THS8200：全格式过采样组件视频/PC图形D/A系统的技术剖析

在当今的数字视频和PC图形处理领域，高效且灵活的数模转换系统至关重要。TI推出的THS8200就是这样一款极具特色的产品，它为DVD播放器、个人视频记录器和机顶盒等设备提供了完整的视频后端D/A解决方案。下面，我们就来深入了解一下这款产品。

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1. 设备概述

1.1 特性亮点

• 整体功能强大：具备完全可编程的显示时序发生器，能提供所有SDTV和HDTV复合同步时序格式，支持逐行和隔行扫描。拥有三个11位205-MSPS数模转换器（DAC），集成了双电平或三电平同步插入功能，可支持所有ATSC视频格式（包括1080P）和PC图形格式（高达75 Hz的UXGA）。此外，还具备可编程的HSync和VSync输出，以及垂直消隐间隔（VBI）覆盖或数据直通功能，可实现VBI数据的透明传输，同时支持可编程的CGMS数据生成和插入。
• 输入灵活多样：提供灵活的10 - 、15 - 、16 - 、20 - 、24 - 或30位数字视频输入接口，支持YCbCr或RGB数据，采样方式可为4:4:4或4:2:2。视频同步可通过HSync或VSync专用输入，也可根据ITU - R.BT601（SDTV）或SMPTE 274M和SMPTE 296M（HDTV）提取嵌入式SAV和EAV代码。
• 输出丰富可选：数字输出方面，具备ITU - R BT.656数字视频输出端口；模拟输出方面，可通过软件切换700 - mV或1.3 - V合规输出DAC，在37.5 - Ω负载下工作，还能实现可编程的视频/同步比（7:3或10:4）和视频基座设置。此外，它还能与TI DVI 1.0（带HDCP）接收器实现无缝接口，可接收符合EIA - 861规范的DVI视频格式，并将其转换为YPbPr或RGB组件格式，支持单独同步或嵌入式复合同步。
• 其他实用特性：内置视频彩条测试图案发生器，采用快速模式I2C控制接口，支持可配置的主或从时序模式。在视频处理方面，具备可编程的剪辑/移位/乘法功能，可处理全范围或ITU - R.BT601视频范围的输入数据，还能对每个模拟输出通道进行可编程的数字精细增益控制，以实现准确的通道匹配和可编程的白平衡控制。

1.2 应用广泛

THS8200的应用场景十分广泛，涵盖了DVD播放器、数字电视、交互式电视、互联网机顶盒、个人视频记录器、HDTV显示或投影系统以及数字视频系统等多个领域。

1.3 详细描述

THS8200能够接受多种数字输入格式，包括4:4:4和4:2:2格式，可通过三个、两个或一个10位端口的接口进行数据传输。它可以通过专用的HSync和VSync输入，或者从视频流中的嵌入式同步（SAV和EAV）代码中提取同步信息，来与输入的视频数据同步。当配置为生成PC图形输出时，它还提供主时序模式，可从外部（内存）源请求视频数据。

该设备包含一个完全可编程的显示时序发生器，支持所有标准和非标准视频格式，最高像素时钟可达205 MSPS，因此能支持所有组件视频和PC图形（VESA）格式。它还包含一个完全可编程的3x3矩阵运算，用于颜色空间转换。所有视频格式，包括HDTV 1080I和720P格式，都可以进行内部2倍过采样，这有助于放宽DAC后面的外部模拟重建滤波器的要求，提高视频频率特性。

输出合规范围可通过外部调整电阻进行设置，有两种设置可供选择，无需硬件更改即可适应组件视频或PC图形（700 - mV）和复合视频（1.3 - V）输出。视频数据上的内部可编程剪辑/移位/乘法功能可确保无论是全10位还是缩减的ITU - R.BT601风格的视频输入，都能输出符合标准的视频范围。为避免视频范围缩放后的非线性问题，DAC内部具有11位分辨率。此外，还可以在绿色/亮度通道或所有三个输出通道上插入具有可编程幅度的双电平或三电平同步信号，以支持700mV:300 - mV和714 - mV:286 - mV的视频:同步比。

2. 规格参数

2.1 绝对最大额定值

在工作温度范围内（除非另有说明），电源电压范围有所限制。AVoo到AVss、VD IO到GND IO的电压范围为 - 0.5至4.5 V，DVoo到DVss、VD_DLL到DVSS的电压范围为 - 0.5至2.5 V，数字输入电压范围相对于DVss为 - 0.5至VDD IO + 0.5 V，工作自由空气温度范围为0至70℃。需要注意的是，超过这些绝对最大额定值的应力可能会对设备造成永久性损坏。

2.2 处理额定值

存储温度范围为 - 55至150℃。

2.3 推荐工作条件

在工作自由空气温度范围内，电源电压方面，AVpp的推荐范围为3至3.6 V，DVDD、VDD_DLL的推荐范围为1.65至2 V，VDD IO的推荐范围为1.65至3.6 V。数字和参考输入方面，高电平输入电压和低电平输入电压根据VDD IO的不同取值有相应要求，时钟频率范围为10至205 MHz，时钟高脉冲持续时间和时钟低脉冲持续时间均为40%至60%。FSADJ电阻根据不同的Voc值有不同的推荐值。

2.4 功耗总结

文档中给出了不同条件下的功耗数据，包括不同输出合规电压、不同时钟频率以及DLL是否旁路等情况。例如，在700 - mV DAC输出合规 + 350 - mV偏置，AVDD = 3.3 V，DVDD = 1.8 V，VDD_IO = 3.3 V，VDD_DLL = 3.3 V，所有通道施加1 - MHz音调的情况下，不同时钟频率对应的功耗、电流等数据都有详细记录。这些数据对于我们在实际设计中评估设备的功耗和电源需求非常重要。

2.5 电源相关参数

在推荐工作条件下，对不同电源的电流、功耗等参数进行了详细说明。例如，在特定条件下，不同视频模式（如视频 + 无偏置、视频 + 偏置、通用 + 无偏置）下的AVDD、DVDD、IVDD_IO、IVDD_DLL的电流以及功耗情况都有明确的数据。

2.6 数字输入和模拟输出特性

数字输入方面，包括高电平输入电流、低电平输入电流（CLK相关和非CLK相关）、输入电容、数据输入设置时间和保持时间等参数都有详细规定。模拟（DAC）输出方面，涉及DAC分辨率、积分非线性、差分非线性、电源抑制比、通道间串扰、DAC不平衡、输出合规电压、输出电容、输出电流上升和下降时间、模拟输出延迟和建立时间、无杂散动态范围以及带宽等参数。这些参数对于评估设备的性能和在实际应用中的表现至关重要。

3. 功能概述

3.1 数据管理器（DMAN）

数据管理器的主要功能是将芯片输入总线上的选定输入视频数据格式转换为内部10位三通道表示。它支持多种输入格式，如10 - /8位ITU - R.BT656（带嵌入式同步代码）、15 - /16 - 或24 - /30位RGB（带外部同步）、20 - /16位SMPTE274M/296M（带嵌入式同步代码）以及20 - /16位YCbCr 4:2:2（带外部同步）。用户还可以选择在颜色数据路径上进行4:2:2到4:4:4的插值。当选择带嵌入式同步的格式时，DMAN还会从ITU - R.BT656（SDTV）或SMPTE274M/296M（HDTV）数据流中提取H（HSync）、V（VSync）、F（FieldID）标识符，用于DTG的内部同步。

3.2 插值有限脉冲响应滤波器（IFIR）

为了放宽DAC后面的重建滤波器要求，并充分利用THS8200中DAC的高速能力，集成了一个2倍数字上采样和插值滤波器模块。在THS8200中有五个IFIR，前两个仅在输入数据为4:2:2格式时用于将两个色差通道转换为4:4:4内部表示，后三个用于在2倍视频插值启用时对所有三个通道的内部数据进行上采样。通过对视频数据进行2倍过采样，可以减少DAC输出处模拟重建滤波器的组件数量，提高整体视频频率特性。所有的IFIR都可以通过编程相应的I2C寄存器进行旁路或启用。

3.3 颜色空间转换（CSC）

颜色空间转换器模块用于将一种颜色空间的输入视频数据转换为另一种颜色空间的输出视频数据，例如RGB到YCbCr或YCbCr到RGB。它包含一个3×3矩阵乘法器/加法器和一个3×1加法器，所有乘法器和加法器的系数都可以通过I2C接口进行编程，以支持对视频数据进行任何线性矩阵 + 偏移操作。文档中还给出了具体的编程示例，如HDTV RGB到HDTV YCbCr以及HDTV YCbCr到HDTV RGB的转换，详细说明了如何对相关寄存器进行编程。

3.4 剪辑/移位/乘法器（CSM）

由于根据ITU或SMPTE标准采样的视频数据的代码范围存在限制，THS8200的CSM模块可以处理这种情况。它允许用户对输入视频数据进行可选的高/低代码剪辑，向下移位输入视频数据，并将输入乘以0 - 1.999范围内的可编程系数。每个通道可以独立编程，以适应三个输入通道不同的数字范围。通过这种方式，可以将不同通道的输入代码范围缩放到相同的满量程DAC输出合规范围，满足ITU - R.BT601采样信号的要求。

3.5 显示时序发生器（DTG）

DTG负责生成正确的帧格式，包括所有同步、均衡和锯齿脉冲。在主时序模式下，DTG与外部同步输入同步，可根据DMAN模式选择，从专用设备端子HS_IN、VS_IN和FID或输入数据流中提取的标识符进行同步。在主时序模式下，DTG根据外部施加的像素时钟输入生成所需的场/帧格式。

在水平/垂直消隐间隔期间，当没有活动数据传递到DAC时，DTG会生成正确的数字字，用于空白、同步电平和其他电平偏移，如预锯齿和后锯齿脉冲以及均衡脉冲。水平时序、负同步和正同步的幅度、HDTV宽脉冲以及SDTV预均衡和后均衡以及锯齿脉冲的幅度都是I2C可编程的，以适应不同的视频标准和非标准视频时序格式。此外，除了在绿色/亮度通道或所有模拟输出上插入复合同步外，输出视频时序还可以由专用的HSync/VSync输出信号携带，HSync和VSync输出的位置、持续时间和极性都是完全可编程的，可用于将活动视频窗口在画面帧内居中。

4. 应用信息

4.1 视频与计算机图形应用

THS8200是一款高度集成且灵活的通用模拟组件视频/图形发生器，可用于任何需要对视频/图形信号进行D/A转换的应用。在典型的视频应用中，如DVD播放器、机顶盒，它接收来自MPEG解码器或媒体处理器引擎的输入，并将信号转换为模拟域，为所选格式生成正确的时序/帧格式。其ITU - R.BT656输出端口可用于连接NTSC/PAL视频编码器，实现常规复合/S视频输出。由于DAC速度高达205 MSPS，它支持所有流行的SDTV和HDTV格式，包括1080I和720P，在1x和2x插值模式下均可正常工作，1080P则支持1x速率。

在计算机图形应用方面，由于其可编程的HSync/VSync输出、对RGB和YCbCr颜色空间的支持以及内部颜色空间转换电路，以及205 MSPS的DAC操作速度，它支持所有PC图形格式，高达75 Hz的UXGA。此时视频插值被旁路，以便将全部205 MSPS用于1x像素时钟。

4.2 DVI到模拟YPbPr/RGB应用

与DVI接收器配合使用时，THS8200形成了一个双芯片解决方案，可将通过DVI接口传输的视频或图形格式转换为模拟RGB或YPbPr格式，支持嵌入式复合同步或单独的HSync、VSync。它通过数据输入总线和HS_IN、VS_IN端子与DVI接收器无缝连接。TI DVI 1.0（带HDCP）接收器提供的数据使能（DE）信号可在其FID端子上进行解释，以便在活动视频窗口外自动插入用户可编程的消隐电平幅度。用户还可以选择在THS8200中进行颜色空间转换，并通过CSM模块调整偏移和增益范围。

当通过DVI传输（隔行）视频时，根据EIA - 861规范，THS8200可以从HSync和VSync信号的相对对齐中内部推导正确的奇偶场标识，避免了在DVI应用中需要额外的胶合逻辑。

4.3 主与从时序模式

在从时序模式下，THS8200的输出显示时序与视频数据源同步，显示时序输出信号基于输入同步信号，这些信号可以通过专用的HSync、VSync和FieldID（HS_IN、VS_IN和FID）输入端子输入，也可以基于输入视频数据中嵌入的SAV/EAV代码。

在主时序模式下，THS8200生成两组输出同步信号。HS_IN和VS_IN现在成为向视频源输出的信号（FID未使用），HS_OUT和VS_OUT仍然是向显示设备输出的信号。其目的是让THS8200从需要外部时序的源（如视频内存）请求视频数据。

5. 总结

THS8200凭借其丰富的功能特性、广泛的应用场景以及灵活的配置选项，在数字视频和PC图形处理领域具有很大的优势。无论是在视频应用还是计算机图形应用中，它都能提供高质量的数模转换解决方案。然而，在实际应用中，我们还需要根据具体的需求和场景，合理配置其各项参数，充分发挥其性能优势。同时，对于其复杂的功能和众多的寄存器配置，我们需要仔细研读文档，确保正确使用。你在使用THS8200的过程中遇到过哪些问题呢？欢迎在评论区分享你的经验和见解。