Malé černobílé deskové CCTV kamery s číslem "1043" v označení typu jsou osazeny HAD CCD senzory od Sony a obsahují na jednom malém plošném spoji kompletní systém kamery s TV výstupem. Některé z nich ( obvykle označené "X" ) mají citlivý ExView HAD CCD senzor. Schopnost zachytit slabě osvětlené objekty je bohužel limitována nejdelší dobou expozice 1/50 sekundy, která je dána TV výstupem s 50 půlsnímky za sekundu. Delší expozice je možné dosáhnout zablokováním řídících impulsů pro přenos náboje z buněk CCD do registrů. Pokud je zároveň blokována elektronická závěrka, je náboj v prvcích snímače akumulován trvale, dokud nejsou příslušné řídící signály obnoveny. Po dobu expozice snímač neposkytuje signál a video na výstupu obsahuje pouze černé snímky. Po obnovení čtení CCD se na výstupu objeví jeden akumulovaný snímek. Pokud je video zachyceno do počítače, může z něj být snímek vybrán a uložen. Úprava zajišťuje generování synchronizačních a zatemňovacích impulsů i v průběhu dlouhé expozice, na výstupu je tedy stále signál a nedojde ke ztrátě synchronizace.

Princip funkce

Před časem Jon Grove publikoval podrobný popis své úpravy kamery 1004X. Tímto mu znovu děkuji za výzkum vlastností kamery a doporučuji jeho stránky přečíst.

Návrh je založen na způsobu, jakým je v CCD senzoru inicializován přenos náboje z buněk snímače do vertikálních registrů. Tento přenos probíhá, když na vstupy vertikálního rozkladu CCD přijde kladný impuls +15V ( samotný vertikální rozklad je řízen napětím -8V s impulsy 0V ). Pokud tyto impulsy zablokujeme, systém kamery pracuje dál, ale náboj není přenášen do výstupu a akumuluje se v buňkách snímače.

Impulsy +15V vytváří vertikální driver v časovacím obvodu CXD2463R na desce kamery. Po přerušení kladného napájení ( VH ) vertikálního driveru jsou tyto impulsy blokovány, zatímco samotný driver pracuje dál. Po obnovení napájení je v následujícím půlsnímku přenesen náboj z CCD na výstup. Aby před výstupem prvního půlsnímku dlouhé expozice nebyl přenesen ( a vynulován ) náboj druhého půlsnímku, je nutné nejprve na dobu jednoho půlsnímku blokovat kladný impuls na vstupu V3 vertikálního rozkladu CCD. Tak náboj v buňkách druhého půlsnímku zůstane i při čtení prvního půlsnímku a po odblokování signálu se objeví na výstupu.

Pro zachování akumulovaného náboje v buňkách CCD je také nutné zablokovat elektronichou závěrku snímače. K tomu je možné využít vstupy časovacího obvodu, určené pro řízení závěrky. Čtvrtým řízeným vstupem je pak napájení CCD senzoru. Po dobu dlouhé expozice je snímač napájen přes odpor, což vyřadí vnitřní zesilovač, který jinak může způsobit expozici části CCD elektroluminiscencí.

Kamera typu "1043" je poněkud odlišná od typu "1004" - má 760 sloupců buněk CCD místo 510, téměř čtvercové pixely ( 6.50 x 6.25 um ) a jinak řešený plošný spoj. Časovací obvod je však u obou kamer stejný, takže základní princip úpravy vychází z Jonových zkušeností. Podstatné rozdíly jsou v přídavné desce s řídícím obvodem :

• Na desce nejsou relátka, všechny signály jsou spínány tranzistory.
• Obvod je samostatný, řízený vlastním mikrokontrolérem a nepotřebuje ovládání z paralelního portu počítače. K případnému ovládání přes sériový port lze využít UART mikrokontroléru.
• Časování obvodu je synchronizováno signály kamery. Díky tomu jsou oba prokládané půlsnímky dlouhé expozice vždy v jednom snímku TV výstupu a lze je snadno identifikovat a zachytit. Také je možné do značné míry řídit přechodové jevy při spínání signálů a minimalizovat jejich vliv na automatické řízení zisku digitizeru v počítači apod.

Kromě čtyř ovládaných vstupů ( napájení VH, napájení CCD, signál V3 a řízení závěrky ) je zapotřebí přivést do ovládacího obvodu synchronizační a zatemňovací impulsy. Propojení dalších signálů ( vstup +15V z kamery, řízení zisku zesilovače, výstup AGC ) závisí na zvolené variantě zapojení.

Pro zájemce o podobnou úpravu kamery mám nejprve varování :
Jedná se o poměrně hrubý zásah do elektroniky kamery, který sice funguje, ale je snadné při něm kameru zničit. Fakt, že se podařilo sestrojit několik funkčních exemplářů, ještě neznamená, že to bude stejně fungovat i Vám. Proto pochopitelně předem odmítám jakoukoliv odpovědnost za případné škody, záchvaty, psychické, rodinné i jiné problémy, jež by mohly být důsledkem aplikace tohoto návrhu.

Pokud Vás to nemůže odradit, jste patrně dostatečně zkušení a/nebo odvážní elektroničtí bastlíři, takže dále už najdete instrukce k přestavbě kamery.

Hardware

Postup úpravy dává na výběr z několika variant. Minimální verze umí dlouhé expozice a většinou funguje ke spokojenosti uživatele. Další varianty obsahují následující rozšíření :

• Vlastní zdroj napájení +15V pro CCD na přídavné desce ( měnič z 12V napájení na 15V ). Z této varianty se stala standardní verze po špatných zkušenostech se stabilitou interního zdroje jednoho exempláře kamery. Plošné spoje pro přídavný obvod s tímto řešením počítají. Odpadne jeden vodič mezi kamerou a spínacím obvodem a zmenší se riziko problémů při oživení obvodů.
• Vlastní zdroj napájení -8V na přídavné desce. Tato varianta byla realizována jen v jednom exempláři s kamerou, jejíž interní měnič napětí byl příliš nestabilní a projevoval se různým rušením. Obvykle toto řešení není nutné a jen zbytečně komplikuje obvody i propojení s kamerou.
• Manuální ovládání zisku výstupního zesilovače kamery. Toto rozšíření je užitečné a proto je také součastí standardní verze zapojení. Automatika kamery při snímání noční oblohy nastavuje zisk na maximum, což vyhovuje na fotografie slabých objektů, ale někdy je vhodné "citlivost" záměrně snížit - např. při fotografováni planet, nebo pro omezení šumu, rušení apod. Ve standardním zapojení zůstává možnost automatické řízení zisku zapnout.

Dále je potřeba pro vybranou verzi zapojení sestavit spínací a řídící obvody. Jako příklad uvádím popis a schéma různých variant, které jsem vyzkoušel. Pro standardní verzi jsou k dispozici také návrhy plošných spojů. Základní funkce obvodů jsou snad z popisu zřejmé, vlastní modifikaci si tedy každý může vytvořit podle požadovaných vlastností, dostupných součástek apod. Doporučuji před propojením s kamerou i po něm obvod důkladně otestovat.

Software

V průběhu dlouhé expozice musí program mikrokontroléru provést následující akce :

• Blokování elektronické závěrky CCD
• Vypnutí napájení VH vertikálního rozkladu - začátek expozice
• Snížení napájení CCD pro omezení elektroluminiscence od vnitřního zesilovače
• Zablokování kladných impulsů v signálu V3 vertikálního rozkladu
• Obnovení napájení VH vertikálního rozkladu
• Obnovení plného napájení CCD
• Obnovení kladných impulsů v signálu V3 vertikálního rozkladu

Zájemci mohou použít aktuální verzi programu, používaného v kamerách. Ta je výsledkem řady pokusů a pracuje spolehlivě.

Výsledek

NGC7000 ( Severní Amerika ) Objektiv Zeiss Pancolar 50/1.8, clona f/4 Kombinace 8sec. a 15sec. expozic Bez chlazení, bez pointace Kliknutím na náhled dostanete větší obrázek. Poměrně zřetelný šum je dán malým počtem průměrovaných expozic a vysokou okolní teplotou

Odkazy :

• Popis úpravy desky kamery
• Popis zapojení řídících obvodů.
• Popis standardní varianty plošných spojů.
• Popis plošného spoje včetně zdroje -8V.
• Popis a příklad programu mikrokontroléru.
• Ukázky fotografií upravenou kamerou.