谈谈黑白电视原理

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(朱邦俊)我们在电视机面前看过电影,欣赏过芭蕾舞,听过相声,上过电视课,可是这些电视广播节目是怎样传过来的呢?在这篇文章里打算粗浅地谈一谈这个问题。

首先我们来研究怎样才能把一幅静止的图面传到远处去。这可以用小孩子喜欢玩的积木来打比方。例如把许多黑的、白的积木块按一定的规律排列起来,就能拼出一幅图画来,图1上的一颗松树就是这样拼起来的。要把这幅图画送到远处去,并不一定把积木块装在箱子里运走,只要把黑,白积木块的排列次序告诉对方,对方就能用另一套黑、白积木块拼出这幅松树的图画来。但是这个排列次序又怎样才能让对方知道呢?在电视技术里是用电的方法来完成这个任务的。下面用一种很简单的图象做例子来说明。

图1
图1 🔍原图 (619×623)

假定被传送的图象是图2上画出的一个长方形,上、下两部分小方块都是白的,中间小方块是黑的。当有光线照射着这个图象时,第1、3两个小方块上反射出来的光,通过透镜后,分别射到光电管1、3上;小方块2上反射的光通过透镜射到光电管2上。三个光电管受光照射后,它的阴极有电子发出来(光电效应),飞到阳极。光电管导电,因而在三个电路中分别有电流i\(_{1}\)、i2、i\(_{3}\)流通,由于小方块1、3都是白的,反射到光电管1、3上的光线很强,由光电管阻极飞出的电子多,所以电流i1、i\(_{3}\)很大;而小方块2是黑的,反射出来的光很微弱,i2就很小;这些大小不同的电流流过电阻R\(_{1}\)、R2和R\(_{3}\)后,将相应地在它们上面产生大小不同的电压降,它们将作为电信号,经过发射机1、2、3和所连接的天线发射到空中,传播到接收地点,被接收天线收下来,再经过接收机1、2、3后加到三个小灯泡上,把小灯泡点亮。因为发送端电阻R1、R\(_{3}\)上送出的信号强,相应地小灯泡1和3很亮;但R2送出的信号弱,小灯泡2很暗。如果我们把三个小灯泡放在尺寸与发送图象中三个小方块一样大的三个小方格子里,那么上、下两个小方格很亮,中间的很暗。这样图象就通过小方格里光线的亮、暗显示出来,也就达到了传送图象的目的。

图2
图2 🔍原图 (1067×383)

任何一幅图画,不管它多么复杂,都是由很多的小方块组成的,有的小方块是白的,有的是黑的,有的是深浅程度不同的灰色的,只不过这些小方块非常小,小到只有一小点。不信你把一张很清楚的照片放在放大镜下去看一看,就会发现,原来它是由许 许多多很小的黑白点子构成的(图3)。通常我们叫这些小点子为“象素”,也就是构成图象的元素。从这里我们就想,是否能用上述方法来传送复杂的图象,也就是把每个象素上的光各通过一个光电管和一套发射机和接收机传到对方去。但是这样一来,需要的光电管和发射机、接收机等设备将是多得惊人,例如,目前电视技术中采用的分成625行的一幅图象上大约有50万个象素,这就需要有50万套传送设备,显然是办不到的,需要另想别的法子。

图3
图3 🔍原图 (476×577)

如果把一支点着的纸烟在黑暗中很快地划一个圈,就会看到一个亮的连续的光圈。这是因为眼睛能把看到的景物保留一段短暂的时间,大约1/10秒。从这个现象我们得到了启发,在上述传送简单图象的方法里,小灯泡不必同时点亮,只要构成图象的所有小灯泡在1/10秒时间内依次点亮,这样最后一个小灯泡点亮时,第一个小灯泡在眼睛里留下的发亮的感觉还未消失,结果看到的仍是一幅完整的图象。用来点亮各小灯泡的信号,在时间上既然可以先后依次到达,那么发送图象也就不必把各个象素上的光同时变成电信号,可以一个接一个地依次变换。这些在时间上有先后的电信号在传送过程中相互并不混杂,因此只要用一套发送和接收设备,就能完成信号的传送了。

例如图4上的一幅图象是由1、2、3、4四个小块构成。将它反射出来的光经过透镜分别投射到四只光电管上。各光电管的电路闭合与断开受转换开关S\(_{1}\)的控制。当S1依次从接点1转换到2、3、4时,光电管1、2、3、4将依次和电池接通,产生信号电流。这些信号将依次经过发射机和天线传到空中;被接收天线收到后,送入接收机,受转换开关S\(_{2}\)的控制,依次加到小灯泡1、2、3、4上。如果S2和S\(_{1}\)同步地转动,也就是同时转到1或2等接点上,那么小灯泡将依次点亮。由于前述视觉暂留现象,它们看起来还是一起点亮的。

图4
图4 🔍原图 (1357×331)

因为组成图象的小方块有白有黑,所以反射出来投射到光电管上的光也有强有弱,从而信号电流有大有小,那么到达接收点点燃小灯泡的电流也不一样,它们的亮度也就不同。象素1、4是黑的,小灯泡1、4发光很暗;象素2、3是亮的,小灯泡2、3也很亮。这样图象就传到了对方。

说到这里为止,我们还只能把静止的图象传到别处,至于我们在电视机屏幕上看到的歌舞、话剧、球场比赛等活动的图象又是怎样传送的呢?原来这就是利用电影的道理实现的。

图5
图5 🔍原图 (362×1638)

如果我们很快地在一秒钟内把25张连续拍成的活动影象的胶片(例如图5就表示一个溜冰动作中的各个步骤)在电影机放映镜头前传过,那么这些不同状态的静止图象,由于视觉暂留,使我们在银幕上看到一个平稳而自然的溜冰动作。利用这个道理,如果我们很快地用上述方法把一系列连续的静止图象传送到对方,电视接收机的屏幕上就出现了活动的图象。但这时传送象素的速度要非常高才行,在1/10秒钟内要传送125万个象素。这相当于上述的转换开关要有几十万个接点,而且转换速度需要非常快。这在目前的电视技术中,是用一种专门的电子射线管——摄象管(图6,a)来实现的。最简单的摄象管是一个形状很象水勺的真空管泡,在管子的一端装有一块云母板,上面布满了很多直径小到0.05~O.01毫米的光电小银粒,彼此互不相靠,通常叫它“感光嵌镶板”;在板的另一面还有一片金属导电体称“信号板”,它们通常合起来称为“靶子”。靶子上面的这些小银粒就起了上述光电管的作用,有光线射上去它能发射出电子。摄象管的细长部分(管颈)的一端装有不断发射出成束电子的电子枪。管颈外而套着一些“偏转线圈”,能使电子射束沿纵向和横向偏转,因而在它的控制之下,电子束从电子枪射出以后能在不同时间打到靶子的不同点上。采用专门的电路,使偏转线圈通过某种锯齿状的电流,就能使电子射束按照图7①②③……次序射到靶上各点。当电子射束依次打到靶面各个小银粒上时,这些“小光电管”将使电路内不断有电流流通。因此电子射束好象起了上述“转换开关”的作用。

图6
图6 🔍原图 (1128×587)
图7
图7 🔍原图 (544×341)

摄象管前的图象的各象素有亮有暗,射到靶面各小银粒上的光线也就有强有弱,因此电路内流通的电流将时大时小,这决定于各小银粒受光的强弱。例如第①点是亮点,电子射束射到这点时电路里的电流就大;若第②、③点都是暗点,电流就小。这样,各点光线强弱不同的一幅图象就被变换成为一系列大小在变化的电信号。

在电视接收机中是用一种专门的电子射线管——显象管(图6,b)来显示图象的。显象管里也有一个电子枪,不断发射出电子;也有一些偏转电子射束用的线圈。在显象管的另一端装有一个荧光屏。电子枪和偏转装置的作用和摄象管中的相同。荧光屏在电子束的轰击下会发光,它的作用相当于很多如前面说的小灯泡。

如果显象管内电子射束的偏转也和摄象管一样,以致电子射束也是按图7的次序,并且与摄象管电子射束同时开始,打到第①、②、③……各点上,那么不同强度的信号电流经过发射机、发射天线和接收天线送入电视接收机后,便加到显象管上,显象管的荧光屏上将显示出和摄象管前面一样的图象。电视节目中的声音(通常称为“伴音”),是随着电视影象信号一起传送的。

实际上,还需要播送室、控制与监视设备、发射机、发射天线、接收天线等设备,这里就不一一介绍了。