schakelaar. De flipflop FF2 is op een wat andere manier toegepast dan gebruikelijk is. Door de Q-uitgang met de clear-ingang te verbinden cleart de flipflop zichzelf iedere keer nadat hij door een klokpuls geset is, tenzij de preset-ingang aan logische 0 ligt. Kondensator C6 zorgt voor een zekere traagheid, zodat de pulsen op de uitgang van de flipflop niet al te smal worden. De flipflop werkt dus min of meer als poort: wanneer de preset-ingang hoog is komen er aan de uitgang pulsen in hetzelfde ritme als dat van de klokpulsen. De preset is hoog wanneer er een colourburst is; hij wordt gestuurd door de beide monostabielen van IC3. Dat in de colourburst-generator een 'oneigenlijke' flipflop is gebruikt in plaats van een gewone poortschakeling heeft een zeer prozaïsche reden: het uitsparen van een extra IC.
Het burst-signaal wordt via kondensator C8 aan het kleurenvideosignaal toegevoegd en is ook afzonderlijk beschikbaar op uitgang 3. Het lijnsynchronisatiesignaal dat aan de ingang wordt aangeboden wordt, gebufferd door de parallel geschakelde poorten N19 en N20 ook aan het uitgangssignaal toegevoegd. Deze mogelijkheid is met behulp van schakelaar S2 uitschakelbaar.
Met behulp van de kombinaties schakelaar/exklusieve-of-poort (S1/N7, S3/N10, S4/N9) kan men de polariteit van de diverse signalen omdraaien. De vereiste stand van S1 is afhankelijk van de toepassing van de schakeling; de stand van S3 en S4 beïnvloedt de kleuren van het beeld.
Bouw en afregeling
De opbouw van de print (figuur 7) zal geen bijzondere moeilijkheden met zich meebrengen. Voor normaal gebruik dienen de punten X en Y met elkaar verbonden te zijn. Legt men punt X aan aarde (punt Z), dan funktioneert de PAL-schakelaar niet meer en levert de schakeling een kleurenvideosignaal volgens de Amerikaanse NTSC-norm. De schakeling moet gevoed worden met 5 V en gebruikt ongeveer 130 mA. De afregeling gaat als volgt in zijn werk. Allereerst dient het zwart/wit-apparaat waarmee de kleurenmodulator samen gebruikt zal worden (CCIR-generator, tv-spelengenerator) goed te funktioneren en afgeregeld te zijn. De kleurentelevisieontvanger wordt afgestemd op het signaal ervan, en wel za dat de 'ontvangst' tamelijk kritisch is, d.w.z. tegen een zijflank van het signaal aan; het beeldkontrast is dan tamelijk klein. Nu wordt de kleurenmodulator verbonden met de zwart/wit-generator (zie verderop in dit artikel) en wordt de eerstgenoemde voorzien van twee of meer ingangssignalen op de punten B ... E. Met een afregelschroevedraaiertje of een dergelijk nietmetalen voorwerp wordt nu voorzichtig trimmer C3 afgeregeld tot er iets van kleur is waar te nemen. Deze kleur kan zeer vaag zijn, maar wordt beter wanneer men de ontvanger zuiver afstelt. Bij het afregelen van C3 kan de instelpotmeter Pl het beste in een van zijn uiterste standen staan - welke is niet belangrijk.
Figuur 7. Print en komponentenopstelling van de kleurenmodulator.
| R1,R2,R4,R9,R17 | 1 k |
| R3, R6 | 2k2 |
| R5,R11,R12,R13,R14,R15 | 4k7 |
| R7,R8 | 22 k |
| R10 | 470 Ω |
| R16 | 1k8 |
| P1 | instelpotmeter 4k7 |
| C1 | 10 n |
| C2 | 1 n |
| C3 | trimmer 10-40 p |
| C4 | 100 p |
| C5 | 390 p |
| C6 | 470 p |
| C7 | 33 p |
| C8 | 10 p |
| C9,C10,C11,C12 | 100 n |
| D1 ... D9 | 1N4148 |
| T1 | TUN |
| IC1 = N1...N6 | 7404 |
| IC2 = N7 ... N10 | 7486 |
| IC3 | 74221 |
| IC4 = FF1,FF2 | 7474 |
| IC5 = N11 ... N14 | 4011 |
| IC6 = N15... N20 | 4049 |
| kristal | 4.433.618,75 ± 1 Hz |
| S1,S3,S4 | enkelp. schakelaar |
| S2 | dubbelp. schakelaar om |
| EPS 9873 |
Wanneer de trimmer is afgeregeld en de televisieontvanger zuiver is afgesteld zal in veel gevallen een regelmatig storingspatroon over het beeld zichtbaar zijn. Dit wordt veroorzaakt door het onbedoeld met elkaar vermengd raken van de verschillende draaggolven. Wanneer men het effekt - dat overigens niet zonder meer als lelijk beschouwd hoeft te worden - toch als onaangenaam ervaart, kan het geminimaliseerd worden door draaien aan Pl. Men zal merken dat de kleuren van het beeld dan ook veranderen.
De geproduceerde kleuren hangen af van de aard van de signalen op de vier ingangen B ... E, of liever: van het verschil daartussen. Een kleurenvideo-signaal wordt alleen verkregen als er tenminste twee verschillende signalen worden toegevoerd. Het is dus niet noodzakelijk dat aan alle vier de ingangen een signaal wordt aangeboden, en evenmin is het bezwaarlijk wanneer twee of zelfs drie van de vier ingangen hetzelfde signaal ontvangen.
Men zal merken dat de kleurenmodulator niet uitmunt door kleurkwaliteit of stabiliteit. De schakeling is geschikt voor alle mogelijke 'speelgoed'-toepassingen, maar nadrukkelijk niet voor meetdoeleinden. Daarvoor zou een kleurenvideosignaal zodanig gegenereerd moeten worden dat slechts een van de drie basiskleuren aanwezig is; dit is met de hier beschreven modulator niet mogelijk.
Gebruik met de tv-spelen-generator uit de Halfgeleidergids
Zeer geschikt is de schakeling om gekoppeld te worden met de tv-spelen-generator uit de Halfgeleider-gids 1977 (schakeling 2). De schakeling van deze met het IC AY-3-8500 uitgevoerde generator is gedeeltijk weergegeven in figuur 8. De lijnsynchronisatie voor de kleurenmodulatorschakeling (punt A) wordt betrokken van punt 2 of 4 van IC2. R3 uit de tv-spelen-generator kan vervallen.
De vier overgebleven uitgangen P ... S van IC2 (pin 6, 10, 12 en 15) representeren elk een onderdeel van het tv-spel (de beide bats, de bal en het veld) en moeten verbonden worden met de vier ingangen B . .. E van de kleurenmodulator. Welke uitgang van de spelengenerator verbonden wordt met welke ingang van de kleurenmodulator is niet belangrijk en komt alleen tot uiting in de kleuren die de verschillende onderdelen van het spel aannemen. In de spelengenerator kunnen de dioden D1 ... D4 eventueel verwijderd worden.
De uitgang van de kleurenmodulator (in figuur 5 en op de print gemerkt met 'l') moet verbonden worden met het punt 'video in' van figuur 8. Voor het gebruik met de spelgenerator moet schakelaar SI van de kleurenmodulator gesloten zijn en S2 in stand a staan - eventueel kunnen deze schakelaars door vaste verbindingen worden vervangen. De stand van S4 bepaalt de kleuren.
Figuur 8. Gedeeltelijke rekapitulatie van de tv-spelen-generator uit de laatste Halfgeleider-gids (schakeling 2). Koppeling met de kleurenmodulator geschiedt via de nieuw te kreëren aansluitingen lijnsync', P ... S en 'video in'. De gestippeld getekende verbindingen kunnen vervallen - zie tekst.
Koppeling met de CCIRnormgenerator
Ook voor de eerder (maart-april 1977) in Elektuur gepubliceerde CCIRnormgenerator kan de kleurenmodulator een zinvolle uitbreiding zijn, zij het dan dat zoals gezegd het toepassen voor meetdoeleinden de kombinatie minder geschikt is.
Voor de koppeling moet punt A van de kleurenmodulatorprint verbonden worden met de lijnsync'-uitgang van de normgenerator. De 'burst'-uitgang van de kleurenmodulator (uitgang 3) wordt verbonden met de ingang 'colour carrier' van de normgenerator en uitgang 2 van de print gaat naar het punt 'exp' van de normgenerator. Tussen deze aansluiting en aarde wordt bovendien een weerstand van 220 Ω aangebracht. De 'VIDEO'-uitgang van de normgenerator blijft de videouitgang van het geheel; de vier ingangen B ... E van de kleurenmodulator zijn nieuwe, TTL-kompatibele ingangen voor kleurinformatie. Voor gebruik met de normgenerator moet S1 in de kleurenmodulator open zijn en S2 in stand b staan. Figuur 9 brengt de koppeling van de kleurenmodulator met de CCIRnormgenerator nog eens in beeld. Iets fraaier kan men deze koppeling nog maken door de beide monostabielen (IC3) in de kleurenmodulator geheel te laten vervallen; de preset-ingang van FF2 kan dan rechtstreeks gestuurd worden door de 'burst enable'-uitgang van de normgenerator.
Figuur 9. De koppeling van de kleurenmodulator en de CCIR-normgenerator samengevat.