电子扫描原理.doc

三、 电子扫描原理 如前所述，将一幅图像上各像素点的不同明暗程度转化为顺序传送的 相应电信号，以及将这些顺序传送的电信号再重现为一幅平面图像的过程 （即图的分解与复合），都是借助于电子扫描来实现的。在摄像管与显像管 中，电子束按一定规律在靶面上或屏幕上运动就可以完成摄像和显像的扫 描过程。 在电视系统中，电子束的扫描采用匀速、单向直线扫描方式，即扫描的速度是均匀的，扫描的轨迹是直线，只在单一方向传递图像信息。 由电路分析可知，运动的电子（电子束）通过电场或磁场时，会受到电 场或磁场的作用而发生运动方向的改变，电子束通过电场产生的运动方向 的改变称为静电偏转， 电子束通过磁场产生的运动方向的改变称为磁偏转。 电视摄像管和显像管均采用磁偏转方式，即在管壳外都安置有偏转线圈以 产生偏转磁场。 电子束的扫描方式有两种，下面分别来介绍。 1逐行扫描 电子束从上到下一行接一行地扫过整幅（帧）画面称为逐行扫描。这种 扫描分成两个方向，从显像管外看： 自上而下的扫描称垂直扫描，也称场扫描。在逐行扫描中，一幅图像一 场扫完，帧和场无区别。 自左到右的扫描称为水平扫描，也称行扫描。 （1）水平扫描 在图1-9（a）中，当给一对上下放置的行偏转线圈中通以图(b)所示的 行锯齿波电流iH 时， 在行偏转线圈中产生的磁场可用右手定律确定， 即 “四 指顺着线圈中的电流方向，大拇指的指向为磁场方向” 。当电子枪射出的电 子通过该磁场时，依左手定则，即“拇指与四指垂直，磁力线穿过手心， 四指代表电流方向，拇指代表电子的偏转方向” 。则电子束将在水平方向偏 转。图1-9 水平扫描工作原理图 例在上图中，设锯齿波电流为负最大值a时，依左手定则，电子束应偏 向屏幕的最左边a处（此时电流的方向及磁场方向应与上图相反），电流由 a 到 b 变化时，流过偏转线圈的电流幅度逐渐减小，因而形成的磁场相应 减小，导致电子束的偏转角度减小。到b 点时，锯齿波电流为零，因而磁 场为零，电子束不偏转，射向屏幕的最中央。由b 到c锯齿波电流从零逐 渐增大（此时电流及磁场的方向与图中一致），因而偏转线圈中形成的磁场 也逐渐增强，但磁场方向与前面相反，导致穿过它的电子束向右继续偏转， 且偏转角逐渐增大，至c点达到最大，即到达屏幕最右边。由c 到e，锯齿波电流由最大正值很快变到最大负值，因此使电子束迅 速由荧光屏的最右边回到最左边，完成一个行周期的扫描。 电子束从屏幕的左边扫到屏幕的右边称为行扫描正程，简称行正程。行 正程所需的时间称为正程时间，用TSH标记； 电子束从屏幕的右边回到左边，称为行扫描的逆程，行逆程所用的时间 称为逆程时间，用THr标记。则 TH =TSH +THr=52+12 = 64 行逆程所用的时间和一行所用的时间之比叫做行逆程系数。 一般用表 示。则 =TSH （ 12 ） / TH （ 64 ） =18.75% （1-10） 在行逆程时， 电子束会在屏幕上造成亮线干扰， 需要把此回扫线消隐掉， 称为行消隐。 （2）垂直扫描 垂直扫描如图1-10 所示。图（a）为一对左右放置的垂直偏转线圈，由 于垂直偏转线圈产生的磁场是水平方向的，电子束将沿着垂直方向扫描。 当在垂直偏转线圈中通以图(b)所示的锯齿波电流时，其工作过程如下： 当iv 由a向b变化时， 因a点为正最大值(此时iv 电流方向及磁场方向 如图a)时， 电子束应在屏幕的最上边a1 点处， 当iv 逐渐减小到零时(b点)， 电子束将向屏幕中央移动到b1点。 当iv 由b向c 变化时（此时 iv 和磁场方向将与图b相反），电子束将由 中央b1移向 c1 点，从而完成了扫描的正程。正程结束后，iv 由负最大值c 点很快变化到正最大值e点，电子束很快由屏幕下面的c1 点返回 a1 点，完 成了扫描的逆程。同样地，在场扫描过程中，电子束均匀地从屏幕的最上方扫到最下方的 过程称为场扫描的正程。场扫描正程所需的时间称为场正程时间，用 TSV 标记； 电子束从屏幕的最下方又返回到最上方的过程称场扫描逆程。 逆程所用 的时间称为逆程时间，用TSV表示。则 TV =TSV+Trv =18.4+1.6=20ms 场逆程所用的时间和一场所用时间之比叫场逆程系数，一般用表示， 则： = Trv/ T V 100%=8.06% （1-11） 同样地，场逆程期间电子束扫描将会产生干扰亮线，应该消掉，称为场 消隐。图1-10 垂直扫描工作原理图 （3）复合扫描 当行、场偏转线圈中同时流过锯齿波电流时，将同时产生水平和垂直方 向的偏转磁场，在这两个磁场的共同作用下，电子束既作水平方向的偏转， 又作垂直方向的偏转， 其结果就形成了电视屏幕上的光栅， 如图1-11所示。 一幅画面扫625行，其中正程575 行，逆程50行（被消隐掉）。为便于 说明问题，图中每帧只画了11行（正程9行，逆程2行）以代替625 行。 图（a）分别表示行、帧锯齿波电流波形。光栅（图 b）中画出了帧正程内 各行的扫描轨迹（实线为正程期在屏幕上显示的亮线，虚线表示行逆程期 被消隐的亮线）。光栅（图 c）表示在帧逆程期被消隐的2行线。 图1-11 逐行扫描光栅与电流波形 （4）逐行扫描存在的问题 在电系统中，要使传送的图像清晰，并具有活动、连续而又无闪烁感，则要求每秒传送45 帧 （场） 以上的图像。 但我国电视标准规定： 帧频 25HZ， 因而人眼会产生明暗相间的闪烁现象。但若把帧频提高一倍将可解决上述 问题。但帧场提高到 50HZ将导致视频信号的带宽提高一倍。可按下式近似 计算： 屏幕宽/高=4/3 一幅画面正程575， 即垂直方向575 个像素点， 水平方向的像素点为575 4/3=766个，则一幅画面总的像素为：57576644万 一秒传送25幅画面，则每秒传送的像素为： 44 万25=1100万个 图像细节最丰富的情况是相邻像素黑白相间，即两个像素、产生的信号 电压变换一次，则图像信号转换成电压后每秒变化：1100 万/2=550万次， 即最高频率为5.5MHZ。最低频率为0，则带宽为5.5MHZ。 若帧频提高为50HZ，则带宽为11 MHZ。 很显然，帧频提高到 50HZ 后，解决了闪烁感问题，但带宽过宽，增加 了发送与接收的难度。如果减少扫描的行数，虽然可以减少带宽，但却降 低了图像的清晰度。解决的办法是隔行扫描。 2隔行扫描 （1）隔行扫描原理 所谓隔行扫描，即每帧扫描的行数不变，故图像的清晰度不变，但每帧 图像分为两场传送。第一场（奇场）传送1、3、5奇数行；第二场（偶 数场）传送 2、4、6偶数行（奇数场）。于是每秒传送 50 场画面，即 场频为50HZ，这样将不产生闪烁感，所以隔行扫描既保持了逐行扫描的清 晰度，又避免了闪烁感，又使图像信号的带宽仅为逐行扫描的一半，故世 界各国均采用。其扫描原理如图1-12所示。为清楚起见，忽略了扫描的逆程。 第一场，从左上角开始按 11 ，33顺序扫描，直到第 11 行 的前半行即 a 为止，共计 5 又 1/2 行，完成了第一场正程扫描。当电子束 扫到荧光屏最下面后 a，又立即返回到荧光屏的最上面 a ，完成第一场的 逆程扫描。 第二场（偶场），扫描从a点开始，先完成第一场扫描留下的半行a 11行的扫描，接着完成 22 ，44 ，等偶数行的扫描，当电子 束扫到荧光屏右下角10点处，第二场正程扫描结束，同样也完成了5又 1/2 行扫描。接着再返回到左上角第一场的起始位置。至此，电子束共完 成两场（一帧）的扫描运动。接下去第三场的扫描轨迹与第一场完全重合， 第四场也必然与第二场完全重合，从而完成了第二帧的扫描。如此隔行扫 描方式，相邻两场的扫描光栅必定均匀嵌套，且相邻两帧的光栅必定重合。 图1-12 隔行扫描光栅及电流波形 （2）对隔行扫描的要求 奇偶场的光栅必须均匀镶嵌，以获得最好清晰度。要保证均匀镶嵌， 要求扫描的行数为奇数行。因为，从隔行扫描原理图可知：（见图1-12） 奇场正程光栅：从左上角扫到a 奇场逆程光栅：从a扫到a 偶场正程光栅：从a到右下角 偶场逆程光栅：从右下角扫到左上角 它们在屏幕上的距离都是相等的（即从顶端到最低端或从最低端扫到 最顶端）， 因而只要奇偶场锯齿波电流幅度相等即可。 这样电路就易于实现。 若每帧行数为偶数行，则隔行扫描形成的光栅和所要求的奇、偶场锯齿 波电流波形的幅度是不规则的，在电路上难于实现。 下一帧扫描的起点应与上一帧扫描起点相同，以便保证各帧光栅的 重叠。这就要求每一帧扫描的行数必须是整数。 （3）隔行扫描的优缺点 优点 与逐行扫描相比，隔行扫描可以在保证图像分解力（清晰度）不甚下降 和图像无大面积闪烁的前提下，将图像信号的带宽减小一半。 缺点 A行间闪烁 因为每条扫描线的重复频率仍是 25HZ，低于临界闪烁频率45HZ。 B可能会出现并行现象，从而降低了图像的清晰度。 C垂直边缘锯齿化。 当垂直物体沿水平方向运动的速度足够快时，因隔行分场传送，图像上 垂直边缘会产生锯齿现象。 对上述这些缺点，在正常距离上观看扫描电路工作还是良好的，景物运 动速度一般的图像，人眼感觉不到它们，故优点大大超过缺点。3图像的几何相似性（扫描线性对图像质量的影响） 电视重现的图像要与实际景象形状相似，比例要一致，这种几何上的相 似性是很重要的。尽管看电视时，并没有实际景象与图像相对照，重现图 像有一定的畸变也不易感觉出来。但是对于观众熟悉的人物或器具，畸变 稍大一些就可以觉察出来。故图像的畸变应限制在一定范围内。图像的畸 变通常分为非线性畸变和几何畸变两种： （1）非线性畸变（失真） 收发两端扫描电流的正程期各点对时间的变化所不同引起的图像畸变， 称为非线性畸变。如图1-13 所示。设传送的为方格信号， 图1-13 扫描电流的非线性对图像质量的影响 图（a）为，收发两端的行场扫描电流都是线性的，则重放图像无失真。 图（b）为，场扫描线性，而行扫描存在非线性，使图像产生左边扩张、 右边压缩的畸变。 图（c）表示行扫描线性，而场扫描存在非线性，使图像产生上拉长、 下压缩的畸变。 扫描的非线性可用非线性失真系数来衡量： 行非线性失真系数为：H =（dmax-dmin）/ （dmax+dmin）/2 = 2（dmax-dmin）/ （ dmax+dmin） （1-12） 场非线性失真系数为： V =2 （ hmax-hmin ） / （ hmax+hmin ） （1-13） 实际测量表明：5% 时，人眼觉察不到失真，10% 的失真是可以 允许的。 （2）几何畸变（失真） 由于偏转系统磁场分布不均匀等原因引起的图像畸变称为几何畸变， 常 见的几何畸变如图1-14 所示 图（a）为桶形失真：表示偏转线圈绕制形状不正确造成中心磁场强， 电子偏转大，边缘磁场弱，电子偏转小。 图（b）为枕形失真：表示偏转线圈绕制形状不正确造成中心磁场弱， 电子偏转小，边缘磁场强，电子偏转大。 图（c）为梯形失真：表示两个偏转线圈（水平和垂直）不对称造成的。 图（d）为平等四边形失真：表示由于水平磁场与垂直磁场不相互正交 （即相互垂直）造成的。图1-14 图像的几何畸变 四、 扫描参数的确定 1 亮度对比度、灰度 （1）亮度（B） 亮度就是人眼对光（光源或反射光）的明暗程度的感觉。其单位有尼特 （nit）和熙提（sb）。 尼特定义为在一平方米的面积内具有一烛光的发光强度。 1 nit=1cd/m 2 1 sb=1cd/cm 2 1 sb=10 4 nit 在电视中则依靠调节显象管的栅、阴极间的直流电压，改变iK 的大小， 达到调节亮度。 （2）对比度 K=Bmax/Bmin即景物最大亮度和最小亮度的比值定义为对比度。 对于重现的电视图像 还取决于周围的环境亮度B0。 K=（ Bmax+B0）/ （Bmin+ B0）Bmax/（Bmin+ BD） （Bmax B0） （1-14） 对比度依靠调节显像管栅、阴极间图像信号电压的大小来实现。 （3）灰度 图像从黑色到白色间的过渡层称为灰色。 灰度是这一灰色划分成能加以区别的层次数。 灰度越多，说明能加以区别的层次数越多，收看图像的效果越好。 按我国电视标准规定，甲、乙级电视机分别能达到8级和7级灰度。 2场频确定依据 （1）不出现闪烁感 当场频大于45HZ时不会出现闪烁。 （2）不使图像信号频带过宽。 （3）与市电相同以防干扰。 3.每帧扫描行数的确定 人眼的分辨角： =（360/2）60d/L d=2L/（36060） 屏幕显示行数Z为： Z=h/d （h 屏高，d代表人眼分辨最近两点间的距离） 将d值代入，则 Z =（360/2）60（h/L）（1/） （将 d 值代 入后得）取Q=1.5 L=4h 代入上式得： Z=573 与我国规定575 很接近。 4图像信号的最高频率与带宽 视频信号的频带宽度不仅是确定射频电磁波频带宽度的主要依据， 而且 还直接关系到电视接收机高频放大器、中频放大器的设计要求。因图像信 号的最低频率可视为直流，故最高频率即为带宽。 当各水平方向都出现图像细节时，将确定为信号的电最高频率。因电子 束扫过一行所需的时间为TSH ，则扫过一个像素点所需的时间为： =t=TSH/N （N为水平清晰度，即一行的像素数，即N=583） N=TSH/t 一黑一白两个像素构成正弦波周期，（即一个信号周期），即一个信号周 期为2td（2），故最高频率为： fmax=1/