Цветная стереотелевизионная камера. Особенности построения стереотелевизионных систем
 Скачать 0.52 Mb.
|
B – Y -0,3 -0,59 0,59 BЭти сигналы подаются на выходы микросхемы R – Y OUT и B – Y OUT. 2. Тракт обработки широкополосного сигнала яркости YH. Сигнал YH со входа микропроцессора поступает на -корректор (который является аналогичным -корректору в тракте обработки сигналов цветности), а затем на DL на одну строку и LPF, находящиеся вне микросхемы CXA1391. Далее сигнал YH вновь попадает в микропроцессор, где, усилившись на усилителе GC, подается одновременно на выход YH OUT 1 и на сумматор, на который также поступает незадержанный сигнал YH. В результате суммирования получается сигнал YH2, который идет на выход микросхемы YH OUT 2. Теперь можно рассмотреть тракт вертикальной апертурной коррекции. Его основной частью является блок KNEE & VAP, на который подаются следующие сигналы: узкополосный сигнал Y0 – полученный в результате сложения сигналов S1 и S2, Y1 – задержанный сигнал Y0, Y2 – задержанный одну строку сигнал Y1 (рис. 4.19). Апертурная коррекция заключается в компрессии больших выбросов амплитуды сигнала. Для компрессии применяется операция экспонирования. Функциональная схема Y0 блока KNEE & VAP.    VCS       Y1 VCS = Y1 - (Y0 + Y2)  Y2  Рисунок 4.19. Графически функцию KNEE можно отобразить так:      3-5 % U вых  U ном Рисунок 4.20. Чем больше амплитуда входного сигнала, тем сильнее он компрессируется. Выходной сигнал VCS подается одновременно на выход VAP OUT и на сумматор для подавления больших выбросов цветности. 3. Тракт обработки управляющего сигнала CS. Со входа микросхемы CS IN сигнал подается на сумматор, на втором входе которого находится сигнал VCS. Сумматор построен на логическом элементе И:   1 VCS  CS OUT CSРисунок 4.21. Выходной сигнал подается на выход CS OUT. Следующим функциональным блоком является микросхема CXA1592, на которой построен кодер PАL. Упрощенная функциональная схема этой микросхемы показана на рисунке 4.22. Функциональная схема микросхемы CXA1592.     Y    GC       WC SETUP SYNC HAP DL    YH1    YH2     DL GC     DL  VAP Рисунок 4.22. Эта микросхема задействована частично, поскольку цветоразностные сигналы R-Y и B-Y не подаются на нее. Сигнал YH2 подается на микросхему CXA1592 одновременно на два входа, причем на один из них он поступает с задержкой. Это необходимо для реализации горизонтальной апертурной коррекции (HAP). YH1 поступает на вход микросхемы CXA1592 также с задержкой. Внутри микросхемы происходит суммирование сигналов YH1, YH2, который прошел через функциональный узел HAP, и сигнала VAP. Полученный в результате суммирования сигнал усиливается и проходит через функциональные узлы, где к нему замешиваются все необходимые синхроимпульсы, а затем через сумматор поступает на выход микросхемы CXA1592. Теперь мы рассмотрим функциональный блок электронного ключа. Построим электронный ключ на базе трех мультиплексоров SN74H257. Функциональная схема электронного ключа приведена на рисунке 4.23 [ 10 ]. Каждая из микросхем состоит из четырех двухвходовых селекторов-мультиплексоров с тремя состояниями на выходе. Каждый из четырех мультиплексоров имеет по два входа данных. Для их выбора служит вход выбора данных SED. На этот вход мы подаем импульсы с частотой 50 Гц с синхрогенератора. В момент: когда на вход SED подано напряжение низкого уровня, выбираются входы DN.0 одновременно всех четырех мультиплексоров, а когда на входе SED оказывается напряжение высокого уровня, тогда выбираются входы DN.1 всех четырех мультиплексоров одновременно. Информация на выход микросхемы передается без инверсии. На вход разрешения EZ подается напряжение высокого уровня, тем самым мы разрешаем проход данных на выходы D0 – D3. Функциональная схема электронного ключа на базе микросхемы SN74H257. & D0.0  1 Z  D0D0.1 &       D1.0 & & 1 Z  D1D1.1 D2.0 & 1 Z D2D2.1 &  & D3.0   1 Z D3D3.1 &  SED 1 1    1 EZ  Рисунок 4.23. Применяемый в разработке сумматор выходных сигналов построен на двух корпусах микросхем CD4052. Эти микросхемы являются демультиплексорами, содержащими по 8 каналов коммутации цифровых и аналоговых сигналов, которые организованы как четырехканальный дифференциальный коммутатор (рис. 4.24) [ 13 ]. Этот демультиплексор управляется двухразрядным кодом (SEC и SED). На вход разрешения SED подается напряжение высокого уровня, а на вход разрешения SEC подается сигнал частотой 50 Гц с синхрогенератора. Когда на входе SEC находится напряжение с низким потенциалом, выбираются входы 3C и 3D, а когда с высоким - обеспечивается коммутация входов 4C и 4D. Функциональна схема демультиплексора CD4052.  Uи.п. Входы С 1 2 3 4             А     Выход С В  E  I      Выход D       1 2 3 4 Входы D Рисунок 4.24. Этот демультиплексор управляется двухразрядным кодом (SEC и SED). На вход разрешения SED подается напряжение высокого уровня, а на вход разрешения SEC подается сигнал частотой 50 Гц с синхрогенератора. Когда на входе SEC находится напряжение с низким потенциалом, выбираются входы 3C и 3D, а когда с высоким - обеспечивается коммутация входов 4C и 4D. 5. Разработка и расчет принципиальной схемы. В описании схемы электрической принципиальной будет рассмотрен только один видеотракт, поскольку второй является полностью идентичным. Также будут рассмотрены цепи синхронизации, которые являются общими для обоих видеотрактов, оконечные усилители и блок питания телекамеры. Видеосигнал с выхода ПЗС матрицы ICX059AK (микросхема D1) (ножка 8) поступает на затвор полевого транзистора 3SK133, включенного по схеме с общим стоком. Его нагрузкой является резистор R8. Напряжение видеосигнала, снимаемое с этого резистора, подается через разделительные конденсаторы C22 и C23 на входы микросхемы CXA1390AR (D9) (ножки 37 и 38), в которой производится первичное цветоделение и усиление видеосигнала. Первичное цветоделение осуществляется по импульсам выборки XSP1 и XSP2, подаваемым с тимминг-генератора (микросхема CXD1265R (D10)) на ножки 40 и 42 соответственно. При работе телекамеры в черно-белом режиме эти импульсы отсутствуют. Восстановление уровней сигналов осуществляется по импульсам выборки-хранения XSHP и XSHD, поступающих с тимминг-генератора на ножки 34 и 35 соответственно.      t    t   t  t Импульсы XSH1 и XSH2, подаваемые на ножки 1 и 48 соответственно, служат в качестве напряжения выборки-хранения при черно-белом сигнале. Импульсы CLP1-CLP4 подаются на все микросхемы видеотракта (кроме CXL1517N (D13)) для восстановления уровня черного в видеосигнале. В микросхеме CXA1390AR задействована система подавления цветности, которая срабатывает при попадании в кадр объектов, имеющих чрезмерную яркость. Полученный в итоге сигнал коррекции CS поступает на выход микросхемы (ножка 10). Уровень этого сигнала поддерживается с помощью конденсатора С38 и может регулироваться подборочным резистором R18. Также в этой микросхеме предусмотрена система автоматической регулировки уровня (АРУ (AGC)) сигнала. Максимальная величина амплитуды видеосигнала, до которой будет срабатывать схема AGС, устанавливается подборочным резистором R16. Чувствительность AGC по сигналу коррекции CS устанавливается подборочным резистором R24. Широкополосный сигнал яркости YH, получаемый в микросхеме CXA1390AR, поступает на выход этой микросхемы (ножка 3). Полученные в результате предварительного разделения цветности сигналы S1 и S2 поступают через выходы микросхемы CXA1390AR (ножки 4 и 5 соответственно) на входы видеопроцессора (микросхема CXA1391R (D14)), туда же поступает через разделительный конденсатор С93 сигнал коррекции SH и сигнал YH, который предварительно задерживается на длительность , подбираемую при настройке, и проходит через фильтр нижних частот (ФНЧ (LPF), расчет которого будет приведен далее). Входными ножками для этих сигналов являются соответственно 49, 48, 16 и 64 ножки. Из сигналов S1 и S2 методами, описанными в разработке функциональной схемы, получают два цветоразностных сигнала R-Y и B-Y. Необходимыми элементами для тих преобразований являются три линии задержки на одну строку, которые построены на отдельной микросхеме CXL1517N. Задерживаются: сигнал цветности C0, узкополосный сигнал яркости Y0 и он же задерживается еще на одну строку (Y1). Задержанные сигналы с выходов микросхемы CXL1517N (ножки 9, 11 и 14) проходят через эмиттерные повторители (ЭП), собранные на транзисторах BC205B, которые усиливают их по току и одновременно являются согласующими элементами (расчет ЭП будет приведен далее). Необходимым управляющим сигналом является импульсный сигнал ID, двойной строчной частоты, который поступает на ножку 41 с тимминг-генератора. Широкополосный сигнал яркости YH2 задействован в схеме горизонтальной апертурной коррекции HAP, которая находится в микросхеме CXA1592R (D24). Для образования сигнала YH2 необходимым элементом является линия задержки на одну строку, которая вынесена за пределы видеопроцессора. Линией задержки может быть, например, микросхема CXL5504 или любая линия задержки, аналогичная ей. Сигнал YH подается с ножки 4 на линию задержки, а затем пропускается через ФНЧ и возвращается в видеопроцессор на ножку 2. В результате полученные сигналы YH1 и YH2, который был образован в результате суммирования YH и YH1, подаются на выходы ножки 5 и 6 соответственно. Сигнал подавления цветности CS, который был просуммирован с сигналом VAP, полученным на выходе схемы вертикальной апертурной коррекции в видеопроцессоре, поступает на выход (ножка 24). Видеопроцессор содержит управляемые линии задержки. Потенциометром R35 можно регулировать время задержки сигналов С0 (цветности) и Y0 (узкополосного сигнала яркости). Потенциометром R36 регулируется время задержки сигналов основных цветов R, G и B и сигнала подавления цветности. Ниже приведена таблица с указанием подборочных резисторов и функций, выполняемых ими.
Таблица 5.1. Выходные сигналы R-Y и B-Y с ножек 19 и 20 видеопроцессора через разделительные конденсаторы C102 и С103 поступают на выходной сумматор, который коммутирует сигналы цветности и яркости с двух видеотрактов в один стереоканал. Сумматор построен на микросхемах CD4052 (D25 и D26). Цветоразностные сигналы R-Y и B-Y подаются на входные ножки микросхемы D26, 14 и 11 соответственно. Коммутация сигналов в сумматоре осуществляется с помощью импульсов управления частотой 50 Гц, которые поступают на управляющий вход SEC (ножки 10) с синхрогенератора, при этом второй управляющий вход оставлен открытым. С выхода сумматора (ножки 3 и 13) сигналы R-Y и B-Y подаются на ножки 3 оконечных усилителей, собранных на микросхемах AD8041 (D16-D17). Усилители охвачены 100-процентной отрицательной обратной связью (ООС). С выходов усилителей через разделительные конденсаторы С67, С68 и согласующие сопротивления R44 и R45 сигналы R-Y и B-Y подаются на контакты 2 и 3 выходного разъема X2. Резисторы R43, R44, R45 являются согласующими с выходными цепями, которые по заданию на дипломный проект имеют сопротивление R = 75 Ом. Соответственно, и эти резисторы имеют сопротивление 75 Ом. Сигнал YH2 с выхода микросхемы D14 подается через резистор R114 на входы микросхемы D24, которая является кодером PAL (ножки 33 и 35). Причем на 35-ю ножку сигнал YH2 подается с задержкой на 100 нс, необходимой для схемы горизонтальной апертурной коррекции HAP (располагающийся внутри микросхемы D24). Сигнал YH1 подается на вход микросхемы D24 (ножка 40) так же с задержкой на 100 нс, чтобы не произошло рассогласования во времени с сигналом YH2. Сигналы YH1 и YH2, прошедший через схему HAP, суммируются в кодере, где к ним также замешивается сигнал VAP, и в полученный в итоге сигнал замешиваются все необходимые синхроимпульсы. Суммирования с сигналами цветности не происходит из-за их отсутствия в кодере, поэтому на выходе микросхемы D24 (ножка 22) получается компонентный яркостный сигнал Y. Этот сигнал, как и цветоразностный, поступает на сумматор (микросхема D25, ножка 14), где суммируется с сигналом яркости второго видеотракта и затем подается на оконечный усилитель (D15), где усиливается до амплитуды 1 В. С выхода оконечного усилителя (ножка 6) через разделительный конденсатор С66 и согласующий резистор R43 сигнал яркости подается на контакт 1 выходного разъема X2. Сигнал подавления цветности CS заводится на вход микросхемы D24, ножка 15, но не используется, поскольку цветоразностные сигналы на микросхему D24 не заводятся. Рассмотрим теперь цепи сигналов синхронизации, о которых не упоминалось ранее. Сначала будут рассмотрены сигналы тимминг-генератора (микросхема D10), а затем синхрогенератора (микросхема D18). Задающий генератор собран на кварцевом резонаторе ZQ1 и входных цепях тимминг-генератора. Частота задающего генератора выбирается из расчета удвоенной стандартной и равна 56,75 МГц. Сигнал этой частоты подается на 64-ю ножку тимминг-генератора. С ножки 22 импульсы сброса RG подаются через горизонтальные драйверы на ПЗС матрицы. Туда же подаются импульсы H1, H2, LH1, необходимые для работы ПЗС матрицы, с ножек 26, 27 и 23 соответственно. С ножек 31, 30, 32, 33, 34 и 35 на ПЗС матрицы через электронный коммутатор и вертикальные драйверы подаются импульсы XV1, XV2, XSG1, XV3, XSG2, XV4 соответственно. Некоторые управляющие импульсы, как, например, BFG, XCK, CK и другие, могут быть заведены на соответствующие схемы, где они используются, но сами эти схемы не задействованы в работе телекамеры. Это обусловлено возможностью модернизации телекамеры в дальнейшем. Синхрогенератор собран на микросхеме CXD1159Q. На его входы (ножки 22 и 23) поступает частота задающего генератора (с ножки 63 микросхемы D10), из которой формируются синхроимпульсы частотой 50 Гц (SYNC), снимающиеся с ножки 17. На вход CLK1 (ножка 6) поступает частота 28,375 МГц с тимминг-генератора (ножка 57), из которой формируются задающие импульсы HD и VD, а также и некоторые импульсы для схем формирования окна и кодера PAL. 5.1. Расчет делителей напряжения. В телекамере широко применяются делители напряжения. При расчете делителей напряжения мы предполагаем, что все они будут идентичны и рассчитаны на выходное напряжение Uвых = 3 В при входном Uвх = 5 В. Расчет производится по формуле делителя напряжения: Uвых = Uвх (R2 / (R1 + R2)) В итоге получаем соотношение резисторов в делителе: R1 = 4 кОм R2 = 6 кОм 5.2. Расчет эмиттерного повторителя (ЭП). В качестве согласующих элементов после линии задержек в микросхемах D13, D19 используются эмиттерные повторители. Принципиальная схема эмиттерного повторителя приведена на рис. 5.25. Принципиальная схема эмиттерного повторителя. + 12В     Выход   Вход     Rэ   Рисунок 5.25. Выбираем транзистор типа p-n-p: BC205VI. Eпит = 5 В – напряжение источника питания; Uкэ = 3 В – напряжение коллектор-база; Iэ = 3 мА – ток эмиттера. Произведем расчет сопротивления в цепи эмиттера по формуле: Rэ = (Епит – Uкэ) / Iэ Ом; Rэ = (5 – 3) / 3 10-3 = 666,6 Ом 667 Ом. В рабочей точке ток базы Iб рассчитывается через коэффициент передачи по току h21. h21 = 100. h21 = Iк / Iб Iэ / Iб. В итоге получаем: Iб = Iэ / h21 = 3 10-3 / 100 = 30 10-5 А = 30 мкА. Выходное сопротивление ЭП рассчитывается по формуле: Rвых = m Iб / Iэ; Rвых = 2 30 10-6 / 3-3 = 0,02 Ом. Входное сопротивление эмиттерного повторителя рассчитывается по формуле: Rвх = rб + (1 + h21) Rэ; где rб – сопротивление базы транзистора. Rвх = 10 + 101 667 = 67377 Ом 67,38 кОм. 5.3. Расчет фильтра нижних частот (ФНЧ). В схеме применены фильтры нижних частот с полосой пропускания f = 13 МГц. Это удвоенная полоса обычного телевизионного сигнала. Рассчитываем ФНЧ с максимально плоской характеристикой, нагруженный только на выходе. Граничная частота полосы пропускания рассчитывается по формуле: с = 2 f, где f – полоса пропускания в герцах (Гц). В нашем случае фильтр рассчитывается на двойную полосу пропускания, поскольку частота полей составляет 100 Гц. с = 2 3,14 13 106 = 81,64 106 рад/с. На частоте равной 1,5 с коэффициент передачи должен быть на 20 дБ меньше чем в полосе пропускания. Поскольку нам неизвестно выходное сопротивление предыдущего каскада и нагрузка фильтра, примем: Ri 1 Ом – выходное сопротивление предыдущего каскада (выход микросхемы CXL1517). Rн 1000 Ом – сопротивление нагрузки ФНЧ. О  пределяем порядок фильтра n: 1 / (1 + -2n) = 1,5 с = 10-2; n = 5,648. Выберем ближайшее большее целое число: n = 6. На входе фильтра включен источник напряжения, рассчитаем его внутреннее сопротивление по формуле: R = Ri / Rн = 1/1000 0. Поскольку на входе фильтра включен источник напряжения с r = 0 и n – четное, то используются табличные величины элементов для r = 0 и n = 6: c1 = 0,2588 l2 = 0,7579 c3 = 1,202 l4 = 1,553 c5 = 1,759 l6 = 1,553 Данные табличные значения пронормированы к Rн = 1 Ом. Для того чтобы получить сопротивление нагрузки равное 1000 Ом, необходимо все величины l умножить, а все величины c разделить на 1000. Чтобы граничную частоту привести к значению 81,64 106 рад/с, все величины l и c следует разделить на это число. Окончательно значения величин будут следующими: C1 = 3,17 пФ L2 = 9,28 мкГн C3 = 14 пФ L4 = 19 мкГн C5 = 21,55 пФ L6 = 19 мкГн Схема рассчитанного фильтра приведена на рис. 5.26. Схема ФНЧ. L2 L4 L6   C1 C5 C3 Вход Выход  Рисунок 5.26. 5.4. Расчет блока питания. Расчет блока питания производится исходя из мощности, потребляемой схемой. На вход блока питания извне подается напряжение питания +12 В через разъем X2. В схеме разрабатываемой телекамеры используются три разных напряжения: +5 В, +15 В и –9 В. Эти напряжения вырабатывает блок питания. Соответственно, расчет потребляемой мощности производится по трем цепям питания. +5 В По справочным данным на микросхемы, мы имеем данные об их потребляемой мощности: CXA1390 – 600 мВт 0,6 2 = 1,2 Вт CXA1391 – 690 мВт 0,69 2 = 1,38 Вт CXA1592 – 500 мВт 0,5 2 = 1 Вт CXD1265 – 500 мВт 0,5 Вт CXD1159 – 250 мВт 0,25 Вт CXL1517 – 350 мВт 0,35 2 = 0,7 Вт На остальные элементы из справочных данных имеется информация о токах потребления Iпотр, следовательно, по закону Ома можно рассчитать потребляемую ими мощность. Рпотр = Iпотр Uпит SN74AC04 – 40 мкА 40 10-6 5 2 = 0,0004 Вт BC205B – 3 мА 3 10-3 5 6 = 0,09 Вт SN74H257 – 80 мкА 80 10-6 5 3 = 0,0012 Вт AD8041 – 50 мА 50 10-3 5 3 = 0,75 Вт Светодиод BLINK-LEDS – 20 мА 20 10-3 5 = 0,1 Вт Суммарная мощность по цепи питания +5 В составляет 6 Вт, тогда Iпотр = 1,2 А, что не превышает предельных значений тока для выходного стабилизатора блока питания по цепи +5 В, собранного на микросхеме D22 (1,5 А). Цепь –9 В и +15 В (рассматриваются вместе, поскольку микросхемы CXD1267 и ICX059 питаются обоими напряжениями): CXD1267 – 60 мВт 0,06 2 = 0,12 Вт ICX059 – 300 мВт 0,3 2 = 0,6 Вт Pпотр = (0,12 + 0,6) / 2 = 0,36 Вт Следовательно, Iпотр = 0,04 А. Цепь +15 В CD4052 – 50 мкА 50 10-6 15 2 = 0,0015 Вт 3SK133 – 2 мА 2 10-3 15 2 = 0,06 Вт Pпотр = 0,0615 Вт Следовательно, Iпотр = 4,1 10-3 А. В итоге, можно сделать вывод, что суммарные токи потребления и, соответственно, мощности не превышают допустимых для стандартного блока питания, используемого в цветной видеокамере SONY, значит, можно его применить в качестве блока питания в нашей разработке. 6. Разработка конструкции. Все функциональные блоки телекамеры располагаются на двусторонней печатной плате размером 15590 мм. Миниатюризация достигается за счет применения современной элементной базы фирмы SONY. Элементы схемы устанавливаются на обеих сторонах платы. Разводка цепей питания и общего производится проводниками по возможности более широкими, чем сигнальные цепи. Плата крепится пятью шурупами к основной части корпуса, которая имеет соединительные струбцины, так, чтобы выходной разъем, разъем питания, светодиод и выключатель попали в соответствующие вырезы корпуса. Плата закрывается верхней крышкой, которая скрепляется с нижней шестью винтами диаметром М3. Корпус выполнен из металла, окрашен в черный или белый цвет. Толщина стенок корпуса – 1 мм. В конструкции предусмотрены выключатель и светодиод, который загорается при включении питания. Выходной разъем X1 представляет собой стандартный разъем для подключения к компьютеру. При необходимости может поставляться переходник. Телекамера жестко крепится на бинокулярном микроскопе при помощи металлического соединителя и фиксирующей муфты. Конструкция телекамеры позволяет защитить электрическую схему от внешних воздействий, но различные динамические воздействия, а также повышенная температура и влажность могут вывести ее из строя, поэтому в руководстве по эксплуатации вводится пункт о бережном обращении с телекамерой. Телекамеры с механическими повреждениями корпуса и печатной платы в гарантийный ремонт не принимаются. 7. Расчет надежности. Надежность – это свойство прибора безотказно функционировать в течение заданного времени в определенных эксплуатационных условиях. Ориентировочный расчет надежности заключается в нахождении интенсивности отказов устройства (рис. 7.27), времени безотказной работы Т, а также вероятности безотказной работы в течение времени t [19]. Зависимость интенсивности отказов устройства от времени.      t 0  t1 Нормальная работа Приработка Старение и износ t2 Рисунок 7.27. Первоначально для расчета надежности необходимо принять модель отказов электрорадиоэлементов. В радиоэлектронной аппаратуре моменты отказов формируют поток сл3ча6ых событий (поток отказов). Отказы, возникающие н6а этапе нормальной работы устройства, являются внезапными, не связанными со старением и износом. Поток внезапных отказов хорошо описывается моделью простейших отказов, для которой характерны свойства ординарности, стационарности и отсутствие последействия. Свойство ординарности заключается в невозможности появления двух и более отказов в единичном интервале времени про сравнению с вероятностью появления одного отказа и выполняется для первичных отказов. Стационарность потока характеризуется постоянством среднего числа отказов в единичном интервале вре6мени, а отсутствие последействия – независимостью появления отказов в единичном интервале времени от появления отказов во всех предшествующих интервалах t. Вероятность безотказной работы элемента рассчитывается по формуле: t Р () = exp {- (t) d t}, 0 где (t) – функция интенсивности отказов. Так как в период нормальной работы интенсивность отказов можно считать постоянной во времени, то выражение можно представить в виде: (t) = const, P () = exp {- t}. Дальнейший расчет производится при следующих допущениях: все однотипные элементы равноценны; поток отказов простейший; все элементы работают в нормальном режиме; отказ любого элемента ведет к отказу всей системы, то есть проектируемое устройство считаем последовательным с точки зрения надежности. Последовательное соединение элементов по надежности. 1 2 |