爱华网"每月做一件作品"的计划从去年就有，并一直持续不断的实施中。"HDMI/DVI-D转VGA模块ZV02"可以算是2012年6月的最突出的作品吧。
1. 概述
1.1 系统概述
HDMI/DVI-D转VGA模块"ZV02"是最大支持UXGA（1600×1200）分辨率的HDMI/DVI-D转VGA转换器。随着人们对高清显示的需求日益增长，支持高清信号的DVI-D接口被日益广泛的使用，有些多媒体设备甚至只有DVI-D或LVDS输出，而目前市面上显示器的主流接口却还是VGA接口。ZV02可以将输入的DVI数字信号转换成VGA模拟信号输出，以满足市面上大部分显示器接口的兼容性需求。
ZV02支持DDWG（Digital Display WorkingGroup，数字显示工作组）标准，具有一路DVI-I输入，一路VGA接口输出。ZV02纯粹完成信号由数字（DVI-D）到模拟（VGA）的转换，不对信号进行任何额外处理。ZV02支持640*480@60Hz、800*600@60Hz、1024*768@60Hz、1280*720@60Hz、1280*768@60Hz、1280*800@60Hz、1280*1024@60Hz、1360*768@60Hz、1600*1200@60Hz、1920*1080@60Hz等分辨率，有些分辨率根据显示器不同也可以支持75Hz或者85Hz的刷新率。ZV02整机功耗小于1W，系统使用4.2V～15V直流电供电，并且允许采用3种方式供电：USB线供电、自供电或外部电源供电。ZV02体积小巧，尺寸只有50mm×50mm×15mm，成本大约为120元，具有较强的市场竞争力。
1.2市场上同类产品比较
科唯奇的DVI转VGA转换器同样完成了DVI-D到VGA转换的功能。它支持DDWG标准，最高支持1920*1080@60Hz的信号，尺寸为77mm(W)x 28mm(H)x150mm(L)，功耗最大为3W，淘宝商城售价480元。
图1 科唯奇DVI-D转VGA转换器
ZV02跟科唯奇的DVI转VGA转换器相比，虽然不具有品牌优势，但是事实上仍然支持最大1920×1080@60Hz的信号，并且尺寸更小（50mm×50mm×15mm），并且具有更小的功耗（最大只有1W），使用DVI-D线缆本身，无需外部供电即可完成ZV02的供电。
2. 系统方案
系统框架图如下图所示。
图2 系统框架图
DVI-D信号经由DVI接口送入TMDS接收器中，TMDS接收器将时间最小化差分数据线中的红色分量数字信号、绿色分量数字信号、蓝色分量数字信号以及行同步、场同步信号、像素时钟信号分析出来。行同步、场同步时钟直接送入VGA接口中，而各颜色分量信号以及时钟信号送入DAC中，转换成模拟信号之后送入VGA接口中。
3. 模块设计与分析
3.1DVI收发器接口
3.1.1 DVI
DVI（Digital Visual Interface），即数字视频接口。它是1999年由SiliconImage、Intel（英特尔）、Compaq（康柏）、IBM、HP（惠普）、NEC、Fujitsu(富士通)等公司共同组成DDWG（DigitalDisplay Working Group，数字显示工作组）推出的接口标准。
DVI接口是以Silicon Image公司的PanalLink接口技术为基础，基于TMDS（Transition MinimizedDifferentialSignaling，最小化传输差分信号）电子协议作为基本电气连接。TMDS是一种微分信号机制，可以将象素数据编码，并通过串行连接传递。显卡产生的数字信号由发送器按照TMDS协议编码后通过TMDS通道发送给接收器，经过解码送给数字显示设备。
一个DVI显示系统包括一个传送器和一个接收器。传送器是信号的来源，可以内建在显卡芯片中，也可以以附加芯片的形式出现在显卡PCB上；而接收器则是显示器上的一块电路，它可以接受数字信号，将其解码并传递到数字显示电路中，通过这两者，显卡发出的信号成为显示器上的图象。
3.1.2 DVI接收器
DVI信号基于TMDS电子协议，是数字信号，而VGA是模拟信号，为了实现数字到模拟的转换，需要使用DAC。而普通的数模转换器不具有TMDS接口，而且视频信号的时钟信号、场同步信号、行同步信号以及三色数据信号都根据一定的协议，经由DVI的三对差分信号线以及一对时钟线传输。为了完成信号转换的功能，DVI的接收器是必需的。
DVI接收器选用TI公司的支持UXGA分辨率，最高输出165MHz像素时钟，支持全彩，支持每时钟输出两个像素，4倍超采样的数字接收器TFP401。
TFP401具有100个引脚，采用TQFP封装，引脚图如下所示。
图3TFP401引脚
DVI信号通过DVI传输线缆传送进入ZV02，结构如下所示：
图4 DVI线缆连接方式
TFP401的配置电路图如下所示。
图5TFP401配置电路
TFP401支持单周期双像素输出，所以一共具有48根数据线。而在转换的过程中，不需要使用双像素输出的功能，所以只需要连接奇数像素的24根数据线即可。具体连接如下所示。
图6TFP401数据连接
3.2 数模转换部分
3.2.1数模转换器
数模转换就是将离散的数字量转换为连接变化的模拟量。DA转换器的内部电路构成无太大差异，一般按输出是电流还是电压、能否作乘法运算等进行分类。大多数DA转换器由电阻阵列和n个电流开关(或电压开关)构成。按数字输入值切换开关，产生比例于输入的电流(或电压)。此外，也有为了改善精度而把恒流源放入器件内部的。一般说来，由于电流开关的切换误差小，大多采用电流开关型电路，电流开关型电路如果直接输出生成的电流，则为电流输出型DA转换器。此外，电压开关型电路为直接输出电压型DA转换器。
DAC的主要技术指标有：
1）分辩率(Resolution)指数字量变化一个最小量时模拟信号的变化量，定义为满刻度与2n的比值。分辩率又称精度，通常以数字信号的位数来表示。
2）转换速率(ConversionRate)是指完成一次从模拟转换到数字的AD转换所需的时间的倒数。积分型AD的转换时间是毫秒级属低速AD，逐次比较型AD是微秒级属中速AD，全并行/串并行型AD可达到纳秒级。采样时间则是另外一个概念，是指两次转换的间隔。为了保证转换的正确完成，采样速率(SampleRate)必须小于或等于转换速率。因此有人习惯上将转换速率在数值上等同于采样速率也是可以接受的。常用单位是ksps和Msps，表示每秒采样千/百万次（kilo/ Million Samples per Second）。
3）量化误差 (Quantizing Error)由于AD的有限分辩率而引起的误差，即有限分辩率AD的阶梯状转移特性曲线与无限分辩率AD（理想AD）的转移特 性曲线（直线）之间的最大偏差。通常是1个或半个最小数字量的模拟变化量，表示为1LSB、1/2LSB。
4）偏移误差(OffsetError) 输入信号为零时输出信号不为零的值，可外接电位器调至最小。
5）满刻度误差(FullScale Error) 满度输出时对应的输入信号与理想输入信号值之差。
6）线性度(Linearity)实际转换器的转移函数与理想直线的最大偏移，不包括以上三种误差。
其他指标还有：绝对精度(AbsoluteAccuracy) ，相对精度(Relative Accuracy)，微分非线性，单调性和无错码，总谐波失真（TotalHarmonic Distotortion缩写THD）和积分非线性。
3.2.2 DAC选择
DAC选择ADI公司的330MHz采样率，10bit的高速视频数模转换器ADV7123。
ADV7123具有RS343A和RS170兼容的输出，输出电流范围为2mA到26.5mA，具有内部1.235V的电压参考，非常适合跟具有165MHz时钟的DVI接收器TFP401配合使用。
ADV7123的内部结构图如下所示：
图7 ADV7123内部结构图
ADV7123的引脚封装图如下所示。
图8 ADV7123引脚排列图
ADV7123的电路图如下所示：
图9 ADV7123电路
4. 电路测试
4.1 布局布线设计
考虑到该模块高速数字信号较多，所以具有6套供电系统，每套供电系统之间用磁柱隔离。
为了保证差分走线信号的质量，PCB板大量的使用了蛇形线等走线。虽然蛇形走线会影响信号的质量，但是差分线不等长导致的信号延迟却会更加严重的影响系统的工作时序。
为了保证良好的信号完整性，最重要的高速差分线进行优先走线，布局在PCB板的顶层，而其他的信号线尽量保证也在顶层进行走线，这样才能保证底层的地的完整性，对防止EMI和EMS具有良好的效果。
图10 PCB板中的蛇形走线
图11 PCB顶层走线
图12 PCB底层走线
图13 PCB丝印层走线
4.2 实际效果
图14 模块最终效果图
图15 DVI-I接口输入
图16 VGA输出接口
图17 当DVI接入正常时蓝色LED亮起
图18 实际使用接入方式
图19 显示效果：右边的为采用ZV02转换的显示器，左边为普通VGA显示器
从实际效果可以看出，采用ZV02转换之后的显示器的图像，优于普通显卡VGA输出接入到显示器中的图像的质量。
参考资料
[1] TFP401 Datasheet
[2] DVI协议1.0版
[3] HDMI协议1.4版
[4] ADV7123 Datasheet
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