Технические параметры, которыми характеризуются цифровые видеокамеры

Передающая телевизионная трубка - это электронно-лучевой прибор. Существует большое количество различных типов передающих телевизионных трубок, основными из которых являются видиконы, глетиконы (плюмбиконы), ньювиконы и др. Всех их объединяет наличие фотопроводящей мишени, малые габариты и масса, небольшое число регулировок, достаточно высокая чувствительность и разрешающая способность.

Основными элементами видикона, например, являются мишень и электронный прожектор, состоящий из подогревного катода, модулятора, анодов, фокусирующего и ускоряющего электродов. Прожектор предназначен для формирования электронного пучка. Мишень, состоящая из сигнальной пластины и полупроводникового фотопроводящего слоя, нанесена на внутреннюю поверхность передней стенки баллона трубки. На мишени создается и хранится потенциальный рельеф, соответствующий входному оптическому сигналу. Сигнальная пластина представляет собой довольно тонкий слой двуокиси олова или индия и имеет кольцеобразный вывод для подачи на фотослой напряжения 10....80В и снятия электрического сигнала во время работы трубки. Сигнальная пластина имеет прозрачность для света около 80%.

Электронный пучок отклоняется системой строчных и кадровых катушек. Две пары магнитов коррекции луча, расположенные в области модулятора, создают поперечное магнитное поле, центрирующее электронный пучок на начальном участке траектории. Временные параметры развертки электронного пучка в видиконе должны строго соответствовать временным характеристикам стандартного телевизионного сигнала.

На мишени в соответствии с проецируемым изображением образуется распределение электронного потенциала - потенциальный рельеф, глубина которого определяется разностью напряжений. При развертке происходит считывание этого потенциального рельефа, стирание его и модуляция тока луча потенциальным рельефом.

Временные параметры развертки электронного пучка в видиконе должны строго соответствовать временным характеристикам стандартного телевизионного сигнала, иначе при воспроизведении полученного сигнала могут возникнуть геометрические искажения и нарушения синхронизации изображения в телевизионном приемнике.

В основу построения камер цветного телевидения положена теория трехкомпонентного цветового зрения. Поэтому в цветной видеокамере формируется цветной телевизионный сигнал, состоящий из сигнала яркости и сигналов цветности основных цветов. Первые камеры системы цветного телевидения имели три передающие трубки для трех основных цветов. Такие камеры оказались на много сложнее камер черно-белого телевидения. В современных цветных видеокамерах до недавнего времени использовалась одна передающая трубка. При этом автоматически обеспечивалось совмещение растров и идентичность характеристик преобразователя свет-сигнал отдельных каналов.

Для получения сигналов трех основных цветов используются растровые светофильтры, которые наносятся полосами на фронтальную поверхность мишени. Сигнал, полученный на выходе трубки, будет содержать смесь сигналов всех трех основных цветов. С помощью электронных схем из этого сигнала выделяются сигнал яркости Y и сигналы красного (R) синего (B) цветов. Далее сигналы R и В преобразуются в цветоразностные сигналы R-Y и B-Y, из которых затем модулятором формируется сигнал цветности той или иной системы цветного телевидения, и при смешивании с сигналом яркости образуется полный цветовой телевизионный сигнал.

Преобразователь свет-сигнал представляет собой фоточувствительный прибор с зарядовой связью. Рассмотрим его структурную схему на примере распространенной в видеокамерах микросхемы 1/3 дюймового ПЗС - сенсора ICX055BK производства SONY.

На рисунке 2.3 показана структура ПЗС - сенсора ICX055BK.Это матрица из ячеек различного цвета с управлением по горизонтали и вертикали. Матрица состоит из секции накопления (открытая для света), секции хранения и горизонтального сдвигового регистра (закрытых о света). Изображение проектируется на секцию накопления. В течение времени прямого хода кадровой развертки (20 мс, скорость срабатывания электронного затвора 1/50с) в секции накопления происходит накопление фотозарядов, пропорциональных освещенности изображения.

Во время обратного хода кадровой развертки осуществляется параллельный перенос картины зарядов в секцию хранения. Поскольку считывание зарядов осуществляется дискретно, то при этом образуются помехи, называемые помехами дискретизации, которые накладываются на основной сигнал изображения и образуют муаровые узоры.

Рисунок 2.3 - Структурная схема ПЗС - сенсора ICX055B

Поэтому ставят так называемые оптические предварительные фильтры, которые состоят из трех пластин, у которых плоскости поляризации повернуты друг относительно друга на 45. Оптический фильтр не полностью подавляет помехи. Окончательное подавление помех производится при обработке сигналов ПЗС - сенсора.

Секция хранения состоит из таких же элементов, что и секция накопления, и предназначена для хранения фотозарядов, сформированных в предыдущем кадре. Секция хранения скомпонована в виде вертикальных сдвиговых регистров, количество которых равно числу элементов в строке. Накопление зарядов в элементах секции накопления начинается с момента обнуления зарядов, накопленных в предыдущем кадре. Этот момент совпадает с запуском прямого хода кадровой развертки. Величина заряда, накопленного в каждом пикселе (элементе изображения), пропорциональна освещенности данного элемента. Совокупность фотозарядов, накопленных во всех пикселях образует зарядовую картину.

Назначение выводов ICX055BK приведено в таблице 2.1

видеокамера преобразователь свет трансфокатор

Таблица 2.1 Назначение выводов ICX055BK

№ вывода	Символ	Описание
1	Vф4	Вертикальный тактовый импульс
2	Vф3	Вертикальный тактовый импульс
3	Vф2	Вертикальный тактовый импульс
4	Vф1	Вертикальный тактовый импульс
5	GND	Общий
6	Vgg	Смещение выходного усилителя
7	Vss	Питание выходного усилителя
8	Vout	Выход сигнала
9	Vdd	Питание выходного усилителя
10	GND	Общий
11	SUB	Подложка
12	VI	Защитное смещение
13	RG	Импульс сброса
14	NC	Не используется
15	Hф1	Горизонтальный тактовый импульс
16	Hф2	Горизонтальный тактовый импульс

В качестве примера на рисунке 2.4 а,б,в, приведены структурные схемы ПЗС-сенсоров в виде различных микросхем. (ICX038DNA, ICX059CK, ICX098AK). Отличительной особенностью этих микросхем является разрешающая способность, метод подключения, чувствительность фотоячеек или пикселей.

Размещено на http://www.allbest.ru

Вертикальный драйвер - устройство формирования вертикальных тактовых импульсов для ПЗС-сенсора. Рассмотрим его структурную схему на примере драйвера СXD1267AN производства фирмы SONY, который является усовершенствованием ранее выпускающегося драйвера CXD1250. На рисунке показана структурная схема драйвера. Как и любом фотоаппарате между оптической системой и светочувствительным слоем (ПЗС-сенсором) устанавливается регулируемая диафрагма. Обычно во всех видеокамерах имеется автоматическая установка диафрагмы, хотя во многих камерах ее можно устанавливать вручную.

Автоматическая установка диафрагмы является дополнительным методом регулировки силы света, попадающего на ПЗС-сенсор. Яркостный сигнал, выделенный в целях обработки видеосигнала, анализируется микропроцессором по различным зонам объекта съемки. При этом вычисляется оптимальная диафрагма при заданной оператором выдержке и подается управляющий сигнал на драйвер двигателя диафрагмы.

Размещено на http://www.allbest.ru

В последние годы некоторые фирмы начали применять новый тип сенсоров изображения, называемых КМОП - сенсорами. Не вдаваясь в физическое описание этого типа сенсоров, укажем, что они имеют два важных преимущества по сравнению с ПЗС - сенсорами: непосредственный цифровой выход сигнала (отпадает необходимость в аналого-цифровом преобразователе) и работу с одним источником питания (+3,3В).

Сравнение рисунка 2.6 а (функциональная схема обработки сигнала ПЗС - сенсора) и рисунка 2.6 б (функциональная схема обработки сигнала КМОП - сенсора) показывает, что в последней выпали такие узлы как вертикальный драйвер, схемы АРУ и АЦП и таймер. Сигнал КМОП - сенсора поступает непосредственно на цифровой процессор сигнала (DSP - digital signal processor).

Рисунок 3.3 - Схема подключения ПЗС - сенсора ICX055 и вертикального драйвера CXDI1267АN

Рисунок 2.7 - Структурная схема видеокамеры PANASONIC-NV-M3000

Рисунок 2.6 - Функциональная схема обработки сигнала ПЗС и КМОП- сенсора

Однако, при этих преимуществах КМОП - сенсоры пока имеют хуже чувствительность к свету, чем ПЗС - сенсоры. Поэтому, большинство фирм - производителей видеокамер пока не торопится внедрять эту разработку.

Блок обработки сигналов. Он предназначен для усиления, коррекции, преобразования в цифровую форму.

Процессор сигнала предназначен для обработки в цифровом виде сигнала, посылаемого блоком обработки сигнала. В результате этой обработки вырабатываются сигналы управления оптической системой. Блок управления осуществляет формирование (в автоматическом режиме) или преобразование (в ручном режиме) команд управляющих сигналов для регулировки параметров камеры и ее отдельных систем.

2.2 Структурная схема видеокамеры PANASONIC-NV-M3000

Структурная схема видеокамеры PANASONIC-NV-M3000 приведена на рисунке 2.7. В этой модели рассматриваемой серии применена матрица ПЗС со строчно-кадровой организацией. Каждый светочувствительный элемент (пиксель) покрыт своеобразным микрообъективом для повышения светочувствительности и мозаичным фильтром для получения цветовых сигналов. Фильтр обеспечивает формирование сигналов четырех цветов: желтого, сине-зеленого, зеленого, пурпурного. Такая сложная электронная система как матрица ПЗС требует и систему коммутации соответствующей сложности. В нашем случае она выполнена на БИС MN5188 (IC201), которая имеет 64 вывода в корпусе для поверхностного монтажа.

Микросхема IC203 (AN2013SB, 16 выводов) выделяет из дискретного выходного сигнала матрицы ПЗС те части, которые соответствуют полезному сигналу, объединяет их и формирует непрерывный сигнал. Его можно наблюдать на выводе 5 микросхемы. Микросхема IC204 (AN2033FP, 32 вывода) содержит системы АРУ, гамма и высокочастотной коррекции. Необходимо отметить, что

форма сигнала в тракте существенно отличается от привычной, так как фактически по одной цепи передается "смесь" сигналов яркости и цветности. Выход микросхемы IC204 - последнее место, где сигнал представлен в аналоговом. Далее он поступает на восьмиразрядный АЦП на микросхеме IC307 (MN655431SH, 24 вывода). Все последующие операции с сигналом происходят в цифровом виде.

Многофункциональная БИС IC306 обеспечивает для сигнала яркости вертикальную и горизонтальную апертурную коррекцию с целью повышения четкости, ограничение уровня для получения неискаженной передачи ярких объектов, функцию введения-выведения (FADE), а для сигнала цветности - выделение цветоразностных сигналов (R-Y, B-Y), автоматический баланс белого и ряд других функций. Всеми операциями управляет центральный микропроцессор камерной секции MN1882010V4Q (IC309). Технологические регулировки делают в цифровом виде с занесением установленных параметров в ЭСППЗУ IC310 (EVR или электронный блокнот).

Ряд дополнительных возможностей добавляется за счет применения запоминающего устройства (ЗУ) на одно поле. В состав ЗУ входят четырехразрядные БИС IC301, IC302 (ZA4030 - 28 выводов, фирмы ZILOG, емкость каждой - 0,87 Мбайт). Сигнал яркости запоминается в обеих БИС, что эквивалентно его восьмиразрядному представлению. Сигнал цветности записывается в БИС IC303 (MN47915, 28 выводов), поэтому его предварительно преобразуют в четырехразрядный (внутри БИС IC304), что приводит к двукратному снижению цветовой четкости.

Видеокамера рассматриваемой линейки обеспечивает ряд интересных цифровых режимов (DIGITAL MODE): увеличение изображения, микширование, вытеснение шторкой (WIPE), увеличение светочувствительности, стопкадр, стробирование, след (TRAСER). Специализированная БИС IC304 (MN6733, 100 выводов) работает в режимах стоп-кадр, стробирование, микширование, след, увеличение изображения (цифровой ZOOM до х100), а БИС IC316 - в режимах увеличение яркости и вытеснение шторкой. Всеми цифровыми режимами управляет микропроцессор IC312. Следует заметить, что указанные цифровые режимы реализованы и во многих других моделях видеокамер PANASONIC, но на другой элементной базе.

ЦАП IC315 (MN657011, 48 выводов) преобразует цифровые сигналы яркости и цветности в аналоговые (Y, R-Y, B-Y). Поскольку цифровые сигналы цветности разделены по времени, они тактируются импульсами U/VSEL (их формирует процессор IC306). Преобразованные сигналы с выходов ЦАП поступают на микросхему IC317 (AN2040SB, 16 выводов), содержащую буферный каскад, фильтры НЧ для подавления шумов и сумматор, обеспечивающий наложение сигналов синхронизации.

Вывод: проведенный сравнительный анализ показал, что рассмотренная телекамера CCD-TR305E обладает несомненными преимуществами по сравнению с прототипами.

3. Описание принципиальной электрической схемы

Особенность работы ПЗС-сенсора, используемой на примере цифровой видеокамеры TR305E в том, что происходит считывание сигнала из него. При этом сигналы четырех цветов (Ye, Cy, Mg, G) смешиваются парами и в результате из горизонтального регистра ПЗС- сенсора для каждого элемента изображения (пикселя) попарно следуют отсчету смеси цветов для линии А1: (G + Cy), (Mg + Ye), (G = Cy), (Mg + Ye)…и для линии А2: (Mg + Cy), (G + Ye), (Mg + Cy), (G + Ye).

В дальнейшем, необходимо произвести разделение яркостного и цветового сигналов. Это необходимо сделать, в основном, для формирования ряда функций камеры, одни из которых достигаются обработкой яркостного сигнала (Fade, Wipe, Nega и др.), другие - обработкой цветового сигнала (Sepia, Solari и др.). Для получения яркостного сигнала необходимо произвести следующую операцию для линии А1:

Y=[(G + Cy) + (Mg + Ye)]х 1/2 =1/2[2B + 3G + 2R],

и для линии А2:

Y=[(G = Ye) + (Mg + Cy)]x 1/2 = 1/2 [2B + 3G + 2R],

что означает один и тот же алгоритм обработки. Этот алгоритм заключается в том, что для по парных отсчетов один из них задерживают во времени и суммируют с другим.

Для получения цветового сигнала необходимо произвести следующую операцию для линии А1:

R - Y = [(Mg + Ye) - (G + Cy)] = [2R - G],

и для линии А2:

-(B - Y) = [(G + Ye) - ( Mg + Cy)] = - [2B - G].

Таким образом, цветовой сигнал образуется в виде последовательностей сигналов 2R - G - и - (2B - G). В данном случае алгоритм заключается в том, что для по парных отсчетов один из них задерживают во времени и вычитают из другого.

На рисунке показана схема системы обработки сигнала ПЗС - сенсора для видеокамеры SONY CCD-TR305E. ПЗС- сенсор IC875 управляется вертикальным драйвером IC804, который в свою очередь получает синхросигналы от таймера IC801.

Преобразователь свет-сигнал представляет собой фоточувствительный прибор с зарядовой связью. Рассмотрим его работу на примере распространенной в видеокамерах микросхемы 1/3 дюймового ПЗС - сенсора ICX055BK производства SONY. Микросхема имеет следующие параметры:

- общее количество пикселей (единиц изображения) 537 по горизонтали (Н) и 597 по вертикали(V), из них эффективных 500 по горизонтали 582 --по вертикали, остаток неиспользуемых пикселей показан на рисунке 3.1; - размер чипа 6 мм (V)+4,96 мм (Н);

- размер единичной ячейки 9,8 мкм (Н)х6,3 мкм (V);

- количество цветов, используемых в матрице - 4(Ye,Cy,Mg,G, т.е. желтый,

голубой, пурпурный, зеленый);

- спектральные характеристики ячеек этих цветов показаны на рисунке 3.2;

Вертикальный драйвер - устройство формирования вертикальных тактовых импульсов для ПЗС-сенсора. Рассмотрим его работу на примере драйвера СXD1267AN производства фирмы SONY, который является усовершенствованием ранее выпускающегося драйвера CXD1250.

Микросхема имеет следующие параметры:

- напряжение питания V1 от 0 до -10 В (номинал +15В);

- напряжение питания Vm от V1-0,3 до 2V1+35В (номинал +15В);

- напряжение питания Vm от V1-0,3 до 3В (обычно заземляется);

- выходные напряжения: V2,V4 - от V1-0,3 до Vm + 0,3; V1, V3 -от V1 -0,3 до Vh + 0,3. Входными сигналами драйвера являются сигналы таймера, работающего при напряжениях от +3,3 до +5В. Выходные вертикальные тактовые импульсы имеют уровни и фазировку, необходимые для работы ПЗС-сенсоры.

Назначение выводов CXDI1267AN приведено в таблице 3.1.

Таблица 3.1 Назначение выводов CXDI1267AN

Номер вывода	Символ	Описание
1	CPP3	Накачка заряда
2	Vh	Источник питания
3	DCIN	Вход ОY
4	XSNT	Управление выходом
5	XV2	Управление выходом
6	XV1	Управление выходом
7	XSG1	Управление выходом
8	XV3	Управление выходом
9	XSG2	Управление выходом
10	XV4	Управление выходом
11	Vф4	Вертикальный тактовый импульс
12	Vф3	Вертикальный тактовый импульс
13	Vm	Общий
14	Vф1	Вертикальный тактовый импульс
15	Vф2	Вертикальный тактовый импульс
16	V1	Источник питания -8.5
17	VSHT	Высоковольтный выход
18	DCOUT	Выход ОY
19	CPP2	Накачка заряда
20	CPP1	Накачка заряда

Горизонтальный регистр ПЗС - сенсор управляется непосредственно импульсами шагового тактового генератора с частотой следования равной частоте выборки 9,46 МГц. На рисунке они обозначены Нф1 и Нф2 и сдвинуты по фазе друг относительно друга на 90?.

Вертикальный драйвер вырабатывает четыре импульсные последовательности для управления вертикальными регистрами. Они подаются на ПЗС - сенсор с 11, 12, 14 и 15 выводов микросхемы CXD1267AN и на рисунке обозначены Vф1...Vф4.

Разряд ячеек ПЗС - сенсора при различных значениях выдержки осуществляет импульс SUB, формирующийся в схеме рисунка по сигналам VSHT и DCOUT с выходов 17 и 18 вертикального драйвера.

На рисунке 3.3 показана схема включения ПЗС - сенсора ICX055 и вертикального драйвера CXDI1267FN.

Вертикальный драйвер используется для работы в режиме электронного затвора. Скорость электронного затвора является одной из основных характеристик видеокамеры.

Эпюры сигналов, иллюстрирующие работу электронного затвора в режимах "1/50 с" и "1/1000" приведены на рисунке 3.4.

В режиме "1/50 с" электронный заряд накапливается в фоточувствительном элементе в течении кадрового интервала. По истечении этого времени, фронтом импульса Р1 накопленный на матрице заряд переносится в вертикальные сдвиговые регистры секции хранения. Далее, в процессе нового накопления заряда, из секции хранения, предыдущая зарядовая картина построчно переносится в горизонтальный сдвиговый регистр и на выход ПЗС-сенсора. Таким образом, на выходе горизонтального сдвигового реестра (вывод 8 ПЗС-сенсора ICX055BX) формируется видеосигнал.

В режиме "1/1000 с" заряд также накапливается в течении всего кадрового интервала, но уже через 1/1000 с после начала накопления поступает импульс Р2, осуществляющий перенос накопленного за это время заряда в вертикальный регистр матрицы. заряд за остальное время просто не используется и сбрасывается затем импульсом Р1.

Для согласования высокого выходного сопротивления матрицы ПЗС с низким входным сопротивлением потребителей выход ПЗС-сенсора подключен к истоковому или эмиттерному повторителю, который преобразует токовый сигнал матрицы в сигнал напряжения величиной до 0,5...0,6 В.

Выходной сигнал ПЗС -сенсора поступает на микросхему IC805, в которой производится разделение яркостного и цветового сигналов (задержка осуществляется на элементах выборки - хранения S/H (sample and hold) по сигналам таймера IC801), а также автоматическая регулировка усиления (AGC - automatic gain control). В микросхеме IC805 по яркостному сигналу также вырабатывается сигнал управления диафрагмой.

Дальше происходит разделение цветовых сигналов в преобразователе. Приведенные выше выражения для четных и нечетных строк матрицы ПЗС-сенсора показывают, что в каждой нечетной строке матрицы имеются цвета R и G, а в каждой четной - B и G. Поэтому при половинной частоте выборки от частоты вышеописанной схемы выборки-хранения можно отделить один цвет от другого (например, R и G). Эта операция производится в аналоговой форме с помощью отдельных схем выборки-хранения, либо в цифровой форме в процессоре сигнала изображения.

Дальнейшая процедура обработки информационного сигнала заключается в формировании яркостного сигнала Y и цветоразностных сигналов R-Y и B-Y. Но перед этим необходимо произвести еще ряд операций.

Первая из них - операция фиксации уровня. В информационном сигнале от ПЗС-сенсора имеется ряд не засвеченных участков (на матрице ПЗС они закрыты непрозрачной рамкой). Эти уровни являются опорными и по отношению к ним фиксируются уровни цветовых сигналов. В результате такой привязки появляется возможность наложить в дальнейшем на видеосигнал строчные гасящие импульсы.

Вторая операция - гамма-коррекция видеосигнала. Выходной уровень сигналов ПЗС-сенсора связан с экспозицией нелинейной зависимостью, которая называется гамма-характеристикой. Чтобы скорректировать нелинейность ПЗС-сенсора, необходимо ввести обратную нелинейную зависимость для передаточной характеристики.

Третья операция - ограничение уровня белого. В процессе съемки может проявиться чрезмерная засветка элементов ПЗС-сенсора, и в тракте сигнального процессора появится перегрузка, к которой чувствительны такие элементы как линии задержки на одну строку. Поэтому, как только уровни сигналов R, B и G превышают определенный уровень, вводится ограничение уровня сигналов.

Четвертая операция - фиксация уровней черного цветовых сигналов. Перед этим в цветовые сигналы вводятся строчные гасящие импульсы и по ним производится окончательная фиксация уровня черного. Благодаря этому, обеспечивается сохранение постоянной составляющей цветовых сигналов при съемках сюжетов с различной средней яркостью. Кроме того, такая фиксация нужна для работы системы баланса белого.

Пятая операция - разделение цветовых компонентов R и В, которые чередуются через строку (сигнал G присутствует в каждой строке). Для этого применяются схемы с линиями задержки на время одной строки изображения.

Дальнейшая обработка заключается в получении яркостного сигнала Y из цветовых сигналов R, G, B по формуле:

Y = 0,59G + 0,3R + 0,11B. (3.1)

Имея яркостный сигнал, нетрудно получить цветоразностные сигналы R-Y и B-Y.

Из этих сигналов затем получают телевизионный сигналов в системе PAL.

При функциональной обработке осуществляется функция цифрового трансфокатора. Обычно при этом кадр изображения запоминается в запоминающем устройстве, а при считывании из запоминающего устройства воспроизводится только центральная часть изображения (как по вертикали, так и по горизонтали).

Дополнительной обработкой (она есть не во всех камерах) является цифровое подавление шумов.

Обратимся к рисунку, на которой показана схема видеокамеры SONY CCD-TR305E. С выхода аналого-цифрового преобразователя IC802 цифровые коды сигнала поступают на основной процессор камеры IC707 типа CXD2100AD. Интерфейс процессора служит для приема команд управления от системы управления камерой IC709, IC705. В основном процессоре производится выполнение вышеуказанных функций, осуществляется автоматический баланс белого. Сущность метода в том, что каждый окрашенный объект воспринимается по-разному в зависимости от того освещения, при котором его рассматривают. Глаз человека, в известных пределах, обладает способностью компенсировать различие спектрального состава и правильно распознавать цветовой тон объекта независимо от того, освещен ли он солнечным светом или светом лампы накаливания, но видеокамеры не имеют такой способности. Если съемка объекта была произведена без регулировки цветности, освещение будет оказывать влияние на цветность воспроизводимого изображения, придавая ему голубоватую или красноватую окраску.

Поэтому для правильного воспроизведения цвета объекта съемки необходимо, чтобы основные цвета, формируемые на выходе преобразователя свет-сигнал, в зависимости от условий освещения смешивались в правильном соотношении, определяемом коэффициентами колориметрического уравнения. Видеокамеры оборудованы системой баланса белого (WB-White Balance), основным элементом которой является так называемый датчик цветовой температуры. В качестве датчика обычно используется инфракрасный фотодиод. На основании показаний датчика цветовой температуры происходит корректировка сигналов основных цветов, поступающих с матрицы ПЗС.

От восхода до захода солнца спектральный состав дневного света подвержен сильным колебаниям. В ранние утренние и особенно в предвечерние часы в составе солнечного света содержится значительно больше оранжевых и красных спектральных составляющих, чем в середине дня. Такие колебания находится также в зависимости от атмосферных условий, времени года и географической широты места съемки.

В зависимости от температуры накала нити искусственных источников света спектральной состав излучаемого света так же изменяется, и разница не всегда уловима глазом, поскольку наш глаз обладает способностью компенсировать ее. Поскольку матрице ПЗС не присуща способность компенсации, то, если спектральный состав света одной лампы отличается от спектрального состава другой, это может проявиться при записи сигнала цветности на магнитную ленту.

Спектральный состав источника света принято характеризовать цветовой температурой, которая определяет спектральный состав света, полученного путем температурного излучения. Цветовая температура - температура, при которой абсолютно черное тело излучает свет такого же спектрального состава, как рассматриваемый. Она указывает только на спектральное распределение энергии излучения, а не на температуру источника света. Так, свет голубого неба соответствует цветовой температуре 12 000… 25 000 К, т.е. гораздо выше температуры солнца. Свет от лампы имеет желтый оттенок, если, например, напряжение в сети значительно ниже номинального, а если намного выше, то вольфрамовая нить становится синевато-белой, т.е. повышение температуры накала нити влечет за собой изменение ее цвета в сторону приближения к белому цвету, цветовая температура повышается.

Метод изменения цветовой температуры основан на сравнении спектрального состава данного источника со спектральным составом идеального температурного излучателя, температура накала которого выражается в градусах Кельвина (К). Причем термин «цветовая температура» можно применить только в отношении источников, излучение которых образует непрерывный спектр: электрические лампы накаливания, дуговые лампы, а также солнце. К лампам тлеющего разряда, так называемым газосветным (ртутным, неоновым, аргоновым, натровым и р.), имеющим характерный линейный спектр, термин «цветовая температура» неприменим.

При проведении видеосъемки цветовая температура имеет большое значение. Если видеокамера (с помощью ручной регулировки баланса белого) сбалансирована для дневного освещения, то при съемки при свете лампы накаливания в изображении будут преобладать оранжево-красные цветные тона. Лица людей будут неестественно красными, а синие и зеленые тона - приглушенными. Для получения изображения с правильным воспроизведением цветов необходимо использовать специальные фильтры, приводящие спектральный состав света, которым в данный момент освещается объект съемки, к тому распределению энергии в спектре, для которого сбалансирована видеокамера.

Если белый цвет воспроизводится правильно, т все остальные цвета тоже будут воспроизводится точно. Поэтому при правильном воспроизведении цветного изображения говорят о балансе белого (White Balance). Регулировка баланса белого в телевизоре является основной для правильного отображения цветов на экране кинескопа. Для определения цветовой температуры освещения современные видеокамеры оборудованы специальным устройством - уже упоминаемой системой баланса белого, которая может работать как в автоматическом, так и в ручном режиме. Соответственно, появляются функции автоматической и ручной регулировки баланса белого. Функции регулировки баланса белого осуществляют настройку камеры на чисто белый цвет при различных источниках освещения. После установки белого цвета система WB корректирует вклад каждого из основных цветов в общий спектр освещения. А так как белый цвет является основой всех цветов, в случае, если регулировка выполнена правильно, возможна съемка сцен с натуральной цветностью практически при любых условиях освещения.

Датчик цветовой температуры tWB обычно представляет собой систему, состоящую из двух фоточувствительных элементов, перед которыми расположены красный и синий светофильтры. Таким образом, на выходе датчика формируются два сигнала, характеризующие уровень красной и синей спектральных составляющих освещения снимаемой сцены. Так как диапазоны длин волн этих составляющих находятся на краях видимой части спектра, то это позволяет оценить характер всего спектра освещения снимаемой сцены.

Иногда в качестве датчика цветовой температуры используется только один фоточувствительный элемент в красном или инфракрасном диапазоне длин волн, а уровень синей спектральной составляющей измеряется по сигналу синего (В), формируемому на выходе матрицы ПЗС.

Датчик цветовой температуры в простых и дешевых видеокамерах отсутствует вообще. Значение параметра tWB получают из отношения сигналов R и B, формируемых на выходе матрицы ПЗС, но в этом случае система автоматического баланса белого корректно будет работать лишь в ограниченном диапазоне цветовых температур.

В последнем случае из цветовых сигналов ПЗС-сенсора G, Ye, Mg и Cy формируются суммарные сигналы G + Ye, Mg + Cy, Mg + Ye и G + Cy. Их относительные уровни при установленном балансе белого в различных условиях освещенности показаны на рисунке 3.5.

Эти значения записывают в память микропроцессора в качестве опорной информации при автоматической установке баланса белого. Для того, чтобы сравнить хранящиеся в памяти данные с сигналами ПЗС-сенсора, необходимо установить аналого-цифровой преобразователь. В видеокамерах, где обработка сигнала ведется в цифровой форме, операция автоматического баланса белого производится параллельно с остальными операциями обработки.

Набор корректирующих коэффициентов для наиболее часто встречающихся условий освещения хранится в памяти процессора системы WB видеокамеры. Параметр для каждого источника света, а также соответствующие ему значения корректирующих коэффициентов определяются опытным путем. Автоматический режим работы системы WB заключается в определении спектрального состав цвета освещения путем сравнения показаний датчика tWB и выбора подходящих значений коэффициентов из памяти. Поскольку в памяти хранятся оптимальные установки только для некоторых типов источников света, в других условиях функция автоматического баланса белого может работать неточно и следует использовать режим ручной регулировки баланса белого. С помощью ручной регулировки баланса белого можно подрегулировать цветовую окраску изображения по специальному белому колпачку на объективе. Система WB определяет, на сколько белый цвет колпачка при данном освещении отличается от чистого белого, коэффициенты которого хранятся в памяти камеры. Режим ручного баланса белого необходим, если при освещении снимаемой сцены используется несколько источников света, если снимаемая сцена находится на улице, а съемка ведется изнутри помещения и при съемке в очень темном месте.

Буквенно-цифровая информация формируется в микросхеме IC711. Процессор и другие узлы синхронизируются от синхрогенератора IC704. В состав основного процессора камеры входит цифро- аналоговый преобразователь (во многих других камерах он выполнятся в виде отдельной микросхемы, например, в камере SAMSUNG VP-U12 после цифрового процессора KS7301 установлен ЦАП КDA0408), с помощью которого сигнал после функциональной обработки переводится в аналоговую форму для дальнейшей обработки в узле видеомагнитофона.

Вывод: Проведенное описание принципиальной схемы показало, что

выбранный процесс ремонта с ПЗС - матрицей IC875, является наиболее выгодным

4. Расчет кварцевого генератора

Кварцевый генератор предназначен для вырабатывания частоты 28 МГц для управления центральным процессором цифровых видеокамер с ПЗС - матрицей. Рассчитаем работу кварцевого автогенератора по эквивалентной схеме безындуктивного генератора приведенной на рисунке 4.1

Рисунок 4.1 - Эквивалентная схема кварцевого генератора

Исходные данные для расчета:

Rн=300 Oм, - сопротивление нагрузки,

Pвых=6 мВт -выходная мощность схемы генератор,

f=28 МГц -частота кварцевого генератора,

f=28 МГц -частотные искажения,

кг=1% - коэффициент гармоник генератора,

tокр= (-40 +40)Со - температура окружающей среды,

Ек= 12 В - напряжение источника питания.

Мощность, рассеиваемую на коллекторе транзистора VT1 Pк, Вт, определяем по формуле:

Pк= Pвых/к (4.1)

где к = 0.8 коэффициент полезного действия высокочастотного

генератора, принятый для предварительного расчета

Pк=0,06/0,8=7,5мВт

Приведенную мощность на коллекторе VT1 P'к, Вт, рассчитываем

по формуле:

P'к= Pк/кз (4.2)

где кз=1 коэффициент запаса, учитывающий генераторный режим

Pк=7,5/1= 7,5 мВт

Максимальную мощность Pкмакс,Вт, рассеиваемую на транзисторе VT1 определяем по формуле:

Pкмакс=(t°пмакс-t°т/ t°пмакс-tокр)·P'к (4.3)

где t°п макс=125єС - допустимая максимальная температура коллектора,

t°т =100єС - температура корпуса,

t°окр =30єС - температура окружающей среды.

Pк макс=(125-100/125-30) 7,5 10?і=1,97·10?і=1,97 мВт

Максимальную частоту fh21э,Гц, определяем по формуле:

fh21э = f/vMІ-1 (4.4)

где f =28·106 Гц частота кварцевого генератора

Мв =1,01 коэффициент, зависящий от частоты

fh21э= 28·10/v1,01І-1 = 200 MГц

По предварительным расчетам выбираем транзистор типа КТ3171А9,

имеющий следующие параметры:

h21э = 1,5 - модуль коэффициента передачи тока на высокой частоте

Uкэмакс = 40В - граничное напряжение

Uбк = 15 В - постоянное напряжение коллектор-база

Iк = 0,53 А- постоянный ток коллектора

Iко = 0,1 мкА - обратный ток коллектора

Uкэн = 0,15 В - напряжение насыщения коллектор - эмиттер

tпмакс = +125?С -температура p-n перехода

t°окр = + 30?С - температура окружающей среды

t°т = +100?С - температура корпуса

Режим работы транзистора по постоянному току, то есть

положение точки покоя Uкэп,В, на характеристиках определяем по формуле:

Uкэп= Uкэмакс - Uкэмин/2 (4.5)

где Uкэмакс =12 В максимальное напряжение коллектор - эммитер

Uкэмин=3 В минимальное напряжение коллектор - эммитер

Uкэп<12-3/2=10,5 В

Ток коллектора покоя Iкп,А, находим по формуле:

Iкп=Рк /Uкэп (4.6)

Iкп=10,5 · 10?і/10,5=1мА

По характеристикам находим точку покоя тока базы Iбп?0,01мА

Ток эмиттера покоя Iэп,А, находим по формуле:

Iэп=Iкп+ Iбп (4.7)

Iэп=1·10?і+0,01·10?і=1,01 мА

Амплитуду коллекторного напряжения Uкм,В, определяем по формуле:

Uкм<Uкэп - Uкэмин (4.8)

Uкм<9-1= 8 В

Амплитуду тока коллектора Iкм,А, определяем по формуле:

Iкм = 2Pвых/ Uкм (4.9)

Iкм = 2·10·10?і = 2,5·10?і = 2,5 мА

На коллекторных характеристиках транзистора VT1 КТ3171А9 производим построение динамической линии нагрузки и находим общее сопротивление нагрузки R'н,Ом, по формуле:

R'н = Uкм/ Iкм (4.10)

R'н = 8/2,5·10?і = 3,2 кОм

Максимальный ток Iк макс, А, коллектора VT1 находим по формуле:

Iк макс = P макс/Uк (4.11)

Iк макс = 0,075/10 =7,5мА

Среднее за период значение амплитуды напряжения база - эмиттер Uвхм,В, определяем по формуле:

Uвхм=Uбэср= Uбэм - U бэn/2 (4.12)

где Uбэм = 680 мВ напряжение база - эмиттер максимальное;

U бэn = 700 мВ напряжение насыщения база- эмиттер

Uбэсрт=(-0,680)+0,700/2=0,005В

Среднюю за период амплитуду тока базы Iбэмр,А, находим по формуле:

Iбэмр= Iбэм - I бэn /2 (4.13)

где Iбэм = 0.09мА -ток насыщения базы - эмиттер

I бэn = 0.07мА- ток базы макс в режиме насыщения

Iбэмр=0,09-0,07/2=0,01мА

Среднее за период входное сопротивление Rвхэ,Ом, транзистора VT1 определяем по формуле:

Rвхэ= ?Uбэср/?Iбср (4.14)

где ?Uбэср = 0.08 В приращение напряжения на базе

?Iбср = 0.02мА приращение тока базы

Rвхэ=(0,68-0,6)/(0,03-0,01)·1,01·10?і=4·10і=4 кОм

Расчет резистора смещения R1,Ом, генератора производим по формуле:

R1=(5ч10)Rвхэ=(5ч10)·Rвхэ/h21э (4.15)

где h21э= 15 коэффициент усиления транзистора по току

R1=(5ч10)·4·10і/15=1,3·10і=1,3 кОм

Ток делителя Iдел ,А, транзистора VT1 вычисляем по формуле:

Iдел=(5ч10) ·Iбп (4.16)

Iдел=(5ч10) ·0,01=0,05ч1 мА

принимаем Iдел=0,05 мА

Сопротивления резисторов R2,Ом, и R3,Ом, вычисляем по формулам:

R2=Iэп· R1+Uбэп/ Iдел (4.17)

R2=1,01·10?і·3·10і+0,68/0,05·10?і=74,2 кОм

R3=Eк-( Iдел· R2)/ Iдел+ Iбп (4.18)

R3=10-(0,05·10?і·74,2·10і)/(0,05·10?і+0,01·10?і)= 104 кОм

Коэффициент температурной нестабильности коллекторного тока q оцениваем по формуле:

q=N/(N-h21б) (4.19)

где N=1+ (R1/ R2+ R1/ R3) (4.20)

N=1+(1,3·10і/74,2·10і+1,3·10і/104·10і)=0,03

h21б= h21э/ h21э+1 (4.21)

h21б=15/15+1=0,937

тогда:

q=0,03/0,03-0,937=0,03

Емкости конденсаторов C1,Ф, и С2,Ф, цепи положительной обратной связи автогенератора определяем по формуле:

C1= h21э/2рf·(R'и+ Rвхэ)·vMІ-1 (4.22)

где 1/R'и=1/ Rвыхэ+1/R4+1/R3+1/R2=1/R4+1/R3+1/R2 (4.23)

где Rвыхэ,Ом, - внутреннее сопротивление транзистора VT2 второго каскада автогенератора (оно относительно велико, поэтому его влиянием можно пренебречь);

R4=0,5ч2кОм сопротивление в коллекторной цепи транзистора предшествующего каскада, это сопротивление неизвестно, однако им можно задаться в пределах, принимаем R4=1кОм, тогда

1/R'и=1/1000+1/104·10і+1/74·10і= 0,00102Сим

R'и=1/0,00102= 98Ом

C1=15/2·3,14·28·10·4,1·10і·0,14= 0,148 пФ

C2 = T-t/Rбln(2+RК/R'К) (4.24)

где T=0,036·10?6 с - период следования импульса

t=0,017·10?6 с - длительность импульса

Rб=10,7·10і Ом - сопротивление базы транзистора

RК = R'К =1,3·10і Ом - сопротивление коллекторного перехода

C2=(36-17)·10?9/10,7·10і·ln(2+1,3·10і/1,3·10і)=0,23 пФ

Входное сопротивление, которое является нагрузкой для автогенератора 1/ Rвхген,Сим, определяем по формуле:

1/ Rвхген = 1/ Rвхэ+1/R2+1/R3 (4.25)

1/ Rвхген=1/4·10і+1/74·10і+1/104·10і= 0,0003Сим

т.е. Rвхген=1/0,0003=3,3·10і= 3,3 кОм

Общий КПД генератора уточняется по формуле:

з =Pн/P= Pн / Eк·( Iкп+ Iбп+ Iдел) (4.26)

з=6·10?і / 10·(1·10?і+0,01·10?і+0,05·10?і)= 56%

Мощность РR1,Вт, выделяющуюся на резисторе R1 рассчитываем по

формуле:

РR1 =I2дел · R1 (4.27)

РR1 = (0,05·10?і)І·1,3·10і = 1,3 мВт

По ГОСТу из ряда номинальных сопротивлений Е 24 выбираем

резистор R1типа С2-33-1,3 кОм- 0,125 Вт

Мощность PR2,Вт, выделяющуюся на резисторе R2 рассчитываем по

формуле:

PR2 = I2бп · R2 (4.28)

PR2 = (0,07·10?і)І·74 ·10і = 0,362мВт

По ГОСТу из ряда номинальных сопротивлений Е 24 выбираем резистор R2 типа С2-33-75 кОм- 0,125 Вт

Мощность PR3,Вт, выделяющуюся на резисторе R3 рассчитываем по формуле:

PR3 = I2к·R3 (4.29)

PR3 = (7,5·10?і)І·110·10і = 0,825 мВт

По ГОСТу из ряда номинальных сопротивлений Е 24 выбираем резистор R3 типа С2-33-110 кОм- 0,125 Вт

Длительности среза импульса tC1,с, формируемого генератором из условия возбуждения цепью положительной обратной связью, состоящей из емкостей С1 и С2 рассчитываем по формуле:

tC1 = 2,3·RК·С1 (4.30)

tC1 =2,3·1,3·10і·0,148·10?12=0,443 нс

tC2 = 2,3·RК·С2 (4.31)

tC2 = 2,3·1,3·10і·0,23·10?12=0,687 нс

Допустимый длительность фронта tф,с, из условия прямоугольности импульса выходного сигнала генератора вычисляем по формуле:

tф=0,1·T/2 (4.32)

tф=0,1·0,036·10?6/2=0,0018·10?6 с= 1,8 нс

Вывод: расчет проведен, верно, так как искажения фронта вносимые

емкостями положительной обратной связи С1 и С2 меньше допустимой длительности фронта и среза выходного напряжения генератора.

5. Расчет надежности

Надежность и долговечность являются главными признаками стабильной работы любой аппаратуры. Поэтому качество и работоспособность электронных компонентов в видеоаппаратуре (в нашем примере цифровая видеокамера TR305E) должна быть на высоком уровне. Вследствие этого и применяют основные понятия и характеристики теории надежности, чтобы узнать примерный рабочий срок телекамеры.

5.1 Основные понятия теории надежности

Свойство системы (изделия), обусловленные ее (его) безотказностью, долговечностью и ремонтопригодностью и обеспечивающее нормальное выполнение заданных функций системы называется надежностью.

Надежность элементов или системы определенного класса можно характеризовать вероятностью их безотказной работы P(t), средним временем исправной работы То; интенсивностью отказов (t), частотой отказов и другие.

Также следует учитывать, что между этими и другими характеристиками есть определенные аналитические зависимости. При этом если знать эти зависимости, можно по одной или нескольким характеристикам вычислить остальные.

Ремонтопригодность - это приспособленность системы (изделия) к предупреждению и устранению отказов.

Срок службы - это время от начала эксплуатации аппаратуры до ее технической непригодности.

При этом гарантийный срок службы всегда меньше срока службы, он не характеризует надежность аппаратуры, а лишь устанавливает взаимоотношение между потребителем и поставщиком.

5.2 Характеристики надежности элементов и системы

Отношение числа отказавших образцов аппаратуры в единицу времени к среднему числу образцов, исправно работающих в данный отрезок времени при условии, что отказавшие образцы восстанавливаются и не заменяются исправными, называется интенсивностью отказов. Она рассчитывается по формуле:

л(t)=N(t)/Ncp?Дt (5.1)

где N (t) - число исправных образцов;

t - время исправно работающих образцов;

Ncp=Ni+N(i-1)/2 (5.2)

где N ср - среднее число исправно работающих образцов в конце интервала

Ni - количество элементов каждого типа.

Вероятностью безотказной работы называется вероятность того, что при определенных режимах и условии эксплуатации в пределах заданной продолжительности работы элементов системы (изделия) отказ не возникнет.

Вероятность исправной работы находится по другой формуле:

Q(t)=1-P(t) (5.3)

5.3 Расчет надежности элементов

Определим интенсивность отказов разных радиоэлементов одного из блоков цифровой видеокамеры o

Общая интенсивность отказов системы рассчитывается как произведение Ni x I, характеризующих долю отказов, вносимых элементами одной группы по формуле:

o =?Ni · i (5.4)

где o - интенсивность отказов одного элемента

o = 0,74·10? 6 ·2 = 1,48·10?6

o = 0,74·10? 6 ·17 = 12,6·10? 6

o = 0,0625·10? 6 · 31 = 1,9·10? 6

o = 0,575 ·10? 6 · 5 = 2,87·10? 6

o = 0,175·10? 6 · 4 = 0,7·10? 6

Находим среднее время исправной работы Т0 (или среднее время наработки на отказ)

T = 1 / л o (5.5)

T = 1 /19,55?10?3 = 51150,8 часов

Вероятность безотказной работы P, рассчитываем по формуле:

P = e - л · t (5.6)

P = e - 0,000195 · 0 =1

P = e - 0,000195 · 1000 = 0,821

P = e - 0,000195 · 2000 = 0,675

P = e - 0,000195 · 3000 = 0,555

P = e - 0,000195 · 4000 = 0,456

P = e - 0,000195 · 5000 = 0,375

P = e - 0,000195 · 6000 = 0,308

P = e - 0,000195 · 7000 = 0,253

где t - время исправных часов работы (0; 1000; 2000; 3000…7000)

Находим вероятность неисправной работы:

Q(t) = 1-P(t)

Q(0) = 1-1 = 0

Q(1000) = 1- 0,821 = 0,179

Q(2000) = 1- 0,675 = 0,325

Q(3000) = 1-0,555 = 0,445

Q(4000) = 1-0,456 = 0,544

Q(5000) = 1-0,375 = 0,625

Q(6000) = 1-0,308 = 0,692

Q(7000) = 1-0,253 = 0,747

Вывод: проведенные расчеты показали, что через 7000 часов беспрерывной работы из строя выйдет 747 изделий из 1000 запущенных в эксплуатацию.

6. Эксплуатация и ремонт цифровой видеокамеры

Эксплуатация, диагностика и ремонт -- отрасль научно-технических знаний, сущность которой составляют теория, методы и средства обнаружения и поиска дефектов объектов технической природы (бытовых машин и приборов).

Основное назначение эксплуатации, диагностики и ремонта состоит в повышении надежности объектов на этапе их эксплуатации, а также в предотвращении производственного брака на этапе изготовления объектов и их составных частей. Кроме того, диагностическое обеспечение позволяет получать высокие значения достоверности правильного функционирования объектов.

Любой технический объект, в том числе и цифровая видеокамера, после проектирования проходит две основные стадии «жизни» -- изготовление и эксплуатацию.

Применительно к задачам, решаемым при эксплуатации, диагностике и ремонте, на различных стадиях целесообразно выделить периоды приемки комплектующих изделий и материалов, процесса производства, наладки и сдачи объекта ОТК или представителю заказчика.

Требования, которым должен удовлетворять изготовленный (новый) или эксплуатируемый объект, определяются соответствующей нормативно-технической документацией.

Объект, удовлетворяющий всем требованиям нормативно-технической документации, является исправным или находится в исправном техническом состоянии. Для стадии эксплуатации типичными являются этапы применения объекта по назначению (профилактика, ремонт, транспортирование и хранение). Для условий эксплуатации практически важным является понятие работоспособного технического состояния объекта.

Объект работоспособен, если он может выполнять все заданные ему функции с сохранением значений заданных параметров (признаков) в требуемых пределах.

Для этапов применения по назначению существенным является понятие технического состояния правильного функционирования объекта.

Правильно функционирующим является объект, значения параметров (признаков) которого в текущий момент применения объекта по назначению находятся в требуемых пределах.

Диагностирование -- это процесс обнаружения и поиска дефектов в целях определения технического состояния объекта.

Диагноз -- результат диагностирования.

Таким образом, задачами диагностирования являются проверка Неисправности, работоспособности и правильности функционирования объекта, а также поиск дефектов, нарушающих работоспособность или правильность функционирования.

Под дефектом следует понимать любое несоответствие свойств объекта заданным, требуемым или ожидаемым его свойствам.

Обнаружение дефекта -- установление факта его наличия или отсутствия в объекте.

Поиск дефекта заключается в указании с определенной точностью его местоположения в объекте.

Диагностирование технического состояния любого объекта осуществляется с помощью средств диагностирования (аппаратных или программных). Средства и объект диагностирования, взаимодействующие между собой, образуют систему диагностирования.

Различают системы тестового и функционального диагностирования.

В системах тестового диагностирования объект подвергают специально организуемым тестовым воздействиям.

Системы функционального диагностирования работают в процессе применения объекта по назначению.

В системах обоих видов средства диагностирования воспринимают и анализируют ответы объекта на входные (тестовые или рабочие) воздействия и ставят диагноз: объект исправен или неисправен, работоспособен или неработоспособен, функционирует правильно или неправильно.

Системы тестового диагностирования необходимы для проверки исправности и работоспособности, а также для поиска дефектов, нарушающих исправность или работоспособность объекта.

Системы функционального диагностирования необходимы для проверки правильности функционирования и поиска дефектов, нарушающих работу объекта.

Различают три типа задач определения технического состояния объектов.

К первому типу относят задачи определения технического состояния, в котором находится объект в настоящий момент времени. Это задачи диагностирования.

Задачи второго типа -- предсказание технического состояния, в котором окажется объект в некоторый будущий момент времени. Это задачи прогнозирования.

К третьему типу относят задачи определения технического состояния, в котором объект находился в некоторый момент времени в прошлом. Это задачи генеза. Соответственно задачи первого типа относят к технической диагностике, второго типа -- к технической прогностике, третьего типа -- к технической генетике.

6.1 Системы диагностирования

Любая система диагностирования включает в себя следующие взаимосвязанные элементы: объект диагностирования, диагностические параметры, нормативные показатели, средства, методику диагностирования и человека.

Разработать систему диагностирования какого-либо радиоэлектронного или цифрового устройства означает следующее:

1) выявить закономерности изменения параметров технического состояния объекта диагностирования;

2) определить контролепригодность объекта;

3) выбрать диагностические параметры;

4) определить характеристики изменения диагностических параметров;

5) установить нормативные значения диагностических параметров;

6) определить способ постановки диагноза;

7) обосновать технико-экономически, соответствующие методы и измерительные средства;

8) определить оптимальную процедуру или алгоритм диагностирования.

Процесс диагностирования должен быть оптимально автоматизирован.

Автоматизации подлежат операции съема информации о техническом состоянии, ее обработка и постановка диагноза. Степень автоматизации обусловливается контролепригодностью объекта.

Возможность непосредственного измерения структурных параметров объектов без их разборки весьма ограничена. Поэтому при определении технического состояния радиоэлектронных или цифровых устройств используют диагностические параметры. Это косвенные величины, связанные со структурными параметрами и несущие достаточную информацию о техническом состоянии объекта (рисунок 6.1).

Параметры рабочих процессов, определяющих основные, функциональные свойства объекта, дают обобщенную широкую информацию о состоянии устройства в целом. Эта информация является основой для дальнейшей поэлементной диагностики.

Рисунок 6.1. Классификация диагностических параметров:

а--по принципу образования; б -- по виду информации; в -- по функции наработки; г -- по функции структурного параметра

Параметры сопутствующих процессов (например, нагрев, шум, вибрация) дают более узкую информацию о техническом состоянии объекта диагностики. Они достаточно универсальны и широко применимы для поэлементного диагностирования сложных радиоэлектронных или цифровых устройств.

Геометрические параметры, определяющие отдельные элементарные связи между узлами радиоэлектронных или цифровых устройств (зазоры, несоосность, свободный ход), дают ограниченную, но конкретную информацию о состоянии объекта.

Диагностические параметры имеют начальные (или номинальные) величины, соответствующие исправному состоянию объекта Sн1, Sн2, ..., Sнn предельные, соответствующие границе перехода в класс неисправных состояний Sп1, Sп2, ..., Sпn и учреждающие Sу1, Sу2, ..., Sуn.

При измерении диагностического параметра неизбежно возникают помехи, которые обусловлены: сложностью и спецификой конструкции объекта; избирательными способностями и точностью прибора.

Для повышения точности диагноза в некоторых случаях (при акустической диагностике) измеряют не физические величины диагностических параметров, а их первую или вторую производную по времени или наработке (например, вместо амплитуды звуковых колебаний -- их скорость или ускорение).