astroccd.org

Cam8 — проект охлаждаемой астрономической камеры на сенсоре от фотоаппаратов Nikon D50, D70 (ICX453AQ).

Проект будет настолько детальным, что позволить электронщику, повторить его и даже усовершенствовать.

cam8 фото

Прежде чем приступить к описанию проекта,  просьба прочитать следующие два пункта:

1. Трудность поиска нужной информации по данной тематике. Сразу хочу ответить тем, кто рекомендует «погуглить». Попробуйте «погуглить»  информацию по сенсору, использованному в камере — ICX453AQ.  Удачи. Доступность интернета и кажущаяся простота поиска кажутся таковыми только на первый взгляд. Информация разрозненная и неполная. Везде очень нудно и долго разжевывается то, чего и так знаешь и понятно сразу и всем (а время ты уже потратил!), а то, чего надо и непонятно нет вообще или освещено крайне поверхностно. Поэтому возможно, и скорее так и есть, многое в описании не очень корректно. Поэтому просьба быть нестрогими. Тем не менее, камера работает!
2. Изумительная микросхема FT2232HL. Весь мой опыт электронщика говорит о том, что по мере развития IT-технологий программисты придумывают все более изощренные способы насолить электронщикам в их созидательном деле. Канули в Лету те хорошие времена, когда ты мог спаять устройство и за час-второй сварганить для него программку (на Турбо-паскале 5), пусть непрофессиональную, ну чтобы проверить устройство. Тем более кажется весьма странным этот их просчет с FT2232HL. Очень опасаюсь, что после очередного «обновления» драйверов или винды устройство перестанет работать. Так в чем недогляд программеров? Эта микросхема честно передает последовательность байтов, переданную программой на свои физические ножки. Честно – значит последовательно без всяких временных задержек и быстро. Временной цикл – 65 нс. Казалось бы, так и должно в пределах заполненного выходного буфера в 4 Кбайт.  Но, например,  в микросхеме той же фирмы — FT245R сбоит каждый байт в буфере!!! Windows сама определяет когда физически послать байт. Предвидя вопрос, скажучто это не зависит от сигналов квитирования. Задержки небольшие, но для нашей схемы критические.  Электронщик здесь бессилен.  Посмотрите осциллографом. А FT2232HL передает последовательность  в десятки Мегабайт!  Без единого сбоя. Как это происходит в недрах программы, драйверов или «цепочек драйверов» при полной асинхронности как Windows, так и шины USB непонятно вообще, но это так! Если бы не свойство этой микросхемы, пришлось бы ставить процессор + шуструю память на полный кадр, что значительно усложнило бы как схему и ее настройку. Поэтому вторая просьба    — если что накосячат в будущем программеры – я невиноват. Тем не менее,  камера работает на WindowsXP, Windows7 (32 и 64) с драйверами FTDI на начало 2013 года (версия драйвера D2XX — 2.08.24).

Теперь немного о сенсорах Sony серий ICX и помним про два пункта выше.

Фотоны, попадающие на сенсор, накапливаются в виде заряда в матрице чувствительных элементов – матрице фотодиодов. Можно этот заряд «обнулить» через специальную ножку SUB, а можно, через некоторое время, называемое временем экспозиции или накопления «перебросить» в вертикальный регистр, собственно саму ПЗС – прибор с зарядовой связью. Вертикальный регистр тоже матрица, с тем же числом столбцов, что и у матрицы фотодиодов. Количество строк вертикального регистра равно числу строк фотодиодов у сенсоров с прогрессивной разверткой и в 2 раза меньше у сенсоров с чересстрочной разверткой.

Долго хранить этот заряд в вертикальном регистре не рекомендуется – начинает накапливаться шум, надо поскорее его куда-то вывести – для этого существует горизонтальный регистр – линейка, с числом ячеек равным или чуть большим числу строк матрицы фотодиодов. Движение заряда сверху-вниз по строкам, равно как и переброс накопленного заряда с фотодиодов в вертикальный регистр происходитс помощью выводов вертикального регистра V1..Vn. (вертикальный драйвер). Заряд с самой нижней строки вертикального регистра как раз и попадает в горизонтальный регистр. Если еще раз сдвинуть заряд вниз, то в горизонтальном регистре окажется заряд с двух (или более) строк. Так устраивают«аппаратный бининг»  по вертикали – суммирование по вертикали. Технология бининга позволяет повысить чувствительность камеры за счет снижения разрешения камеры, что очень важно для астрономического применения.

Примечание.  Для черезстрочного сенсора 2х бининг по вертикали осуществляется перебросом заряда с четных и нечетных строк одновременно.

Заряд в этой линейке — горизонтальном регистре перемещается в направлении  выходного устройства – усилителя и транзистора сброса. Движение заряда в горизонтальном регистре осуществляется с помощью выводов горизонтального регистра (горизонтальный драйвер) H1 и H2. Сброс заряда ячейки происходит через вывод RG. Если не сбрасывать заряд ячейки, то происходит перемещение заряда с последней  ячейки и суммирование его с тем, зарядом, который был до этого. Так устраивают «аппаратный бининг» по горизонтали – суммирование зарядов по горизонтали. Вовремя подавая, или, точнее, не подавая сигнал  RG нужное число раз можно осуществить требуемый  бининг.

Теперь рассмотрим схему нашего сенсора ICX453AQ. Тут стоит поблагодарить Михаила (Mixa с астрофорума) за  цоколевку  этой микросхемы и некоторые консультации. Как он ее раздобыл?.. Ведь нет ее в интернете!

Надпись NC – not connect (оставить свободной, я правда их заземлил).

Структура ICX453AQ

Итак,поножечно:

1. Vl – Protective transistor bias.

Напряжениедля icx453aq -8 вольт,  ток маленький.

2. а также 9,16,21,29,32 — ноги GND – 0 вольт, земля.

5. Vф4. Vertical register  transfer  clock. Вывод 4-той фазы вертикального регистра.

Напряжение 0..-8вольт.

7. Vф3. Vertical register  transfer  clock. Вывод 3-той фазы вертикального регистра.

Напряжение 0..-8 вольт. Для переброса изображения в вертикальный регистр на эту ножку подают  +15 вольт.

10. Vф2. Vertical register  transfer  clock. Вывод 2-той фазы вертикального регистра.

Напряжение 0..-8вольт.

14. Vф1. Vertical register  transfer  clock. Вывод 1-той фазы вертикального регистра.

Напряжение 0..-8 вольт. Для переброса изображения в вертикальный регистр на эту ножку подают  +15 вольт.

17. Vsub. Substrate bias. Сюда подают кратковременно напряжение +23 вольта для оперативного стирания накопленного изображения в матрице фотодиодов. Получают из  +15 вольт с помощью простенького преобразователя.  Подают через конденсатор, постоянный уровень формируется внутри самой микросхемы.

18. VSS. Output amplifier source. Фактически минус питания выходного усилителя, соединяется с землей через сопротивление 750 Ом.

19. Vout. Signal output. Выходной сигнал. Постоянная составляющая в районе +10 вольт формируется внутри микросхемы, переменная составляющая  – собственно сам сигнал. См далее про CDS-сигнал.

20. RG. Reset gate clock. Сигнал сброса заряда на входе усилителя. Опять же, постоянная составляющая формируется внутри микросхемы, подается 6-ти вольтовый короткий импульс  в 5..20 нс через конденсатор.

22. Vdd. Supply voltage. Напряжение питания +15 вольт. Потребляет не более 15 мА. Питание должно быть чистым, вся «грязь» на этой шине питания выльется в выходной сигнал. Не знаю почему, но судя по схеме, опорность усилителя тупо формируется простым делителем от этого напряжения. Поэтому я подаю 15 вольт еще через дополнительный фильтр.

23. LHф. Horizontal register final stage transfer clock. Последняя фаза горизонтального регистра.

Совпадает по фазе с Н2, но вход низкоемкостной, в отличие от Н1 и Н2. Может это важно для высокоскоростного вывода, не знаю. Я тупо соединил с Н2. Напряжение импульсов, также как и всего горизонтального регистра 6 вольт. Форма этих импульсов Н1 и Н2 – меандр и находятся в противофазе.

24. Также и 27,30,33. Нф2. Horizontal register transfer clock. 4 одинаковые фазы H2 горизонтального регистра.

25. Такжеи и 28, 31, 34. Нф1. Horizontal register transfer clock. 4 одинаковые фазы  H1 горизонтального регистра.

Наверное из-за больших емкостей фазы Н1  и Н2 расщеплены каждая на 4 вывода.

Относительно земли эти выводы имеют меньшую емкость, нежели между собой. Я соединил их по 4 штуки и подсоединил к драйверу MAX4428, способный работать с емкостной нагрузкой до 1000 пф. Может я неправильно сделал?  Следует отметить,  эти выводы потребляют большой ток для своего переключения на большой скорости из-за своих емкостей. Сюда надо добавить и странное напряжение в 6 вольт. Где его взять? Пришлось городить отдельно. Кроме того, это напряжение, опять же, должно быть очень чистым и стабильным.  Малейшая грязь этого напряжения выливается в вертикальные плавные полосы на изображении.

И еще, фаза Н2 должна чуть запаздывать от противофазы Н1. Этим устраняются тонкие вертикальные линии, присутствующие на изображении при малой освещенности матрицы. В схеме это достигается при помощи последовательно соединенных низкоомных резисторов, которые соединяют выходы драйвера MAX4428 с входами Н1 и Н2 матрицы.

26. Этот вывод соединяют с землей керамическим конденсатором 1 мкф.