Strumenti di misura per video frequenza

Metologia della misura

Generatori

Insertion test signal generator Tektronix 148

Genera vari segnali elettrici per la verifica delle apparecchiature video

Le forma d'onda di questi segnali hanno un preciso significato che sarà descritto dettagliatamente in seguito, vedi Strumenti di misura

Generatore sweep

Genera oscillazioni sinusoidali la cui frequenza varia con continuità tra un valore minimo ed un valore massimo, esplorando la banda interessata dell'apparato sotto controllo, vedi primo a sinistra, in seguito sarà descritto il principio di funzionamento

Strumenti di misura

Oscillografo Tektronix .

Introducendo un segnale elettrico alla connessione d’ingresso, si visualizza la sua forma d’onda in un tubo a raggi catodici, in seguito sarà spiegato il suo funzionamento

Quadripolo

Le apparecchiature interessate sono :

il monitore (apparecchiatura che converte il segnale video in uscita dalla telecamera, dal video registratore, o da qualsiasi riproduttore video, in un'immagine visiva sul tubo a raggi catodici),

il televisore in posizione monitore AV, o altre apparecchiature video come distributori, equalizzatori (apparecchiature che compensano le perdite d'alta frequenza dovute alla lunghezza dei cavi) ecc.
In altre parole, la misura consiste nel verificare le caratteristiche tecniche dell'apparecchiatura (il quadripolo), utilizzando i vari segnali campioni disponibili e controllando la forma d'onda in uscita con l'oscillografo
In figura il quadripolo in esame è un distributore video

Si dice che il quadripolo in esame introduce distorsione se fornisce in uscita un segnale di forma diversa di quello d’entrata. Non sono distorsioni quelle alterazioni del segnale che non consistono in cambiamenti di forma come:

l'amplificazioe e l'attenuazione

il ritardo

il capovolgimento, la rotazione 180°

Le distorsioni sono di due tipi: lineari e non lineari.

Distorsioni lineari:

la caratteristica di trasferimento Vu/Vi (uscita ingresso) è lineare, ma il segnale video, transitando nel quadripolo, subisce delle distorsioni dovute ai componenti come:capacità parassite, semiconduttori, ossia perdite per costanti Resistive-Capacitive

Nella figura è visibile come il circuito è modificato dalle capacità parassite C1 e C2 dovute alla inevitabile vicinanza dei collegamenti e dei componenti circuitali tra loro e la massa (un condensatore è formato da due armature parallele). Il valore del carico di un condensatore, Xc, è pari a 1/ 6,28*f*Cp e come conseguenza aumentando la frequenza f diminuisce il valore dell'impedenza dell'utilizzatore e l'amplificazione.

Distorsione di banda passante:

consiste nella non costante amplificazione del segnale nelle varie frequenze dell’apparato in questione; come si è visto nelle note sulla televisione b/n nel segnale video, a seconda dell’immagine ripresa, sono presenti frequenze che vanno dalla bassa frequenza (50 periodi, Hz) ad alta frequenza (massimo 5 milioni di periodi, MHz, vedi scacchiera), quindi la banda passante deve essere lineare in questa gamma Per poter comprendere gli effetti di certe distorsioni sulla qualità dell’immagine è che la zona delle frequenze basse determina il contenuto essenziale dell’immagine, mentre le alte frequenze ne determina il dettaglio fino.

Curva della banda passante video

Larghezza di banda f1-f2 = - 3 dB dell'amplificazione100

Generatore utilizzato signal generator

il segnale multiburst

Questo segnale è composto da sei pacchetti di oscillazioni con frequenze diverse: 0,5, 1, 2, 3, 4, 4,8, 5,8 milioni di cicli o MHz preceduti da un segnale di riferimento ad onda quadra a 123 KHz; se l'ampiezza- frequenza non è costante si verificherà una diminuzione dell’ampiezza del pacchetto della frequenza interessata, com'è visibile nella figura sottostante

Immagine segnale multiburst all'uscita dell'apparecchiatura in esame
Si nota chiaramente il calo di ampiezza verso i pacchetti delle frequenze alte.
Il distributore non è stato compensato adeguatamente

la barra bianca (così chiamata perché la sua ampiezza è di 0,7 volt pari al livello del bianco) e l’impulso 2T, vedi figura
La barra bianca, la prima a sinistra, quando in uscita del quadripolo è esattamente 0,7 volt significa che il guadagno dell'apparato è esatto inoltre, visualizzando la deformazione dei fronti di salita si verifica l’andamento alle basse frequenze, 100KHz-1MHz 

L’impulso 2T, la seconda a destra, con durata di 200 nano secondi al 50 % dell’ampiezza, deve risultare con un’ampiezza identica alla barra bianca, se la banda passante è corretta alle alte frequenze, come è in figura.
Larghezza di banda = 1/T

5 MHz=1/200 nanosec

Questa forma d'onda è stata studiata per verificare il comportamento dell'apparato nelle frequenze alte

 Lo stesso segnale visualizzato all'uscita dell'apparecchiatura non compensata

Onda quadro 50 Hz

L’onda quadra 50 Hz serve per verificare il comportamento del quadripolo alle frequenze basse

In figura si nota la pendenza del tratto orizzontale dovuta alla cattiva risposta dell'apparato alle frequenze basse

Generatore utilizzato sweep

il generatore sweep viene programmato per una scansione da 100KHz a 10 MHz

i vari punti o marker, visualizzano le varie frequenze esplorate

Distorsione di fase:

è molto importante ottenere dal quadripolo non solo un trasferimento corretto delle ampiezze di tutte le componenti del segnale, ma anche con invariata, reciproca, relazione di fase; ossia le varie frequenze in uscita devono avere la stessa fase come in ingresso. Si vede nella figura, se una frequenza subisce una variazione di fase, il segnale risultante non è più identico

Note teoriche
"si può dimostrare che una funzione periodica non sinusoidale (per esempio un segnale periodico non sinusoidale come un’onda quadra), può essere decomposta nella somma di:
una componente continua, pari al valore medio della funzione stessa
un’armonica fondamentale o prima armonica, ossia un segnale sinusoidale avente la stessa frequenza della funzione di partenza
infinite armoniche, ossia segnali sinusoidali di doppia, tripla, quadrupla frequenza, ecc. della fondamentale
come è visibile in figura.
L’espressione matematica è lo sviluppo in serie di Fourier"

Onda quadra e sua scomposizione in fondamentale e armoniche

Ecco spiegato il motivo per qui, le varie frequenze che compongono un segnale del tipo onda quadra, presente in un segnale video, devono transitare nell’apparecchiatura in fase, al fine di ricostruire all’uscita la stessa forma d’onda

Forma d'onda del segnale dove le varie armoniche non sono in fase, a lato

Distorsione non lineare

 La caratteristica di trasferimento Vu/Vi in un quadripolo non è lineare, invece di una retta come nel caso precedente, si ha una curva , conseguentemente si ha una compressione del segnale di uscita, com'è visibile in figura, e nei casi più gravi il tosaggio

A destra curva lineare, sinistra con compressione
con tosaggio della scala dei grigi
Le distorsioni di non linearità determinano nell’immagine una sproporzione nella continuità della scala dei grigi (dal nero al bianco), provocando un non molto fastidioso disturbo per l’osservatore; nel caso di una forte accentuazione del fenomeno concentrato nella zona dei sincronismi può provocare, come è facile immaginare, una non perfetta sincronia dei riproduttori
I segnali sinusoidali, in questo caso, subiscono una distorsione armonica con la comparsa di frequenze armoniche oltre la fondamentale, fenomeno che interessa particolarmente le apparecchiature audio, vedi in seguito misure in campo audio

 Misura del rumore

Tutte le apparecchiature introducono un segnale di disturbo, rumore, dovuto ai vari componenti circuitali. La misura specifica è il rapporto fra il segnale utile A ed il rumore Vr (noise) S/N= 20 log A/Vr in dB

.

A lato si vede il segnale del generatore video, con i vari livelli di rumore (immagine sabbiata), il quale è inserito nella parte centrale del segnale video e si esegue la misura per confronto.
Per concludere le note inerenti alle misure in banda video b/n, si sono definiti dei fattori K che fissano i legami fra la qualità dell'immagine e le distorsioni.

Kb = fattore dela banda

K2T = fattore dell'impulso 2T

K50 = fattore dell'inda 50 Hz

Kpb = fattore del rapporto impulso 2T e barra bianca

In campo professionale per la misura del segnale di uscita si usa il "Wave form monitor", oscillografo specifico dove il controllo delle forme d'onda sono visualizzate in una mascherina.