Распиновка VGA (DE-15)

Распиновка VGA: розетка и вилка

На видеокарте стоит розетка с гнёздами. Если смотреть на неё спереди широкой стороной вверх, контакт 1 — справа в верхнем ряду, контакт 6 — справа в среднем, а сам средний ряд сдвинут на полшага в сторону контакта 1. На вилке кабеля всё наоборот: контакт 1 слева вверху, средний ряд сдвинут влево. VESA требует, чтобы пластик розетки на стороне компьютера с поддержкой DDC был синим (royal blue), — отсюда привычный синий цвет разъёма VGA.

Варианты «синхронизация на зелёном» и «смесь синхроимпульсов на контакте 13» стандарт E-DDC допускает, только если их поддерживают и компьютер, и монитор, — монитор сообщает об этом в EDID. Обычный режим — раздельные HSync и VSync.

Уровни сигналов и 75 Ом

Сигналы R, G и B — аналоговые: от 0 В при нулевом коде (чёрный) до 0,700 В при максимальном (белый), допуск белого уровня — от −0,035 до +0,07 В. Напряжение измеряют относительно обратного провода своего цвета на нагрузке 75 Ом. Выходное сопротивление видеокарты и входное сопротивление монитора — по 75 Ом, у монитора с допуском ±1,5 Ом по постоянному току (VESA VSIS). Тракт согласован с обоих концов, поэтому отражения в кабеле не портят изображение. Классический видео-ЦАП, например ADV7125, так и работает: его токовый выход нагружен на 37,5 Ом — 75 Ом на стороне видеокарты параллельно 75 Ом монитора.

Синхроимпульсы HSync и VSync — цифровые, уровня TTL. По VSIS передатчик выдаёт единицу 2,4–5,5 В и ноль 0–0,5 В и рассчитан на ток 8 мА, а монитор обязан распознавать единицу от 2,0 В и ноль до 0,8 В; в измерительной схеме стандарта вход синхроимпульса монитора нагружен на 2,2 кОм. Выход КМОП на 3,3 В этим требованиям удовлетворяет. Полярность синхроимпульсов зависит от режима: в 640×480 при 60 Гц оба импульса отрицательные.

О своём входе монитор сообщает и в EDID: в байте 14h аналоговый вход описан соотношением уровней видео, синхроимпульса и полного размаха, например 0,700 : 0,300 : 1,000 В. Второе число важно для синхронизации на зелёном: к видеосигналу 0,7 В добавляется импульс 0,3 В.

DDC и EDID в разъёме VGA

Первые видеокарты VGA узнавали монитор по нескольким битам ID на контактах 11, 12, 4 и 15, и такая схема различала лишь несколько типов дисплеев. Стандарт DDC (Display Data Channel) превратил контакты 12 и 15 в линии SDA и SCL, а на контакт 9, где раньше был ключ, вывел +5 В от компьютера. Контакты 4 и 11 у компьютера могут остаться битами ID, а у монитора с DDC их не подключают. Самый первый режим, DDC1, передавал данные только от монитора к компьютеру; VESA его больше не поддерживает, и современный E-DDC — это обычный обмен по I²C.

Компьютер — ведущий, монитор — ведомый. EDID лежит по 7-битному адресу 0x50 (байты A0h и A1h на шине) блоками по 128 байт; первые 8 байт базового блока — заголовок 00 FF FF FF FF FF FF 00, а сумма всех 128 байт по модулю 256 равна нулю. Обычная скорость — 100 кГц (Standard-mode), подробнее о протоколе — в статье о шине I²C. По тому же каналу работает и DDC/CI: команды монитору вроде яркости и контраста по адресу 0x37 (байты 6Eh/6Fh).

Подтяжки SCL и SDA ставят в компьютере — 1,5–2,2 кОм к +5 В или источник тока 3 мА, а у монитора допускается только подтяжка 47 кОм на SCL. Компьютер держит на контакте 9 напряжение 5 В ± 5 %, пока видеовыход активен, и обязан отдавать 50 мА с ограничением тока не выше 1 А. Выключенный монитор может брать от этой линии до 50 мА, чтобы EDID читался без сети, включённый — не больше 1 мА. EDID должен быть доступен не позже чем через 20 мс после появления +5 В. Включённый монитор может использовать это напряжение и как сигнал: есть +5 В — видеовыход компьютера активен. Гнездо 9 в розетке с DDC утоплено на 0,050 дюйма (1,27 мм).

Прочитать EDID можно и без компьютера. Скетч для Arduino Uno: SDA и SCL платы — на контакты 12 и 15 разъёма, общий провод — на контакт 5, +5 В — на контакт 9, а внешние подтяжки около 2 кОм к +5 В сделают фронты как у видеокарты.

#include <Wire.h>

const uint8_t EDID_ADDR = 0x50;  // 7-bit address, bytes A0h/A1h on the bus

void setup() {
  Serial.begin(115200);
  Wire.begin();
  uint8_t sum = 0;
  for (uint8_t offset = 0; offset < 128; offset += 16) {
    Wire.beginTransmission(EDID_ADDR);
    Wire.write(offset);                              // byte address inside the block
    if (Wire.endTransmission(false) != 0) {          // repeated START, no STOP
      Serial.println("no EDID");
      return;
    }
    Wire.requestFrom(EDID_ADDR, (uint8_t)16);
    while (Wire.available()) {
      uint8_t b = Wire.read();
      sum += b;
      if (b < 0x10) Serial.print('0');
      Serial.print(b, HEX);
      Serial.print(' ');
    }
    Serial.println();
  }
  Serial.println(sum == 0 ? "checksum OK" : "checksum error");  // 128 bytes must sum to 0
}

void loop() {}

Режим 640×480 при 60 Гц: временные параметры

Пиксельная частота — 25,175 МГц ± 0,5 %. В DMT этот режим отмечен как отраслевой (Industry Standard), а не собственный стандарт VESA, и расписан с рамкой: по 8 пикселей справа и слева и по 8 строк сверху и снизу. Рамку обычно считают частью площадок, так сделано и в таблице: передняя площадка — 8 + 8 = 16 пикселей, задняя — 40 + 8 = 48, по вертикали — 2 + 8 = 10 и 25 + 8 = 33 строки. Во время площадок и синхроимпульсов выходы R, G и B держат в нуле — это интервалы гашения.

Нередко этот режим тактируют от 25 МГц — так, например, построены примеры Digilent для платы Basys 3, проверенные, по словам производителя, на реальных мониторах. Это на 0,7 % ниже номинала и за пределами допуска DMT: при тех же 800 × 525 строчная частота получается 31,25 кГц, кадровая — 59,52 Гц. Если монитор не синхронизируется, начните проверку с частоты. Формат 640×480 обязан принимать и любой приёмник HDMI.

Генератор синхроимпульсов на ПЛИС — это два счётчика и сравнения с границами из таблицы:

// 640x480 @ 60 Hz (VESA DMT), pixel clock 25.175 MHz.
// Borders are counted as porches: 640 + 16 + 96 + 48 = 800, 480 + 10 + 2 + 33 = 525.
module vga_sync (
    input  wire       clk_pix,
    output reg  [9:0] x = 0,          // 0..799
    output reg  [9:0] y = 0,          // 0..524
    output wire       hsync_n,        // negative polarity
    output wire       vsync_n,        // negative polarity
    output wire       visible         // drive R, G, B to zero when low
);
    always @(posedge clk_pix) begin
        if (x == 10'd799) begin
            x <= 10'd0;
            y <= (y == 10'd524) ? 10'd0 : y + 10'd1;
        end else begin
            x <= x + 10'd1;
        end
    end

    assign hsync_n = ~(x >= 10'd656 && x < 10'd752);  // 640 + 16 ... + 96
    assign vsync_n = ~(y >= 10'd490 && y < 10'd492);  // 480 + 10 ... + 2
    assign visible = (x < 10'd640) && (y < 10'd480);
endmodule

VGA с микроконтроллера или ПЛИС: резистивный ЦАП

Видео-ЦАП не обязателен. Цифровой выход с последовательным резистором вместе с входом монитора 75 Ом образует делитель напряжения, и резистор подбирают так, чтобы при высоком уровне на выходе на мониторе было 0,7 В:

где $R_\text{м}$ = 75 Ом — вход монитора, $U_\text{вых}$ — напряжение высокого уровня на выводе, $U_\text{max}$ = 0,7 В. Для 3,3 В получается $R = 75 \cdot (3{,}3 / 0{,}7 - 1) \approx 279$ Ом; ближайший номинал ряда E12 — 270 Ом, и на мониторе будет $3{,}3 \cdot 75 / (270 + 75) \approx 0{,}72$ В. Для 5 В: $R \approx 461$ Ом, берём 470 Ом — 0,69 В. Оба значения укладываются в допуск VSIS: от 0,665 до 0,770 В. Ток вывода при этом — около 9,6 мА при 3,3 В и 9,2 мА при 5 В: сверьте его с допустимым по даташиту микроконтроллера.

Один вывод на цвет даёт 8 цветов. Больше цветов дают несколько выводов на цвет с двоично-взвешенными резисторами R, 2R, 4R…: каждый следующий разряд вдвое слабее предыдущего. Вместе резисторы канала работают как один эквивалентный

где $R_\text{ст}$ — резистор старшего разряда, $n$ — число разрядов, а напряжение на мониторе растёт с кодом линейно. Чтобы при всех единицах на мониторе было 0,7 В, эквивалент должен быть таким же, как одиночный резистор: около 279 Ом при 3,3 В. Для четырёх разрядов $R_\text{ст} = 279 \cdot 15 / 8 \approx 523$ Ом.

Так устроен выход VGA платы Digilent Basys 3: 510 Ом, 1, 2 и 4 кОм на каждый цвет, 16 уровней на канал и 4096 цветов. Проверка: параллельно эти резисторы дают 269,5 Ом, и при всех единицах на мониторе $3{,}3 \cdot 75 / (75 + 269{,}5) \approx 0{,}72$ В, а один уровень — около 48 мВ.

Строго говоря, выходное сопротивление источника видеосигнала должно быть 75 Ом, а у такого ЦАП оно около 270 Ом. На практике это допустимо: кабель нагружен на согласованные 75 Ом монитора, отражённой волны от дальнего конца почти нет, и рассогласование на стороне источника не мешает. Синхроимпульсы подают через небольшие резисторы — на Basys 3 это 100 Ом; последовательные резисторы на выходах синхроимпульсов ставит и TI в микросхеме защиты порта VGA TPD7S019.

Пиксельная частота 25,175 МГц — это 40 нс на пиксель. Микроконтроллер без видеовыхода, которому такая скорость недоступна, выводит меньше пикселей в строке: каждый растягивают на несколько точек, а синхроимпульсы формирует таймер с временами из таблицы выше — частоты строк и кадров должны остаться прежними.

Типичные ошибки

• Перепутаны вилка и розетка. Нумерация зеркальная: контакт 1 розетки — справа вверху, вилки — слева. При распайке кабеля сверяйтесь с видом той детали, которую держите в руках.
• Логический уровень прямо на R, G или B. Без последовательного резистора 3,3 или 5 В попадает на вход 75 Ом: картинка пересвечена, а вывод микроконтроллера перегружен током 44–67 мА.
• Расчёт делителя без монитора. Резистор считают для нагрузки 75 Ом. Если измерить напряжение на разъёме без монитора, оно будет близко к напряжению питания — это нормально.
• 25 МГц вместо 25,175 МГц. Частота на 0,7 % ниже номинала и выходит за допуск DMT: многие мониторы такой сигнал принимают, но гарантии нет.
• Цвет во время гашения. В площадках и синхроимпульсах выходы R, G и B должны быть в нуле.
• Нет +5 В на контакте 9. Выключенный монитор без этого питания не отдаёт EDID, и компьютер не узнаёт, какие режимы он поддерживает.
• Пассивный переходник HDMI — VGA. В HDMI нет аналоговых сигналов, поэтому нужен активный преобразователь. Подробности — в статье о распиновке HDMI.