Беседа четырнадцатая ИСЧЕЗНОВЕНИЕ И ВОССТАНОВЛЕНИЕ
Беседа четырнадцатая
ИСЧЕЗНОВЕНИЕ И ВОССТАНОВЛЕНИЕ
Пройдя через конденсатор связи, видеосигнал теряет постоянную составляющую. Результатом этого являются неточное воспроизведение среднего уровня яркости изображения и нарушение синхронизации. В некоторых случаях можно обойтись без конденсаторов связи. В других же приходится прибегать к восстановлению постоянной составляющей. Это и является предметом настоящей беседы, во время которой будут рассмотрены: прохождение сигнала через конденсатор; асимметричные сигналы; потеря постоянной составляющей; влияние на среднюю яркость изображения и синхронизацию; схема с непосредственной связью; восстановление постоянной составляющей с помощью диода; схема включения восстанавливающего диода; смещение в случае униполярных сигналов.
ЭЛЕКТРОНЫ КАЧАЮТСЯ
Незнайкин. — Рассматривая в последний раз усиление на видеочастоте, ты особенно напирал на проблему наиболее высоких частот. Но на другом конце диапазона тоже должны быть трудности.
Любознайкин. — Что ты этим хочешь сказать?
Н. — Я спрашиваю себя, не вырождается ли в некоторых случаях видеосигнал в простое постоянное напряжение, например, если изображением является просто однородный фон. Ведь постоянное напряжение не передается через конденсаторы связи между каскадами.
Л. — Трудность была бы реальной в отсутствие синхронизирующих импульсов, которые в конце каждого кадра вызывают скачок напряжения, вследствие чего видеосигнал не может иметь постоянной величины даже в случае, о котором ты говоришь. Конечно, нужно использовать переходные конденсаторы достаточной емкости, чтобы низкочастотные составляющие прошли без искажений. Но, как ты сказал очень кстати, конденсатор не может передать постоянное напряжение. И это создает известные трудности несколько другого порядка.
Н. — Если бы ты соблаговолил быть менее таинственным, мне удалось бы, вероятно, понять их и, кто знает, может быть и преодолеть.
Л. — Ну, что же, подумай немного, каким образом переменное напряжение передается в классической цепочке связи через конденсатор С с резистором утечки R.
Н. — Мы это разбирали как-то, и нет ничего проще. Напряжение переменного тока подается на левую обкладку конденсатора. Во время положительного полупериода там образуется разрежение электронов, Поэтому ввиду притяжения, которое под действием положительных атомов (бедных электронами) испытывают электроны, они притягиваются к правой обкладке. Откуда же они могут появиться? Очевидно, из массы шасси. Они, следовательно, проходят через резистор R снизу вверх, создавая такое падение напряжения, что верхний его конец становится положительным. Все происходит таким образом, как будто ток в течение положительного полупериода реально прошел через конденсатор.
Л. — С той, однако, разницей, что если на переменную составляющую накладывается постоянное напряжение, а это так и бывает в анодной цепи, где существует высокое напряжение, то постоянная составляющая не передается через конденсатор. Что же происходит теперь с отрицательным полупериодом?
Н. — Электроны устремляются к левой обкладке и, следовательно, вытесняют электроны с правой, так как нет ничего более антагонистического для электрона, чем другой электрон. Изгнанные таким образом электроны направятся к массе шасси, проходя через резистор R таким образом, что верхний его конец становится отрицательным. И здесь опять все происходит так, как будто вместо конденсатора находится проводник.
Л. — Все это правильно. И ты замечаешь, что электроны легко и симметрично балансируют, как ребятишки на качелях.
СИММЕТРИЯ И РАВНОВЕСИЕ
Н. — Я это знал уже давно. Зачем ты мне опять об этом напоминаешь?
Л. — Да потому, что в случае видеосигнала все происходит несколько по-иному
Н. — Почему же?
Л. — Потому, что в отличие от формы модулированных сигналов высокой и сигналов низкой частоты, соответствующих звуковой передаче, сигналы видеочастоты асимметричны (рис. 95), т. е. не состоят из отрицательных и положительных полупериодов, похожих друг на друга, как отражение объекта в зеркале на сам объект.
Рис. 95. Напряжения высокой частоты (а) и модулированной высокой частоты (б) симметричны, напряжение же видеочастоты (в) асимметрично.
Н. — Действительно, на выходе детектора видеосигнал в соответствии с полярностью детектирования будет или полностью положительным, или полностью отрицательным. Для сигналов такой формы не может быть проведена ось симметрии.
Л. — Попробуй теперь разобрать, каким образом такие сигналы будут передаваться цепочкой связи CR от детектора на видеоусилитель.
Н. — А какую взять полярность детектирования?
Л. — Будем считать, что речь пойдет о наиболее употребительном случае, когда приемник имеет только один каскад видеочастоты и напряжение подается на катод кинескопа. Детектирование будет тогда…
Н. —..отрицательной полярности. У нас будет излишек электронов на левой обкладке, исключая короткие мгновения передачи самых ярких точек. Следовательно, из правой обкладки будет изгнано более или менее значительное количество электронов.
Л. — Совершенно верно. Когда детектированное отрицательное напряжение достигает максимума (верхушки синхронизирующих импульсов), наибольшее количество электронов удаляется из правой обкладки, чтобы направиться к массе шасси через резистор. В это время верхний конец резистора отрицателен.
Н. — Я вижу, куда ты клонишь. Когда напряжения менее отрицательны, как, например, при передаче белого, часть выброшенных электронов возвращаются к правой обкладке. Ток, который их туда переносит из массы шасси, идет в обратном направлении, вследствие этого верхний конец резистора становится положительным.
Л. — Ты видишь (рис. 96), что после конденсатора напряжение имеет ту же форму, что и детектированное, но оно уже неполностью отрицательно или положительно в зависимости от полярности детектирования. Хотя на сетке лампы видеоусилителя напряжение асимметрично, оно имеет положительные и отрицательные полупериоды, распределяющиеся должным образом вокруг нулевого потенциала.
Рис. 96. Видеосигнал отрицательной полярности на выходе детектора имеет вид, представленный кривой А. После прохождения через переходный конденсатор он приобретает форму, представленную кривой В, у которой площади заштрихованных положительных и отрицательных полупериодов соответственно равны.
Н. — А что ты называешь «должным образом»?
Л. — Так, чтобы общее количество электронов, покидающих правую обкладку (отрицательный полупериод), было равно количеству возвращающихся туда электронов (положительный полупериод). Как хороший бухгалтер, я стараюсь уравновесить приход и расход. И если об этом поразмыслить, не прибегая даже к полному подсчету, то можно обнаружить, что эти количества электронов пропорциональны площади каждого из полупериодов.
Н. — В общем, для нахождения оси с нулевым потенциалом нужно разделить ножом кривую на две части таким образом, чтобы она, если лезвие ножа совпадает с осью, сохраняла равновесие.
Л. — По крайней мере так можно проверить, правильно ли начерчена ось… Ты видишь, следовательно, что, пропуская детектированный сигнал через конденсатор связи, мы преобразовали его в переменный ток, лишив его определенной полярности, и, главное, сместили импульсы синхронизации с постоянного уровня.
НОВЫЕ КОЗНИ ЕМКОСТИ
Н. — А это опасно?
Л. — Это катастрофично! Ибо в соответствии с формой сигнала, т. е. с видом передаваемого изображения, уровень верхушек импульсов будет изменяться. При этом нельзя будет обеспечить правильную синхронизацию. Кроме того, полутона изображения могут оказаться искаженными.
Н. — Почему же?
Л. — Чтобы дать тебе возможность лучше понять степень неприятности, я приведу конкретный и очень простой пример.
Предположим, что изображение состоит из совершенно белого равностороннего треугольника на совершенно черном фоне. Попробуем начертить форму детектированного отрицательного видеосигнала (рис. 97) для трех строк развертки: одной — расположенной вверху, второй — в середине и третьей — внизу.
Рис. 97. Три строки изображения, вычерченного вверху, дают на выходе детектора напряжения А, В и С, показанные на первом графике. После прохождения через конденсатор эти напряжения смещаются в соответствии со вторым графиком. Если не принять соответствующих мер предосторожности, то изображение на экране приемника будет иметь вид, показанный внизу.
Н. — Это нетрудно. В первой строке синхронизирующий импульс составит 100 % максимальной амплитуды, затем следует сигнал черного на уровне 75 %, за исключением короткого пика с уровнем 15 %, соответствующего вершине белого треугольника. Для средней строки площадки на уровне черного сокращаются в пользу площадки, соответствующей уровню белого. И уровень белого занимает почти все место в последней строке.
Л. — Прекрасно. Можешь ля ты теперь начертить пунктиром для каждой из трех строк ось нулевого потенциала так, как она расположится после прохождения сигналов через конденсатор?
Н. — Конечно. Я думаю, что мои площадки не так уж плохо уравновешены.
Л. — Продолжим наши графические упражнения. Не нарисуешь ли ты вновь эти же сигналы так, как они будут расположены по отношению к нулевой оси после прохождения через конденсатор связи.
Н. — Это нетрудно.
Л. — Ты можешь установить теперь, что верхушки импульсов синхронизации находятся на разных уровнях, что помешает правильной работе схемы синхронизации. Но это еще не все, если подать сигналы в таком виде на катод кинескопа и добиться правильной градации тонов от черного до белого для первой строки, то соотношение полутонов для остальных строк уже не будет соблюдаться. То, что должно быть белым на средней строке, будет серым, а белый участок на последней строке окажется еще более темно-серым. В конце концов треугольник будет уже далеко не равномерно белым. Чем ниже, тем он будет темнее.
ДОЛОЙ КОНДЕНСАТОРЫ!
Н. — Я совершенно обескуражен. В общем, идет ли речь о паразитных емкостях или явно выраженных конденсаторах, все они играют самую роковую роль в телевидении. А что если их совсем изъять?
Л. — То, что ты говоришь в шутку, в действительности осуществляется в некоторых схемах с так называемой прямой или непосредственной, или, как еще говорят, гальванической связью. Ничто не мешает изъятию переходного конденсатора между детектором и сеткой лампы видеоусилителя.
Несколько сложнее осуществить прямую связь между анодом лампы усилителя и, например, модулятором кинескопа. При отсутствии конденсатора модулятор окажется под высоким положительным потенциалом анода лампы видеоусилителя (рис. 98).
Рис. 98. Простейшая схема передачи постоянной составляющей с использованием непосредственной связи между каскадами, следующими за детектором.
Н. — Но это невозможно! Разве ты мне не говорил, что потенциал модулятора кинескопа должен быть отрицательным относительно его катода, так же как и управляющая сетка триода?
Л. — Верно. Поэтому в такой схеме подают на катод кинескопа постоянный положительный потенциал несколько выше потенциала его модулятора. Благодаря этому сетка оказывается отрицательной относительно катода.
Н. — Вот и нет переходных конденсаторов! Я не думал, что решение окажется столь простым.
Л. — Не радуйся преждевременно. На самом деле это совсем не так просто. Схема, которую я тебе описал, имеет и серьезные недостатки. Жизнь кинескопа, в частности при непосредственной связи с модулятором, подвергается некоторой опасности.
Н. — Но почему же!
Л. — Предположим, что по каким-либо причинам, хотя бы вследствие перегорания нити, лампа видеоусилителя перестанет работать. При этом напряжение на ее аноде значительно повысится, потому что в отсутствие анодного тока нет больше и падения напряжения на нагрузочном резисторе.
Н. — Я вижу, в чем трагедия. Напряжение на аноде лампы видеоусилителя, а значит, и на модуляторе кинескопа окажется равным напряжению источника анодного питания. На модуляторе появится высокий положительный потенциал относительно катода. Последний потеряет эмиссию и окажется пригодным лишь для мусорного ящика. Что же делать?
Л. — Существуют другие схемы с прямой связью, где этот дефект, как и некоторые другие, может быть устранен. Так, например, если видеосигнал подать не на модулятор, а на катод, то кинескоп окажется в безопасности. Впрочем, существуют и другие способы, кроме прямой связи, чтобы восстановить форму видеосигнала после его прохождения через переходный конденсатор.
ПРОСТОЙ СПОСОБ ВОССТАНОВЛЕНИЯ
Н. — Хотел бы я с ними познакомиться, если только они не окажутся много сложнее улучшенных схем с непосредственной связью.
Л. — Ты ведь уже заметил, что причиной всех неприятностей из-за переходных конденсаторов является наличие токов в двух направлениях через резистор. Падение напряжения, обусловленное этими токами, и является причиной возникновения положительных и отрицательных полупериодов.
Н. — Очевидно, если бы можно было заставить электроны вернуться на правую обкладку в обход резистора, то не было бы положительных полупериодов. Но я не вижу такого способа.
Л. — Однако такой способ существует, и он сравнительно прост. Достаточно включить параллельно резистору R диод, соединив его катод с нижним концом резистора при негативном или с верхним концом при позитивном видеосигнале (рис. 99).
Рис. 99. Схема включения восстанавливающего диода.
а — негативный сигнал; б — позитивный сигнал.
Н. — Я об этом не подумал! Я понимаю, что в этих условиях электроны, изгнанные с правой обкладки, могут пройти на массу шасси только через резистор, так как диод в этом направлении не может их пропустить. Следовательно, они создадут требуемое отрицательное напряжение. Но, чтобы вернуться к обкладке, электроны вместо высокого сопротивления резистора R выберут гораздо более легкий путь через промежуток катод — анод диода. И на этом малом сопротивлении появится совершенно незначительное положительное напряжение.
Л. — В действительности протекающие в этой элементарной цепи явления не так просты. Электроны, образующие заряд конденсатора С, не могут мгновенно стечь через резистор R. Роль диода, следовательно, заключается в том, чтобы создать на правой обкладке конденсатора достаточный заряд. Тогда весь видеосигнал окажется в области отрицательных напряжений и лишь синхронизирующие импульсы будут достигать нулевого уровня. Благодаря действию диода нулевой уровень окажется не средним, а максимальным значением сигнала.
Н. — Разве электроны проходят через диод при каждой кадровой развертке?
Л. — Необязательно; если напряжение следующих друг за другом кадров имеет одинаковую форму или, точнее, создает один и тот же заряд, диод будет бездействовать после соответствующего заряда конденсатора. Но если появится более значительное количество электронов, то диод пропустит их для пополнения заряда. А когда заряд будет уменьшен, избыток электронов стечет через резистор R. Во всяком случае восстанавливающий диод…
Н. — Его так и называют?
Л. — Да, я забыл тебя познакомить с ним. Так вот, имею честь представить тебе диод для восстановления постоянной составляющей, как его официально называют.
Н. — А что это за постоянная составляющая, о которой идет речь?
Л. — Напряжение одной полярности (полностью положительной или полностью отрицательной), каким оно получается после детектирования, может рассматриваться (рис. 100) как сумма двух напряжений: переменного, имеющего такую форму, какая получается после прохождения через переходный конденсатор, и постоянного соответствующего знака и достаточной величины, чтобы после сложения переменное напряжение оказалось полностью в области положительных или соответственно отрицательных напряжений.
Рис. 100. Видеосигнал положительной полярности, представленный на графике А, может рассматриваться как сумма симметричного сигнала В и постоянной составляющей С.
Н. — Я догадываюсь, впрочем, что это постоянное напряжение равно тому, которое я начертил пунктиром на своем чертеже, чтобы разделить на равные поверхности кривую видеосигнала.
Л. — Ты еще раз прав, Незнайкин.
Н. — Мы рассмотрели случай напряжения отрицательной полярности. Как же нужно действовать в противоположном случае?
Л. — Нет ничего более простого. Если напряжение имеет положительную полярность, то переверни диод, т. е. присоединить анод к шасси, а катод — к верхнему концу резистора. Выполни для этого случая весь ход наших рассуждений, и ты увидишь, что схема работает так же хорошо… и, сверх того, ты проделаешь хорошую мозговую гимнастику.
ДИОДЫ ЗДЕСЬ, ДИОДЫ ТАМ…
Н. — В каком месте цепи видеочастоты нужно восстанавливать постоянную составляющую? Я думаю, что достаточно сделать это на выходе последнего каскада усилителя в цепи связи с кинескопом.
Л. — Можно было бы этим удовольствоваться при условии, конечно, что импульсы синхронизации будут выделены в этой точке, что часто и делают. Но можно также использовать несколько восстанавливающих диодов: один — после детектора, другой — после видеоусилителя, и если имеются два каскада видеочастоты, то третий диод — после второго каскада.
Но вернемся к примеру, который мы только что рассмотрели (рис. 97). Разве ты не видишь, что при отсутствии диода область напряжений U2, занятая сигналами, значительно превышает область U1, которой достаточно, когда верхушки импульсов синхронизации выравнены благодаря действию диода?
Н. — А почему нужно избегать этого растягивания сигналов по шкале напряжений?
Л. — Потому что видеоусилители — работают в малоблагоприятных условиях, и нет смысла давать им переваривать сигналы, растянувшиеся в столь обширной области сеточных напряжений. Конечно, при достаточно малых амплитудах действующих сигналов не следует злоупотреблять диодами.
Н. — Интересно, каким же образом нужно подавать смещение на лампы видеоусилителя, когда речь идет об усилении асимметричных и особенно «униполярных» сигналов?
Л. — Вопрос поставлен правильно. Действительно, в этом случае бесполезно устанавливать рабочую точку посередине прямолинейной части характеристики в области отрицательных сеточных напряжений. Рабочая точка для негативного сигнала выбирается в области нуля или несколько менее 1 в (рис. 101). А если речь идет о позитивном сигнале, то рабочая точка должна быть установлена на самом отрицательном конце прямолинейной части. В обоих случаях благодаря такому смещению для сигнала будет использована максимальная протяженность прямолинейной части характеристики.
Рис. 101. Смещение каскада видеочастоты должно так устанавливаться, чтобы униполярный сигнал находился на прямолинейном участке характеристики (показан выбор рабочей точки для случаев позитивного и негативного сигналов).
Н. — Подводя итоги, можно сказать, что в конкретном случае приемника с одним каскадом видеочастоты при подаче модулирующего напряжения на катод кинескопа нужно детектировать отрицательные полупериоды. При этом достаточно одного восстанавливающего диода, включенного параллельно резистору утечки кинескопа.
Л. — Заметь еще для будущего, что в случае негативного видеосигнала промежуток катод — сетка лампы может заменить диод. Когда мы анализировали механизм сеточного детектирования, помнишь, мы установили, что сетка лампы без сеточного смещения может играть роль анода диода. В случае негативного видеосигнала сетка и катод оказываются включенными так, что могут заменить восстанавливающий диод.