VGA-Adapter

Der Monitoranschluss der VAXStation 3100 ist ein 15 poliger D-Sub Stecker. Über ihn laufen sowohl die Signale der On-Board Monochrom Grafik des Mainboards, als auch die RGB-Signale einer optionalen Grafikkarte. Außerdem sind hier auch die Maus- und Tastatur-Signale noch einmal herausgeführt. Die Pinbelegung lautet dabei wie fogt:

Die GND Signale sind intern alle zusammengeführt, Vcc (5V) und Vdd (12V) kommen direkt vom Netzteil und dienen zur Versorgung von Maus und Tastatur, können aber auch zur Versorgung eines VGA-Adapters genutzt werden.

Das Monochrom-Signal wird nur verwendet, wenn keine extra Grafikkarte im Computer verbaut ist, ansonsten werden die Farbsignale benutzt. Die folgenden Bilder zeigen von oben nach unten die Rot- (pinkes Signal), Grün- (hellblaues Signal), Blau- (dunkelblaues Signale) und Monochromsignale (gelbes Signal), zuerst ohne installierte Grafikkarte und dann mit installierter Grafikkarte.

Man erkennt hier ganz gut, dass das Zeilensignal alle 18,5μs auftritt, im ersten Bild im Monochromsignal (gelb) und im zweiten Bild im Grünsignal (hellblau). Damit haben wir eine Zeilenfrequenz von etwa 54 KHz.

Besitzt man einen Monitor, der Sync-on-Green unterstützt, also die Zeilensynchronisation und Bildsynchronisation über den Grünkanal, dann kann man die entsprechenden signale direkt an einen VGA-Anschluss geben und man erhält ein Bild. Für das Monochrom-Signal sähe das dann folgendermaßen aus:

Für das Farbsignal gelten folgende Verbindungen:

Für einen Adapter, der Monochrom und Farbe unterstützt, würde man Pin 2 und 3 an der VaxStation zusammenlegen und einen Schalter einbauen, mit dem man zwischen Pin 9 (Monochrom) und Pin 10 (Grün) umschalten kann. Die anderen Farbsignale werden normal angeschlossen, im Monochrommodus werden sie nicht genutzt.

Leider unterstützen die meisten moderneren Monitore kein Sync-on-Green, so dass man eine etwas komplexere Schaltung genötigt, um das Synchronisationssignal aus dem Grün-Signal zu extrahieren. Leider werden die ICs, die man dafür benötigt, nicht mehr produziert. Es gibt allerdings noch Restbestände und Chinakopien, die man auch heute noch (Jahr 2026) auf Ebay, Ali-Express, Amazon oder ähnlichen Platformen erstehen kann.

Der benötigte Chip ist ein LM1881 Video Sync Separator (https://www.ti.com/lit/ds/symlink/lm1881.pdf?ts=1780810349889). Die benötigte Schaltung ist direkt auf der ersten Seite des Datenblatts dargestellt:

Der Widerstand Rset an Pin 6 muss nicht exakt 680kΩ sein, das Datenblatt zeigt dazu ein Diagramm in Abhängigkeit der Zeilenlänge. In den obenstehenden Oscilloskop-Screenshots haben wir eine Zeilendauer von 18,5μs ablesen können, diese Dauer können wir jetzt nutzen, um den Widerstand zu bestimmen.

Die rot eingezeichnete senkrechte Linie stellt die 18,5μs dar. Damit ergeben sich die blau eingezeichneten Grenzen für den Widerstand Rset. Die untere Grenze liegt bei etwa 350kΩ und die Obere bei ungefähr 850kΩ. Um sicher zu gehen und auf Ableseungenauigkeiten zu reagieren, sollte man sich von den Granzen etwas fern halten, also mit 400kΩ bis 800kΩ ist man auf der sicheren Seite.

Für den VGA-Anschluss werden die Pins 1 (Composite Sync Output) und 3 (Vertical Sync Output) benötigt. Pin 1 liefert das horizontale Synchronisationssignal (h-sync) und Pin 3 das vertikale (v-sync). Das Grün-Signal wird über einen 100nF Kondensator an Pin 2 angeschlossen und geht zusätzlich weiter an Pin 2 des VGA-Steckers.

Das vertikale Synchronisationssignal sieht jetzte so aus (das rosa Signal oben):

und das horizontale kann man im folgenden Bild erkennen (hellblau in der Mitte):

Hier kann man auch die Zeiten für die Zeilen (ca. 18,5μs) und das ganze Bild (ca. 17ms) ablesen, was einer Zeilenfrequenz von ca. 54KHz und einer Bildwiederholfrequenz von ungefähr 60Hz entspricht. 

Die Schaltung hat jetzt nur noch einen Nachteil, der im folgenden Bild gut zu sehen ist. Das Bild hat einen extremen Grünstich.

Dieser Grünstich rührt daher, dass der Synchronisationspuls im Grünsignal noch vorhanden ist. Im Bild für das vertikale Sync-Signal kann man an der gelben Kurve die Pegel des Grün-Signals gut erkennen. Der Sync-Puls liegt bei ca. 0,3V, der Pegel für schwarz bei ca. 0,7V. Der Monitor nimmt den niedrigsten Pegel im Signal als Schwarz-Pegel an, also die 0,3V vom Sync-Signal. An den Stellen, wo das Bild dann schwarz sein sollte, findet der Monitor einen Pegel, der um 0,4V höher ist (bei 0,7V) und stellt diese Bereiche dann entsprechend in grün dar. Abhilfe kann man mit einer Diode schaffen, die in Durchlassrichtung vor Pin 2 am VGA-Stecker geschaltet wird. Eine 1N4148 mit einer Vorwärtsspannung von 1V funktioniert, eine Schottky-Diode wie die BAT46 mit einer Vorwärtsspannung von 0,25V reicht nicht, um den Grünstich zu beheben.

Die Spannung für das IC wird hierbei von Pin 4 (Vcc) vom Monitoranschluss der Vaxstation geholt, so dass keine externe Spannungsversorgung nötig ist.

Die obige Schaltung funktioniert, das Signal wird aber geschwächt und es bleibt unter Umständen auch ein leichter Grünstich. Um Sync Pulse aus Videosignalen zu entfernen, gibt es im Datenblatt zum EL8102 ein Schaltungsbeispiel. Der EL8102 ist ein Rail-to-Rail Operationsverstärker, der mit Frequenzen von bis zu 500MHz arbeiten kann.

Wie man in der unteren Grafik sehen kann, geht diese Schaltung davon aus, dass der Sync-Puls eine negative Spannung hat, die durch die Schaltung herausgefiltert wird. Eine kleine Anpassung der Schaltung filtert auch einen positiven Sync-Puls heraus.

Das Poti RV1 dient dabei dazu, den Grünpegel einzustellen, dadurch kann das Sync-Signal komplett aus dem Grünsignal entfernt werden. Im folgenden Bild ist hellblau das Eingangssignal mit Sync-Puls dargestellt und in gelb das Ausgangssignal ohne Sync-Puls.

In der obigen Schaltung wird der EL8201 als etwas unsauber aufgebauter Subtrahierer betrieben.

Die Idee dabei ist, einen Differenzverstärker so einzustellen, dass vom Eingangssignal eine festgelegte Spannung abgezogen wird. Die Standardschaltung dafür sieht folgendermaßen aus:

R1 und R2 bilden hier einen Spannungsteler, über den die Spannung eingestellt wird, die man vom Eingangssignal abziehen möchte. R3, R4, R5 und R6 sind die Außenbeschaltung für den Subtrahierer. Im Normalfall sind diese Wiederstände alle gleich groß, z. B. 1kΩ. Grundsätzlich reicht es aus, wenn R3=R5 und R4=R6 ist, bzw die Verhältnisse R4/R3=R6/R5 sind. R4/R3 bzw R6/R5 gibt dabei den Verstärkungsfaktor an. So ist es möglich, das Differenzsignal zusätzlich zu verstärken, was für unsere Zwecke recht nützlich ist. Mit R4=R6=2kΩ und R3=R5=1kΩ erhält man eine theoretische Verstärkung um den Faktor 2. In der Realität tritt etwas Verlust auf.

Realisiert man den Spannungsteiler mit einem Potentiometer und baut den Subtrahierer in den VGA-Adapter ein, gibt das folgende Schaltung:

Ein Verstärkungsfaktor von 1,5 (R4=R6=1,5kΩ) funktioniert auch, ein Faktor von 1 hat zumindest bei mir nicht zuverlässig funktioniert.

Mit der Onboard Monochrom-Grafik gibt es ein gutes Bild mit schwarzem Hintergrund und grüner Schrift (Testmuster mit dem Befehl "TEST 61" erzeugt).

Auf dem Oszilloskop ist in hellblau das Eingangssignal, pink die Referenzspannung, die vom Eingangssignal subtrahiert wird und in gelb das Ausgangssignal dargestellt. Man erkennt ganz gut, dass die Referenzspannung genau dem Schwarz-Pegel im Eingangssignal entspricht.

Mit der Grafikkarte eingebaut kann man die Farben gut erkennen (Testmuster mit dem Befehl "TEST 87" erzeugt).

Und das zugehörige Oszilloskopbild:

Bisher habe ich das alles nur auf dem Steckbrett aufgebaut, aber die letzte Schaltung wird die sein, die ich mir zusammenlöten und in ein Gehäuse packen werde.

Auf Lochrasterplatine aufgebaut sieht das ganze dann so aus: