Федеральное агентство образования инауки РФ
Южно-Уральский ГосударственныйУниверситет
Приборостроительный факультет
Кафедра РТС
Пояснительная записка к курсовому проекту
по курсу «Телевизионные иоптоэлектронные устройства»
Челябинск 2008
Техническоезадание
В курсовойработе необходимо:
– определитьструктуру камеры;
– выбратьпервичный преобразователь и объектив;
– произвестирасчет основных элементов, определить световую чувствительность, основныехарактеристики;
– числострок при прогрессивной развёртке 625
Диапазоносвещённости: 1–1000 лк
Диапазонрабочих длин волн: 0,4–0,75 мкм
Видразвёртки: прогрессивная
Форматизображения: 4/3
Число строк:625
Выходнойсигнал на Rн= 75+5 Ом 1+0,1 В
Числоразличимых градаций яркости: 8
Нелинейныеискажения: 3%
Питание: 27 Впост. тока
Аннотация
В результатепроведенной работы была разработана схема видеокамеры, позволяющей получатьтребуемое изображение. Согласно требованию технического задания сначала былаопределена структура устройства, представленная в виде основных функциональныхблоков. Далее был произведен расчет элементов и определены параметры объектива,рассчитаны: световая чувствительность и спектральная характеристика.
Содержание
Введение
1. Выбор и обоснованиеструктурной схемы
2. Теоретический раздел
2.1 Принципы построениявидеокамер
2.2 Прогрессивнаяразвертка
3. Электрический расчет передающейкамеры
3.1 Оконечныйвидеоусилитель
3.2 Каскад восстановленияуровня черного
3.3 Смесительвидеосигнала
3.4 Генераторсинхроимпульсов
3.5 Каскад коррекцииапертурных искажений
3.6 Каскад коррекциинелинейных искажений
3.7 Предоконечныйусилитель
3.8 Каскад противошумовойкоррекции
3.9 Автоматическаярегулировка режима
4. Расчет параметровобъектива
5. Расчет параметров первичногопреобразователя
Заключение
Литература
Введение
Телевидение –это передача изображения на расстояние с помощью электронных устройств. Припередаче изображения формируются электрические сигналы элементов изображения,при этом один кадр изображения разбивается на строки. Количество строк строго фиксированопо стандарту 625/50 или 575/60. При формировании отдельных строк элементы изображенияпреобразуются в электрические сигналы аналоговой или цифровой формы. Дляпреобразования элементов изображения в сигнал применяют приёмопередающиеэлементы, которые позволяют преобразовать квант световой энергии вэлектрический сигнал.
В основетелевидения лежат три физических процесса: преобразование световой энергии вэлектрические сигналы; передача и прием электрических сигналов; преобразованиеэлектрических сигналов в оптическое изображение.
Исходя извышесказанного, в курсовой работе требуется рассмотреть принципы построения ифункционирования основных блоков схемы, показать прохождение сигналов ипроизвести расчет элементов схемы.
1. Выбор иобоснование структурной схемы
Структурнаясхема разрабатываемой передающей камеры приведена на рисунке.
/>
Рис. 1.1Структурная схема передающей камеры
Она содержитследующие каскады:
Видиконявляется одним из главных устройств передающей камеры. Он осуществляетпреобразование световой энергии в электрический сигнал.
Видеоусилитель(противошумовой корректор, предоконечный усилитель, корректор нелинейныхискажений, корректор апертурных искажений).
Противошумовойкорректор.
Противошумовойкорректор предназначен для увеличения соотношения сигнал/шум яркостного сигналапоступающего с первичного преобразователя. В качестве первичногопреобразователя используется видикон, обладающий достаточно высокимсоотношением сигнал/шум, но малым уровнем сигнала на нагрузке. Поэтомусоотношение сигнал/шум в основном определяется собственными шумамипротивошумового корректора. Следовательно, в качестве противошумовогокорректора должен выступать видеоусилитель с малыми собственными шумами.
Предоконечныйусилитель.
Предоконечныйусилитель предназначен для повышения видеосигнала до уровня, обеспечивающегонормальное функционирование последующих каскадов. Предоконечный усилительдолжен обладать низкими значениями вносимых в видеосигнал искажений.
Корректорнелинейных искажений.
Корректорнелинейных искажений необходим для коррекции нелинейных искажений вносимых всигнал первичным преобразователем. В общем случае для сохранения подобияпередаваемого и воспроизводимого изображения необходимо обеспечить прямуюпропорциональность между яркостью элементов передаваемого и принимаемогоизображения. Следовательно корректор является звеном с кусочно-линейнойхарактеристикой.
Корректорапертурных искажений.
Апертурныеискажения изображения возникают первичных преобразователях конечных поперечныхразмеров электронного луча и аберрации в оптических системах. Наибольшееприменение из всех схем коррекции получила схема дифференциальной и разностнойкоррекции. Он основан на алгебраическом сложении сигнала и его четныхпроизводных.
Блокформирования сигнала(смеситель, каскад восстановления уровня черного).
Смеситель предназначендля получения из видеосигнала и синхросмеси полного телевизионного сигнала. Смесительдолжен иметь низкие уровни вносимых искажений.
Каскадвосстановления уровня черного.
Данный каскадпредназначен для восстановления уровня постоянной составляющей полноготелевизионного сигнала утраченного после прохождения сигнала через линейныецепи усиления и коррекции.
Синхрогенераторпредназначен для формирования импульсов синхронизирующих системы развертки напередающей и приемной стороне. Он должен обладать высокой стабильностьюзадающего генератора для уменьшения вносимых искажений.
Генераторразверток луча.
Генераторыразвертки луча предназначены для отклонения развертывающего луча при помощипилообразных токов пропускаемых через отклоняющие катушки первичногопреобразователя. Генераторы развертки луча управляются синхрогенератором. Основноетребование к генераторам развертки – высокая степень линейности пилообразногосигнала.
2.Теоретический раздел
2.1 Принципы построения видеокамер
Видеокамеры по назначению можно подразделить напрофессиональные (студийные, для внестудийного производства и для телевизионнойжурналистики), полупрофессиональные и бытовые (любительские). Главные различияздесь заключаются в качестве получаемого изображения (у студийных камер онодолжно быть самым высоким) и, кроме того, в функциональных возможностях,степени автоматизации, удобстве в работе, массогабаритных показателях,потреблении электроэнергии и др.
К оптической части видеокамер предъявляются те жеосновные требования, что и к фото-, кино- и телекамерам: высокая светосилаобъектива; высокая разрешающая способность (для матриц ПЗС – приборов сзарядной связью – это связано с количеством элементов); больший диапазонизменения фокусного расстояния (для объектива с переменным фокусным расстояниемОПФ).
Очень распространены в видеокамерах системаавтоматической фокусировки и система автоматического управления диафрагмой.Достигнутые в настоящее время в видеокамерах высокая светосила объектива ивысокая чувствительность преобразователя свет / сигнал на ПЗС позволяютпроизводить видеосъемку в условиях очень низкой освещенности объекта съемки –порядка нескольких (2…7) люкс. Разрешающая способность лучших видеокамердостигает 700 твл и более, отношение сигнал/шум по изображению – 60…62 дБ.
Многие камеры оснащены так называемой системой«электронный затвор» с возможностью изменения «выдержки». Выбор коротких(1/2000…1/1000 с) выдержек позволяет уменьшить смазывание изображения привидеосъемках быстродвижущихся объектов. При движении видеокамеры качествоизображения по устойчивости может быть улучшено за счет применения встроенной электроннойсистемы стабилизации изображения.
Функциональные возможности видеокамер в настоящеевремя расширяются благодаря успехам микроэлектроники. Появились встроенныесистемы синтеза титров, электронного монтажа, дополнительного озвучивания и др.улучшились сервисные возможности видеокамеры, вплоть до встроенных системдиагностики неисправностей.
2.2 Прогрессивная развертка
Прогрессивная развертка – самый простой видтелевизионной развертки.
Процесс образования такой развертки состоит вследующем: на пару отклоняющих пластин подается пилообразное напряжение отгенератора строчной частоты fz (рис. 2.2.1). Под действием этогонапряжения электронный луч с постоянной скоростью перемещается слева направо(прямой ход строчной развертки) и затем быстро возвращается справа налево висходное положение (обратный ход строчной развертки).
/>
Рис. 2.2.1 Образование растра на экране электроннолучевойтрубки
На пару отклоняющих пластин подается пилообразноенапряжение от генератора кадровой частоты fn. Под действием этогонапряжения электронный луч постепенно опускается сверху вниз (прямой ходкадровой развертки) и затем быстро поднимается вверх в исходное положение(обратный ход кадровой развертки).
Так как строчная частота много выше кадровой (fz» fn), на экране трубкивозникает сетка из параллельных почти горизонтальных светящихся строк, которыеобразуют прямоугольную фигуру, так называемый растр.
Отношение ширины растра b к его высоте h называется форматом кадраК:
К=b/h
Во время прямого кадрового хода электронный луч,двигаясь вдоль строк, все время медленно опускается, и строки имеют практическинезаметный наклон слева направо вниз.
Для передачи изображения используется толькопрямой кадровый ход, следовательно, строки, соответствующие прямому кадровомуходу, активные, а строки, соответствующие обратному кадровому ходу, пассивные.Полное число строк в кадре, равное сумме активных и пассивных строк, являетсяодним из важнейших параметров развертки. При оптимальных значениях остальныхпараметров и характеристик телевизионной системы оно определяет степеньразличимости отдельных мелких деталей изображения, т.е. четкость изображения.
Выбор частоты повторения кадров определяетсядвумя факторами: характером передаваемого изображения (подвижное илинеподвижное) и яркостью свечения экрана приемной трубки.
Выбор параметров развертки определяет ширинуспектра частот телевизионного сигнала, которая должна соответствовать полосепропускания канала связи. Ширина спектра частот сигнала изображенияопределяется размерами и скоростью движения развертывающего элемента ихарактером передаваемого изображения (размерами его деталей). В общем случаесигнал изображения носит импульсный характер, что приводит к большой ширинеспектра частот.
Самый низкочастотный сигнал получается припередаче неподвижного изображения, состоящего из двух горизонтальных полос – однойбелой и одной черной. Соответствующая этому изображению минимальная частотаравна частоте кадровой развертки.
Максимальная частота сигналов, получающаяся принекоторых простейших изображениях, состоящих из чередующихся черных и белыхгоризонтальных или вертикальных полос, может быть выражена:
fс.макс=0,5kфZ2fкадр
где: kф – число полос,
Z – число строк,
fкадр – частота кадра.
Недостатки прогрессивной развертки заключаются втом, что при стандартном числе строк Z=625 и частоте кадров fкадр=50 Гц максимальнаячастота сигнала fс.макс≈13 МГц.
Создание каналов связи для передачи стольширокополосных сигналов встречает исключительные трудности и в ряде случаевделает невозможной передачу телевизионных изображений.
3.Электрический расчет передающей камеры
3.1 Оконечныйвидеоусилитель
/>
Рис. 3.1.1Схема оконечного усилителя
В качествеоконечного усилителя выберем двухтактный усилитель, который обладаетпараметрами приемлемыми при работе на нагрузке 75 Ом. Максимальный ток нагрузки:
/>.
Полученноезначение тока некритично к выбору типа транзистора. Поэтому в качествеактивного элемента выберем согласованную пару транзисторов КТ315А, КТ361А. Вкачестве диодов смещения выберем диоды КД512А.
Ток смещения:
/>.
Резисторысмещения:
/>
Резисторы R3, R4 предназначены длястабилизации тока покоя и имеют сопротивление порядка нескольких Ом. Выберем R3=R4=1Ом.
Входноесопротивление каскада:
/>
3.2 Каскадвосстановления уровня черного
/>
Рис. 3.2.1Схема каскада восстановления уровня чёрного
При зарядеконденсатора C1 постоянная времени цепи />. Приразряде конденсатора постоянная времени цепи />. При этом искаженийвидеосигнала не будет возникать при условии />.
Выберемконденсатор C1 = 1мкФ.
В качествезарядного диода выберем диод Шоттки SM5817.
Так как диодобладает достаточно малым сопротивлением, то условие будет выполняться вшироком диапазоне значений сопротивления резистора R1. Поэтому выберемсопротивление резистора R1=30 кОм.
3.3 Смесительвидеосигнала
/>
Рис. 3.3.1Схема смесителя
В качествесмесителя видеосигнала выберем резисторный каскад с общим коллектором [1]. Вкачестве активных элементов выберем транзисторы КТ315А.
Выходноесопротивление каскада:
/>.
Исходя изполученного неравенства, выбираем R3=2 кОм.
Начальный токсмещения:
/>.
Выберемкоэффициент усиления по напряжению KУ=2.
Эмиттерныйрезистор:
/>.
Базовый ток:
/>.
Выбор базовыхрезисторов:
/>
/>
Из полученнойсистемы R1=8.2кОм, R2=3.6кОм.
Входноесопротивление каскада:
/>.
Следовательно,RВХ=2.4 кОм.
Эмитерный конденсатор:
/>.
Разделительныеконденсаторы:
/>
Второйтранзистор управляется КМОП сигналом, в связи с чем резистор R5 выполняет функциюограничения тока.
Выберемзначение резистора R3=33кОм.
3.4 Генераторсинхроимпульсов
Структурнаясхема синхрогенератора приведена на рисунке 3.4.1
/>
Рис. 3.4.1.Схема синхрогенератора
Задающийгенератор построен на двух логических элементах, охваченных обратной связьючерез кварцевый резонатор и конденсатор. Делители построены на JK‑триггерах.
Формированиенизкочастотных и высокочастотных, а также всех вспомогательных импульсов,используемых при их формировании, производятся логическим сложением илиумножением сигналов, поступающих с делителей.
3.5 Каскадкоррекции апертурных искажений
Каскадкоррекции апертурных искажений представляет собой сумматор входного сигнала иего второй производной с определенными весовыми коэффициентами [3]. Наиболееподходящими активными элементами будут транзисторы КТ315А.
/>
Рис. 3.5.1Каскад коррекции аппертурных искажений
Выходноесопротивление каскада:
/>.
Исходя изполученного неравенства выбираем R4=1кОм, R7=1кОм.
Начальный токсмещения VT1:
/>.
Эмиттерныйрезистор VT1:
/>.
Базовый ток VT1:
/>.
Выбор базовыхрезисторов VT1:
/>
/>.
Из полученнойсистемы R1=2.7кОм, R2=3.3кОм.
Начальный токсмещения VT2:
/>.
Базовый ток VT2:
/>.
Выбор базовыхрезисторов VT2:
/>
/>.
Из полученнойсистемы R5=2.7кОм, R6=3.3кОм.
Входноесопротивление каскада:
/>.
СледовательноRВХ=1 кОм.
Разделительныеконденсаторы:
/>.
Дифференциальнаяразвязка:
/>
Данномуусловию соответствуют значения C3=1 нФ, L1=6 мкГн.
Высокочастотныйфильтр:
/>
Данномуусловию соответствуют значения C4=10 пФ, R8=7.9 кОм.
3.6 Каскадкоррекции нелинейных искажений
/>
Рис. 3.6.1Каскад коррекции нелинейных искажений
Каскадкоррекции нелинейных искажений представляет собой усилительный каскад с общим истокоми ступенчатой истоковой стабилизацией тока покоя [2]. Особых требований к мощностиданного каскада не предъявляется. Поэтому для реализации корректора выбираемтранзистор КП313Б, диоды Шоттки SM5817.
Стоковыйрезистор:
/>.
Выбираемрезистор R2= 1 кОм.
Начальный токстока:
/>.
Истоковыйрезистор:
/>.
Регулировкунелинейности будем производить в диапазоне напряжений до 1 В. Для наиболееплавной регулировки выберем резисторы R7=R8=470 Ом.
Делительсмещения:
/>.
Исходя изэтих соотношений сопротивления резистора R6=2.7 кОм.
Начальныетоки смещения на участках нелинейной характеристики:
/> />.
Выборрезисторов обратной связи:
/>
/>
Из данныхсоотношений R4=2.2 кОм, R5=3.3 кОм.
Подтягивающийрезистор на затворе выбирается исходя из токов утечки затвора. Для данноготранзистора наиболее подходящий резистор R1=1 МОм.
Входноесопротивление:
/>.
Разделительныеконденсаторы:
/>
3.7 Предоконечныйусилитель
Данныйусилитель представляет резисторный каскад, включенный по схеме с общим истоком[4]. Усилительным элементом является транзистор VT1. Транзистор VT2 задает начальный токстока и следовательно, коэффициент усиления. Наиболее подходящими для даннойсхемы являются транзисторы КП313Б.
/>
Рис. 3.7.1Предоконечный усилитель
Стоковыйрезистор:
/>.
Выбираемрезистор R2=1 кОм.
Начальный токстока:
/>.
Крутизнахарактеристики при данном токе S=10 мА/В.
Коэффициентусиления каскада:
/>.
Необходимоесмещение затвора транзистора VT2 UЗИ=1.2 В.
Делитель R3,R4:
/> />
Из данныхсоотношений R4=100 кОм, R3=910 кОм.
Резистор R1 определяется исходя изтоков утечки затвора. Выбираем значение R1=1МОм.
Входноесопротивление:
/>.
Разделительныеконденсаторы:
/>.
Блокировочныеконденсаторы фильтруют помехи питающих напряжений. Оптимальные значения С2=С4=100нФ.
3.8 Каскадпротивошумовой коррекции
/>
Рис. 3.8.1Схема каскада противошумовой коррекции
Каскадпротивошумовой коррекции представляет собой резисторный каскад на полевомтранзисторе, включенным по схеме с общим истоком [2]. Реализуем данный каскадна транзисторе КП313Б.
Стоковыйрезистор:
/>.
Выбираемрезистор R1=1 кОм.
Ток стока:
/>.
Истоковыйрезистор:
/>.
Коэффициентусиления каскада:
/>.
Эмиттерныйконденсатор:
/>.
Разделительныеконденсаторы:
/>.
Сопротивлениерезистора на затворе выбирается намного меньше сопротивления передающей трубки(1…10 МОм). Выбираем значение резистора R2=100 кОм.
Корректирующийконденсатор:
/>.
3.9 Автоматическаярегулировка режима
Постоянствоуровня видеосигнала на выходе камеры поддерживается с помощью схемыавтоматической регулировки режима (АРР) видикона, которая входит в состав блокаформирования сигнала.
Схема АРРвырабатывает управляющее напряжение отрицательной полярности при измененииосвещённости на фотослое видикона. Это напряжение 5–27 В поступает на катодвидикона. Таким образом, обеспечивается постоянство тока сигнала с видикона приизменении освещённости на мишени от 1 до 1000 люкс.
4. Расчетпараметров объектива
Так какприходится работать с освещённостью от 1 до 1000 лк, то чтобы добиться напервичном преобразователе необходимой рабочей освещённости (1 лк), необходимообеспечить соответствующую световую чувствительность системы. То есть />. Где ρ – коэффициент отраженияот предметов, τ – коэффициент прозрачности линзы и атмосферы. Учитывая, чтоникаких особых условий работы камеры не оговорено, примем ρ=0,1 и τ=0,9. Больше ничто неоказывает влияние на чувствительность, кроме />.Следовательно способность объектива создать достаточно яркое изображениезависит в значительной степени от светосилы объектива:
/>
где D‑диаметр объектива,f – фокусное расстояниеобъектива.
/>= 6,67
Возьмёмдиаметр объектива D = 30 см, тогда фокусное расстояние f должно быть не более 4,5 см.
5. Расчетпараметров первичного преобразователя
Исходя изтехнического задания, можно выбрать модель видикона, который будетудовлетворять требованиям.
Видикон ЛИ‑428имеет следующие характеристики:
Диаметр колбы– 26,0 мм
Материалмишени – Sb2S2 (серемяно-серный)
Размер мишени– 9,5х12,7 мм
Рабочаяосвещённость – 0,1 лк
Разрешающаяспособность в центре – 500 твл
Ток сигнала –0,1 мкА
Типотклонения и фокусировки – Э-Э
Такойпервичный преобразователь может обеспечить требуемый формат 4/3, а так же имеетприемлемую рабочую освёщенность и спектральную характеристику
/>
Рис. 5.1Спектральная характеристика видиконов: 1 – ЛИ‑421, 2 – ЛИ‑418, 3 –428
Световаяхарактеристика видикона определяется свойствами фотопроводимости мишени от еёосвёщенности и зарядом элементарного конденсатора. Заряд зависит от напряженияна сигнальной пластине Uсп, в связи с чем, световые характеристики видиконаобычно приводят для различных значений Uсп.
/>
Рис. 5.2Световые характеристики видикона
Следовательно,что бы стабилизировать ток сигнала iс, необходимо на сигнальную пластину подаватьнапряжение от АРР (автоматической регулировки режима).
Заключение
В результатевыполнения проекта произведен полный 4 электрический расчет передающей камеры сучетом основных движущих тенденций в электронике. Произведен расчет параметровобъектива и спектральной характеристики видикона. Расчеты подтверждают, чтопараметры разработанной камеры не хуже параметров указанных в техническомзадании.
Литература
1. Искусство схемотехники/под ред. М.В. Гальперина. – М.: Мир, 1983
2. Домбругов Р.М. Телевидение.– Киев: Высшая школа, 1988
3. Джакония Е.В. Телевидение. –М.: Радио и связь, 2000
4. Блиндер Е.М., Фурман С.Л. Телевидение.– М.: Радио и связь, 1984
5. Биков Р.Е. Телевидение.– Москва: Высшая школа, 1988