RGB565轉VGA接口設計與匹配問題淺析

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最近所作的工做涉及到RGB565信號到VGA接口的轉換問題，因而簡單地研究了一下VGA接口設計相關的東西，寫的有點長，可能你們看起來會比較累，見諒~

 

        VGA（Video Graphics Array）是IBM在1987年隨PS／2機一塊兒推出的一種視頻傳輸標準，具備分辨率高、顯示速率快、顏色豐富等優勢，在彩色顯示器領域獲得了普遍的應用。目前VGA技術的應用還主要基於VGA顯示卡的計算機、筆記本等設備。根據分辨率不一樣，VGA分爲VGA（640x480）、SVGA（800x600）、XGA（1024x768）、SXGA（1280x1024）等。雖然VGA接口對於當前的PC機而言已經十分「老土」了，但不能否認的是目前它依然是PC機上應用最爲普遍的視頻接口。幾乎全部的PC機都默認支持VGA接口。

 

        VGA物理鏈接器接口共有15針，分紅3排，每排5個孔，是顯卡上應用最爲普遍的接口類型，絕大多數顯卡都帶有此種接口。它傳輸紅、綠、藍模擬信號以及同步信號(水平和垂直信號)。 通常在VGA接頭上，會標明每一個接口編號。VGA接口15根針，其對應接口定義以下： 1.紅基色 red  2.綠基色 green  3.藍基色 blue  4.地址碼 ID Bit（也有部分是RES，或者爲ID2顯示器標示位2）  5.自測試 ( 各家定義不一樣 )（通常爲GND）  6.紅地  7.綠地  8.藍地  9.保留 ( 各家定義不一樣 )（KEY··我也不是很理解）  10. 數字地  11.地址碼（ID0顯示器標示位0）  12.地址碼（ID1顯示器標示位1）  13.行同步  14.場同步  15.地址碼 ( ID3或顯示器標示位3 )。

 

        VGA接口的時序整體來講比較簡單，圖1和圖2分別爲VGA接口行信號時序和場信號時序圖。

 

 

圖1 行信號時序

 

 

圖2 場信號時序

 

        行信號時序圖主要給出了兩方面的參數：一是行同步信號HSYNC的時間e，包括同步脈衝信號SYNC（a），後沿Back porch(b)，有效信號時間Active video time(c)，前沿Front porch(d)。即e = a + b + c + d；二是有效信號時間，這段時間內給出行像素的數據DATA，即每一個像素點的RGB值。場信號時序與行信號時序相似。其中a，b，c，d，e，o，p，q，r，s各個參數的值與分辨率、刷新頻率有關。圖3爲VGA接口常見顯示模式的時序表，其中給出了各常見顯示模式下行時序與場時序的參數。

 

表1 VGA常見顯示模式時序表

 

 

        以上是VGA接口的一些基礎知識，此次研究的內容主要在於RGB565信號轉VGA信號的接口設計與匹配問題，對VGA接口時序部分就不做深刻研究了。

 

        在應用中，常常用到的VGA接口信號只有5個，分別是紅、綠、藍三基色信號（一、二、3），行同步信號（13），場同步信號（14）。在這5個主要信號中，三基色信號相對比較特別，由於它們是電壓值範圍在0~0.714V的模擬信號，對應每一種基色的0.714V最多可被等分爲256個電壓值，即每種基色最多對應有256種顏色，對應可用8bit數字信號來表示，則三基色信號可用對應的24bit數字信號表示，所以24bitRGB信號所表示的色彩信號也被稱爲真彩色。低於24bit的RGB信號表示的彩色信號被稱爲僞彩色。行同步和場同步信號相對簡單，爲TTL電平。

 

        在大多數狀況下處理器輸出的信號都是數字信號，所以要用到VGA接口就必須先將數字的三基色信號轉換爲電壓值在0~0.714V之間的模擬電壓信號。此次研究的重點就是將RGB565格式的數字信號轉換爲適應VGA接口的三基色模擬信號。所謂RGB565格式的數字信號就是一個16bit的數字信號，其中R、G、B這三種基色分別爲5bit，6bit，5bit。故其實質爲一個數模轉換問題。

 

        固然，除了數模轉換的方法以外可能還有其它更加巧妙的方法，好比曾經看到特權同窗在一篇博文中提出的在保證總體刷新頻率不變的前提下，在每一個行像素的時間內串行送出一個基色的多位數據，這樣利用視覺暫留效果也能夠達到不錯的顯示效果，惟一的缺點就是對於系統時鐘的要求比較高，若是要實現16bit或者24bit的色彩信號的話難度會比較大。但對於較低分辨率下256色顯示的實現仍是很不錯的方案。

 

        對於解決RGB565信號到VGA的三基色模擬電壓信號轉換的問題，主要有兩種解決方案，一種是利用通用的三通道視頻DA轉換芯片來實現（如ADI公司的ADV7125芯片），這種方案的主要優勢在於轉換速度快，可靠性高，缺點是成本高。另外一種方案是經過本身搭建電阻網絡來實現模數轉換，這種方案相對採用DA轉換芯片的方案而言，缺點在於轉換速度和可靠性不如DA轉換芯片，但優勢在於成本低。

 

        值得注意的是，VGA接口的三基色信號爲模擬電壓信號，且信號的速率較高，在1024*768@75的顯示模式下就已經達到78.8MHz的頻率，在如此高的頻率下，對於VGA接口三基色模擬電壓信號的阻抗匹配也就成爲了一個不容忽視的問題。關於阻抗匹配問題，不少同窗一般都是「談虎色變」，在設計中對於這類問題也是視而不見。在頻率不高的時候，對阻抗問題視而不見一般不會有什麼問題，但一旦頻率上去了，隨之而來的各類詭異的問題就會讓咱們頭疼不已。我想說的是，其實阻抗匹配問題自己也並非那麼高深。在這裏，我不打算作任何讓人頭疼的數學公式和推導，只是想以這個VGA接口爲例說一說我對於阻抗匹配問題的理解：爲何要作阻抗匹配，在什麼地方該考慮阻抗匹配，怎樣去作阻抗匹配。固然，這些理解極可能不正確，只是但願給同窗們一個更加感性的認識，但願你們可以去其糟粕，取其精華，也歡迎各位前輩拍磚，幫助我樹立起正確的認識~

 

        在高速信號的傳輸中，傳輸線若是終端開路或接入高阻器件，就相似將一個小球（信號）丟向一堵牆，將會反向彈回，甚至回到源端以至對後續信號形成干擾。但若是那堵是橡皮泥牆（與傳輸線路上的阻抗接近的終端），小球（信號）就會嵌入到裏面而不發生反彈，這就是「終端匹配」。固然，這裏所說的只是阻抗匹配的一個做用，以便同窗們對阻抗匹配的做用，即爲何要進行阻抗匹配有一個感性的認識。

 

        接下來講在什麼地方須要進行阻抗匹配的問題。其實須要進行阻抗匹配的緣由主要是由於大多數集成電路芯片的輸出阻抗都很小，而輸入阻抗都很大。阻抗匹配的目的就在於使得上一級電路的輸出阻抗與傳輸線的阻抗和下一級電路的輸入阻抗儘可能接近，以免或減小前面所提到的問題以及其它問題的發生。在VGA接口中要求三基色的源端和終端匹配電阻均爲75歐。

 

        在利用通用的三通道視頻DA轉換芯片來實現VGA接口時就會遇到這個問題。這裏以AD7125芯片爲例。VGA接口爲RS-343A電平標準。對於電流型的DA芯片AD7125而言，其標準負載要求爲37.5歐，於是ADI公司的手冊中對於DA芯片在RS-343A電平標準下的輸出端鏈接給出瞭如圖3所示的方案，即在源端和終端都並聯75歐到地的電阻。在此方案中考慮了鏈接線（一般爲同軸電纜，對地阻抗爲75歐）的阻抗，故可獲得DA芯片的負載恰好爲源端電阻和同軸電纜對地阻抗並聯，爲75歐/2 = 37.5歐。

 

 

圖3 RS-343A電平標準下DA芯片輸出VGA三基色信號

 

        但對於電壓型的集成電路芯片（如視頻緩衝器AD848）而言，在源端則應該採用串聯電阻的形式實現匹配。圖4中是ADI公司給出的DA芯片經視頻緩衝器AD848後的輸出端鏈接方案。由圖中能夠看到，在AD848的輸出端採用了串聯75歐電阻的方式進行匹配，在終端依然是並聯75歐到地電阻。

 

 

圖4 DA芯片經視頻緩衝器AD848輸出VGA三基色信號

 

        在弄清楚上述問題以後，還有一點值得注意，那就是在VGA接口鏈接頭輸入的電壓驅動電阻即爲75歐，也就是一般狀況下終端的75歐電阻是不須要咱們本身去作的。這點從AD7125的芯片手冊中也獲得了驗證，如圖5所示，終端電阻是在顯示器鏈接頭內部的。

 

 

圖5 AD7125典型輸出電路

 

        如今再來考慮用權電阻網絡來實現RGB565信號到VGA接口三基色信號轉換的電路。最基本的權電阻網絡實現DA轉換的原理這裏就不說了，不熟悉的同窗能夠參考數字電路的教材。

 

        在RGB565格式的數據中，紅色佔5位數據，綠色佔6位數據，藍色佔5位數據。即紅色信號R須要5位權電阻網絡來實現，綠色信號G須要6位權電阻網絡來實現，藍色信號B須要5位權電阻網絡來實現。

 

        以紅色信號R爲例來講明權電阻網絡參數的選取。因爲R對應的數字信號爲5位，故當該5位全爲1的時候對應的模擬電壓信號值應爲0.714V，當5位全爲0的時候對應的模擬電壓信號值應爲0。等效電路如圖6所示。

 

 

圖6 等效電路

 

        其中Rx爲5位權電阻網絡的等效電阻，當5位全爲1時

 

Rx = R || 2R || 4R || 8R || 16R

 

        由圖中電路可知，有以下關係

 

3.3/（Rx + 75） =  0.714/75

 

        能夠得出，等效電阻Rx = 271.6歐，R =526.225歐。考慮到全部電阻都必須取標稱值的緣由，故將R取爲500歐，這樣跟理論值會存在一些偏差。

 

        根據一樣的方法能夠計算出，對於綠色信號G，權電阻R = 534.7125，考慮到全部電阻都必須取標稱值的緣由，故將R取爲500歐。

 

        這裏有同窗會提到匹配的問題，在前面咱們已經說過，在終端，鏈接頭輸入的電壓驅動電阻即爲75歐，也就是一般狀況下終端的75歐電阻是不須要咱們本身去作的。而在源端，因爲咱們的權電阻網絡是電流型的，所以若要作匹配的話能夠採起並聯電阻的方式。但要注意的是，在這裏咱們並無用到集成DA芯片，源端匹配的負載阻抗並無明確要求，所以在這裏索性不作源端匹配。

 

        最終用權電阻實現RGB565信號到VGA三基色模擬電壓信號轉換電路的原理圖如圖7所示。

 

 

圖7 轉換電路原理圖