VGA矩阵

在多路输入的情况下有多路的输出选择，形成的矩阵结构

VGA矩阵是指在多路输入的情况下有多路的输出选择，形成的矩阵结构。

矩阵介绍

每一路输出都可与不同的输入信号“短接”，每路输出只能接通某一路输入，但某一路输入都可(同时)接通不同的输出，如下图1。

输出1=输入1，输出2=输入2，而输出3=输出4=输入3，或者说，每一路输出可“独立”地在输入中进行选择，而不必关心其它通道的输出情况，即可以与其它输出不同，也可以相同。举例说，8选4是指有4个独立的输出，每个输出可在8个输入中任选，或者说有4个独立的8选1，只是8个输入是相同的。经常与此混淆的是分配的概念，比如8选1分4，是指在8个输入中选择出1个输出，并将其分配成4个相同的输出，虽然外观上看有4个输出，但这4个输出是相同的，而不是独立的。一般习惯中，将形成M×N的结构称为矩阵，而将M×1的结构称为切换器或选择器，其实不过N=1而已，我们在讨论时都当作矩阵对待。

VGA矩阵切换器专门用于对计算机显示器信号进行切换和分配，可将多路信号从输入通道切换输送到输出通道中的任一通道上，并且输出通道间彼此独立。简单的说，就是可以将进来的多路输入信号中的任意一个显示到任意一个你指定的显示器 “矩阵”本身是一个数学概念，它在电子行业里是一类电子产品的简称，它的全名叫做“矩阵切换器”。矩阵切换器中的“矩阵”两字，是引用了高等数学线性代数中的矩阵概念。具体到矩阵切换器这个电子产品中，一般指在多路输入的情况下有多路的输出选择，形成矩阵结构。在生产和生活中，广大劳动人民的智慧是强大的，因此它就被简称做了“矩阵”。总的来说，矩阵切换器是一类切换多路信号输入输出的设备。通俗的讲，矩阵切换器其实就是是将一路或多路音视频信号分别传输给一个或者多个显示设备，如：两台电脑主机要共用一个显示器，矩阵切换器可以将两台电脑主机上的内容任意切换到同一个或多个显示器上。矩阵切换器，按信号源可以分为：VGA、 AV、DVI矩阵切换器等等。矩阵切换器主要应用是大屏幕拼接，视频会议工程，音视频工程、监控等等需要用到多路音视频信号交替使用的工程中。

基本参数

特性

·实现自动增益技术 VGA 矩阵切换器带有断电现场保护功能；

·能够自动保存设备上次关机时的状态；

·部分允许对 HV 信号和 RGB 信号进行延迟切换；

·调整延迟时间；

·采用新型的LED面板显示和轻触式按键；

·状态显示直观合理，设备操作更加简便；

·LCD屏显示输入输出的控制状态；

·具有断电现场保护功能；

·简捷的前面板操作，后面板上有一个能与控制系统联机使用的 RS-232C 通讯端口；

·安装快捷，操作简单。

参数

带宽：400MHz(-3dB)满载，0～10MHz @±0.1dB，0～100MHz @±0.6dB

增益：0dB

阻抗：75Ω

支持分辨率：2048×1536

亮色度干扰(多通道对一通道串扰)：-55dB@10MHz，-40dB@100MHz

微分相位I/0S：<1.28度，3.58MHz

微分相位误差：0.1度, 3.58-4.43MHz

最大传播延时：5nS(±1nS)

频率响应：少于 ± 0.1dB - 30MHz

切换速度：≤180ns

视频输入

信号类型：VGA信号

连接器：三排15孔（VGA母头）

信号强度：1Vp-p：Y成分视频、S-video，复合视频；0.7V p-p：VGA（电脑信号）；0.3V p-p：R-Y与B-Y成分视频、 S-video

最小电平：0.5Vp-p

阻抗：75Ω

回波损耗：-30Db@5MHz

视频输出

信号类型：VGA信号

连接器：三排15孔（VGA母头）

输出电平：2.0Vp-p

阻抗：75Ω

回波损耗：-30Db@5MHz

D C偏差：最大±5mV

同步信号

输入/输出信号类型：TTL

输入电平：0～5.0Vp-p，4.0V

输出电平：TTL: 5Vp-p

输入阻抗：510Ω

输出阻抗：75Ω

极性：正或负与输入一致

串接接口：RS232，9针母D型连接器，端口2，3，5分别直通

串口参数：9600bps、8位数据、1位起始位、1位停止位、无校验，无流控

输入电压： AC 100～240V；50/60Hz

种类

VGA矩阵种类选择，广电和视讯会议应用，应选用广播级产品，监控应用可采用监控类产品，VGA信号(有些人也将其视为视频)要采用VGA信号矩阵。　VGA矩阵大小选择：在一个工程中，应将音频信号和视频信号和VGA信号看成三种不同的媒体。音频信号一般情况下输入数量较多，如话筒和CD以及碟机的音频等，但考虑到功放和音响一般只有一套，最多在功放之前加一级调音台进行混音，有可能需要几路信号，因此音频矩阵的输出不会很大，比如可以32×8或64×8，但没必要选择32×32或64×64，除非是广电和视讯会议传输，每路视频一定会有音频同步传送。

选择方法

VGA矩阵在设计方案时，信号源的数量比较容易确定，看看有多少个信号源，矩阵的输入数量就定下来了，但要考虑好独立的输出通道个数，这是根

在很多情况下，输入和输出数量很大，如果采用大型矩阵，造价会较高(矩阵是越大越难作、成本也越高)可以考虑是否能够分组使用，例如在监控时，可以让显示墙中某些显示设备只显示某一区域的信号，而其它设备各自显示其它特定区域的信号，那么就可将大规模矩阵折分成小规模的矩阵(如将128×64折分成4台32×16)如果各区之间有可能需要互传信号，这样可使矩阵2的输出中包含矩阵1的部分输入信号，效果虽没有全矩阵结构好，但成本会下降。

VGA矩阵切换器做为传输系统的一部分，所出现的主要问题请见拙作“工程中常见的问题与解决”，原理是相同的，不外乎是几种产生的机理，只要能将现象分清，解决的方向应该没有大问题。比较特殊一点的是利用小规模矩阵组成大规模的问题，例：在用64×32组成128×32时，不能用二台64×32组成128×64，这还是分组使用的概念，而应用三台64×32组成128×32，这是全矩阵的概念，因此组合使用时应分清分组使用和全矩阵的区别(全矩阵是指每一输出口都可在所有输入中全选，而且彼此独立)。

据系统的操作模式而定，有时可能有几台显示设备之间仅有分配关系(彼此永远一致，不独立)那么就可考虑占用一个输出口再加分配器，如果这些设备有可能是独立的，那么还是各占一个独立的输出口好一些。

应用

VGA矩阵广泛用于大屏幕投影显示工程、电化教学、指挥控制中心、多媒体会议室等场合，能够对信号进行切换、分配、拼接、轮巡、模式储存、模式调用等操作，真正的做到了矩阵多用途的目的，也开创了矩阵拼接的先河。

接口

VGA 接口采用非对称分布的15pin 连接方式，其工作原理：是将显存内以数字格式存储的图像(帧) 信号在RAMDAC 里经过模拟调制成模拟高频信号，然后再输出到投影机成像，这样VGA信号在输入端( 投影机内) ，就不必像其它视频信号那样还要经过矩阵解码电路的换算。从前面的视频成像原理可知VGA的视频传输过程是最短的，所以VGA 接口拥有许多的优点，如无串扰无电路合成分离损耗等。

接口原理

VGA显示与VGA时序实现

通用VGA显示卡系统主要由控制电路、显示缓存区和视频BIOS程序三个部分组成。控制电路如图1所示

。控制电路主要完成时序发生、显示缓冲区数据操作、主时钟选择和D/A转换等功能；显示缓冲区提供显

示数据缓存空间；视频BIOS作为控制程序固化在显示卡的ROM中。

1 VGA时序分析

通过对VGA显示卡基本工作原理的分析可知，要实现VGA显示就要解决数据来源、数据存储、时序实现

等问题，其中关键还是如何实现VGA时序。 VGA的标准参考显示时序如图2所示。行时序和帧时序都需要产

生同步脉冲(Sync a)、显示后沿(Back porch b)、显示时序段(Display interval c)和显示前沿(Front

porch d)四个部分。几种常用模式的时序参数如表1所示。

2 VGA时序实现

首先，根据刷新频率确定主时钟频率，然后由主时钟频率和图像分辨率计算出行总周期数，再把表1

中给出的a、b、c、d各时序段的时间按照主计数脉冲源频率折算成时钟周期数。在CPLD中利用计数器和RS

触发器，以计算出的各时序段时钟周期数为基准，产生不同宽度和周期的脉冲信号，再利用它们的逻辑组

合构成图2中的a、b、c、d各时序段以及D/A转换器的空白信号BLANK和同步信号SYNC。

VGA参考时序

3 读SRAM地址的产生方法

主时钟作为像素点计数脉冲信号，同时提供显存SRAM的读信号和D/A转换时钟，它所驱动的计数器的

输出端作为读SRAM的低位地址。行同步信号作为行数计数脉冲信号，它所驱动的计数器的输出端作为读

SRAM的高位地址。由于采用两片SRAM，所以最高位地址作为SRAM的片选使用。由于信号经过CPLD内部逻辑

器件时存在一定的时间延迟，在CPLD产生地址和读信号读取数据时，读信号、地址信号和数据信号不能满

足SRAM读数据的时序要求。可以利用硬件电路对读信号进行一定的时序调整，使各信号之间能够满足读

SRAM和为DAC输入数据的时序要求。

4 数据宽度和格式

如果VGA显示真彩色 BMP图像，则要R、G、B三个分量各8位，即24位表示一个像素值，很多情况下还采

用32位表示一个像素值。为了节省显存的存储空间，可采用高彩色图像，即每个像素值由16位表示，R、G

、B三个分量分别使用5位、6位、5位，比真彩色图像数据量减少一半，同时又能满足显示效果。

系统方案

会议室液晶屏升降器与VGA矩阵方案

【达到的效果】：会议桌的每个位置前都有一个升降的显示器，当VGA信号源有多个的时候可以实现其他人员的显示分别显示，比如第一个升降器的显示器可以显示信号源1的画面，第三个升降器的显示器可以显示信号源2的画面等。

【优点】：信号源可以在会议桌的任意位置，升降器的显示器可以显示全部相同的图像，也可以各自选择信号源来输出，显示自由，随意分配。

办公室拼接大屏与VGA矩阵方案

【达到的效果】：小组成员共同协作完成项目，可以在任意时间将小组人任意1个人或多个人的电脑视频图像切换到拼接屏上，供小组其他人员参考。

【备注】：矩阵连接拼接屏需要通过拼接屏处理器来完成，需要将矩阵的控制协议写入拼接屏处理器。

学校教学的VGA矩阵方案

【达到的效果】：教师和学生都有独立的电脑，教师电脑视频图像和学生电脑视频图像都可以被任意切换到其他学生的显示器或投影仪。

(1)当教师讲课时，教师的电脑视频图像可以切换给所有学生的显示器上，使得学生的显示器所显示的视频图像和教师电脑显示器所显示的完全一样。

(2)当讲课结束后学生开始自己练习时，可以将学生电脑的视频图像切换给本课桌上对应的显示器上。

(3)如果某一位学生在自己练习的时候有疑问，可以将该学生的电脑视频信号切换给其他所有学生的显示器以及教师的显示器和投影仪上，这样所有的学生都能够清晰的看到该学生电脑的视频图像，共同听教师讲解。【使用的设备】：

开发设计

VGA矩阵的RGB交叉矩阵主要采用美国模拟器件公司生产的AD8108/AD8109，不仅集成了许多分立元件实现的功能，而且使用寿命长、电磁兼容性好、扩展性好；VGA矩阵的行场交叉属于数字信号，大部分厂家使用CPLD可编程逻辑器件。

工作原理

AD8108(G=1)和AD8109(G=2)具有相同的内核。其容量都是8×8。主要由32bit移位寄存器、并行锁存器、解码器、64点的切换矩阵和输

出缓冲器等部分组成，AD8108/AD8109有两种控制方式，它们均通过芯片内的32bit移位寄存器对8路输入和8路输出进行切换控制。

当为低电平时，选择串行模式。在该模式下，以默认的顺序确定输出端口，而不用输入地址。AD8108/AD8109有8个输出端口，分别对应4bit数据，即D3～DO。其中D3用来阻断或使能该输出端口，当D3为0时，D2～DO无效，相应的输出端口阻断。D2～DO用来确定与某个输出端口相连接的输入端口。DATAIN通过CLK信号的下降沿驱动，依次传输OUT7[D3]、OUT7[D2]、OUT7[D1]、OUT7[D0]、……、OUT0[D3]、OUT0[D2]、OUT0[Dl]、OUT0[D0]数据到芯片内的32bit移位寄存器中，并由移位寄存器控制输入信号和输出信号的对应切换关系。当32bit数据全部输入完毕时，停止CLK信号，变为低电平，同时根据刚输入的32bit数据来切换矩阵的输入和输出。若CLK信号没有停止，则切换矩阵数据动态更改。当变为高电平时，32bit数据锁存完毕。采用串行模式的特点是使用的控制信号少，但速度慢：同时每次更改输入输出配置时，必须提供32bit的串行数据，这样才能将整个矩阵数据更改：此外，串行数据输出端也可为构建大容量的矩阵切换器提供方便，此时，只需将一个芯片的DATAOUT端连接到另一个芯片的DATAIN，而其它(如CLK、、、)则应该并行连接。

当为高电平时。选择并行模式。在该模式下，当为低电平，设置为高电平且在CLK下降沿时，包括、A2～A0、D3～DO在内的引脚上的逻辑值都将进入带有4位并行加载功能的32位移位寄存器中。至于4位数据D3～D0装入到32位移位寄存器的哪一个4位单元，则由A2～A0决定。A2～A0将32位移位寄存器分成8个4位单元段，每一个4位单元段对应一个输出缓冲器。当为低电平时，上述移位寄存器的内容进入并行锁存模块，然后经8x4：8解码后，即可对开关矩阵进行控制，以实现由D3、D2～D0、A2～A0决定8路输入中的任一路输入向8路输出中的任一路输出。并行模式的特点：一是使用的控制信号多，但速度快；二是在改变单个输出通道的工作方式时，不需要重新编程设置整个切换矩阵。

逻辑编程

AD8108/AD8109的信号通道带宽不低于250MHz(-3dB)，高于计算机视频信号和许多雷达视频脉冲的带宽，因而可用于复合视频、分量视频、压缩视频等许多宽频带信号的切换；该芯片将输出缓冲器集成在芯片内，减少了寄生电容，且使它的抗干扰能力较强；这种高密度集成模块更便于集成更大规模的视频矩阵切换电路；器件有串行或并行两种控制方式，其控制都比较简单，而且驱动能力强，能驱动150Ω负载。此外，该芯片功耗低，工作电流仅45mA，并有输出禁止功能，可允许多个芯片的输出直接连接。

控制逻辑编程

串行工作模式通常使用引脚、CLK、DATAIN、和。第一步，应在低电平有效的情况下，设为低电平，使其工作在串行模式；第二步，串行输入32bit的数据以完成一次输入输出配置的更改。每个输出端口对应4bit位(D3～DO，D3先输入，如D3为低电平，则相应的输出阻断，紧跟的D2～D0则没意义)，共8个输出端口，第8个输出端口的数据最先输入；第三步，在32bit的数据全部输入完毕时，停止CLK信号，变为低电平，并根据刚输入的32bit数据来切换矩阵的输入输出配置。如果在为低电平期间，CLK信号没有停止。则切换矩阵数据动态更改；第四步，变为高电平，32bit数据锁存完毕。

需要注意的是：如果多个AD8108/AD8109器件级联，则一次更改所需bit数是32与器件数的乘积。串行数据首先输入第一个芯片的DATAIN，然后依次进入其它芯片，直至最后的芯片。因此，给最后一个芯片的数据是程控序列的前端。

并行工作模式一次只允许更改一个输出端口的配置。由于一次更改只花费一个CLK和周期，因而极大地提高了更改速度。并行工作模式需用到引脚、CLK、、D3-D0、A2～A0和。第一步，首先是在低电平有效的情况下，设置为高电平，使其工作在并行模式；第二步则设置为高电平，同时设置输出地址A2～A0，和输入地址D2～DO，以及输出使能端D3，以使4位数据D3～D0装入由A2～A0决定的32位移位寄存器中的某个4位单元段。第三步，端置低电平。32位移位寄存器中的数据被锁存到并行寄存器中，再经8x4：8解码后控制矩阵完成切换。

必须重点考虑的是：复位信号不能复位AD8108/AD8109中的所有寄存器，只是将切换矩阵的所有输出通道设为禁止状态，而寄存器中切换逻辑仍置于一个随机的排列中。因此，不管是串行模式还是并行模式，初始上电后，都必须将所有的移位寄存器编程为期望的状态。

常见故障

1.当VGA矩阵所接外设投像有重影，如投影机有重影时，一般不是主机问题，可能是投影机没有正确调好，应对投影机相应按钮进行调节。

2.串口(一般指：电脑串口.控制不了VGA矩阵时，看软件串口是否与所接设备串口对应。

3.当出现颜色丢失或都无视频信号输出，可能是VGA头没接好。

4.当遥控器不能控VGA矩阵时：可能是电池没电了，请更换电池；可能是遥控器坏了，请维修。

5.如果VGA矩阵输入输出信号能切换，但没有bb叫声，可能主机内部蜂鸣器坏了，请送专业人员进行维修。

6如果power灯不壳，且LCD无显示，操作无反应，可能电源供电不正常。

7输出图像受干扰，有可能输入输出设备没接地。

8.VGA矩阵切换时，蜂鸣器有响声，但无相应投像输出：看相应的输入端是否有信号。(可用示波器或万用表进行检测.如果没有信号输入，有可能是输入接线断了，或接头松了，更换接线即可；b．看相应的输出端是否有信号。(可用示波器或万用表进行检测.如果没有信号输出，有可能是输出其接线断了，或接头松了，更换接线即可；以上两种情况都更换后都不行，可能主机内部故障，请送专业人员进行维修。

9.蜂鸣器有bb叫，LCD显示正常，串口有返回，但无投像输出或无音频输出：可能RCA头松了，更换即可；可能接线短路了，更换即可；可能接线内部线断了，更换即可。

10.VGA矩阵面板按键、串口、遥控都无法控制时，可能主机内部已经损坏，请送专业人员进行维修。

安装方法

下面以vga8x8为例进行说明

vga连接电缆：

vga矩阵支持各种rgb、vga信号源。rgb、vga信号源设备需有hd15pin(vga)信号输出端子；

如果vga信号源设备没有vga输出端子，建议选择rgb-vga转换器，使rgbhv信号转换成高质量的vga信号输出。

请使用专用vga电缆来连接输入和输出设备，将信号源设备的vga输出端子hd15pin(vga)接头，通过专用vga电缆，分别接入vga矩阵输入端(inputs)同一通道的vga接头；将vga矩阵输出端(outputs)的vga接头，通过专用vga电缆，接至输出设备的vga输入接口。

音频连接线：

audio inputs，audio outputs音频网络接口，可接到功放或有源音箱设备。

音频线相对视频线要复杂一些，分为：平衡和不平衡接法的问题。

所谓平衡接法就是用两条信号线传送一对平衡的信号的连接方法，由于两条信号线受的干扰大小相同，相位相反，最后将使干扰被抵消。由于音频的频率范围较低，在长距离的传输情况下，容易受到干扰，因此，平衡接法作为一种抗干扰的连接方法，在专业设备的音频连接中最为常见。在家用电器的连接线中也有用两芯屏蔽线作音频连接线的，但是，它传输的是左右声道，是两个信号，不属于平衡接法。

不平衡接法就是仅用一条信号线传送信号的连接方法，由于这种接法容易受到干扰，所以只一般在家用电器上或一些要求较低的情况下使用。

具体的接法以xlr接头为例：1、平衡接法：1脚接屏蔽，2脚接+端(又称热端)，3脚接端(又称冷端)；2、不平衡接法：1脚和3脚相连接屏蔽，2脚接+端(信号端)。

选择什么接法一般根据设备对接口的具体要求而定，能使用平衡接法的尽量使用平衡接法，进行连接时务必先看清面板上的说明，最好先阅读使用说明书上的有关说明和要求。在一些场合还可能遇到一端的设备接口是平衡接口，另一端的设备是不平衡接口的情况，在要求不很严格的情况，只需在平衡端使用平衡接法，不平衡使用不平衡接法，注意各脚对应就可以了。在要求严格的情况，就必须使用转换电路将平衡转为不平衡，或将不平衡转为平衡。

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