行扫描电路中的非线性失真

4.1.5　行扫描电路中的非线性失真

1.电阻分量引起的失真

前面分析中忽略了偏转线圈中的电阻分量，当时只是把它看成了一个纯电感来分析行输出电路。但是真实的情况是一个电感应该等效成一个纯电感和一个电阻的串联（实际上面求解微分方程时已经考虑这个电阻了），而且行输出管在导通的时候也要有内阻，且阻尼管在导通时也具有内阻。现在就将这些电阻都考虑进去来看看将会有什么影响。设：偏转线圈中的电阻分量为R_y，输出管导通时候的内阻为R_s，阻尼管导通时候的内阻为R_d。因为阻尼管和行输出管不是同时导通，行输出管导通时阻尼管截止，行输出管截止时阻尼管导通，所以实际电路里的电阻：R=R_y+R_s或者R=R_y+R_d。

考虑这些电阻的影响后等效电路如图4-12（a）所示。没有考虑电阻的时候，通电以后偏转线圈里的电流呈线性变化的理想情况，通电考虑电阻以后偏转线圈里的电流呈指数变化。前面我们在分析行输出电路的微分方程的时候，就考虑了一个电阻串联在偏转线圈上的因素。图4-12（b）为考虑电阻后的扫描电流和理想的扫描电流的情况。在考虑电阻后偏转线圈里的电流上升是指数形式，即τ=L_y/R。电流在边缘要比理想的情况慢，这样一来会造成图像的右边缘被压缩了，如图4-12（c）所示。电阻分量引起的失真也可以这样理解，当电感L_y上串联电阻R时，外加电压E_c不变，E_c加在电感和电阻串联的支路上，流过偏转线圈的电流I_y也就是流过电阻的电流。当该电流流过电阻的时候就会在电阻上产生电压降，即U_R=L_yR。在偏转线圈两端的电压U_L，即Ec=U_L+U_R。

图4-12　考虑电阻影响后的情况

图4-13　串联在偏转线圈上的行线性电感

当处在小电流的状态时，偏转线圈两端的电压还基本上是无变化的，但是随着电流的增大，U_R会随L_y变大，由于E_c是不变的，所以这将造成U_L减小，也就是偏转线圈两端电压减小，偏转电流增长的速度变得缓慢。

这种电阻分量引起的失真用行线性电感L_h串联在偏转线圈上来进行校正，电路如图4-13所示。行线性电感为一个绕在工型锰锌铁氧体上的磁饱和线圈，当线圈中通有电流时，线圈的磁通量随之发生变化。当电流增大时，磁通量将随电流增大而增大。当线圈发生磁饱和时，线圈电感量变小，这个特点正好用来校正以上所说的失真。

当行电流小的时候，磁饱和线圈阻值很大，并且恒定，其上有很大压降。当扫描电流增加达到某值时，线圈发生磁饱和，感抗减小（因为线性电感和偏转线圈是串联的关系），因而这将造成这一串联回路的总感抗减小，使得偏转线圈上的偏转电流得到补偿。

行线性电感的结构如图4-14（a）所示，将线圈绕在工型锰锌铁氧体上，线圈的两个引出端可以根据绕向做一个标记。这两端从工型锰锌铁氧体下方引出来。用一块充磁的永久磁铁放在工型锰锌铁氧体的上面，调整两者之间的距离可以改变补偿的大小。当距离确定以后整体用热塑管封装起来，如图4-14（b）所示。实际上显示器的生产厂家根本不用调节该距离。对某一机型来说，该距离是在研发的时候就已经和行线性电感的配套厂家进行了生产定型。

图4-14　行线性电感结构

图4-15　正程前半段阻尼管引起的失真波形图

2.正程前半段阻尼管引起的失真

将正程的前半段阻尼二极管导通，导通后其内阻R_d将会引起失真，因为这时回路里的总电阻为R=R_d +R_y，R_y为偏转线圈的内阻，由于R_d的非线性，从而引起这种失真。R_d的非线性主要表现在当扫描电流从反向最大逐渐减小接近零的时候，阻尼管的内阻增大，使电流的变化率减小，波形曲线弯曲，造成画面中心处失真。如果是采用的方格画面，大家会发现中心偏左的方格要比边缘的水平方向大。补偿这种失真的方法是使行输出管提前导通，这样一来在阻尼管接近截止的时候，也就是扫描正程前半段快要结束的时候，使得阻尼管和行输出管共同导通。因行输出管饱和导通，其内阻很小，补偿了因阻尼二极管内阻增大而造成的失真。上述过程的波形，如图4-15所示。

3.延伸性失真

（1）偏转中心

当电子束在磁场里受到洛仑兹力的作用时，正像我们在第2章中所讲述的那样，它要做半径为R的圆周运动。当电子束运动出偏转磁场之后，将不再受洛仑兹力的作用，这时电子束将沿着出磁场点的切线方向做直线运动直到屏幕，如图2-4所示，将切线反向延长和电子束入射轴的交点称为偏转中心。电子束运动的方向和入射轴之间的夹角叫做偏转角，如图2-4中的θ角。于是，磁场对电子束的作用等效为电子束是由偏转中心产生，在水平的方向上不停地往复运动，形成扫描。在这过程中偏转角θ也随着电子束的往复运动而增加或者减小。如果单位时间dt内扫过的角度为dθ，对于通入偏转线圈线性良好的锯齿波来说，dθ/dt=常数，就是说在单位时间内扫过的角度是相同的。

（2）延伸性失真的产生

按照上面的分析，如果将电子束等效成是从偏转中心发出并向屏幕运动，假设它在t时间内走的距离为R，在相同的时间内，电子束所到达的位置应该是一个以扫描中心为圆点，以R为半径的圆。如果单位时间内电子束扫描的角度为dθ，电子束在上述的圆周上走过的距离为ds，则ds=Rdθ，如图4-16所示。对于通入偏转线圈线性良好的锯齿波来说dθ/dt=常数，相同时间内扫过的角度是相同的，如果在半径为R的这个圆周上，在相同时间内所扫过的距离（弧长）也是相同的。如果屏幕的曲率半径和这个圆的半径R相同的话，那么在相同时间段内在屏幕上扫过的距离（弧长）是相同的，这样就没有失真。但是实际上屏幕的曲率半径与扫描中心到屏幕距离R是不同的，由于屏幕的曲率半径要大于R，特别是屏幕越平它的曲率半径就越比R大，如图4-16（b）所示。这样对于相同的角度dθ来说，在屏幕的两个边缘上所看到的水平距离ds要比屏幕中心大，这就造成图像中间密两边缘疏的失真，我们称这种失真为S型失真，确切地说是水平S型失真。

图4-16　延伸性失真

（3）延伸性失真的校正方法

解决这种失真的方法是在边缘上减低扫描速度，让其在边缘上相同的时间内扫过的角度减少，这样就补偿了图像边缘疏的情况。如果要减慢边缘电子束扫描的速度，应该在偏转线圈中通入偏转电流，由于通入的电流波形很像英文字母S，因而称这种失真为S失真。

要想得到S校正电流，通常的方法是在L_y的下面串联电容C_s。串联C_s以后，C_s与L_y形成了串联谐振电路，其电流的波形为正弦波，振荡周期约为行周期的4～5倍。这样，一个行周期内供给偏转线圈的电流是串联谐振的正弦曲线和锯齿波叠加形成的实际扫描电流。C_s是S校正电容，对于现在的多频率显示器，通常C_s是一组校正的电容，用来校正各个频率段，这样就由一组电容组成了一个S校正系统。

（4）S校正应用电路

图4-17　S校正应用电路

图4-17为实际的行扫描输出电路中S校正系统。为了适应不同频率范围，这里采用了5只电容，分别是C₈₀₉、C₈₁₀、C₈₁₁、C₈₁₂、C₈₁₃。通过它们的不同组合可以校正31kHz～68kHz频率范围。CS₀、CS₁、CS₂分别是来自CPU的控制信号，用来控制Q₈₁₁、Q₈₀₉、Q₈₀₈的导通和截止，而Q₈₁₁又通过Q₈₀₄控制继电器RL₈₀₁的闭合与断开，从而控制C₈₀₉的接入与否。当CS₀=0时，Q₈₀₄导通，从而使继电器RL₈₀₁闭合，C₈₀₉接入电路。当CS₀=1时，RL₈₀₁断开，C₈₀₉脱离电路。Q₈₀₉则通过Q₈₀₆控制C₈₁₁的接入。Q₈₀₈通过Q₈₁₂控制C₈₁₂的接入。C₈₁₁和C₈₁₂的接入和断开原理同C₈₀₉一样，C₈₁₀、C₈₁₃总是接入电路的。CS₀、CS₁、CS₂共有8种组合，可以用来校正8个频率段。表4-1列出了这8种组合及其所校正的频率范围。

表4-1　三种控制信号的不同组合

例如在小于28.2kHz的时候CS₀、CS₁、CS₂都为0，因而实际的S校正电容是所有这些电容并联之后和C₈₂₂串联，这样的方法将显示器的整个频率范围全部覆盖了。其中关键的控制信号是来自CPU，CPU里的控制信号是通过对行频率的检测后发出的。

4.枕形、桶形失真的校正

（1）枕形失真的产生和校正原理

一般说来显示管的屏幕是球面形状，电子束打到屏幕的边缘时，越靠近边缘，则距离偏转中心就越远，因而在显示管的四个角落，其偏转距离最大。故而会造成四个角落的失真，这种失真称之为枕形失真和桶形失真，如图4-18所示。理想的电子束扫描应为矩形，由于显示管扫描中心和屏幕的曲率中心不在同一个位置上，故造成了这种失真，所以在某种程度上来说这种失真是显示管固有的失真。这种枕形失真在上下、左右应该都有，但是上下的失真不太明显，因此上下也就不用校正。这里重点考虑左右的枕形失真及其校正的方法。

图4-18　枕形失真和桶形失真

和水平方向一样，当垂直偏转线圈中通入线性良好的锯齿波电流时，在垂直方向的时间dt内扫过的角度dθ应该是一样的。这样和前面所讲的S校正一样，由于屏幕的曲率半径要大于偏转中心到屏幕的距离，所以相同的角度下电子束在屏幕上扫过的距离不相同，当然是越靠近边缘在相同的角度下扫过的距离越长，从而造成图4-18所示的失真。如果我们将这种失真看成是在行幅度边缘最大与越到中间越小而形成的失真的话，那么就可以通过控制行幅度来校正这种失真，或者说是通过控制行扫描电流的幅值来校正，使行扫描电流在场中心最大，在边缘最小，如图4-19所示。实际上这种失真的校正是利用和场频率相同的抛物波来调制行扫描锯齿波，使行扫描锯齿波的幅度在一个周期内随抛物波的幅度变化，以达到校正的目的。

图4-19　枕形校正

（2）校正方法

① 传统的变压器校正方式

黑白显示管的枕形失真校正是通过在偏转线圈四周加上可以旋转的永磁铁来完成的。而彩色显示管不能采用这种方法，因为永久磁铁会破坏会聚和色纯，因此，需要设置专门的枕形校正电路。对于自会聚彩色显像管，由于非线性偏转磁场增大了水平枕形失真而减小了垂直枕形失真，所以一般只需进行水平方向枕形失真校正。当屏幕尺寸很大时，同时还需进行垂直方向的枕形失真校正。水平方向的枕形失真，使光栅幅度在垂直方向的变化规律近似为抛物波。如果用一个相反的场频抛物波去调制行扫描电流，会使行扫描在场中的幅度不相等，即场扫描正程开始与结束的行扫描幅度较小而中间幅度较大，如图4-19（b）所示。这样就可以校正光栅水平方向的枕形失真，校正电路如图4-20所示。

图4-20　水平枕形失真校正

场锯齿波电压经积分后变成场抛物波电压，送入磁饱和变压器T的L₁绕组中，L₂绕组串接在行偏转线圈回路中，由于L₂两侧绕组产生的磁通在中心磁芯里是相反的，因此行扫描电流不会串入场扫描电路中。L₁绕组的感抗很小，具有直流分量的场抛物波电压将产生具有直流分量的场抛物波电流，使T处于饱和状态，饱和程度随场抛物波电流大小而变，因而L₂的感抗也相应变化，于是实现场抛物波电压对行扫描电流的幅度调制。

②二极管调制（Diode Modulation）方式

A.电路结构

现在显示器里大多数采用二极管调制（Diode Modulation）方式。这种方式不仅具有枕形失真校正的功能，还具有行幅度调整的功能，如图4-21（a）所示。这种电路和一般的行输出电路比起来，它是将行输出电路里的阻尼二极管和逆程电容分别分成两个部分C₁、C_m和D₁、D₂。还有两只S型校正电容C_s1、C_s2和一只枕校调制线圈L_m。

由图4-21（a）可以看出B⁺ =V_Cs1+V_Cs2

因为

通常选择C_s1＜C_s2

所以

B.调整原理

在行扫描正程后半段t₀～t₁期间，行输出管Q的基极加有正脉冲，Q导通，因为C_s1＜C_s2，所以V_Cs1＞V_Cs2，此时D₁截止，D₂导通，形成行正程后半段的扫描电流。此时C_s1上的电压方向为左正右负，处于放电状态。C_s2上的电压为上负下正，处于充电状态。所以在这期间行偏转线圈L_y和枕校调制线圈L_m储能。此时C_s1对D₂施加是正向偏置电压，而C_s2对D₂施加是反向偏置电压。这时控制V_Cs2可以改变C_s2对D₂施加的反向电压的大小，进一步就可改变D₂的电流，从而控制行偏转电流I_y。

通常是将与场频率同步的上凹抛物波加在C_s2两端，如图4-21（b）所示，此时V_Cs1=B⁺−V_Cs2，因此在C_s1上可以得到向上凸的抛物电压波，在偏转线圈中就可以得到受该抛物波调制的行扫描电流。该电流在场中间部分大，所对应的行幅度就大；边缘部分小，所对应的行幅度就小。正好与图4-19（b）所需要的校正电流波形是一样的。

图4-21　二极管调制行扫描输出电路和与场频率同步的上凹抛物波

C.实际应用电路

图4-22为实际的二极管调制电路。Q₈₀₂是行输出晶体管，D₈₀₂、D₈₀₃是上面所讲的阻尼二极管D₁、D₈₀₄是阻尼管D₂，C₈₀₄、C₈₀₅是两个逆程电容，C₈₀₄相当于上面所说的C_m，C₈₀₅为上面所说的C₁，这里的C_s1实际上是许多电容的组合。L₈₀₅为枕校调制线圈L_m，C₈₂₂为C_s2，这里和场频率同步的抛物波加在L₈₀₅和C₈₂₂连接处。这抛物波是来自于TDA4858的第11脚（EW Parabola Output，东西方向抛物波输出脚），并经过放大后提供给二极管调制行扫描输出电路的。

图4-22　实际的二极管调制行扫描输出电路

③ 抛物波的产生

在上面所分析的过程中，枕形失真的校正关键在于将东西方向的抛物波加在二极管调制的行扫描输出电路中，这种抛物波是怎样产生的呢？在原理上产生具有这种性质的抛物波的方法很多。归纳为以下几种：

• 由场输出经过比较放大而产生，电路如图4-23（a）所示。

• 直接积分场输出得到，电路如图4-23（b）所示。

• 利用垂直锯齿波积分得到，电路如图4-23（c）所示。

（a）场输出经过比较放大产生抛物波电路

（b）直接积分场输出产生抛物波电路

图4-23　几种抛物波产生电路

能实现产生抛物波的电路很多，但是都要在线路上增加许多硬件电路。随着最近几年集成电路快速发展，出现了许多将产生抛物波的电路集成到一个芯片里的集成电路。所以现在的显示器都采用这样的集成电路，也就在显示器中省去了上述抛物波产生电路。例如PHILIPS公司的经济型自动同步偏转控制器TDA4858、TDA4856就是这样的芯片。

5.梯形失真

（1）梯形失真产生的原因和校正方法

关于这种失真的描述在第2章中已经详细介绍了，如图4-24所示。这种失真和上述的枕形失真不同，枕形失真是中间的行幅度大或者小，两边的行幅度小或者大，而这种梯形失真就像实际的梯形，要么上大下小，要么上小下大。根据前面所述的调整原理，这时候就不能再用和场频率同步的抛物波来校正了，而应该用和场频率同步的锯齿波来校正。通过调整锯齿波的倾斜程度来改变这种上下幅度不同的失真。现在的显示器里也没有单独的校正电路，通常是由TDA4858的内部来完成。过程是CPU发出梯形失真校正控制信号，将此信号加到TDA4858的第20脚（东西方向梯形校正输入），用来校正枕形失真的抛物波的对称性，在东西方向抛物波由引脚（11脚）输出。由此看来，梯形失真的调整和枕形失真的调整是叠加在一起，加在二极管调制行扫描输出电路中的。

（2）实际电路中的梯形失真的校正

图4-25是实际的梯形校正电路。如图4-25所示，由CPU的DAC5（Digital Analog Converter数字/模拟转换）所发出的梯形调整信号，经过R₅₃₅加到了TDA4858的20引脚（东西方向梯形校正输入）。该调整信号用来调整TDA4858芯片内部产生的抛物波的对称性，并且在11脚输出，加到二极管调制行扫描输出电路中。

图4-24　梯形失真的校正

图4-25　实际的校正电路

6.平行四边形失真和枕形平衡失真

平行四边形失真和枕形平衡失真，如图4-26、图4-27所示。这是一种光栅的非对称性水平几何失真，它对于光栅中心不对称。和前面所说的枕形、梯形失真不同，枕形、梯形失真对于光栅的几何中心是对称的。

对于上面所说的枕形、梯形对称性失真校正的方法通常是通过控制场中光栅行幅的变化达到校正失真的目的，而行幅的调整相对于光栅中心是对称的，所以校正电路在控制光栅行幅变宽时，水平方向两侧同时向外伸展。因为光栅具有非对称性，所以这两种失真不能使用和上述对称性失真相同的校正方法。

现在的显示器中对于以上两种失真的校正是采用动态控制行相位或行中心的方法来实现的，也就是说让失真画面的行中心位置在每行都有所改变。对于向右倾斜的平行四边形来说，只要让上边缘到画面中心的每一行的行中心分别向左移动并且逐渐减小移动量，从中心向下的每一行的行中心分别向右移动，并且移动量越来越大就可以校正这种失真了。TDA4858非对称性失真校正是在行、场扫描处理集成电路中完成的，枕形平衡失真校正波形为场频抛物波，平行四边形校正信号为场频锯齿波。实际电路中是由CPU发出的校正信号经过外部的处理电路形成上述的波形，并且将该波形加在行中心输入引脚。

图4-26　平行四边形失真

图4-27　枕形平衡失真