CN1046074C - 增强对比度的显象管驱动设备 - Google Patents

Abstract

高压反相显象管驱动放大器430，其输入端431连到待放大的低压视频输入信号R；G；B之源406，其输出端433将放大后的视频输出信号加到显象管414的阴极420；422，424。高压放大器包括线性R2和非线性R3，R4，C1，D1反馈通路，共同确定放大器的标称闭环增益。非线性通路包括幅度和频率相关元件D1，C1，用以在显象管显示的低亮度区(黑-灰)和对高亮度区中的高频视频细节信号分量使放大器闭环增益增大同一量从而改进了暗图象细节和无光点散乱的主观对比度并避免了图象的“褪色”。

Description

增强对比度的显象管驱动设备

本发明涉及电视系统，尤其涉及确保增强显示图象对比度的显象管阴极驱动设备。

就理想的电视系统而言，由显象管产生的光输出相对于加到摄象管的光应呈线性关系。但在实际的电视系统中，摄象管和显象管都不是线性装置。换言之，由摄象管产生的信号电压相对于所检测的光不是线性的，由显象管产生的光相对于所施加的阴极驱动电压也不是线性的。摄象管光输入和信号输出之间的关系，以及显象管的信号输入和光输出之间的关系两者都用“灰度系数”一词来表述，简单地说，灰度系数是为产生输出函数(Y)时，输入函数(X)自乘的指数或说“幂”。例如，若为产生一输出函数输入函数X自乘到一次幂(灰度系数＝1)，则就称该两个函数呈线性关系。若输出随输入函数的平方而变，则该指数(灰度系数)的值为“2”。若输出随输入函数的平方根而变，则“灰度系数”，即该指数等于0.5。换言之，灰度系数是对传递函数曲率的一个简单量度。

图1示出一个视频信号传输系统在各种情况下的灰度系数，其中曲线la表示发送侧的传输特性，曲线1b表示图象管(显象管或“CRT”)的传输特性，而曲线1c表示总的传输特性。

NTSC，PAL和SECAM电视标准所发送的视频信号具有大约0.45至0.5的灰度系数，而彩色电视机的图象管(显象管)的灰度系数约为2.8至3.1。因此，其总的传输曲线(光进入摄象管到光从显象管输出)不是线性的，实际上，总的灰度系数不是1.0，而是1.35左右。这意味着该显象管的指数形式的传递特性并未完全得到补偿，从而导致显示图象暗区的压缩。这种压缩使图象会丧失近乎黑色的细节，并使彩色区褪色至黑色。同时，白色相对于暗区被过分放大到往往使显象管饱和以及图象散乱的程度。

一个总的线性传递特性避免了黑色压缩问题并能通过在电视机中的红，绿，蓝(R,G和B)信号处理电路内各附加大约0.8的灰度系数的校正来获得。然而，显象管具有的光输出动态范围较小，在没有达到显象管饱和引起图象散乱的条件下，不能扩大该范围。因此，要进一步扩大暗图象区的灰度系数校正会导致高信号白电平的信号压缩。图2a)对此作了图解，该图示出了经校正的灰度系数斜坡信号。为避免显象管的图象散乱，峰值白电平必须保持在虚线所示未校正情况下的相同电平。因此，斜坡信号的上部有一个如图2b)所示的下降斜率。这修正了黑电平压缩问题，同时避免了“图象散乱”(过度白色)的问题。

然而为避免图象散乱减小斜坡信号的上部却能产生其它问题。观视者对这种减小信号的感觉就象由于灰至白图象区的对比度缺乏所导致的图像“褪色”一样。在这种情况下，通过灰度系数校正获得对图象低亮度部分的对比度改善是以高亮度对比度的恶化为代价的。

为解决提供灰度系数校正的同时避免高亮度对比度的损失这一问题的一种极有效的解决方案描述于1992年1月21日颁布的题为“非线性RGB视频信号的处理”的Haferl等人的美国专利5083198中。“

本文图3是一台电视机(总的标以300)的示范性实施例，该电视机包括按照Haferl等人系统中一实施例的显象管驱动电路308，310和312。该接收机300包括将RF输入信号加到调谐器的天线输入端302，IF放大器和产生基带视频信号S1的检波器单元304。传统设计的色度/亮度信号处理器306提供诸如色彩和色调控制，亮度和对比度控制，矩阵等功能并提供红蓝和绿(RGB)视频彩色分量输出信号，供显象管314显示之用。R，G和B信号分别借助显象管驱动器和对比度增强电路308，310和312被加到显象管314的各自的阴极320，322和324。电路308的细节示于该图中。电路310和312是与电路308完全相同的，故以方框形式表示，以简化该图。

Haferl等人系统的驱动装置308包括一反相的高压，显象管阴极驱动放大器330，该放大器有经输入电阻R1连到输入端334(其上加有红色视频信号)的输入端332的以及连到显象管314红阴极320并经反馈电阻R2反馈回到放大器输入端332的输出端336。如上述那样连接的这些元件R1，R2和反相放大器330在输入端334以增益等于反馈电阻R2除以输入电阻R1之值的比值提供对视频输入信号V1的线性放大。

驱动电路308的其余元件提供输入信号V1的非线性处理。更确切地说，信号V1被加到非线性信号分离设备340，将输入信号V1分为代表图象黑至灰区的低电平部分V2和代表图象灰至白区的高电平部分V3。低电平或暗区V2经由电阻342加到放大器330的求和输入端332从而提升黑至灰区中的图象亮度。这形成了对暗景的灰度系数校正从而改善所显示图象的低照度对比度。较高的电平信号V3经电阻346和电容344交流耦合至放大器330，以改善大面积对比度，同时还经由电容器348，电阻350和高通滤波器352交流耦合到放大器330，以改善小面积的白对比度。由于对加到高压阴极驱动放大器330的灰至白图象信号的这种交流耦合和高通滤波作用避免了图象散乱，这“双电平”处理增强了显示图象亮区和暗区的细节，更精细地校正了灰度系数和避免了光点散乱。

虽然上述Haferl等人系统提供了极佳的性能，但本文认识到还可获得进一步的实质性改进，特别是有关所需电路系统的简化方面可得到显著改进。

根据本发明的一个方面，电路简化是通过有效地将非线性处理功能同视频驱动放大器的高压放大功能相结合而实现的。因此，显象管驱动放大器本身变成非线性对比度增强电路的组成部分前无需象先有技术中独立的增强和驱动电路，此外，也无需将视频输入信号分离为单独的信号范围。本发明的另一优点在于不需要有源放大器件(例如晶体管)来进行非线性处理。因此，由于减少了元件数量而降低了成本和提高了可靠性。

本文所描述的显象管驱动放大器具有一非线性反馈网络，该网络(1)增强了视频信号在黑-灰图象区的放大作用(因而改善了暗图象细节和提高了低亮度彩色信号的饱和度，该网络(2)将高亮度图象区内的视频信号细节放大至与低亮度信号的电平基本相同(因此在没有光点散乱情况下改善了主观对比度，同时避免了图象“褪色”的感觉)。

体现本发明的显象管驱动装置包括一显象管驱动放大器，该放大器有一个用于接收待放大视频输入信号的输入端，有一个向显象管一个阴极提供经放大视频输出信号的输出端，以及有线性和非线性的反馈通路。该两个反馈通路一起确定放大器的标称闭环增益。非线性通路对所述放大器在低亮度图象区中的闭环增益增大一给定量，并对所述放大器在高亮度图象区的视频细节信号分量的闭环增益增大基本与所述给定量相同的量。

诸附图图示了本发明的上述与其它特征，图中相同元件由相同标号标注，附图中：

图1是表示电视发射机，电视接收机以及包含该发射机和接收机的整个电视系统的举例性传递特性和灰度系数值的示图；

图2A是表示已经受灰度系数校正的视频斜坡信号的曲线图；

图2B是为防止图象管(显象管)图象散乱作适当灰度系数校正时对图2A的灰度系数校正斜坡信号的修正；

图3是体现一具有对比度增强的已知(先有技术)非线性RGB显象管驱动设备的电视接收机简化方框图；

图4是包含体现本发明的对比度增强的显象管驱动设备的电视接收机的简化方框图；

图5是说明图4显象管驱动设备的一种改型；

图6A，6B和6C是举例说明体现本发明显象管驱动设备的增益和频率响应的传递响应曲线图；和

图7是具有体现本发明显象管驱动设备的示范性电路元件值的详细电路图；

综观在前讨论过的先有技术系统非线性视频信号处理是在低电平视频信号被放大变为高电压阴极驱动信号之前进行的而且该处理是以前馈形式施加进行的。相反，在图4所示本发明的例子中，非线性处理是与高压视频输出放大器结合起来进行的，而且这种结合是利用反馈而不是前馈技术实现的。而且，我们将会看到，该系统在灰度系数和细节补偿方面运用一种与电压有关的复合阻抗，而不是采用先有技术的通带分离和高通滤波技术。

图4的接收机400包括将RF输入信号加到调谐器的天线输入端402，IF放大器和产生基带视频输出信号S1的视频检波单元404。一个常规设计的色度/亮度信号处理器406提供诸如色彩和色调控制，亮度和对比度控制，矩阵等各种功能，并产生红(R)，蓝(B)和绿(G)视频彩色分量输出信号，供显象管414显示之用。R，G和B借助各自的显象管驱动和对比度增强电路408，410和412加到显象管414的各自阴极420，422和424。显象管驱动电路408的电路细节以虚线框示出。电路410和412可与电路408完全相同，故为简化图示，以方块形式示出。

体现本发明的显象管驱动电路包括一高电压反相放大器430，所谓“高电压”是指：该放大器是一种能产生100或200V左右输出电压的放大器(例如，对显象管阴极驱动放大器而言通常范围大约80至150伏左右)。放大器430的输入端431是经由输入电阻R1耦合到电路输入端409，而红色视频信号(R)便加到端409。放大器430的输出端433经由输出端413耦连到显象管414的红阴极420，同时经反馈电阻R2耦连到放大器430的输入端431。该反馈电阻与输入电阻之比值确定了放大器430的标称闭环增益G1。

显象管驱动器408的电路的剩余部分包括一非线性反馈网络，该网络对显示图象中的灰至黑部分起灰度系数校正作用并提升图象中灰至白部分的高频细节。该非线性网络包括一电路结点460，该结点分别经由电阻R3和R4连接到放大器430的输入端431和输出端433，并通过并联连接的电容器C1和与电压有关的阻抗440连接到参考电位点(本例为地)，如图所示，该电压有关的阻抗包含齐纳二极管D1，该二极管的阴极连接到结点460，而其阳极接到参考电位点(接地)。

工作时，整个电路的电压增益G(即，Vin/Vout)等于放大器430的开环增益A除以函数1+AB，其中B是反馈系数。如通常情况一样，此处的开环增益A与整体相比是极大的(例如A＞＞1)总的闭环增益G实质上等于反馈系数的倒数，即，G＝1/B。这里有两个反馈通路，包含电阻R2的通路为线性通路并与放大器输出电压的幅度和频率均无关。包含电阻R3和R4的通路是非线性通路。在这条通路中，反馈系数或电流是随输出信号的幅度以及输出信号的频率两者变化而交的。更确切地说，当输出信号从白变黑时，该通路的反馈系数减小，同时该反馈系数还随作为该输出信号幅度的一个函数的频率而减小。

首先上述非线性提供灰度系数校正。当输出电压增大时反馈系数(即反馈电流)减小(由于齐纳二极管D1的作用)，则因闭环增益反比于反馈量，而使整个闭环放大器的增益增大。为提升灰→黑图象区中的对比度，最佳增益对VS幅度的变化大约6dB。

其次，上述非线性归因于电容器C1和齐纳二极管D1的转换的组合效果(相互作用)。当输出电压变化时，对地阻抗以及电容器C1的阻抗变化。该组合效应增大了输出信号接近白色时高频视频信号细节的总增益(大了6dB左右)。

图4中用单个齐纳二极管D1去提供与负压有关的阻抗效应。当输出电压增大，例如到50IRE电平以上时，二极管导通，从而将负反馈旁路接地并改变了电路增益。二极管D1呈现某种动态和静态阻抗因而转换过程不是突变的，而是实际上在系统的高增益(+6dB)和正常增益状态之间缓和平滑地转换。然而这确实只提供了两个分立的增益区。为提供更为渐变的转换区可采用一个适合的与电压有关的阻抗同非线性反馈回路串连。例如，具有合适偏置的场效应晶体管或可变电阻。

为总结图4装置的操作，记得：其增益是由该闭环系统中的反馈阻抗和输入阻抗之比确定的。若该电路中不存在二极管D1和电容器C1则信号增益G1就由该网络的总阻抗除以R1之值给定，该反馈阻抗等于与电阻R2并联连接的电阻R3和R4之和。因此，在此假设条件(D1和C1省略)下，该增益由下式给定：

      G1＝[CR3＋R4)∥R2]/R1    (1)式中符号表示“并联于”。

若二极管D1或电容器C1是导通的(如对白范围中的信号和高频细节信号的情况)，则反馈通路R3和R4中的电流被旁路接地，故在此条件下增益变为：

      G2＝R2/R1    (2)这样，对此情况来说，由于R2同电阻R3和R4之和的并联组合后电阻总是小于单独时的R2之值，使G2总是大于G1。选择R3和R4的阻值，以对灰度系数和高频视频细节提供大约6dB的净增益提升。

若端413的输出电压是齐纳二极管D电压的两倍(和R3约等于R4)，则该信号被放大的系数为G2，否则放大率就等于G1。(高于Fc频率的)细节信号被C3旁路，因此它们得到最大增益G2。(假设R3＝R4)，角频率Fc(在其上，细节信号被放大)是由下式给定：

         Fc＝1/(Pi^*R3^*C1)

图5说明对图4放大器的一种改进，以提供更平滑的增益转换区。如图6A所示，为随信号幅度变化提供较平滑的增益变化，图5的系统包括附加的齐纳二极管(D2，D3)和并联电阻(R5，R6，R7)实际的齐纳二极管具有几十至几百欧姆的动态阻抗，而该阻抗与数量增多的二极管的耦连导致相对平滑的增益曲线。电阻R5-7与R3和R4一起限定了图6A之增益区G1-G4中的增益。小信号二极管D4和D5有助于改善齐纳二极管转换的锐度。图6B示出具有近黑色电平增大增益和近白电平减小增益的整个非线性幅度响应。图6c示出整个频率响应，由此图可见，近白电平信号在5MHz处受到6dB提升，近灰电平(50IRE)信号接受大约3dB提升，近黑电平信号基本未受附加放大。

图7表示图5的视频驱动装置的电路简图，并包含了示范性元件值，还示出了一个适宜的高压反相视频放大器430的电路图(和元件值)，一个适合的显象管自动偏置电流检测电路700和输入峰值电路C11/R11。当然，人们知道还可用其它适合的放大器取代之。在特定情况下可省略AKB检测电路以及输入峰值电路。

放大器430(虚线框)包括共发射极连接的NPN晶体管Q2，其发射极(为非反相输入端)被耦合到4V的基准电压，Q2的集电极被耦合到常规的有源负载网络，该网络包括如图所示连接的晶体管Q13，电阻R17、R18和R19和一对小信号二极管D11和D12。这种“有源”负载阻抗形式为放大器提供了高增益并在放大器输出节点“A”提供较低的输出阻抗，放大器晶体管Q2的基极驱动由一射极跟随器电路提供，该电路包括如图连接的PNP晶体管Q11和电阻R13，R14和R16。这为放大器反相输入端903提供了改善的输入阻抗。放大器430的输出端702经由显象管自偏(AKB)电流检测网络700(虚线框)和一个470Ω电阻器(R21)耦合到连接器413，从而连接到显象管314的阴极、AKB网络700包括PNP晶体管Q4和相关元件D3，C12，R20以便检测输出电流供AKB控制电路(未图示)利用(随意)。系统的输入阻抗R1包括一个含有电阻R1和R11的网络，该两电阻串联，而R11又与峰值电容器C11并联。这样，在计算整个电路增益时，该反馈网络的阻抗应除以提供少量附加高频峰值的这些元件的有效输入阻抗。若在某种特定应用场合不需要时，可去掉电容C11和电阻R11。

反馈网络750(虚线框)，除了给定了示范性的元件值之外，对应于图5的相应部分。图示的这些具体值给定了最大闭环增益为R2/R1，该值相当于约50∶1或+34dB，标称闭环增益由[(R3+R4∥R2]/R1确定，该值等于约25∶1或约27dB，比用于灰度系数校正和高频细节时的最大提升低6dB。

图9实例的操作大致与图5实例的操作相同，故不在此重复详述。要指出的是，对这一特定实例，假设连接到端413的显象管截止电压约为150V并在80V附近出现白色。R3＋R4的阻值等于R2的阻值(68KΩ)，因此最大增益大约为最小增益的2倍。这里，选择R3等于R4，但这种相同性不是必需的。如图6A和图6B所示，该齐纳二极管是为在150V至80V范围内给出平滑增益曲线而选择。电容C1和R4限定了频率Fc约为1兆赫，以致在该值以上的信号伴随黑电平增益而被放大(见图6c)。

现已图解和描述了根据本发明的具有非线性反馈网络的显象管驱动放大器，该网络(1)增强了对黑-灰图象区中视频信号的放大作用(从而改善了暗图象细节和提高了低亮度彩色信号的饱和度)，该网络(2)还将高亮度图象区中的视频细节增强至基本上与低亮度信号一样程度(从而改善了无光点散乱情况下的对比度并避免了图象“褪色”。在本发明范围内可作出各种变动，例如，不用齐纳二极管而采用阈值击穿装置或可变阻抗，提供更多或更少增益平滑区，使用不同的高压放大器结构等等。

Claims (5)

1.显象管驱动装置，包括：

一具有输入端和输出端的反相放大器；

将视频输入信号加到所述反相放大器所述输入端的装置；

耦合于所述反相放大器所述输入端和所述输出端之间的线性反馈通路；和

耦合于所述反相放大器所述输入端和所述输出端之间的非线性反馈通路，它包括通过各第一电阻第二电阻耦合于所述输入和输出端的电路节点，和与所述电路节点和一参考电压点之间的频率相关阻抗并联的电压相关阻抗；

所述电压相关阻抗被选择为在低亮度图象区域增加所述反相放大器的闭环增益；所述频率相关阻抗被选择为在高亮度图象区对视频图象细节信号分量增加所述反相放大器的闭环增益，以在显象管上显示具有扩展低亮度对比度和增强高亮度细节的图象。

2.根据权利要求1的显象管驱动装置，其特征在于，

所述电压相关阻抗包括至少一个具有阳极和阴极的二极管；

所述阴极耦合到所述电路节点；和

所述阳极耦合到所述参考电势。

3.根据权利要求1的显象管驱动装置，其特征在于，所述频率相关阻抗、所述电压相关阻抗、所述第一和第二电阻器，以及所述参考电势的值选为：

1)使所述反相放大器所述闭环增益在所述低亮度图象区增加一预定量，

2)使所述反相放大器的所述闭环增益对所述高频视频图象细节分量基本上增加所述给定量。

4.根据权利要求1的显象管驱动装置，其特征在于，

所述电压相关阻抗包括一梯形结构，该结构包括多个电压相关阻抗和电压无关电阻，排列成能对所述放大器提供较平滑的全电压转换函数，而没有突变，所述转换函数在所述输入信号的黑和白表示电平之间一般为凸形。

5.根据权利要求1的显象管驱动装置，其特征在于，

所述频率相关阻抗被选择为：以给定的视频图象频率对接近白色电平的视频输入信号提供给定量的高频峰值，对所述视频输入信号的中间灰度电平的视频输入信号提供较少量的高频峰值，对接近黑色电平的视频输入信号提供最小量的峰值。

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