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コンポジットビデオ64色表示

これまで、白黒ビデオ表示から始まって 8色カラーのコンポジット、64色のコンポーネントとやってきましたが、やっぱマイコンとは言ってもアナログカラービデオ（コンポジットビデオ）の表示までこぎつけたいものです。ってことでやってみました。

マイコンとオペアンプを組み合わせて、64色カラーのコンポジットビデオ表示の実験をやってみた記録です。 CXA1645を使わなくてもここまで出来るという証です。

ちなみにこの画像はLM6172を使った場合。オイラの好きなNJM072Dを使うと、今のところもう少し淡い色調しか再現できないんだなぁ…（後述）

今回の作戦

これまでコンポジットについては、マイコンやＣＰＬＤを使って8色表示まで挑戦してきました。でもやっぱどうせならＲＧＢ各ビットの有無だけでなく「中間色」も表示したい…アナログＲＧＢ表示がしたい…と思う訳です。

アナログといえば当然ながらマイコンから出力するデータ量が増える訳だけど、 8ビットマイコンだからＩ／Ｏポートを1クロック動作させる間に出力できるのは8ビット幅。その中でアナログカラー表示を行うっていうと、各色2ビットずつで6ビット＝64色がせいぜいでしょう。

特定の色だけビット数を増やして8ビットフルで使う作戦もあるんだけど、むしろ残った2ビットは映像の重ね合わせ処理なんかに使って、スプライトと背景の合成とかに使ったほうが賢そうな感じ。

ってことでコンポーネント64色のときと同じように、ＲＧＢ合計6ビットの64色「準アナログカラー」を目指します。

やっぱりビデオ信号の復習から

例によって例の図がでてきます。しつこいほど出てくるあの図です。

ＲＧＢ信号をコンポーネント信号へ、コンポーネント信号をＳビデオへ、Ｓビデオをコンポジット信号へ次々と変換を掛けていくというあの図です。

例によってマイコンでＲＧＢ信号を生成し、それをコンポーネント信号、Ｓビデオ、コンポジット信号へと変換を掛けていくわけです。ただし、今回は64色なのでＲＧＢ各2ビットとなります。

要件抽出、要件定義

例によって組み込んでいく要件を抽出して明確化していきます。

まずはザックリ

主要機能は今回も３．５８Ｍｈｚでの変調機能、そしてＲＧＢ信号をＹＣｂＣｒに変換するマトリックス計算機能。この２点かと思います。あとは、それを支える基盤機能をちょいちょい…と。

３．５８Ｍｈｚ変調機能

例によってＣｒ、Ｃｂ、－Ｃｒ、－Ｃｂと出力を順に時分割で切り替えて「Ｃ信号」を生成する機能です。 4つを順々ってわけだから、やっぱり３．５８Ｍｈｚの4倍の周波数を使ってＣｒ、Ｃｂ、－Ｃｒ、－Ｃｂを順々に切り替えていけばＯＫ。

そのためにはやはり１４．３Ｍｈｚのクロック源と2ビットカウンタ、そしてアナログマルチプレクサが必要でしょう。

マトリックス計算機能

マトリックス計算自体はかわりません。例の計算式です。（コンポジットなのでやはり2.03や1.14が登場します）

Ｙ　＝　(0.587Ｇ　＋　0.114Ｂ　＋　0.299Ｒ) × 0.7/5 －　Sync × 0.3/5
Ｃｂ　＝　(-0.587Ｇ　＋　0.886Ｂ　－　0.299Ｒ) ÷ 2.03 × 0.7/5 － Burst × 0.14/5
Ｃｒ　＝　(-0.587Ｇ　－　0.114Ｂ　＋　0.701Ｒ) ÷ 1.14 × 0.7/5
－Ｃｂ　＝　(0.587Ｇ　－　0.886Ｂ　＋　0.299Ｒ) ÷ 2.03 × 0.7/5 ＋ Burst × 0.14/5
－Ｃｒ　＝　(0.587Ｇ　＋　0.114Ｂ　－　0.701Ｒ) ÷ 1.14 × 0.7/5

今回もオペアンプを使うので負電源が必要です。ちなみに、ＲＧＢの各情報が2ビットになる点に注意。今回のポイント。オペアンプ周りでうまい具合にＲＧＢを各2ビット入力出来るようにします。

ここが何と言っても今回の肝。計算式自体は8色カラー表示と一緒ですが、ＲＧＢ各2ビットずつを入力して、Ｙ、Ｃｂ、Ｃｒ、そして－Ｃｂ、－Ｃｒの５つの信号を出力します。－Ｃｂ、－Ｃｒが要るっていうのがミソです。

アタリマエですが、これは５Ｖ用の計算式なので、３．３Ｖマイコンなら計算式中の５で割っているところが全部３．３に替わるわけです。

バースト信号生成

CXA1645と違って、バースト信号のタイミングは例によってマイコン側から教えてあげないとダメ。ってことでその点はマイコン側でプログラム制御することにします。３．５８Ｍｈｚの変調自体は色信号と一緒なので共用。まぁ、8色カラー表示の時とやることは一緒。

先ほどの計算式中にも出てきますが、Ｃｂ、－Ｃｂの計算にはバースト信号生成用の入力が必要です。

その他

ＲＧＢ信号の生成は、64色のコンポーネントの時に使ったプログラムをそのまま流用します。なおＡＶＲのフューズビット設定ですが、 clock outをenableにしておけば3.58Mhzの変調はそのまま使えるはずです。

ＲＧＢ各２ビットの出力をTINY2313でやろうとすると、以前作った負電源回路に入力させる約100KhzのPWM出力が取り出せないので、負電源回路は別途必要です。（後述の74HC161のQD出力は約900Khzでデューティー比50:50なので、もしかしたらこれで負電源をドライブしたら動くかなぁ…実験未済）

当然ですが、このプログラムなりマイコンなりの部分で動画出力を行えば、６４色で自由自在に動き回る画を描く事が可能です。今回はオペアンプ周りの実験が目的なので、動画とか画とかではなく、色付き豆腐だけにとどめますが。

あわせると

やはり「１４．３Ｍｈｚのクロック源」「２ビット同期カウンタ」「アナログＭＵＸ」「オペアンプを使ったマトリクス回路」「バースト信号タイミングパルス」そして「負電源」あたりが必要になるでしょう。

今回も要件から除外する機能を。ＳＣ－Ｈ管理、４フィールドシーケンス、その他厳密なタイミング管理、厳密な波形形状の再現などなど。

基本設計

8色のコンポジットビデオ表示が以前動作確認出来ているので、基本路線はこのままってことにして、ジャンジャン手抜きをします。

8色表示の時と変更になるところは主に2点。1点はマイコン側の出力がＲＧＢ各2ビットの計6ビット幅になること。もう1点は、それを受けるオペアンプ側の入力数がやはり6ビットになること。

逆に変わらない所。１４．３Ｍｈｚの4クロック毎にＣｒ、Ｃｂ、－Ｃｒ、－Ｃｂを切り替えるので、同期カウンタＩＣ（74HC161）を2ビットカウンタとして使います。あとアナログ信号であるＣｒ、Ｃｂ、－Ｃｒ、－Ｃｂを切り替えるために４ＣＨ入力のアナログマルチプレクサ（74HC4052）を使う辺りも一緒。このへんは8色コンポジットの時と変わりません。

以下、変わる部分に関して対応を整理します。

変更点１：マイコン側出力を６ビットに

とりあえず64色のカラー表示ができればいいだろうってレベルで考え、コンポーネントで64色の実験をやったときのプログラムをソックリ頂きます。ＲＧＢ各2ビットの計6ビット出力するようになっているいるだけでなく、水平同期の直後にバースト信号のタイミングを出力するプログラムです。

というか、そもそもコンポジット表示用に作ったプログラムをコンポーネント用に流用していただけなので、使いまわせて当然なんだけど…

変更点２：オペアンプ周りの入力を６ビットに

コンポーネント64色の実験と同じように、8色ＲＧＢの各入力抵抗を2本の並列抵抗に分け、 2つ併せると元の抵抗値となりかつ各抵抗の比を１：２となるように設定してあげると、抵抗値の小さいほうが上位ビット、大きいほうが下位ビットということになるはず。

そういう感じでＲＧＢの各抵抗値を上位・下位の2つに分けて6ビット化する作戦。

何と言っても、オペアンプ1個で加減算を行うっていうと、死ぬほど大変な方程式解かないといけないので、そういう時は何と言っても手を抜いて逃げるのだ…

変更点　その他

8ビットコンポジットの回路ではＲＧＢで3ピンしか使ってなかったので、余ったピンのうちPWMの1ピンを使って100Khz程度の方形波を出力し、そこからチャージポンプで負電源を動かしていたんだけど、6ビット化したらPWMピンが余らなくなっちゃいました。

なので、負電源回路にはLTC1144でとりあえず間に合わせることに。もっとピン数が多いマイコンならＰＷＭの1個や2個くらい余っているだろうから、それを使えばLTC1144みたいな高いＩＣは使わなくてもよいかと。

これ以外の部分、たとえば3.58Mhzの変調回路などはおおよそ8ピンＲＧＢと同じ仕組みで行くことにします。

詳細設計

詳細設計というほどのもんではありません。ありあわせのものを基本設計の方針に従ってつなぎ合わせるフランケンです。

回路図

回路図です。（クリックすると別窓に拡大表示します）

これはＳビデオ信号（ＹとＣが別）になっているので、Ｙ／Ｃ混合回路を組み込むとしたら上記のＣ回路用オペアンプ（ボルテージフォロアになってるところ）の代わりに、↓

という感じにすればよいでしょう。この場合Ｃ信号は74HC4052からの信号を、Ｙ信号はオペアンプからの信号を接続します。今回はこのようにＹ／Ｃ混合の状態で実験しました。

回路図の簡単な補足１：マイコン周り

まずＡＶＲ周り。マイコンにはTINY2313を使います。で、例によって14.3Mhzで動かしてＲＧＢの各上位・下位ビットや同期信号、バースト信号を出力しつつ、クロック信号はそのままPD2から14.3Mhzの方形波として出力し、74HC161と74HC4052を通して3.58Mhzの変調を掛ける作戦。

回路図の簡単な補足２：オペアンプ周り

各オペアンプ周りの抵抗は、8ビットコンポジットの計算結果を元に１：２に按分して、それをそれぞれTINY2313の出力ピンに１本１本繋いでいきます。いっぱいあるのでメンドウ。

あと、8色の時はすべてのオペアンプはNJM072Dで行けたんだけど、今回も同じように組んで実験したら一部動作がうまく行かなかったので、Ｙ信号、Ｃ信号用（もしくはＹ／Ｃ混合用）のオペアンプはもうちょっと上等なヤツをチョイスしてみました。

具体的には、OPA2134PA、LM4562NA、LM6172あたりならｏｋでした。SR=20以上で、ユニティーで安定なものなら何でもいいと思います。

逆に、Ｃｒ、Ｃｂ、－Ｃｒ、－Ｃｂ用のオペアンプは、NJM072Dより少しくらい遅いアンプでも動くはずです。（SR=15程度？）

回路図の簡単な補足３：変調回路

8色カラーの時と同じで、74HC161と74HC4052を使って変調を掛けます。

回路図の簡単な補足４：負電源

各オペアンプと74HC4052は負電源（Vee）が必要なので、そのために使うのがLTC1144。５Ｖ電源からおよそ－５Ｖが作り出せて、しかも面積も小さくて済むので便利。ただ秋月で３００円はちょっと高いね…。

コンデンサには、普通の黒い電解コンではなく、東信の茶色のやつ（低ＥＳＲ品）を使いました。どうせ1個20円前後だし、この手の用途では出力電力的に有利です。

回路図の簡単な補足４：テストボードのクセについて

ブレッドボードにｔｉｎｙ２３１３マイコン登載ボードを挿して実験する場合、一つ注意点があります。

ｔｉｎｙ２３１３では出力端子の絶対数が少ないため、ＩＳＰ関係の端子までビデオ信号出力に利用しています。

ＩＳＰ端子は、デジタルＩ／Ｏとして使うならあまり気にすることもないんですが、通常は外部回路とショートしないようにボード上に保護抵抗が挿入されていることが多いと思います。

保護抵抗が入っていること自体は問題がないんですが、今回のような場合は保護抵抗がオペアンプ周りの抵抗と競合して悪さをします。

この実験でｔｉｎｙ２３１３を使用する場合は、一旦プログラムを書き込んだらＩＣ単体でブレッドボードに挿して実験するか、ＩＳＰ周りの端子だけは別途ＩＣから直接線を引き出すなどの工夫が必要になります。メンドウな場合はｍｅｇａシリーズなどの多ピンのマイコンを使ってください。ＲＧＢの６ピン分を独立して引っ張り出せるマイコンならＯＫです。

プログラム

コンポーネントの64色表示の時に作ったプログラムそのままです。もともとコンポジット用に使おうと思って書いたプログラムなので…。

ｔｉｎｙ２３１３用のプログラムです。

今回は14.3Mhz÷4=3.58Mhzの変調も必要になるので、clkout信号も出力して使います。

実験結果

盛り付け例

ブレッドボードに盛り付けたらこんな感じです。オペアンプ周りの抵抗と配線が特盛りです。

実験結果：ＬＭ６１７２の場合

ボードに電源を繋ぎ、ビデオキャプチャーボードで取り込んでみたらこんな感じになりました。オペアンプは３つ（６回路）ともLM6172を使った図です。

大体ｏｋでしょう。

５％誤差のカーボン抵抗を使っているせいなのか、計算自体に誤差があるのか、色調に多少の誤差はあるみたいですが、大体目論見通りの発色が出て一安心。ふぅ。

とりあえず安全牌としてのLM6172なので、もっとＳＲが遅いオペアンプでも実験をしてみました。

実験結果：ＮＪＭ０７２Ｄの場合

オペアンプを３つ（６回路）ともＮＪＭ０７２Ｄにしてみました。このオペアンプは秋月では単価約５０円と安い割に、ＳＲ＝２０Ｖ／ｕｓと速いので個人的にお気に入りのものです。ただ、ＮＪＭ０７２Ｃ（同ＳＲ＝１３Ｖ／ｕｓ）と比較すると、ユニティーで安定し難い（使用が推奨されてない）ので、そこが心配の種。

同じ仕組みの８色カラーの実験では何とか色が出ていたので、今回もうまく行くだろうと思ったら…

微妙な発色…。（これはキャプチャーじゃなくてデジカメで撮ったものですが、発色悪いのはデジカメではなく信号波形のせいです）

パスコン入れたり色々試してみたものの、とりあえずうまく行きませんでした。発振したみたい。負電源に使っていたLTC1144が非力だったか、ノイズを撒き散らしているかどちらかのような気がします。オシロで見たらＣ信号が殆ど潰れて死んでました。

実験結果：Ｙ信号生成とＹＣ混合だけをＬＭ６１７２に戻してみる

Ｃｂ、Ｃｒ、－Ｃｂ、－Ｃｒの信号生成には元々それほどの速度は必要無いので、今回の回路で速度が必要な部分… 特にＹＣ混合まわり（と、ついでにＹ信号）用のオペアンプだけを高速なＬＭ６１７２に戻して見ました。すると…

バッチリ出た。見た目の発色はかすかに違うんだけど、全部ＬＭ６１７２にしたときと一緒。

やっぱＹＣ混合周りの速度が必要だったか…。ただ、ＬＭ６１７２は単価がちょっと高いので、もうちょっと安い（かつＳＲ＝２０Ｖ／ｕｓの）オペアンプに替えてみることに…

実験結果：ＬＭ４５６２を試してみる

ＬＭ６１７２のところ１個を高音質オーディオ用のＬＭ４５６２に替えてみます（同様にＹＣ混合部分）。

やっぱ出るじゃん。ＬＭ４５６２、イカス！

ちなみに、似たようなオペアンプとしてＯＰＡ２１３４を使っても大体同じ結果になります。ＳＲ＝２０Ｖ／ｕｓの線っていう考え方自体はｏｋみたいだけど、どうやらＮＪＭ０７２Ｄの安定性に問題があるみたい。

まとめ

オペアンプと発色について

とりあえず、動作原理と回路図自体はまぁ旨く機能することが確認出来ました。よかった、よかった。抵抗値もまぁ大外しではないっぽい。（白がちっとピンク掛かったりしてるけど）

やはり問題は使うオペアンプのスペック。

８色の時と同じように、ＮＪＭ０７２Ｄ×３個で旨く動いてくれればよかったんだけど、結果的には最終段（ＹＣ混合回路とＹ信号）のオペアンプには低倍率で安定なオペアンプじゃないと厳しいみたいです。

逆に、Ｃｂ、Ｃｒ、－Ｃｂ、－ＣｒはＳＲ＝２０Ｖ／ｕｓも要らないので、もうちょっと遅いオペアンプを使ってそっちでコストを削ってみるのも一興でしょう。

安定しつつ、できるだけ安く仕上げると考えると、オペアンプ２個をＮＪＭ０７２Ｄ、もう１個にＯＰＡ２１３４をチョイスし、抵抗４３個（＠５円）、ロジックＩＣ２個を積み上げると、合計約７１５円（ｎｅｋｏｓａｎ調べ）。ＣＸＡ１６４５よりちょっと安い？

ＲＧＢ各２ビットずつの６４色カラー、全部で６ピン＋シンクロ関係と非常に省ピン。ということで小さいマイコンでも十分にカラービデオが簡単に出せてなかなかかと思います。

そこそこの応用範囲とそこそこの安定性、そこそこの表現力、そこそこのコストってことで、まぁ期待してた通りの結果がでて良かったと思います。できれば全部ＮＪＭ０７２Ｄで済ませると良かったなぁ… 電源の安定性次第かなぁ…

電源について

今回は負電源にLTC1144を使いました。高速オペアンプ３つをドライブするのは厳しかったようです… もしくは、ＩＣの発振周波数と今回の回路が相性悪かったか…

８色の実験を行った時は、余っていたＰＷＭとチャージポンプ回路で負電源を作り出してましたが、そんな風にしたらＮＪＭ０７２Ｄ×３つでも旨く動いてくれるかもしれません。

というわけで、以上を以って実験を終了とします。