最近所做的工作涉及到RGB565信號到VGA接口的轉換問題，於是簡單地研究了一下VGA接口設計相關的東西，寫的有點長，可能大家看起來會比較累，見諒~ VGA（Video Graphics Array）是IBM在1987年隨PS／2機一起推出的一種視頻傳輸標準，具有分辨率高、顯示速率快、顏色豐富等優點，在彩色顯示器領域得到了廣泛的應用。目前VGA技術的應用還主要基於VGA顯示卡的計算機、筆記本等設備。根據分辨率不同，VGA分爲VGA（640x480）、SVGA（800x600）、XGA（1024x768）、SXGA（1280x1024）等。雖然VGA接口對於當前的PC機而言已經十分“老土”了，但不可否認的是目前它依然是PC機上應用最爲廣泛的視頻接口。幾乎所有的PC機都默認支持VGA接口。
VGA物理連接器接口共有15針，分成3排，每排5個孔，是顯卡上應用最爲廣泛的接口類型，絕大多數顯卡都帶有此種接口。它傳輸紅、綠、藍模擬信號以及同步信號(水平和垂直信號)。一般在VGA接頭上，會標明每個接口編號。VGA接口15根針，其對應接口定義如下： 1.紅基色 red 2.綠基色 green 3.藍基色 blue 4.地址碼 ID Bit（也有部分是RES，或者爲ID2顯示器標示位2） 5.自測試 ( 各家定義不同)（一般爲GND） 6.紅地7.綠地8.藍地9.保留 ( 各家定義不同)（KEY··我也不是很理解）10. 數字地 11.地址碼（ID0顯示器標示位0） 12.地址碼（ID1顯示器標示位1） 13.行同步 14.場同步 15.地址碼 ( ID3或顯示器標示位3 )。
VGA物理連接器接口共有15針，分成3排，每排5個孔，是顯卡上應用最爲廣泛的接口類型，絕大多數顯卡都帶有此種接口。它傳輸紅、綠、藍模擬信號以及同步信號(水平和垂直信號)。一般在VGA接頭上，會標明每個接口編號。VGA接口15根針，其對應接口定義如下： 1.紅基色 red 2.綠基色 green 3.藍基色 blue 4.地址碼 ID Bit（也有部分是RES，或者爲ID2顯示器標示位2） 5.自測試 ( 各家定義不同)（一般爲GND） 6.紅地7.綠地8.藍地9.保留 ( 各家定義不同)（KEY··我也不是很理解）10. 數字地 11.地址碼（ID0顯示器標示位0） 12.地址碼（ID1顯示器標示位1） 13.行同步 14.場同步 15.地址碼 ( ID3或顯示器標示位3 )。
VGA接口的時序總體來說比較簡單，圖1和圖2分別爲VGA接口行信號時序和場信號時序圖。
圖1 行信號時序
圖2 場信號時序
行信號時序圖主要給出了兩方面的參數：一是行同步信號HSYNC的時間e，包括同步脈衝信號SYNC（a），後沿Back porch(b)，有效信號時間Active video time(c)，前沿Front porch(d)。即e = a + b + c + d；二是有效信號時間，這段時間內給出行像素的數據DATA，即每個像素點的RGB值。場信號時序與行信號時序類似。其中a，b，c，d，e，o，p，q，r，s各個參數的值與分辨率、刷新頻率有關。圖3爲VGA接口常見顯示模式的時序表，其中給出了各常見顯示模式下行時序與場時序的參數。
表1 VGA常見顯示模式時序表
以上是VGA接口的一些基礎知識，這次研究的內容主要在於RGB565信號轉VGA信號的接口設計與匹配問題，對VGA接口時序部分就不作深入研究了。
在應用中，經常用到的VGA接口信號只有5個，分別是紅、綠、藍三基色信號（1、2、3），行同步信號（13），場同步信號（14）。在這5個主要信號中，三基色信號相對比較特別，因爲它們是電壓值範圍在0~0.714V的模擬信號，對應每一種基色的0.714V最多可被等分爲256個電壓值，即每種基色最多對應有256種顏色，對應可用8bit數字信號來表示，則三基色信號可用對應的24bit數字信號表示，因此24bitRGB信號所表示的色彩信號也被稱爲真彩色。低於24bit的RGB信號表示的彩色信號被稱爲僞彩色。行同步和場同步信號相對簡單，爲TTL電平。
在大多數情況下處理器輸出的信號都是數字信號，因此要用到VGA接口就必須先將數字的三基色信號轉換爲電壓值在0~0.714V之間的模擬電壓信號。這次研究的重點就是將RGB565格式的數字信號轉換爲適應VGA接口的三基色模擬信號。所謂RGB565格式的數字信號就是一個16bit的數字信號，其中R、G、B這三種基色分別爲5bit，6bit，5bit。故其實質爲一個數模轉換問題。
當然，除了數模轉換的方法之外可能還有其它更加巧妙的方法，比如曾經看到特權同學在一篇博文中提出的在保證整體刷新頻率不變的前提下，在每個行像素的時間內串行送出一個基色的多位數據，這樣利用視覺暫留效果也可以達到不錯的顯示效果，唯一的缺點就是對於系統時鐘的要求比較高，如果要實現16bit或者24bit的色彩信號的話難度會比較大。但對於較低分辨率下256色顯示的實現還是很不錯的方案。
當然，除了數模轉換的方法之外可能還有其它更加巧妙的方法，比如曾經看到特權同學在一篇博文中提出的在保證整體刷新頻率不變的前提下，在每個行像素的時間內串行送出一個基色的多位數據，這樣利用視覺暫留效果也可以達到不錯的顯示效果，唯一的缺點就是對於系統時鐘的要求比較高，如果要實現16bit或者24bit的色彩信號的話難度會比較大。但對於較低分辨率下256色顯示的實現還是很不錯的方案。
對於解決RGB565信號到VGA的三基色模擬電壓信號轉換的問題，主要有兩種解決方案，一種是利用通用的三通道視頻DA轉換芯片來實現（如ADI公司的ADV7125芯片），這種方案的主要優點在於轉換速度快，可靠性高，缺點是成本高。另一種方案是通過自己搭建電阻網絡來實現模數轉換，這種方案相對採用DA轉換芯片的方案而言，缺點在於轉換速度和可靠性不如DA轉換芯片，但優點在於成本低。
值得注意的是，VGA接口的三基色信號爲模擬電壓信號，且信號的速率較高，在1024*768@75的顯示模式下就已經達到78.8MHz的頻率，在如此高的頻率下，對於VGA 接口三基色模擬電壓信號的阻抗匹配也就成爲了一個不容忽視的問題。關於阻抗匹配問題，很多同學通常都是“談虎色變”，在設計中對於這類問題也是視而不見。在頻率不高的時候，
對阻抗問題視而不見通常不會有什麼問題，但一旦頻率上去了，隨之而來的各種詭異的問題就會讓我們頭疼不已。我想說的是，其實阻抗匹配問題本身也並不是那麼高深。在這裏，我不打算做任何讓人頭疼的數學公式和推導，只是想以這個VGA接口爲例說一說我對於阻抗匹配問題的理解：爲什麼要做阻抗匹配，在什麼地方該考慮阻抗匹配，怎樣去做阻抗匹配。當然，這些理解很可能不正確，只是希望給同學們一個更加感性的認識，希望大家能夠去其糟粕，取其精華，也歡迎各位前輩拍磚，幫助我樹立起正確的認識~
在高速信號的傳輸中，傳輸線如果終端開路或接入高阻器件，就類似將一個小球（信號）丟向一堵牆，將會反向彈回，甚至回到源端以致對後續信號造成干擾。但如果那堵是橡皮泥牆（與傳輸線路上的阻抗接近的終端），小球（信號）就會嵌入到裏面而不發生反彈，這就是“終端匹配”。當然，這裏所說的只是阻抗匹配的一個作用，以便同學們對阻抗匹配的作用，即爲什麼要進行阻抗匹配有一個感性的認識。
接下來說在什麼地方需要進行阻抗匹配的問題。其實需要進行阻抗匹配的原因主要是因爲大多數集成電路芯片的輸出阻抗都很小，而輸入阻抗都很大。阻抗匹配的目的就在於使得上一級電路的輸出阻抗與傳輸線的阻抗和下一級電路的輸入阻抗儘量接近，以避免或減少前面所提到的問題以及其它問題的發生。在VGA接口中要求三基色的源端和終端匹配電阻均爲75歐。
在利用通用的三通道視頻DA轉換芯片來實現VGA接口時就會遇到這個問題。這裏以AD7125芯片爲例。VGA接口爲RS-343A電平標準。對於電流型的DA芯片AD7125而言，其標準負載要求爲37.5歐，因而ADI公司的手冊中對於DA芯片在RS-343A電平標準下的輸出端連接給出瞭如圖3所示的方案，即在源端和終端都並聯75歐到地的電阻。在此方案中考慮了連接線（通常爲同軸電纜，對地阻抗爲75歐）的阻抗，故可得到DA芯片的負載剛好爲源端電阻和同軸電纜對地阻抗並聯，爲75歐/2 = 37.5歐。
在利用通用的三通道視頻DA轉換芯片來實現VGA接口時就會遇到這個問題。這裏以AD7125芯片爲例。VGA接口爲RS-343A電平標準。對於電流型的DA芯片AD7125而言，其標準負載要求爲37.5歐，因而ADI公司的手冊中對於DA芯片在RS-343A電平標準下的輸出端連接給出瞭如圖3所示的方案，即在源端和終端都並聯75歐到地的電阻。在此方案中考慮了連接線（通常爲同軸電纜，對地阻抗爲75歐）的阻抗，故可得到DA芯片的負載剛好爲源端電阻和同軸電纜對地阻抗並聯，爲75歐/2 = 37.5歐。
圖3 RS-343A電平標準下DA芯片輸出VGA三基色信號但對於電壓型的集成電路芯片（如視頻緩衝器AD848）而言，在源端則應該採用串聯電阻的形式實現匹配。圖4中是ADI公司給出的DA芯片經視頻緩衝器AD848後的輸出端連接方案。由圖中可以看到，在AD848的輸出端採用了串聯75歐電阻的方式進行匹配，在終端依然是並聯75歐到地電阻。
圖4 DA芯片經視頻緩衝器AD848輸出VGA三基色信號
在弄清楚上述問題之後，還有一點值得注意，那就是在VGA接口連接頭輸入的電壓驅動電阻即爲75歐，也就是通常情況下終端的75歐電阻是不需要我們自己去做的。這點從AD7125的芯片手冊中也得到了驗證，如圖5所示，終端電阻是在顯示器連接頭內部的。
圖5 AD7125典型輸出電路
現在再來考慮用權電阻網絡來實現RGB565信號到VGA接口三基色信號轉換的電路。最基本的權電阻網絡實現DA轉換的原理這裏就不說了，不熟悉的同學可以參考數字電路的教材。
在RGB565格式的數據中，紅色佔5位數據，綠色佔6位數據，藍色佔5位數據。即紅色信號R需要5位權電阻網絡來實現，綠色信號G需要6位權電阻網絡來實現，藍色信號B需要5位權電阻網絡來實現。
以紅色信號R爲例來說明權電阻網絡參數的選取。由於R對應的數字信號爲5位，故當該5位全爲1的時候對應的模擬電壓信號值應爲0.714V，當5位全爲0的時候對應的模擬電壓信號值應爲0。等效電路如圖6所示。
圖6 等效電路
其中Rx爲5位權電阻網絡的等效電阻，當5位全爲1時
Rx = R || 2R || 4R || 8R || 16R
由圖中電路可知，有如下關係
3.3/（Rx + 75） = 0.714/75
可以得出，等效電阻Rx = 271.6歐，R =526.225歐。考慮到所有電阻都必須取標稱值的
原因，故將R取爲500歐，這樣跟理論值會存在一些誤差。
根據同樣的方法可以計算出，對於綠色信號G，權電阻R = 534.7125，考慮到所有電阻都必須取標稱值的原因，故將R取爲500歐。
這裏有同學會提到匹配的問題，在前面我們已經說過，在終端，連接頭輸入的電壓驅動電阻即爲75歐，也就是通常情況下終端的75歐電阻是不需要我們自己去做的。而在源端，由於我們的權電阻網絡是電流型的，因此若要做匹配的話可以採取並聯電阻的方式。但要注意的是，在這裏我們並沒有用到集成DA芯片，源端匹配的負載阻抗並沒有明確要求，因此在這裏索性不做源端匹配。
最終用權電阻實現RGB565信號到VGA三基色模擬電壓信號轉換電路的原理圖如圖7所示。
圖7 轉換電路原理圖