Mechanisches Fernsehsystem mit Nipkowscheibe
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Die von Paul Nipkow erdachte Scheibe war ein zentrales Element in
frühen Fernsehversuchen, sowohl im Sender wie auch im Empfänger.
Eine Nipkowscheibe bestht aus einer Scheibe aus undurchsichtigem Material
in das auf einer Spiralbahn kleine Löcher gebohrt sind.Bei einer
Rotaion des Scheibe wandern diese Löcher nacheinander über
eine Bildfläche welche dadurch zeilenförmig abgetastet wird.
Jedes Lochbestimmt eine Zeile. Für ein Bild mit einem 30 zeiligem
Raster müßen somit 30 Löcher in die Scheibe gebohrt
werden. Beim Design einer Nipkovscheibe müssen verschiedene Parameter
in Betracht gezogen werden.
Im Prinzip wünscht man sich eine hohe Auflösung, und damit
eine große Zeilenzahl sowie eine Bildrate die nicht zu klein
ist. Der ehemalige analoge Standard 312 Zeilen bei einer Bildrate
von 50Hz (das Zeilensprungverfahren nicht berücksichtigt). Eine
Nipkovscheibe müßte somit 625 Löcher und eine Drehzahl
von 3000 rpm haben. Es gibt aber noch weiteres zu beachten. Die abgetastete
Fläche ist natürlich kein Rechteck sondern ein Sektorfeld.
Um ein annähernd rechteckiges Bild zu bekommen sollte die Bildbreite
maximal ein Fünfzigstel des Scheibenradius betragen. Auch der
Lochdurchmesser kann natürlich nicht beliebig klein werden, zum
Einen aus mechanische Bearbeitungsgründen und zum anderen wegen
der mit dem Lochdurchmesser schnelll abnehmenden Lichtstärke. |
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Wählen wir einen Lochdurchmesser von 0.5 mm haben
wir ein Bildbreite von 0.5mm x 312 = 156 mm und einen Scheibendurchmesser
von knap 160 Zentimetern. Bei 3000 rpm wäre die Umfangsgeschwindigkeit
von 80m/s. Tatsächlich wurden solche Monsterscheiben gebaut die
zur Verringerung der Luftreibung in einer Vakuumkammer rotierten.
Für den Bastler nicht ganz einfach zu realisieren.
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Die zu Beginn
der Fernsehtechnik verwendeten Standards waren aber deutlich anspruchsloser
und betrugen um die 30 Zeilen mit einer Bildfrequenz von 12,5 Hz.
Einer dieser Standards wird auch heute noch von Funkamateuren in der
NBTV-Betriebsart verwendet. Hier beträgt die Zeilenzahl 32 und
die Bildfrequenz 12,5 Hz.
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Format |
Hochformat |
2:3 |
32 x 48 Pixel |
Bildfrequenz |
12,5 Hz |
Bilddauer |
80 ms |
Zeilenfrequenz |
400 Hz |
Zeilendauer |
2,5 ms |
Videofrequenz, Pixelrate |
19200 Hz |
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Bei gleichem
Lochdurchmesser (0,5 mm) genügt eine Scheibe von 16 cm Durchmesser.
Allerdings sind auch hier die mechanischen Anforderungen ziemlich
hoch weil sich kleinste Abweichungen der Lochpositionen im Bild stark
bemerkbar machen. Zumächst wurde eine Scheibe in einem Grafikprogramm
gezeichnet, dann ausgedruckt und der Ausdruck auf eine Aluscheibe
geklebt, dann die Lochpositionen mit dem Körner markiert und
anschließend gebohrt.
Das Ergebniss ist immerhin brauchbar für erste Versuche. Die
Scheibe ist aus 1mm dickem Alublech und hat einen Durchmesser von
25cm. Der Durchmesser von 25cm wurde gewählt weil mal geplant
war alte Schellackplatten als Rohmaterial zu verwenden, diese haben
einen Durchmesser von 10 Zoll, 25,4 cm. Allerdings hat sich gezeigt
dass diese Platten zu schwer und zu dick sind.
Neben den eigentlichen Abtastlöcher ist noch ein Lochkranz in
die Scheibe gebohrt der zur Synchronisation dient. Diese Löcher
markieren den Beginn einer neuen Zeile und werden mit einer Lichtschranke
abgetastet. |
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Mit der oben beschrieben Methode
waren aber keine gute Scheiben zu erhalten Deshalb wurde eine provisorische
Bohrmaschine gebaut.
Die zu bohrende Scheibe wird mit einem Schrittmotor gedreht. Durch
eine Untersetzung mit Zahnriemen beträgt der kleinste Winkelschritt
im Halbschrittbetrieb 0,1 °.
Für die X- und Z-Achse wurde ein vorhandener Kreuztisch eingesetzt.
In beiden Achsen beträgt die Auflösung bei Vollschrittbetrieb
1µm. Für die Z-Achse spielt die Auflösung natürlich
keine Rolle. Da die X-Achse während des gesamten Bohrvorgangs
nur in eine Richtung verfahren wird ist hier die Einstellgenauigkeit
sicher in der Größenordnung der Auflösung.
Als Bohrmotor wird ein DC-Motor verwendet bei 15V Betriebsspannung
mit etwa 10000 rpm dreht. Als Bohrfutter dient eine zu den Bohrern
passende Spannzange. Die Bohrer sind Hartmetallbohrer (Dremel) mit
einem Schaft von 3,15 mm.
Gesteuert wird das Ganze von einem Arduino Mega. Für den Betrieb
der drei Schrittmotore werden L298-Treiber verwendet. Der Bohrmotor
wird einfach über ein Relais ein- und ausgeschaltet.
Leider hat die Inbetriebnahme wegen einiger Programmierfehler einige
der sehr empfindlichen Bohrer gekostet. Am erfolgreichsten ist ein
halbautomatischer Betrieb, d.h. die Rotation und der radiale Versatz
(X-Achse) werden automatisch ausgeführt, während der Bohrvorgang,
die Bewegung der Z-Achse über Schalter von Hand gesteuert wird.
So dauert das Bohren einer Scheibe etwa eine halbe Stunde. Die Synchronisationslöcher
werden später von Hand aufgebohrt. |
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Das Normsignal ähnelt
dem Signal der ehemaligen üblichen analogen TV-Norm. Ein Spannungswert
von einem Volt entspricht einem weißen Pixel, die Schwarzschulter
liegt bei 0,3V. Das Synchronsignal ist superschwarz, entsprechend
null Volt.
Die Dauer der Zeilensynchronpulse beträgt ca. 150µs, die
Zeilendauer 2,5 ms. Im Gegensatz zum normalen TV-Signal fehlt ein
Bildsynchronimpuls, der Bildwechsel wird durch einen fehlenden Zeilenimpuls
signalisiert. Das funktioniert weil Bild und Zeile automatisch durch
die Anordnung der Löcher in der Nipkowscheibe zu einander in
Bezug stehen. |
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Für ein Empfangsgerät wird die
Nipkowscheibe von hinten mit einer flächigen Lichtquelle beleuchtet
deren Helligkeit mit dem Bildinhalt moduliert ist. In historischen
Geräten wurde dafür Glimmlampen verwendet, heutzutage können
LED-Arrays die Aufgabe einfacher und besser erledigen.
Das Bild zeigt den Aufbau. Links der Motor für die Scheibe, rechts
auf dem Aluprofil ein Platinchen mit dem Lichtschranke zur Abtastung
der Synchronlöcher. Daneben das 5 Watt LED-Array mit einem Lichtschacht
der mit einem Diffussor aus weißem Plexiglas abgedeckt ist.
Vor rechts die Platine mit der Videoschaltung. In der Mitte der eigentliche
Empfänger im UKW-Bereich. Wie bei dem Röhren-und LCD
> NBTV-Empfänger< wird ein Bausatz von
>Kemo< verwendet< |
Die Videoschaltung istrelativ einfach.
Eine Klemmschaltung am Eingang sorgt für ein festes Potential
unabhängig vom Bildinhalt. So kann das Synchronsignal auf einfache
Weise mit einem Komparator abgetrennt werden. Die abgetrennten Synchronpulse
werden einer PLL zugeführt welche die Motordrehzahl mit Hilfe
der Sychronlöcher auf der Scheibe regelt. Ein Videoverstärker
moduliert die Lichtleistung des LED-Arrays mit dem Bildinhalt. Über
die Verstärkung und eine Offsetspannung werden Helligkeit und
Kontrast des Bildes eingestellt.
Eine zusätzliche Schaltung sorgt dafür dass der Motor bei
fehlenden Synchronpulsen der Motor mit einer voreingestellten Drehzahl
läuft. So wird erreicht das bei einem Wechsel der Signalquelle
schnell eine stabile Bildlage erreicht wird. |
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>Schaltung
des Videoteils< |
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Das Testsignal
wird vom >NBTV-Sender<
geliefert. Entweder direkt über ein BNC-Kabel oder mittels
der UKW-Verbindung.
Das Ergebniss ist garnicht mal so schlecht. Allerdings fällt
auf dass der Synchronpuls der als gerade Linie erscheinen sollte stark
verbogen ist.
Der Grund dafür ist noch nicht klar. Da der Fehler nicht wandert
kann man mangelnde Synchronisation sicher ausschliesen. Als weitere
Ursache käme eine Ungenauigkeit der Bohrungen in Frage. Der Fehler
beträgt maximal etwa 0,7° , bei einem Durchmesser von 200mm
entspräche das einer Abweichung von 1,3 mm. Das wäre schon
ziemlich viel zumal die Scheibe schon mit oben beschriebenen automatischen
Bohrmaschine gefertigt wurde.
Mit einer neu gebohrten Scheibe sollte man darüber Aufschlüsse
bekommen. |
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