Дипломная работа на тему Схема управления и обработки выходного сигнала

1. Сравнительный анализ существующих способов построения телевизионных камер на ПЗС

телевизионный импульс генератор сигнал

Одним из принципов, а так же и достоинств, приборов с зарядовой связью (ПЗС) является принцип последовательного переноса, при котором информационные заряды преобразуются в видеоимпульсы на выходе. В результате резко улучшается соотношение сигнал-шум и повышается качество изображения.

Современные телевизионные камеры на ПЗС строятся так, чтобы область накопления и переноса разделялись (рисунок 1.1). В так называемых матрицах с переносом кадра сохраняется однородная структура элементов, но выделяется область хранения, защищенная от света и по числу элементов идентичная светочувствительной области. В светочувствительной области происходит накопление информации, обычно в течение полукадра. Затем зарядовые пакеты быстро сдвигаются в область хранения.

В течение следующего полукадра в освободившейся светочувствительной области идет накопление, а из области хранения зарядовые пакеты переводятся в выходной сдвиговый регистр и далее – в выходное устройство.

В так называемых матрицах со сторочно-кадровым переносом однородная структура элементов не сохранена (рисунок 1.2); область накопления как бы разрезана на вертикальные столбцы, между которыми вставлены защищенные от света вертикальные сдвиговые регистры.

В светочувствительных элементах заряды накапливаются в течение всего времени кадра (точнее, почти всего времени кадра), потом они одновременно переходят в соседние ячейки сдвиговых регистров и, пока копится следующий кадр, выносятся в выходной регистр и выходное устройство. Таким образом, логично будет предположить, что камеры на ПЗС с разным типом используемых матриц будут иметь разные структурные схемы, будут отличаться друг от друга схемами управления переносом зарядов в секцию нижнего сдвигового регистра (схемами управления вертикальным переносом), что вытекает из строения этих матриц.

В состав схемы телекамеры с переносом кадра входят тактовый генератор, состоящий из синхрогенератора и формирователей фазных напряжений, а также усилитель-формирователь видеосигнала. Поскольку матрица разделена на секцию накопления и секцию памяти, то необходимо сформировать для них управляющие напряжения. Эту задачу выполняют формирователи фазных напряжений секций накопления и памяти соответственно. Камера работает на телевизионное воспроизводящее устройство без чересстрочной развертки.

Рисунок 1.1 – Структурная схема телевизионной камеры на ПЗС с переносом кадра

1) ПЗС:

а) секция накопления

б) секция памяти

в) нижний однострочный регистр

г) выходное устройство

2) блок обработки выходного сигнала

3) блок формирования управляющих трехфазных напряжений

4) генератор тактовых импульсов

5) система автоматической регулировки чувствительности ПЗС

Рисунок 1.2

1) ПЗС:

а) секция накопления

б) нижний однострочный регистр

в) выходное устройство

2) блок обработки выходного сигнала

3) блок формирования управляющих трехфазных напряжений

4) генератор тактовых импульсов

5) система автоматической регулировки чувствительности ПЗС

Особенностью схемы телекамеры со строчно-кадровым переносом является то, что в матрице отсутствует разделение на область накопления и область памяти. Таким образом, необходимо сформировать импульсы переноса зарядов из светочувствительных элементов в вертикальные сдвиговые регистры и из вертикальных регистров в нижний сдвиговый регистр. Сдвиговые вертикальные регистры работают в 2-х фазном режиме.

Таким образом, сравнивая оба типа камер на ПЗС, можно сказать, что недостатком камер с переносом кадра является необходимость быстрого переноса всего массива информации в область хранения. При работе в стандартном телевизионном режиме на эту операцию отводится часть времени обратного хода луча в полукадре, так что частота переноса должна составлять 1…2 МГц, и потери при переносе возрастают. В камерах со строчно-кадровым переносом вертикальные сдвиговые регистры работают с низкой частотой, однако матрицы с нерегулярной структурой элементов сложнее в изготовлении. Приборы с кадровым переносом, в свою очередь, можно использовать для съемок в хорошо освещенных условиях. Применение подобных ПЗС позволяет использовать видеокамеры без дорогостоящих механических затворов. Поэтому мы выбираем камеру с переносом кадра.

2. Разработка структурной схемы

Перенос зарядов во всех секциях ПЗС происходит с помощью соответствующих управляющих трехфазных импульсных напряжений, которые получаются с помощью схем так называемых формирователей импульсных последовательностей. Форма трехфазных импульсных последовательностей напряжений обеспечивает чересстрочное накопление зарядов в каждом полукадре и необходимую форму световой характеристики телевизионной камеры на ПЗС. Сигналы на входах формирователей управляющих напряжений вырабатываются генератором тактовых импульсов.

Составим структурную схему телевизионной камеры на ПЗС – матрице в общем виде. Эта схема (рисунок 2.1) состоит из:

1) ПЗС:

– секция накопления (СН);

– секция памяти (СП);

– нижний однострочный регистр (НОР);

– выходное устройство (ВУ);

2) Блок формирования управляющих трёхфазных напряжений(БФ);

3) Генератор тактовых импульсов(ГТИ);

4) Система автоматической регулировки чувствительности ПЗС.

На рисунке 2.1:

В Блоке формирования упровляющих трехфазных напряжений имеются: преобразователи уровней секций накопления(ПУн), секции памяти(ПУп) и секции нижнего выходного однострочного регистра(ПУр), и выходного устройства(ПУв), устройства формирования управляющих трёхфазных напряжений секции накопления(УФн), памяти(УФп), нижнего выходного однострочного регистра(УФр) и выходного устройства(УФв).

Генератор тактовых импульсов содержит: делители частоты(ДЧ), задающий генератор(ЗГ), выходное устройство.

Необходимо также рассчитать частоты переноса зарядов, для того чтобы сформировать структурную схему генератора тактовых импульсов. На выходе генератора необходимо получить двуполярные импульсные последовательности всех видов тактовых импульсов, входящих в состав управляющих напряжений для ПЗС. Самыми высокочастотными являются импульсы выходного регистра (ИР).

Рисунок 2.1

Частота этих импульсов определяется числом элементов в строке ПЗС:

,

где – количество элементов ПЗС в строке;

– длительность активной части строки, с;

– период импульсов выходного регистра, с;

= .

Определим число строк с учетом обратного хода кадровой развертки.

строк,

где – число строк, приходящихся на время прямого хода кадровой развёртки;

– число строк, приходящихся на время обратного хода кадровой развёртки.

Также мы должны сформировать импульсы параллельного переноса зарядов из секции накопления в секцию памяти (ИПП).

,

где – число строк в секции накопления ПЗС;

– длительность кадрового гасящего импульса, с;

При этом частота тактовых импульсов на входе кольцевого счетчика для получения импульсов переноса должна быть в три раза больше импульсов параллельного переноса зарядов из секции накопления в секцию памяти

fтипп=3=3=890625 Гц,

где fтипп кратна fz.

Коэффициент кратности k1:

k1= = =57

Определим частоту строчной развёртки:

Гц,

где – частота кадров при чересстрочной развертки, Гц.

Найдём длительность кадровой развёртки:

мс.

При этом длительность активной части кадра и гасящего импульса кадровой развёртки принимаем =18.98947368 мс и =1.010526316 мс соответственно.

Далее необходимо определить длительность периода строчной развертки:

мкс.

Длительность активной части строки и гасящего импульса строчной развёртки примем соответственно:

=50,52631579 мкс и =13,47368421 мкс соответственно.

Найдем частоту импульсов переноса выходного регистра:

При этом частота тактовых импульсов на входе кольцевого счетчика для получения импульсов переноса должна быть в три раза больше импульсов переноса выходного регистра

fтр=3 =3 =44531250 Гц,

где fтр кратна fz.

Коэффициент кратности k2:

k2= = =2850

Так же существует частота тактовых импульсов для переноса зарядов из секции памяти в секцию нижнего выходного регистра

Гц,

где N – число сдвиговых импульсов;

– длительность строчного гасящего импульса, с.

3. Синтез схемы управления ПЗС

3.1 Синтез схемы управления секцией накопления

Синтез схемы управления секцией накопления подразумевает под собой:

– формирование потенциалов накопления;

– формирование импульсов переноса из секции накопления в секцию памяти.

Потенциалы накопления необходимо передать во время прямого хода кадровой развёртки. Причём при реализации чересстрочной развёртки в светочувствительной области накопления информации в нечётном полукадре происходит под первой фазой, а в чётной под второй. Третья фаза закрыта для света. Импульсы переноса (из секции накопления в секцию памяти) должны подаваться строго во время следования кадрового гасящего импульса, также эти импульсы должны подаваться на первую фазу секции накопления (Uфн1), на вторую (Uфн2) и на третью (Uфн3) сдвинутыми относительно друг друга на треть периода. Таким образом, на рисунке 3.1 изображены сигналы управления секцией накопления. Сигналы управления можно сформировать из трёх однородных последовательностей показанных на рисунке 3.2, получаемых с помощью генератора тактовых импульсов: импульсов с кадровой частотой (U2), кадровых гасящих импульсов (U1) и импульсы параллельного переноса(ИПП) зарядов (для каждой фазы свои импульсы-смещенные относительно друг друга на треть периода Q0, Q1, Q2) из секции накопления в секцию памяти.

Необходимо синтезировать схему формирования импульсов переноса. Импульсы переноса (из секции накопления в секцию памяти) должны подаваться строго во время следования кадрового гасящего импульса. Также импульсы должны подаваться на первую фазу секции накопления (Uфн1), на вторую (Uфн2) и на третью (Uфн3) сдвинутыми относительно друг друга на треть периода (Q0, Q1, Q2).

Для получения таких импульсов целесообразно использовать счётчики. Счетчиком называется типовой функциональный узел компьютера, предназначенный для счета входных импульсов. Счетчик представляет собой цепочку Т-триггеров, образующих память с заданным числом устойчивых состояний.

Разрядность счетчика n равна числу Т-триггеров. Каждый входной импульс меняет состояние счетчика, которое сохраняется до поступления следующего сигнала. Значения выходов триггеров счетчика Qn, Qn_x,…, Qx отображают результат счета в принятой системе счисления. Список микроопераций счетчика включает предварительную установку в начальное состояние, инкремент или декремент хранимого слова, выдачу слов параллельным кодом и др.

Рисунок 3.1 – Сигналы управления секцией накопления

Рисунок 3.2 – Временные диаграммы управляющих потенциалов для фаз секции накопления ПЗС

Входные импульсы могут поступать на счетчик как периодически, так и произвольно распределенными во времени. Амплитуда и длительность счетных импульсов должны удовлетворять техническим требованиям для используемых серий микросхем.

Счетчик является одним из функциональных узлов компьютера, а также различных цифровых управляющих и информационно-измерительных систем. Основное применение счетчиков:

образование последовательности адресов команд программы (счетчик команд или программный счетчик);

подсчет числа циклов при выполнении операции деления, умножения, сдвига (счетчик циклов);

получение сигналов микроопераций и синхронизации; аналого-цифровые преобразования и построение электронных таймеров.

Счетчик характеризуется модулем и емкостью счета. Модуль счета Ксч определяет число состояний счетчика. Модуль двоичного n-разрядного счетчика выражается целой степенью двойки М=2n; в счетчиках других типов справедливо неравенство КСЧМ. После счета числа импульсов NBX= Ксч счетчик возвращается в исходное состояние. Таким образом, модуль счета, который часто называют коэффициентом пересчета, определяет цикл работы счетчика, после которого его состояние повторяется. Поэтому число входных импульсов и состояние счетчика однозначно определены только для первого цикла.

В счетчиках используется три режима работы: управления, накопления и деления. В режиме управления считывание информации производится после каждого входного счетного импульса, например, в счетчике адреса команд. В режиме накопления главным является подсчет заданного числа импульсов либо счет в течение определенного времени. В режиме деления (пересчета) основным является уменьшение частоты поступления импульсов в Ксч раз. Большинство счетчиков может работать во всех режимах, однако в специальных счетчиках-делителях состояния в процессе счета могут изменяться в произвольном порядке, что позволяет упростить схему узла.

Триггером типа JK называется запоминающий элемент с двумя устойчивыми состояниями и информационными входами J (аналог S) и К (аналог R), которые обеспечивают соответственно раздельную установку состояний «1» и «О» [4]. При совпадении сигналов JK =1 переключается в противоположное состояние, то есть реализует сложение сигналов по модулю два. Таким образом, JK-триггер не имеет запрещенных комбинаций входных сигналов. Триггер типа JK является универсальным, поскольку может выполнять функции RS-триггера (при раздельном поступлении сигналов J и К), Т-триггера (при одновременной подаче сигнала J и К), D-триггера (при подаче сигнала от входа J через инвертор на вход К).

Синтез схемы, выдающей последовательность импульсов параллельного переноса, можно провести с помощью кольцевого счетчика.

В нашем случае будет использоваться кольцевой счетчик на JKтриггерах. Изменение состояний JK-триггеров приведено в таблице 3.1.

Таблица 3.1 – Таблица истинности для кольцевого счетчика

Q0

Q1

Q2

J0

J1

J2

K0

K1

K2

S0

S1

S2

R0

R1

R2

*

*

*

*

*

*

*

*

*

1

0

0

0

1

1

1

0

0

0

1

0

1

0

1

0

0

0

0

0

0

0

1

0

0

0

1

1

1

0

0

0

0

0

0

0

0

0

1

1

0

0

0

1

1

0

0

0

0

0

0

Спроектируем устройство для получения последовательности импульсов на первой фазе секции накопления, временные диаграммы показаны на рисунке 3.3. Таблица истинности показана в таблице 3.2

Таблица 3.2 – Таблица истинности для функции Uф1н

№ терма

U1

Q0

U2

Uф1н

1

0

0

1

1

3

0

1

1

1

5

1

0

1

0

7

1

1

1

1

0

0

0

0

0

2

0

1

0

0

6

1

1

0

1

4

1

0

0

0

На карте Карно изображены несколько единичных областей (рисунок 3.4).

Исходя из этого, минимальная конъюнктивная нормальная форма будет иметь вид:

Спроектируем устройство для получения последовательности импульсов на второй фазе секции накопления, временные диаграммы показаны на рисунке 3.5. Таблица истинности показана в таблице 3.3

Рисунок 3.3 – Временные диаграммы управляющих потенциалов для первой фазы секции накопления

Рисунок 3.4 – Карта Карно для нахождения сигнала, поступающего на первую фазу секции накопления

Рисунок 3.5 – Временные диаграммы управляющих потенциалов для второй фазы секции накопления

Таблица 3.3 – Таблица истинности для функции Uф2н

№ терма

U1

Q1

U2

Uф2н

1

0

0

1

0

3

0

1

1

0

5

1

0

1

0

7

1

1

1

1

0

0

0

0

1

2

0

1

0

1

6

1

1

0

1

4

1

0

0

0

На карте Карно изображены несколько единичных областей (рисунок 3.6).

Исходя из этого, минимальная конъюнктивная нормальная форма будет иметь вид:

Спроектируем устройство для получения последовательности импульсов на третей фазе секции накопления, временные диаграммы показаны на рисунке 3.7. Таблица истинности показана в таблице 3.4

Таблица 3.4 – Таблица истинности для функции Uф3н

№ терма

U1

Q2

U2

Uф3н

1

0

0

1

0

3

0

1

1

0

5

1

0

1

0

7

1

1

1

1

0

0

0

0

0

2

0

1

0

0

6

1

1

0

1

4

1

0

0

0

На карте Карно изображены несколько единичных областей (рисунок 3.8).

Исходя из этого, минимальная конъюнктивная нормальная форма будет иметь вид: Uф3н = .

На рисунке 3.9 изображена схема для получения последовательностей импульсов секциинакопления.

Рисунок 3.6 – Карта Карно для нахождения сигнала, поступающего на вторую фазу секции накопления

Рисунок 3.7 – Временные диаграммы управляющих потенциалов для третьей фазы секции накопления

Рисунок 3.8 – Карта Карно для нахождения сигнала, поступающего на третью фазу секции накопления

Рисунок 3.9

3.2 Синтез схемы управления секцией памяти

Синтез схемы управления секцией памяти ПЗС также подразумевает под собой синтез двух схем:

– синтез схемы формирования сдвиговых импульсов во время следования кадрового гасящего импульса;

– синтез схемы формирования импульсов переноса из секции памяти в секцию нижнего однострочного выходного регистра во время строчного гасящего импульса.

Сигналы управления первой (Uфп1), второй (Uфп2) и на третьей (Uфп3) фазами секции памяти представлены на рисунке 3.10.

Схемы формирования сдвиговых импульсов во время следования кадрового гасящего импульса аналогична схеме формирования импульсов переноса из секции накопления в секцию памяти. Поэтому не будем приводить ее подробный синтез.

В течение активной части кадра T1k, во время обратного хода строчной развертки T2Z, из секции памяти происходит выталкивание хранящихся зарядов в секцию нижнего сдвигового регистра. Для этого на секцию памяти подаются три сдвиговых импульса для сдвига на одну строку. Все заряды первой строки переносятся под первую фазу сдвигового регистра, а заряды всех остальных строк перемещаются на одну строку вниз.

Форма сдвиговых импульсов на фазах секции памяти, представленных на рисунке 3.11, такую последовательность импульсов можно получить при помощи кольцевого счетчика который будет выдавать нужные комбинации на своих выходах (Q’3, Q’2, Q’1).

Спроектируем устройство для получения последовательности импульсов на первой фазе секции памяти, временные диаграммы показаны на рисунке 3.12. Таблица истинности показана в таблице 3.5

На карте Карно изображены несколько единичных областей (рисунок 3.13).

Исходя из этого, минимальная конъюнктивная нормальная форма будет иметь вид:

Спроектируем устройство для получения последовательности импульсов на второй фазе секции памяти, временные диаграммы показаны на рисунке 3.14. Таблица истинности показана в таблице 3.6

Рисунок 3.10 – Сигналы управления секцией памяти

Рисунок 3.11 – Сдвиговые импульсы на фазах секции памяти

Рисунок 3.12 – Временные диаграммы управляющих потенциалов для первой фазы секции памяти

Таблица 3.5 – Таблица истинности для функции Uф1п

№ терма

U1

U3

Q0

Q’0

Uф1п

0

0

0

0

0

0

1

0

0

0

1

0

2

0

0

1

0

0

3

0

0

1

1

0

4

0

1

0

0

0

5

0

1

0

1

1

7

0

1

1

1

1

8

1

0

0

0

0

9

1

0

0

1

0

13

1

1

0

1

0

11

1

0

1

1

1

15

1

1

1

1

1

6

0

1

1

0

0

14

1

1

1

0

1

10

1

0

1

0

1

12

1

1

0

0

0

Таблица 3.6 – Таблица истинности для функции Uф2п

№ терма

U1

U3

Q1

Q’1

Uф2п

0

0

0

0

0

0

1

0

0

0

1

0

2

0

0

1

0

0

3

0

0

1

1

0

4

0

1

0

0

0

5

0

1

0

1

1

7

0

1

1

1

1

8

1

0

0

0

0

9

1

0

0

1

0

13

1

1

0

1

0

11

1

0

1

1

1

15

1

1

1

1

1

6

0

1

1

0

0

14

1

1

1

0

1

10

1

0

1

0

1

12

1

1

0

0

0

Рисунок 3.13 – Карта Карно для нахождения сигнала, поступающего на первую фазу секции памяти

На карте Карно изображены несколько единичных областей (рисунок 3.15).

Исходя из этого, минимальная конъюнктивная нормальная форма будет иметь вид:

Рисунок 3.14 – Временные диаграммы управляющих потенциалов для второй фазы секции памяти

Спроектируем устройство для получения последовательности импульсов на третей фазе секции памяти, временные диаграммы показаны на рисунке 3.16. Таблица истинности показана в таблице 3.7

Таблица 3.7 – Таблица истинности для функции Uф3п

№ терма

U1

U3

Q2

Q’2

Uф3п

0

0

0

0

0

0

1

0

0

0

1

0

2

0

0

1

0

0

3

0

0

1

1

0

4

0

1

0

0

0

5

0

1

0

1

1

7

0

1

1

1

1

8

1

0

0

0

0

9

1

0

0

1

0

13

1

1

0

1

0

11

1

0

1

1

1

15

1

1

1

1

1

6

0

1

1

0

0

14

1

1

1

0

1

10

1

0

1

0

1

12

1

1

0

0

0

На карте Карно изображены несколько единичных областей (рисунок 3.17).

Исходя из этого, минимальная конъюнктивная нормальная форма будет иметь вид:

На рисунке 3.18 изображена схема для получения последовательностей импульсов секции памяти.

3.3 Синтез схемы управления выходным регистром

Направленная передача заряда в ПЗС обеспечивается расположением МОП-конденсаторов[3] на столь близком расстоянии друг от друга, что их обедненные области перекрываются и потенциальные ямы соединяются. При этом подвижный заряд неосновных носителей будет накапливаться в том месте, где глубже потенциальная яма.

Рисунок 3.15 – Карта Карно для нахождения сигнала, поступающего на вторую фазу секции памяти

Рисунок 3.16 – Временные диаграммы управляющих потенциалов для секции накопления

Рисунок 3.17 – Карта Карно для нахождения сигнала, поступающего на третью фазу секции памяти

Рисунок 3.18

На металлические электроды расположенных рядом двух конденсаторов поданы положительные потенциалы U1 и U2. В начальный момент потенциал U1>> U2. В образовавшуюся глубокую потенциальную яму левого конденсатора может быть помещена зарядовая информация.

Затем потенциал левого электрода уменьшим, а потенциал правого – увеличим. Тогда под правым электродом образуется глубокая потенциальная яма, в которую перетечет зарядовый пакет, помещенный ранее в потенциальную яму левого конденсатора. Следовательно, изменяя определенным образом потенциалы на электродах близко расположенных конденсаторов, можно направлено перемещать зарядовую информацию.

Динамику перемещения зарядовых пакетов можно проследить на примере трехкратного сдвигового регистра – устройства, состоящего из цепочки МОП-конденсаторов. Сдвиговым регистром управляют по трехтактной схеме. Каждый электрод прибора подключен к одной из трех тактовых шин с фазами Ф1, Ф2, Ф3. Один элемент сдвигового регистра состоит из трех ячеек МОП-конденсаторов. В течение первого такта работы (момент t1) на электроды фазы Ф1 подано положительное напряжение U2. Под этими электродами образуются потенциальные ямы, в которых могут накапливаться и храниться заряды, образованные неосновными носителями. Заряды в потенциальных ямах могут накапливаться как в результате воздействия светового излучения – тогда заряды будут носителями полезной информации, так и быть следствием паразитного процесса термогенерации. При этом термогенерированые заряды составляют паразитную добавку к информационному заряду и являются источниками темнового тока сигнала изображения. Время хранения зарядов tхр равно времени действия напряжения U2, а режим работы ячейки под электродами фазы Ф1 в это время называется режимом хранения. В момент t2 (второй такт) на электроды фазы Ф2 подается напряжение U3, значение которого превышает в 1,5…2 раза напряжение U2. Это напряжение называется напряжением записи. Оно вызывает появление под электродами фазы более глубоких потенциальных ям, в которые и перетекают электроны из-под электродов фазы Ф1. Режим, при котором электроны перетекают из одних потенциальных ям в другие, называют режимом записи.

В момент t3 (третий такт) напряжение на электродах фазы уменьшится до значения U2, соответствующего режиму хранения, а напряжение на электродах фазы Ф1 уменьшится от значения U2 до U1, что предотвращает возврат зарядового пакета под электроды фазы Ф1. Перенос зарядовых пакетов произойдет слева направо, так как под электродами фазы Ф1 потенциал остается низким, равным U1.

Таким образом можно использовать кольцевой счетчик, который будет последовательно выдавать нужные комбинации на своих выходах.

На рисунке 3.19 показаны сигналы управления выходным регистром для получения которых были замешаны строчный гасящий импульс(U3), кадровый гасящий импульс(U1) и высокочастотные импульсы (Q» 1, Q» 2, Q”3) для переноса информации в регистре.

Спроектируем устройство для получения последовательности импульсов на первой фазе нижнего регистра, временные диаграммы показаны на рисунке 3.20. Таблица истинности показана в таблице 3.8

Таблица 3.8 – Таблица истинности для функции Uф1 р

№ терма

U1

U3

Q”1

Uф1 р

1

0

0

1

1

3

0

1

1

0

5

1

0

1

1

7

1

1

1

1

0

0

0

0

0

2

0

1

0

0

6

1

1

0

1

4

1

0

0

1

На карте Карно изображены несколько единичных областей (рисунок 3.21).

Исходя из этого, минимальная конъюнктивная нормальная форма будет иметь вид:

Спроектируем устройство для получения последовательности импульсов на второй фазе нижнего регистра, временные диаграммы показаны на рисунке 3.22. Таблица истинности показана в таблице 3.9

Таблица 3.9 – Таблица истинности для функции Uф2 р

№ терма

U1

U3

Q”2

Uф2п

1

0

0

1

1

3

0

1

1

1

5

1

0

1

1

7

1

1

1

1

0

0

0

0

0

2

0

1

0

1

6

1

1

0

1

4

1

0

0

1

Рисунок 3.19-Сигналы управления нижним регистром

Рисунок 3.20 – Временные диаграммы управляющих потенциалов для первой фазы нижнего регистра

Рисунок 3.21 – Карта Карно для нахождения сигнала, поступающего на первую фазу нижнего регистра

Рисунок 3.22 – Временные диаграммы управляющих потенциалов для второй фазы нижнего регистра

Рисунок 3.23 – Карта Карно для нахождения сигнала, поступающего на вторую фазу нижнего регистра

На карте Карно изображены несколько единичных областей (рисунок 3.23).

Исходя из этого, минимальная конъюнктивная нормальная форма будет иметь вид:

Спроектируем устройство для получения последовательности импульсов на третей фазе нижнего регистра, временные диаграммы показаны на рисунке 3.24. Таблица истинности показана в таблице 3.10

Таблица 3.10 – Таблица истинности для функции Uф3 р

№ терма

U1

U3

Q”3

Uф3 р

1

0

0

1

1

3

0

1

1

1

5

1

0

1

1

7

1

1

1

1

0

0

0

0

0

2

0

1

0

1

6

1

1

0

1

4

1

0

0

1

На карте Карно изображены несколько единичных областей (рисунок 3.25).

Исходя из этого, минимальная конъюнктивная нормальная форма будет иметь вид:

На рисунке 3.26 изображена схема управления нижним регистром.

3.4 Синтез схемы управления выходным устройством ПЗС

Задача выходного устройства превратить заряды, выводимые из нижнего регистра в напряжение видеосигнала.

На рисунке 3.28 показан принцип работы выходного устройства. Рисунок 3.28, а соответствует по времени III фазе работы нижнего регистра, рисунок 3.28, б I фазе, а рисунок 3.28, в II фазе работы выходного устройства. При этом выводимый заряд оказывается под последним затвором III фазы. На затвор транзистора сброса в это время поступает положительный импульс (p-подложка) который понижает барьер между областями (ямами) плавающей диффузионной области за счет чего заряд в левой части плавающей диффузионной области устанавливается равным напряжению питания правой ямы.

Рисунок 3.24 – Временные диаграммы управляющих потенциалов для третей фазы нижнего регистра

Рисунок 3.25 – Карта Карно для нахождения сигнала, поступающего на вторую фазу нижнего регистра

Рисунок 3.26

Рисунок 3.27 – Выходное устройство ПЗС

Рисунок 3.28 – Принцип работы выходного устройства ПЗС

В течение I фазы подается импульс обеднения на выходной затвор, и заряд переливается из под II фазы в яму под выходным затвором.

В следующий такт (II фаза) яма под выходным затвором исчезает и заряд переливается в плавающую диффузионную область, связанную с затвором выходного транзистора.

Такую последовательность импульсов можно получить при помощи JK-тригиров. Причем данные импульсы должны вырабатываться только во время прямого хода строчной развертки.

Спроектируем устройство для получения последовательности импульсов на выходном затворе, временные диаграммы показаны на рисунке 3.29. Таблица истинности показана в таблице 3.11

На карте Карно изображены несколько единичных областей (рисунок 3.30).

Таблица 3.11 – Таблица истинности для функции Uф1в

№ терма

U1

U3

Qв1

Uф1в

1

0

0

1

1

3

0

1

1

1

5

1

0

1

1

7

1

1

1

1

0

0

0

0

0

2

0

1

0

1

6

1

1

0

1

4

1

0

0

1

Исходя из этого, минимальная конъюнктивная нормальная форма будет иметь вид:

Спроектируем устройство для получения последовательности импульсов на затворе транзистора сброса, временные диаграммы показаны на рисунке 3.31. Таблица истинности показана в таблице 3.12

Рисунок 3.29 – Временные диаграммы управляющих потенциалов для выходного затвора

Рисунок 3.30 – Карта Карно для нахождения сигнала, поступающего на выходной затвор

Рисунок 3.31 – Временные диаграммы управляющих потенциалов на затвор транзистора сброса

Рисунок 3.32 – Карта Карно для нахождения сигнала, поступающего на затвор транзистора сброса

Таблица 3.12 – Таблица истинности для функции Uф2в

№ терма

U1

U3

Qв2

Uф2в

1

0

0

1

1

3

0

1

1

1

5

1

0

1

1

7

1

1

1

1

0

0

0

0

0

2

0

1

0

1

6

1

1

0

1

4

1

0

0

1

На карте Карно изображены несколько единичных областей (рисунок 3.32).

Исходя из этого, минимальная конъюнктивная нормальная форма будет иметь вид:

На рисунке 3.33 изображена схема управления выходным устройством.

Сигналы, поданные на каждую из фаз секции накопления, памяти, нижнего регистра и выходного устройства, должны быть усилены по току до необходимой величины. Схема состоит из операционного усилителя с неинверсным включением. Такие преобразователи уровней будут использованы для каждой фазы четырех секций ПЗС.

Рассчитаем преобразователи уровней для секции накопления. В качестве операционного усилителя будем использовать операционный усилитель К1408УД1 со следующими параметрами:

– Напряжение питания: 7, 40 В,

– Коэффициент усиления: 20 В/мВ,

Рисунок 3.33

– Напряжение смещения: 5 мВ,

– Входной ток: 20 нА,

– Потребляемый ток: 4 мА,

– Максимальный выходной ток: 20 мА.

Рассчитаем значения сопротивлений делителя и .

,

где – значение дифференциального входного напряжения, В;

– входное напряжение, равное 2,8В (поскольку используется ТТЛ логика);

– напряжение обратной связи, В.

выразим , которое будет равно

В.

В свою очередь напряжение обратной связи также находится по формуле

,

где и – сопротивления делителя;

– выходное напряжение усилителя.

Пусть кОм, тогда найдем , поскольку известно, что В и В. Таким образом, получим:

Ом.

Выберем ближайшее номинальное значение 12кОм

Поскольку напряжение питания операционного усилителя К1408УД1 равно В, а напряжение питания матрицы ПЗС 15В, следовательно необходимо поставить стабилитрон. То есть, питание на операционный усилитель будет подаваться через сопротивление R1 и стабилитрон VD1 (2C510A).

Ом,

где – напряжение питания матрицы ПЗС, В;

– напряжение питания ОУ, В;

А,

– входной ток операционного усилителя;

– ток стабилитрона.

Таким образом, исходя из идентичности фаз ФН1, ФН2 и ФН3 будем считать, что

кОм;

кОм;

кОм.

Схемы «драйверов» (приложение А рисунок А.1, А.2, А.3, А.4) будут идентичны для каждой фазы четырех секций ПЗС, будем считать, что:

кОм;

кОм;

кОм.

4. Разработка принципиальной схемы генератора тактовых импульсов

На выходе генератора тактовых импульсов необходимо получить двуполярные последовательности всех видов импульсов, входящих в состав управляющих напряжений для ПЗС. Исходя из необходимости обеспечения фазовых сдвигов импульсов управления секциями накопления, памяти и нижнего выходного однострочного регистра, задающий генератор следует проектировать на частоте в три раза выше требуемой. Самыми высокочастотными являются тактовые импульсы выходного регистра, поэтому задающий генератор должен вырабатывать импульсы с частотой равной утроенной частоте тактовых импульсов выходного регистра:

МГц.

Данный задающий генератор должен вырабатывать следующую последовательность импульсов:

1. Импульсы управления секцией накопления:

– импульсы параллельного переноса зарядов из секции накопления в секцию памяти;

– импульсы с кадровой частотой

– кадровые гасящие импульсы;

2. Импульсы управления секцией памяти:

– кадровые гасящие импульсы;

– импульсы сдвига по секции памяти;

– строчные гасящие импульсы;

– импульсов переноса из секции памяти в секцию нижнего однострочного выходного регистра;

3. Импульсы управления секцией нижнего однострочного выходного регистра:

– кадровые гасящие импульсы;

– строчные гасящие импульсы;

– импульсы выходного регистра;

4. Импульсы управления выходным устройством:

– строчные гасящие импульсы;

– импульсы выходного регистра;

– кадровые гасящие импульсы;

Данные последовательности можно получить при помощи делителей частоты. Наиболее часто для синтеза делителей используются счётчики. Комбинированное включение счётчиков позволяет добиться необходимого коэффициента деления выходной частоты.

Структурная схемы формирования сетки частот при помощи задающего генератора (ЗГ) и делителей частоты (ДЧ) представлена в приложении Б на рисунке Б.1.

Таким образом необходимо синтезировать пять делителей частоты. Сначала необходимо синтезировать делители частоты с наименьшими коэффициентами деления, а затем пользуясь методом комбинирования счётчиков получить более сложные делители.

Делитель частоты на два состоит из одного JK – триггера[3]. Используя временные диаграммы (в приложении Б на рисунке Б.2), можно синтезировать схему делителя. Схема делителя представлена в приложении Б на рисунке Б.3.

Далее синтезируем делитель частоты на три. Он состоит из двух JK триггеров. Схема делителя частоты на три представлена в приложении Б на рисунке Б.4.

Делитель частоты с коэффициентом деления равным четырем состоит из двух JK – триггеров. Схема делителя частоты на двадцать представлена в приложении В на рисунке В.5.

Делитель частоты с коэффициентом деления равным 5 состоит из трех JK – триггеров (рисунок 4.6).

Делитель на 50 состоит из двух схем делителей на пять и одной схемы делителя на два. Делитель на 57 состоит из схем делителей на девятнадцать и схемы делителя на три. Делитель на 890625 состоит из двух схем делителей на сто двадцать пять, одной схемы делителя на девятнадцать и одной схемы делителя на три.

Для получения последовательностей СГИ и КГИ воспользуемся ждущим мультивибратором. В ждущем режиме[4] генератор имеет одно устойчивое состояние равновесия. Внешний запускающий импульс вызывает скачкообразный переход ждущего генератора в новое состояние, которое не является устойчивым. В этом состоянии, называемом квазиравновесным, или временно устойчивым, в схеме генератора происходят относительно медленные изменения, которые в конечном итоге приводят к обратному скачку, после чего восстанавливается исходное устойчивое состояние. Длительность состояния квазиравновесия, определяющая длительность генерируемого прямоугольного импульса, зависит от параметров схемы генератора.

Мы будем использовать ждущий мультивибратор с времязадающей дифференцирующей RC-цепью (приложение Б на рисунке Б.7). Сопротивление возьмем равным R=250 Ом.

Нам нужно получить импульсы СГИ и КГИ длительностью соответственно =13,47368421 мкс и =1.010526316 мс.

tи=C (R+Rвых1) ln(),

С=ln()],

где Rвых1 – выходное сопротивление DD1.1,

Uпор2 – пороговый уровень напряжения переключения элемента DD1.2,

Uвх2 – напряжение отпирания элемента DD1.2.

Рассчитаем значение емкости для схемы ждущего мультивибратора вырабатывающего СГИ:

С= =170.84 нФ

Рассчитаем значение емкости для схемы ждущего мультивибратора вырабатывающего КГИ:

С= =12.81 мФ

В качестве задающего генератора можно использовать симметричный мультивибратор (рисунок 4.8). Схема имеет два динамических состояния. В первом из них, когда на выходе DD66 состояние лог. «1» (выход DD67 лог. «0»), конденсатор С7 заряжается. В процессе заряда напряжение на входе инвертора DD66 возрастает, и при достижении значения Uпор=0,51Uпит происходит скачкообразный переход во второе динамическое состояние, в котором на выходах DD66 лог. «0», DD67 – «1». В этом состоянии происходит перезаряд емкости (разряд) током обратного направления. При достижении напряжения на С7 Uпop происходит возврат схемы в первое динамическое состояние. Диаграмма напряжений поясняет работу (приложение Б на рисунке Б.9). резистор R37 является ограничительным, и его сопротивление не должно быть меньше 1 кОм, а чтобы он не влиял на расчетную частоту, номинал резистора R36 выбираем значительно больше R37 (R37<0,01R36). При использовании неполярного конденсатора С7 длительность импульсов (tи) и пауза (t0) будут одинаковыми: tи=to=0,7R36C7. Полный период T=1,4R36C1. Сопротивление R36 примем равным 100 кОм, тогда R37 = 1кОм, далее найдем емкость С7.

С7= = = 3.20802005•10-12, Ф

Где tи = == 2.245614035•10-8, с

5. Разработка принципиальной схемы блока обработки видеосигнала

Выходное устройство ПЗС значительно отличается от вакуумных передающих трубок. В ПЗС нагрузочное сопротивление заменено ключевой схемой сброса, что позволяет реализовать энергетический выигрыш по выходному сигналу в 4,4 раза. При этом максимальное увеличение амплитуды выходного сигнала может быть достигнуто минимизацией емкости нагрузки С. При расположении транзистора сброса непосредственно на кристалле ПЗС удается обеспечить пФ, что и определяет основное преимущество ПЗС перед трубками в отношении сигнал/шум. Сброс (разряд емкости С) осуществляется с помощью тактовых импульсов, которые проникают на выход. Сигнал на выходе ПЗС можно представить как:

,

где – полезный сигнал, несущий информацию об освещенности данного элемента;

– тактовая помеха;

– шумы ПЗС, которыми можно пренебречь.

При этом может в десятки раз превышать полезный сигнал (приложение Б на рисунке Б.10, а).

Назначение усилителя-формирователя – обеспечить выделение информационной части сигнала от каждого элемента изображения, подавление тактовой помехи, фиксация видеосигнала и усиление его до заданного уровня.

Одной из важных особенностей выходного сигнала ПЗС является наличие физической «черной точки» после каждого зарядного импульса. Это обстоятельство позволяет осуществлять фиксацию уровня выходного сигнала ПЗС по каждому элементу изображения (приложение Б на рисунке Б.10, г) в отличие от передающих трубок, когда фиксацию уровня осуществляют только в момент гашения импульсов строчной развертки.

Считается, что управляемая схема фиксации позволяет эффективно ослабить низкочастотные помехи в сигнале, верхний предел частот которых не превышает . Очевидно, что управляемая схема фиксации по каждому элементу расширяет этот верхний предел до частот. Так как

,

где – число элементов в строке;

– частота строчной развертки.

Верхний предел эффективно ослабляемых аддитивных помех увеличивается в раз, что может существенно увеличить отношение сигнал/шум.

Подавление тактовой помехи можно осуществить с помощью ФНЧ, однако, оно сопровождается характерными искажениями (мощностью изображения), обусловленными наличием провалов после каждого сигнального импульса. Наиболее эффективным является метод, при котором используется схема выборки-хранения. Суть его заключается в том, что значение каждого импульса запоминается на конденсаторе и хранится в течение периода тактовых импульсов (приложение Б на рисунке Б.10). С приходом импульса выборки (приложение Б на рисунке Б.10, в) ключ замыкается, и напряжение на конденсаторе принимает новое значение сигнала, которое запоминается до следующего такта и т.д. Одним из вариантов принципиальной схемы, реализующей принцип работы описанной функциональной схемы, приведен в приложение Б на рисунке Б.12. Схема работает следующим образом. Видеосигнал с выхода ПЗС поступает на затвор истокового повторителя через емкость . Транзистор осуществляет поэлементную привязку сигнала Uч (приложение Б на рисунке Б.10, г) к уровню «черного». Временное положение фиксирующих импульсов (приложение В на рисунке В.10, б) соответствует уровню «черного» в каждом элементе. Импульсы выборки , соответствующие по времени полезному сигналу, подаются на парафазный каскад , который формирует два равнополярных импульса: импульс выборки (положительный) и импульс компенсации (отрицательный).

Импульс выборки через поступает на вход ключа (транзистор) и отпирает его. Происходит перезаряд накопительной емкости . В отсутствие импульса заперт и напряжение на емкости сохраняется постоянным до прихода следующего импульса. Следует отметить, что длительность импульсов фиксации и выборки не должна превышать 20 нсекунд, за это время должна полностью перезарядиться. С другой стороны, на накопительную емкость через паразитную емкость транзистора «просачивается» импульс выборки. Амплитуда этой помехи пропорциональна размаху импульсов выборки и отношению емкостей и :

,

где – напряжение выборки;

– паразитная емкость затвор-сток транзистора ;

– емкость хранения заряда.

То есть, чем меньше , тем больше тактовая помеха на выходе. В схеме предусмотрена компенсация тактовой помехи, для этого через подается импульс обратной полярности. При условии равенства емкостей и происходит компенсация тактовой помехи в видеосигнале. Резистор и емкость транзистора образуют фазокомпенсирующую шину, которая выравнивает форму импульсов. В результате имеется сигнал в виде ступенчатого напряжения, каждая ступенька имеет длительность одного элемента и амплитуду, равную амплитуде полного сигнала (приложение Б на рисунке Б.10, е).

Список источников

1) Пресс Ф.П. Формирователи видеосигнала на приборах с зарядовой связью // М. «Радио и связь» – 1981.

2) Хромов Л.И., Лебедев Н.В. Твердотельное телевидение // М. «Радио и связь» – 1986.

3) Калабеков Б.А. Цифровые устройства и микропроцессорные системы // М. Горячая линия – Телеком – 2005

4) Гольденберг Л.М. Импульсные устройства // М. «Радио и связь» – 1981.

5) Баскаков С.И. Радио/технические цепи и сигналы // М. «Высшая школа» 1988.

6) Джакония В.Е. Телевидение: учебник для вузов // М. «Радио и связь» – 2004.

7) Пресс Ф.П. Фоточувствительные приборы с зарядовой связью // М. «Радио и связь» – 1991.

Поделиться статьёй
Поделиться в telegram
Поделиться в whatsapp
Поделиться в vk
Поделиться в facebook
Поделиться в twitter
Кирилл Кузнецов
Кирилл Кузнецов
Окончил факультет вычислительных систем ТУСУР. По специальности работаю три года. В свободное время занимаюсь репетиторством, беру на дополнительные занятия школьников, а также сотрудничаю с компанией «Диплом777». Беру работы по радиоэлектронике и связям цифровых приборов.

Ещё статьи

Нет времени делать работу? Закажите!
Вид работы
Тема
Email

Отправляя форму, вы соглашаетесь с политикой конфиденциальности и обработкой ваших персональных данных.