Spe P11 :LA TELEVISION EN NOIR ET BLANC
I/Principe de base
Le principe de base est schématisé ci-dessus .
Une caméra de télévision a pour but de transformer une image en signal électrique .Ce signal électrique est appelé "signal vidéo " . Il est injecté à l'entrée d'un émetteur haute fréquence (voir ondes radio ) . L'emetteur transmet à l'antenne d'émission un signal haute fréquence modulé en amplitude par le signal vidéo .
Par rayonnement électromagnétique , les antennes permettent d'obtenir une liaison hertzienne .
Après amplification et démodulation (voir ondes radio ) dans le récepteur, le signal vidéo peut être visualisé sur l'écran du télévisuer .
Avant de comprendre le fonctionnement du téléviseur, il nous faut revenir sur le fonctionnement de l'oeil .
II/Persistance rétinienne des impressions lumineuses - Pouvoir séparateur de l'oeil
a)Balayage de l'écran de l'oscilloscope
*Mettre l'oscilloscope en service, sans appliquer de tension sur les entrées et en ne visualisant qu'une seule voie .
*Régler le coefficient de balayage b (exprimé en secondes par division ) sur sa valeur la plus grande, pour diminuer progressivement cette valeur .
*Noter la valeur du coefficient de balayage pour laquelle la trace apparaît continue .Répéter l'opération quatre ou cinq fois .
Q1)En déduire une première évaluation de la durée t de persistance rétinienne (t 
10 b)
b)Emission d'une diode électroluminescente
*Brancher à la sortie (output ) d'un générateur basse fréquence une photodiode. (la photodiode est protégée par la résistance interne de 50 W de GBF .).
*Régler le GBF en << signaux en crêneaux>>, sur une fréquence de l'ordre de 1 Hz , puis augmenter cette fréquence jusqu'à ce que l'oeil ne perçoive plus la discontinuité de l'émission .
*Noter la fréquence correspondante f .
Q2)Déduire de cette expérience , une autre évaluation de la durée t' de persistance rétinienne ( t' = 1/2f ).Comparer à t .
c)Pouvoir séparateur de l'oeil
Quand deux objets sont trop proches l'un de l'autre , l'oeil n'en perçoit plus qu'un . Ceci est vrai quelle que soit la taille des objets : c'est une question de distance oeil - objet .
Cette question a déjà été abordée dans une séance précédente ( rôle et fonctionnement de l'oeil - exercice d'application ).
Nous allons utiliser une mire de FOUCAULT ( ci-dessous) pour mesurer l'ordre de grandeur du pouvoir séparateur de l'oeil .
*Fixer la mire (bien éclairée ) sur un mur à hauteur de l'oeil
*S'en éloigner jusqu'à ce que l'oeil ne sépare plus les raies
*Mesurer approximativement la distance oeil-mire
Q3)En déduire le pouvoir séparateur de l'oeil en radians , puis en minutes d'angle .
III/Principe d'un récepteur de télévision noir et blanc :
a)L'image au cinéma :
Une camera permet d'enregistrer sur un film se déplaçant par intermittance , une suite de clichés à la fréquence de 24 clichés par seconde . Le mouvement du sujet filmé est ainsi décomposé en une suite d'images . Lors de la projection , les images se succèdent sur l'écran à la même cadence de 24 images par secondes .
La persistance des impressions rétiniennes nous fait alors croire à la continuité du mouvement .
Q4)Calculer la durée qui sépare deux images au cinéma . Comparer à la durée d'impression rétinienne . Conclure .
b)L'image d'un téléviseur :
Dans un téléviseur , c'est un faisceau d'électrons qui balaye l'écran à la manière du regard d'un lecteur: l'écran est balayé ligne par ligne dans toute sa largeur , du haut à gauche au bas à droite .
Ainsi une image est restituée lorsque tout l'écran a été balayé .
Pour cela , la trajectoire du faisceau est modifiée par deux paires de bobines :
- deux bobines dévient dans le sens horizontal , de la gauche vers la droite de l'écran
- les deux autres le dévient dans le sens vertical du haut vers le bas .
L'ensemble forme une trame comportant un nombre déterminé de lignes (standart 625 lignes le plus souvent ).
La maquette IMTEL écran permet de bien montrer ce balayage . Ele simule le balayage au ralenti d'un écran de télévision .
La figure ci-dessus montre qu'en fait les lignes ne sont pas exactement <<horizontales>> , car le balayage horizontal et le balayage vertical agissent simultanément .
Quand une ligne est balayée, le faisceau est ramené au début de la suivante en un temps très bref et sans laisser de trace sur l'écran .
Quand une image est restituée , le faisceau est ramené en haut à gauche de l'écran sans laisser de trace sur l'écran .
Nous verrons un peu plus loin qu'en fait le balayage est un peu plus complexe .
IV/Mise en évidence du balayage :
a)Mise en évidence du balayage trame sur un téléviseur :
Une photodiode est un composant optoélectronique de 2 mm de diamètre environ . Quand elle est insérée en inverse dans un circuit comportant un générateur de tension continue , la tension à ses bornes est constante et l'intensité du courant dans le circuit est proportionnelle à l'éclairement qu'elle reçoit .
*On plaque la photodiode sur l'écran d'un téléviseur : elle est éclairée au même rythme que la zone de l'écran sur laquelle elle est positionnée .
*La tension électrique qui en résulte est visualisée sur l'écran d'un oscilloscope : elle est proportionnelle à l'intensité, donc à l'éclairement que reçoit la diode .
Q5)Une partie du signal visualisé est représentée ci-dessus . A quoi correspondent les deux maxima ?
Q6)La distance entre deux maxima sur l'écran de l'oscilloscope correspond à 2 divisions , lorsque la sensibilité de la base de temps est égale à 10 ms . Calculer la durée correspondante .
Q7)La durée calculée ci-dessus correspond à deux passages consécutifs du faisceau à l'endroit où se trouve la photodiode . A quelle fréquence la photodiode est-elle éclairée ? Ce résultat est-il compatible avec le rythme de 25 images par seconde ?
En fait , le balayage ne se fait pas ligne par ligne comme mentionné ci-dessus . Un tel balayage donnerait une image qui scintillerait désagréablement; pour éviter ces scintillements , l'écran est balayé deux fois par image . Le balayage est qualifié " d'entrelacé " . Le spot balaye d'abord les lignes impaires (1,3,5...625 ) puis il est ramené à la deuxième ligne et balaye les lignes paires (2,4,6...624) .
Chaque image est ainsi composée de deux trames entrelacées (trame paire et trame impaire) correspondant chacune à deux demi-images . L'oeil ne voit que l'image complète (25 images par seconde ) , mais la diode - qui compte tenu de sa taille est à cheval au moins sur deux lignes - montre bien qu'une petite zone de l'écran est balayée toutes les 20 ms , c'est à dire au rythme de 50 demi-images par seconde .
L'expérience réalisée ci-dessus peut être complétée en utilisant cette fois , deux diodes positionnées à deux endroits différents sur l'écran (de préférence sur des lignes différentes ) . Les deux signaux observés , l'un en voie A , l'autre en voie B sont décalés . Le décalage correspond à la durée que met le faisceau pour aller d'une diode à l'autre .
b)Le balayage ligne :
Nous voudrions déterminer la période d'un balayage ligne . Nous pourrions espérer y parvenir en utilisant deux diodes comme indiqué ci-dessus en les positionnant toutes les deux sur la même ligne . Cette opération s'avère délicate .
Lorsque le bobine de déviation horizontale est parcourue par un courant vatiable , elle produit un champ magnétique variable . Si nous plaçons une spire dans ce champ magnétique variable celle-ci est alors le siège d'un courant induit (voir cours , tronc commun ) qui est à l'origine d'une tension lorsqu'il traverse une résistance R , tension qu'on peut alors visualiser à l'oscillographe cathodique .
*On règle le coefficient de balayage de l'oscilloscope sur 20 µs/div . Le coefficient de déviation verticale est réglé pour permettre l'observation d'un signal notable .
*Le signal obtenu idéalisé est le suivant :
*les mesures donnent :
ta : durée de balayage d'une ligne =
tr : durée de retour du spot =
t = ta + tr :durée aller-retour ligne du faisceau = 64 µs
Remarque :le signal représenté ci-dessus correspond à la dérivée du courant qui traverse les bobines de déviation horizontale du faisceau .
c)Simulation d'un balayage écran sur l'oscilloscope :
Pour simuler le balayage écran d'un téléviseur sur un écran d'oscilloscope , nous utilisons deux générateurs basse fréquence .
*Le premier envoie en voie B une tension en dents de scie (tension triangulaire dont le rapport cyclique est au maximum - ce rapport est réglé en utilisant le bouton "symetry" du GBF ) . La période de ce signal est choisie à TB = 2 s (fréquence 0,5 Hz)
*Le second GBF envoie également une tension en dents de scie en voie A , dont la période est réglée à TA = 0,2 s (fréquence 5 Hz ).
*L'oscillographe est ensuite utilisé en mode XY . Ainsi , le signal envoyé en voie A produit un déplacement horizontal du spot (suivant Ox ) et le signal envoyé en voie B produit un déplacement vertical du spot .
*Sur l'écran apparaissent alors une série de lignes légèrement inclinées.
*Si l'on modifie la fréquence de l'un des générateurs, le nombre de lignes change .
*Si l'on choisit convenablement les tensions appliquées et les sensibilités des voies , ces lignes remplissent l'écran .
V/Le signal vidéo :
Le signal certes contenir les informations relatives à l'image . Toutefois , ces informations sont insuffisantes pour obtenir une image identique à celle filmée par la caméra .
Pour que les images soient identiques , le récepteur doit être averti de chaque fin de ligne et de chaque changement d'image .
Ainsi :
1-Le signal vidéo comporte obligatoirement des repères, appelés tops de synchronisation, pour que le récepteur change de ligne et d'image en même temps que la caméra .
2-Les <<tops de synchro>> sont des impulsions électriques de très faible durée qui sont supperposées au signal vidéo .
3- L'ensemble signal vidéo/tops de synchro constitue le signal <<vidéo-fréquence composite >>
Nous retiendrons :
Un récepteur noir et blanc reçoit un signal vidéo-fréquence qui contient deux types d'information :
1-celles qui concernent la luminosité relative à chaque pixel de l'écran (signal de luminance)
2-Celles qui concernent la synchronisation caméra-récepteur (tops de synchro).
La maquette IMTEL utilisée représente une petite partie de l'écran d'un téléviseur. Les diodes dels de l'écran vidéo représentent une petite partie des pixels de l'écran (la dimension de l'écran représente un petit rectangle sur l'écran du téléviseur d'environ 5,4 millimètres par 3,7 millimètres - Le grossissement ainsi obtenu est environ 14 fois supérieur à un écran téléviseur de 56 cm [mesur en diagonale] ). Le but de la maquette n'est pas d'obtenir de belles images . Il permet la formation d'images au ralenti .
Ces images sont envoyées directement vers l'écran vidéo par un générateur d'images .
a)Visualisation d'images sur la maquette écran vidéo
Ces images peuvent être : des lignes horizontales ou verticales , des lignes obliques ,un quadrillage , un point par point , un dégradé vertical , un dégradé horizontal , une animation lumineuse .
b)Observation du signal vidéo composite pour une image " dégradé vertical "
Le dégradé est schématisé ci-dessus .
Nous observons à l'oscilloscope le signal vidéo composite correspondant à cette image . L'écran est constitué de 10 diodes horizontales . Le passage d'une colonne à la suivante se traduit par un changement de teinte , l'éclairement augmentant progressivement de la gauche vers la droite de l'écran .
Q8)Interpréter l'oscillogramme
Q9)Exercices 5
VI/Transmission vidéo directe entre une caméra et un récepteur
a)Intéret du montage
On utilise deux modules :
- le module caméra
- le module écran
Le module caméra envoie directement l'image "captée " au module écran . Ce montage permet de comprendre la relation qui existe entre la position d'un phototransistor du module caméra (7 lignes de 10 phototransistors) et le signal électrique (ou vidéo) obtenu avec ce module .
b)Expérience :
Le module caméra est très faiblement éclairé et la luminosité du module écran est réglée de façon à ce que l'écran soit à peine illuminé .
Al'aide d'une source de lumière ponctuelle (diode électroluminescente ) , on éclaire l'un des 70 phototransistors du module caméra et on visualise à l'aide de l'oscilloscope , le sigal vidéo obtenu.
On déplace verticalement ou horizontalement la diode électroluminescente devant la face avant du module caméra . On constate alors que la diode correspondante de l'écran vidéo s'allume
c)Analyse du signal vidéo
Exemple : éclairement d'un phototransistor se situant sur la troisième colonne de la deuxième ligne (début en haut à gauche )
Cet oscillogramme montre qu'il y a une corrélation entre le signal vidéo obtenu au cours du temps et la position de l'objet "éclairant " : tout déplacement de l'objet entraine une modification du signal vidéo en fonction du temps .
Cet exemple constitue une bonne illustration du principe de fonctionnement des <<capteurs CCD>> (Coupled Charge Device ou dispositif à transfert de charge ) dont sont équipés les camescopes , les télécopieurs ,les scanners informatiques ...
VII/EXERCICES D'APPLICATION
1/Exercice 1 :
Le pouvoir de résolution de l'oeil étant de une minute d'angle , à quel distance d'un écran de 56 cm doit se placer un téléspectateur pour qu'il ne puisse pas séparer deux lignes de balayage ? (on suppose qu'il s'agit d'un récepteur 625 lignes ) .
2/Exercice 2 :
Avec le dispositif présenté dans IV b) et complété d'un circuit intégrateur , on peut visualiser à l'oscilloscope le champ magnétique produit par les bobines à l'origine du balayage <<ligne>>.
a)Quelles bobines sont responsables du balayage horizontal ?
b)On obtient l'oscillogramme suivant , le coefficient de balayage étant réglé sur 10 ms.cm-1 :
1-A quelles fonctions correspondent les deux parties qui apparaissent distinctement ?
2-Quelles sont les durées respectives ?
c)De façon analogue , on réalise un balayge <<trame>> de 20 ms , le balayage proprement dit durant 18 ms du haut en bas de l'écran .Combien de lignes peuvent alors être décrites par le faisceau électronique ?
d)Dans le système SECAM on utilise le balayage entrelacé .
1-Que signifie l'adjectif <<entrelacé>> ?
2-Combien d'images sont restituées par seconde ?
Exercice 3 :
Le système NTSC (USA ,Japon ) correspond à 525 lignes avec 60 trames par seconde .
Déterminer les fréquences <<image>> , <<trame>> et <<ligne>> de ce système .
Exercice 4 :
On relève l'oscillogramme suivant :
Exercice 5 :
Pour chacun des oscillogrammes de signaux vidéo ligne suivants, dans l'hypothèse où toutes les lignes du signal vidéo ont la même allure :
1-Evaluer la durée d'une ligne
2-Décrire l'aspect de l'écran du téléviseur :
Réglages : 10 µs/div , 5 V/div
CORRECTION DES EXERCICES D'APPLICATION :
Exercice 1:
56 cm correspond à la dimension de la diagonale de l'écran . On suppose que la hauteur de l'écran est égale aux 2/3 de la largeur .
D2=a2+(2/3a)2=13/9 a2 d'où a2 = 2,17.103 cm2 et donc a= 46 cm
La hauteur de l'écran est donc 2/3a= 30 cm .
Si l'écran est constitué de 625 lignes , la distance entre deux lignes est : x=30/625= 4,8.10-2 cm .
Pour que deux lignes de balayage ne soient pas séparées l'angle a doit être telque a< 1' avec a= x/d (approximation des petits angles) d'où d>x/a =4,8.10-4/(1/60*p/180)= 1,65 m .
C'est la distance minimale à laquelle doit se placer le téléspectateur .
Exercice 2 :
a)Ce sont les bobines horizontales qui sont responsables du balayage horizontal . Ces bobines produisent un champ magnétique vertical , qui impose aux électrons ,dont la direction du mouvement sans champ est horizontale , une déviation horizontale :
b)
Dtbalayage G>D= 54 µs ; Dtretour= 10 µs : Dttotal=64 µs
c)En 18 ms , le nombre de lignes qui peuvent être décrites est 18.10-3/64.10-6= 281,25 lignes
Une image correspondant à deux trames , une image sera décrite par 2*281,25 =562,5 lignes . Cela signifie que sur les 625 lignes annoncées 625-562,5=62,5 lignes ne transportent pas d'information image .
d)-1:balayage entrelacé : une trame paire (lignes paires) est suivie d'une trame impaire (lignes impaires) : l'ensemble correspond à un balayage complet de l'écran .
2-Une image est décrite en 2*20=40 ms , ce qui fait 1/40.10-3 = 25 images par seconde .
Exercice 3:
60 trames par seconde , cela signifie 30 images par seconde . La fréquence image est donc de 30 Hz , la fréquence trame de 60 Hz .
La fréquence ligne est donc 30*525=15750 Hz
Exercice 4:
a)L'écran représente le balayage trame .
b)L'écran est uniformément blanc .
c)La durée de retour du spot correspond approximativement à une demi-division de l'écran , soit 2,5 ms (durée s'écoulant entre deux trames successives).
Exercice 5
a)Pour déterminer la durée d'une ligne , il suffit de mesurer la durée entre deux tops de synchronisation ligne successifs : 64 µs
b)Les deux oscillogrammes correspondent respectivement (de gauche à droite ) aux images :
