白平衡自动测量调整仪的工作原理实现设计

本文介绍了一种基于PC的白平衡自动测量调整仪的系统结构和基本原理。该系统的测试信号发生、调整信号输出、白场色度测量均由PC控制，实现了基于PC的测控一体化。该测量调整仪可用于有I2c接口的数字电视的白平衡调整，通过适当调整还可用于彩屏手机和LCD显示器等的白平衡调整。

数字电视的巨大市场为消费电子厂家看好，目前已经成为各家电厂家的开发热点。在对TV色彩效果要求愈来愈高的情况下，白平衡调整成为TV质量控制的必备工 序。与模拟电视不同，数字电视的白平衡调整采用不同的方法，因此需要不同的白平衡调整设备。本文介绍一种基于PC的白平衡自动测试调整设备，该设备适用于 数字电视的生产质量控制。基于同样原理，工程师可开发适用于彩屏手机、PDA、可视电话等有显示色彩质量要求的产品的白平衡调整控制设备。

基准白与白平衡调整

在色度学上， 常以白色作为标准，作为分解、重现颜色的参考。在彩色电视系统中，摄像端和显像端都应选择一个基准白色，作为传输彩色图像的参考白色。如果电视屏幕上显示 的白色不等于基准白，在彩色电视颜色复现时会产生较大的颜色失真。我国彩色广播标准和彩色电视接收机白场色温及其宽容度标准中，都规定选取D65白场色温 作为分解、传送、重现彩色电视信号的基准白。D65（色温为6500K，7MPCD，色坐标x0=0.313、y0=0.329）是白昼太阳光的平均色 温，基准白的色度坐标误差超标时会影响彩色图像的再现，降低图像质量。因此，要对偏离的白场进行调整使之接近标准白，这就是白平衡调整。彩色电视机的白平 衡调整保证彩色电视机重现不同亮度的彩色图像时色温基本保持不变，不出现附加颜色。

彩色电视机的白场由红绿蓝三电子束轰击荧 光屏上相应的三色荧光粉形成，当送到彩色显象管红（R）、绿（G）、蓝（B）三路电压相等时产生白色。但由于实际红、绿、蓝三个调制极的截止电压不完全相 同，其调制特性和R、G、B三种荧光粉的发光效率和色坐标与理论值有差异，为此必须进行白平衡调整。白平衡调整就是通过使RGB三路输出电压不相等使各电 子束电流比例稍微有些差异，从而弥补三电子束和三种荧光粉在性能上的差，见图1。

现有的模拟电视在生产线上实际的白平衡调整 过程为给被调彩色电视机加上半白半黑的白平衡信号，通过彩色分析仪或白平衡仪测量出亮场和暗场的色坐标相对于标准白场色坐标的偏差，根据偏差值同时调整五 个电位器的大小来改变彩色电视机的截止电压和激励电压，使彩色电视机在这两个亮度下的白场与标准白场一致，从而保证在其它亮度下彩色电视机的白场基本上与 基准白的白场一致。

数字电视中的白平衡调整与模拟式彩电的白平衡调整不同，它不是调整电位器，而是通过I2C总线将调节数据 送给该电视机中的微处理器，微处理器接收到调整数据后，改变相关控制寄存器的值，从而使内部有关控制器件的输出模拟量大小发生变化，实现对驱动显像管的 R、G、B三枪的电流调节，达到白平衡调整目的。

用于调整白平衡的数据通常有5个， 其中三个为R、G、B三枪截止电压控制，另两个为束流控制，即激励电压控制。

系统结构

图2 是针对数字电视的白平衡调节系统的结构框图，它由两块PC机插卡组成，一块是白场电视信号发生器电路，同时也包含和I2C总线接口的调节信号输出电路。白 场电视信号发生器核心采用飞利浦公司的视频编码器IC芯片TDA8501来生成复合电视信号，该板卡中采用12位分辨率的D/A输出，提供R、G、B输入 电平给TDA8501。D/A的输出由PC软件设定值控制，可灵活改变使输出图像具有任意性，既可产生白场信号又可产生单色信号。输出信号的亮度也可以选 择，为单色定标提供了方便，通过改变RGB的值可实现亮度设定与跟踪。另一块是色度参数测量和信号采集电路，该电路由放大电路、A/D转换电路、单片机及 接口电路、RS232通讯接口电路组成，主要完成测量和定标工作。该电路将探头送来的电信号放大，A/D转换后通过计算来得到测量值。测量工作由单片机控 制，同时单片机负责与主机通讯，以接受主机的指令和进行数据传输。

调节信号输出器由I2C控制器PCF8584组成，用于将计算后得到的5个白平衡调节控制数据送上I2C总线，传给被调节彩电。

光探头采用色度型探头，由硅光电池制成，它与滤色片配合可将色度信号转换为与三刺激值成正比的电流信号，送入信号采集板。视频/射频转换器将信号发生器板产生的视频信号转换为射频信号，送入电视机天线入口处。整个系统在设定好后，可实现对彩电的在线自动白平衡调节。

测量的基本原理

测量要用到光辐射学和色度学相关知识。在颜色测量中，首要的任务是测定色刺激值函数φ（λ），实际上是要测定被测光源的相对光谱功率分布Pe（λ）。再根据色度学的三个基本方程式求得颜色的三刺激值X、Y和Z为：

EQ1

其中，X-（λ）、Y-（λ）、Z-（λ）是CIE标准色度观察者光谱三刺激值函数，其图形如图3示。

在得到了颜色三刺激值之后，可由下式求出该颜色在CIE色度坐标系统中的色品坐标值：EQ2

本仪器用光电积分法来测量，光电积分法是通过把探测器的光谱响应匹配成所要求的CIE标准色度观察者光谱三刺激曲线，或某一特定的光谱响应曲线，来对被测量 的光谱功率进行积分测量。我们选用色度型探头，用硅光电池来测量。硅光电池在零偏置时，输出电流与光照成线性关系，此时的输出短路电流为：

EQ3

SI为光电池的灵敏度，E为光照，这样可测定被测光源的相对光谱功率分布Pe（λ）。事先用滤波片将探头光谱响应匹配成X-（λ）、Y-（λ）、Z-（λ），这样经电流-电压转换，然后此电压经放大器放大再进行A/D转换，便得到了与三刺激值X、Y和Z成正比的数字量，由它可进一步计算出色坐标值x、y。

工作过程和测控程序

由前面的论述可知，PC白平衡调整系统是一个闭环的自动测量和控制系统。它的工作过程分为信号发生和调节、测量、误差计算、反馈调节信号输出等过程。

系统上电后，先通过信号发生器给彩电发出一个由使用者通过PC控制软件设定亮度值的白场信号，然后测量电路就开始测量。

整个系统的测量部分分别由三个亮场和暗场探头、前置六路放大器、A/D转换器、89c52微处理器等组成，亮场和暗场探头由光谱响应被匹配成X-（λ）、Y -（λ）、Z-（λ）的探测器组成。整个测量过程如下：彩色电视机发出的光信号经探头的光电转换后，生成亮场的Xr、Y、Z和暗场的Xr、Y、Z六路信 号；系统通过切换来控制六路信号的放大和处理；得到的六路信号经过前置放大器放大后，然后通过A/D转换器转换成数字量送到89c52微处理器中；最后通 过89c52微处理器来进行相关的色度参数运算，得到该彩色电视机的各项色度参数，如亮场和暗场的色坐标、亮度、归一化后的RGB值。

上位PC机通过RS232得到当前的测量结果，如R/G、B/G、G的大小，由精心研究和实验过的算法来决定如何调节彩色电视机显象管各枪的截止电压和激励 电压，是增大还是减小各枪的截止电压和激励电压，从而调整亮、暗平衡，最后达到白平衡。这当中上位PC机通过I2C总线接口来完成对彩色电视机显象管各枪 的截止电压和激励电压的控制，也就是通过I2C总线控制器PCF8584向彩电发出调整数据。彩电内的RGB截止/驱动控制器件TA8889（I2C器 件）接收到调整数据后，即改变控制彩色电视机显象管各枪的截止电压和激励电压的寄存器的值，从而调整亮、暗平衡。这就是自动调整过程。测量前要先定标以保 证精度。

本文小结

本调整仪的测试信号发生、调整信号输出、白场色度测量均由PC控制，实现了基于PC的测控一体化，让使用者通过软件能在线干预测控的全过程。在彩屏手机、PDA、可视电话、LCD显示屏的生产中，同样存在白平衡调整问题，本测试仪所用色度测量原理经适当改进，也同样适用。

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