Еще раз о доработке SK1004X

[Павел Бахтинов]

Проекты доработки популярной охранной камеры SK1004X известны уже не первый год (J.Grove и другие). Публиковались отчеты о модификации подобных камер и на нашем форуме (https://astronomy.ru/forum/index.php/topic,20540.0.html
https://astronomy.ru/forum/index.php/topic,14365.0.html https://astronomy.ru/forum/index.php/topic,20008.0.html).
Летом прошлого года я тоже модифицировал свою SK1004X. Мой вариант не отличается революционной новизной идей , но может представлять интерес улучшенной технологичностью: удалось избежать перерезания дорожек на плате камеры, "поднимания" выводов микросхем и припаивания к ним проводов (за одним исключением, о котором ниже).
----------

Главная цель доработки - отключение штатных автоматических регулировок выдержки/усиления камеры и перевод их в ручной режим.

У меня SK1004X применяется, в основном, для гидирования, совместно с телевизионным автогидом (https://astronomy.ru/forum/index.php/topic,11139.0.html). При этом авторегулировка устанавливает максимальную чувствительность камеры, что позволяет с успехом гидировать по слабым звездам, однако сравнительно яркие звезды превращаются в пересвеченные "блямбы" больших размеров. Хотя ТВ-автогид и имеет настройку, позволяющую компенсировать размер звездного изображения, это все же не оптимальный по точности гидирования вариант. Введение ручной регулировки чувствительности камеры дает возможность работать с изображениями оптимальных размеров в широком диапазоне блеска звезд.

Кроме того, доработка может помочь избежать пересвета при съемке планетных видеороликов и т.п. (правда, на практике для этих целей я камеру пока не применял).

Задача введения режима длительных выдержек мною не ставилась, поскольку сигнал камеры в этом режиме отличается от телевизионного стандарта и не может восприниматься ТВ-автогидом.


Принципиальная схема камеры SK1004X уже публиковалась в форуме (https://astronomy.ru/forum/index.php/topic,26168.0.html), привожу ее здесь в слегка "причесанном" виде (расставлены позиционные обозначения и исправлены замеченные мною неточности).

Для ручной регулировки выдержки в камере, построенной на базе микросхемы CXD2463 (D1), имеются две принципиальные возможности. Первая - подача определенного набора логических уровней на выводы 11-13, 20, 21 микросхемы D1 (регулировка получается ступенчатой). Но для этого необходимо подпаяться к указанным выводам (весьма близкорасположенным), а максимальная получаемая таким способом выдержка составляет, согласно даташиту, 1/100 сек (вдвое меньше максимальной выдержки в автоматическом режиме), что не позволяет полностью реализовать высокую чувствительность камеры.

Вторая возможность - использовать имеющийся автоматический регулятор камеры, "обманув" его. В штатном режиме авторегулятор работает следующим образом. С выхода 27 микросхемы D4 сигнал, пропорциональный яркости изображения, поступает через каскады на транзисторах VT6, VT5 на вход 13 D1, где сравнивается с двумя порогами - уровнями напряжения на входах 11 и 12, задаваемыми делителями R12, R14 и R13, R15 соответственно. Если напряжение на входе 13 оказывается меньше, чем на входе 12 - выдержка уменьшается, если больше, чем на входе 11 - увеличивается, если же между ними - выдержка остается постоянной. Само изменение выдержки при этом не мгновенное, а плавное и довольно медленное (это обусловлено требованиями к устойчивости системы) - полный диапазон от минимума до максимума регулятор проходит за несколько секунд.

Для введения ручного режима добавлены элементы SA1, SB1, SB2, R101, R102 (выделены синим цветом). При замыкании SA1 блокируется поступление сигнала с D4 (транзистор VT5 запирается), и одновременно, второй группой контактов подключается цепь R101-R102, вводящая регулятор в состояние безразличного равновесия (напряжение на входе 13 - между порогами). При этом сохраняется неизменной ранее установленная выдержка. Чтобы ее изменить, достаточно нажать кнопку SB1 или SB2 (напряжение на входе 13 преодолевает при этом соответствующий порог) и удерживать ее до тех пор, пока наблюдаемое на мониторе изображение не достигнет желаемой яркости.
При разомкнутых контактах SA1 и отпущенных кнопках SB1, SB2 регулятор выдержки работает в штатном автоматическом режиме.

Формальный недостаток этого решения - численное значение установленной выдержки остается неизвестным (изображение контролируется лишь визуально), достоинства - компактность схемы и простота управления.

Вторая доработка - отключение автоматической регулировки усиления. Имея плавную ручную регулировку выдержки, делать плавную регулировку еще и усиления не обязательно, достаточно иметь несколько переключаемых ступеней (более того, для большинства практических случаев достаточно и одной ступени, лишь бы усиление было фиксированным). Идея доработки аналогична регулировке выдержки: не демонтировать штатный регулятор, но получить необходимые ручные режимы внешними воздействиями на него.

На вход регулятора усиления микросхемы CXA1310 (выв.19 DD4) в штатном режиме поступает сигнал с детектора яркости. При замыкании SA2 (и разомкнутом SA3) сюда подается дополнительное положительное смещение (через резистор R103); регулятор при этом "думает", что сигнал слишком велик, и ставит усиление на минимум (4дБ, согласно даташиту на CXA1310). При замкнутом SA3, вход 19 DD4 закорачивается на "землю", в результате регулятор, "увидев" отсутствие сигнала, устанавливает максимальное усиление. Каким именно будет этот максимум, определяется уровнем напряжения на входе 14 микросхемы D4. В данном случае, при разомкнутом SA4, усиление составит 25дБ, замыкание же SA4 ограничивает максимальное усиление величиной 18дБ.

Таким образом, переключателями SA3, SA4 реализуются три фиксированных ступени усиления: 4дБ, 18дБ и 25дБ (в принципе, выбрав другой номинал R104, максимальное усиление можно "разогнать" до 32дБ - тут я что-то пожадничал - впрочем, в первоначальной схеме до доработок оно было еще меньше - 22дБ).
Размыкание контактов SA2 возвращает регулятор усиления в штатный автоматический режим, однако возможность ограничения максимального усиления переключателем SA4 при этом сохраняется.

[Павел Бахтинов]

В схеме камеры были сделаны еще два изменения, не связанные с авторегулировками.

Особенностью схемотехники SK1004 является зависимость амплитуды видеосигнала от сопротивления нагрузки, обусловленная согласованием ее выхода с волновым сопротивлением кабеля с помощью последовательно включенного резистора R21. В результате, на высокоомной нагрузке амплитуда выходного сигнала камеры вдвое превышает стандартную, что может помешать работе подключенных к ней устройств с высокоомными входами (сейчас таких осталось уже мало, но все же...). Между тем, в микросхеме CXA1310 предусмотрено средство решения этой проблемы - обратная связь через вывод 1 - которым разработчики SK1004 не воспользовались. После того, как я подключил дополнительный конденсатор (C101) в соответствии с рекомендуемой схемой включения из даташита на CXA1310, амплитуда видеосигнала камеры стала соответствовать стандарту как на низкоомной, так и на высокоомной нагрузке (здесь мне пришлось отступить от заявленного принципа и припаять проводок непосредственно к выводу микросхемы; впрочем, доработка эта необязательная, проделал ее скорее из интереса, чем по необходимости).

Более серьезный недостаток SK1004 - чрезмерный подъем частотной характеристики в области высоких частот, приводящий, в частности, к появлению ободков справа от изображений звезд. Для борьбы с ним в приведенных выше источниках предлагалось подключить конденсатор емкостью 3000пФ параллельно видеовыходу. Однако, совместно с описанной выше обратной связью (через C101) этот способ не работает, к тому же сама идея нагрузить высокочастотную схему столь большой емкостью изначально вызывала у меня внутренний протест . Поэтому я нашел более изящное решение - удалил из схемы "ускоряющий" конденсатор C32, после чего ободки около звездных изображений практически исчезли.

[Павел Бахтинов]

Кнопки управления, переключатели, дополнительные резисторы размещены на кусочке макетной платы, соединения последней с платой камеры выполнены проводом МГТФ-0.05. На следующих фото показаны места пайки (обозначения те же, что и на принципиальной схеме) и место удаленного конденсатора C32.

[Павел Бахтинов]

Корпус камеры выполнен из дюраля и выполняет также роль теплоотвода. Внутри корпуса выфрезерован выступ, контактирующий с участком платы вокруг ПЗС-матрицы (через диэлектрическую теплопроводную прокладку). Конструкция SK1004 не дает возможности обеспечить тепоотвод непосредственно от матрицы (не выпаивая ее из платы), однако сама матрица при работе почти не греется, тепло к ней поступает через плату от микросхем обвязки. Теплоотвод от платы в виде окружающего матрицу металлического контура, как показала практика, оказался достаточно эффективен.

Органы управления выведены на заднюю крышку корпуса. При использовании камеры для гидирования (совместно с ТВ-гидом) переключатели установлены у меня в те положения, как показано на фото (оба регулятора в ручном режиме, усиление 25дБ), и я их не трогаю - оперативное управление идет только кнопками "+Exp", "-Exp", которые легко находятся в темноте на ощупь.

Для крепления камеры используется готовая 1.25-дюймовая "юбка" от новосибирского окуляра (на фото не показана), на корпусе камеры нарезана резьба М30х0.75 под нее.

[Mihail Sedyh]

Более серьезный недостаток SK1004 - чрезмерный подъем частотной характеристики в области высоких частот, приводящий, в частности, к появлению ободков справа от изображений звезд. Для борьбы с ним в приведенных выше источниках предлагалось подключить конденсатор емкостью 3000пФ параллельно видеовыходу.

Совместные с Александром_Л изыскания показали, что черные ободки в основном определяются тем, что висит на ногах 11 и 12 микросхемы 1310. Достаточно соединить их накоротко. Также ноги 7 и 8 можно просто соединить конденсатором 0,1мкф, остальное по большому счету не нужно. Также хочу отметить, что в данном варианте камера работает с жестко заданной гамма-коррекцией 0,7, возможно для слабых звезд стоит перевести ее в режим 0,45 (подвесив 9ю ногу).

[Павел Бахтинов]

Совместные с Александром_Л изыскания показали, что черные ободки в основном определяются тем, что висит на ногах 11 и 12 микросхемы 1310.

В данном случае на 11-12 ногах не висит ничего частотно зависимого.

Также ноги 7 и 8 можно просто соединить конденсатором 0,1мкф, остальное по большому счету не нужно.

В принципе, согласен.
Не сделал так, только руководствуясь принципом минимизации изменений имеющейся конструкции - один конденсатор (C32) отпаять все же проще...

Также хочу отметить, что в данном варианте камера работает с жестко заданной гамма-коррекцией 0,7, возможно для слабых звезд стоит перевести ее в режим 0,45 (подвесив 9ю ногу).

Не стал подвешивать ногу, исходя из того же принципа.
Кстати, там есть еще и вариант с линейной характеристикой - если снимать сигнал с 9-й ноги (вместо 8-й). Если бы доработка была ориентирована на съемку, а не гидирование - сделал бы такую опцию.

[Mihail Sedyh]

В данном случае на 11-12 ногах не висит ничего частотно зависимого.

В данном случае да (если схема верна), но я не вижу смысла последовательного включения резистора в сигнальную линию после усилителя....

Не стал подвешивать ногу, исходя из того же принципа.
Кстати, там есть еще и вариант с линейной характеристикой - если снимать сигнал с 9-й ноги (вместо 8-й). Если бы доработка была ориентирована на съемку, а не гидирование - сделал бы такую опцию.

Дык я  потому и сказал, что 0,45 позволит вытащить наиболее слабые звезды....

[Александр Недилько]

Ув. Павел! Очень интересная доработка! А какое максимально возможное значение выдержки при такой схеме управления ей?

[Mihail Sedyh]

Насколько я понимаю, выдержки не переделывались, т.е. максимальная выдержка осталась 1\50с. (Павел, ничего. что я отвечу?)

Для ручной регулировки выдержки в камере, построенной на базе микросхемы CXD2463 (D1), имеются две принципиальные возможности. Первая - подача определенного набора логических уровней на выводы 11-13, 20, 21 микросхемы D1 (регулировка получается ступенчатой). Но для этого необходимо подпаяться к указанным выводам (весьма близкорасположенным), а максимальная получаемая таким способом выдержка составляет, согласно даташиту, 1/100 сек (вдвое меньше максимальной выдержки в автоматическом режиме), что не позволяет полностью реализовать высокую чувствительность камеры.

Кстати, это не совсем так. Подав +5в на 20 и 21 ноги, можно включить режим "Sub pulse stopped" (собственно отключит импульсы очистки матрицы), что жестко установит выдержку равную времени считывания полукадра (т.е. 1\50с), причем никакие другие регулировки на нее влиять уже не будут. Как показала практика, сам процесс считывания ПЗС полностью очищает ячейки и никаких остаточных зарядов там не остается, так что Vsub нужен только для уменьшения выдержки.

[Павел Бахтинов]

В данном случае да (если схема верна), но я не вижу смысла последовательного включения резистора в сигнальную линию после усилителя....

Иногда такое делают, чтобы подавить паразитное возбуждение, например. А возможно, этот резистор - вообще "след творчества" разработчиков на каком-то промежуточном этапе отладки , и реально уже не нужен.

Дык я  потому и сказал, что 0,45 позволит вытащить наиболее слабые звезды....

Так у меня еще просто по усилению 7дБ неиспользованного запаса есть (можно добавить, уменьшив R104, без всякого подъема ног). Просто подумалось, что, вблизи верхней границы диапазона усиления, SNR все равно не будет заметно расти, сколько сигнал не усиливай... Экспериментального подтверждения этой мысли, впрочем, пока нет (пока работаю с внешним гидом, предельно слабые звезды нет нужды использовать; вот если будет внеосевик - тогда вопрос станет в практическую плоскость).

Кстати, это не совсем так. Подав +5в на 20 и 21 ноги, можно включить режим "Sub pulse stopped" (собственно отключит импульсы очистки матрицы), что жестко установит выдержку равную времени считывания полукадра (т.е. 1\50с)

И точно! Это я невнимательно даташит прочитал .
Впрочем, о своем решении сделать плавную регулировку все равно не жалею - пусть диапазон выдержек тот же (до 1/50с), но в ступенчатой регулировке слишком уж много коммутации...

[Владимир К.]

Пробовали ли переделать камеру под длительные выдержки? В десятки минут?

[senao]

Я как то переделывал, но ИМХО десятки минут на этой камере анрил. Все утонет в шумах и кадр будет белым даже если отключить усилитель.
Максимальные выдержки возможны до 20с. Если делать больше желательно уже наличие охлаждения матрицы до отрицательных температур. В этом случае можно экспозицию увеличить еще на порядок.
В общем если интересует такой вопрос надо об этом спросить владельцев QHY6, какую максимально длительную экспозицию можно сделать на этой камере. Там есть охлаждение и тип матрицы схож с той что установленна в SK1004X.
Для примера снимок переделанной камерой с выдержкой где то 2-3с.

[Владимир К.]

Можно ли как-то измерить величину выдержки при данном способе переделки камеры?

Для ручной регулировки выдержки в камере, построенной на базе микросхемы CXD2463 (D1), имеются две принципиальные возможности. Первая - подача определенного набора логических уровней на выводы 11-13, 20, 21 микросхемы D1 (регулировка получается ступенчатой).

А какой именно набор логических уровней должен быть? Мне бы длительные выдержки хотелось бы реализовать.

[senao]

Длительные выдержки переключением логических уровней реализовать нельзя  Ими можно только дискретно менять выдержки если мне не изменяет память от 1/50 до 1/10000c.

[Павел Бахтинов]

Можно ли как-то измерить величину выдержки при данном способе переделки камеры?

У меня там выше написано - "...недостаток этого решения - численное значение установленной выдержки остается неизвестным...".
Ну, можно, например, двухлучевым осциллографом посмотреть положение соответствующего строба...

А какой именно набор логических уровней должен быть? Мне бы длительные выдержки хотелось бы реализовать.

Набор логических уровней приведен в даташите на CXD2463 (см. рис.). Но выдержки длиннее 1/50 сек таким способом получить нельзя. По доработкам под длительные выдержки даны ссылки в начале темы.

[Владимир К.]

У меня там выше написано - "...недостаток этого решения - численное значение установленной выдержки остается неизвестным...".
Ну, можно, например, двухлучевым осциллографом посмотреть положение соответствующего строба...

Ну, эту фразу я видел, просто подумал, может программно как-то можно определить выдержку... Три года все-таки прошло, может современные (нано)технологии помогут...
А в самой схеме можно сделать ручную выдержку? Кнопками, тумблерами, резистивными делителями?

Набор логических уровней приведен в даташите на CXD2463 (см. рис.). Но выдержки длиннее 1/50 сек таким способом получить нельзя. По доработкам под длительные выдержки даны ссылки в начале темы.

Здесь: https://astronomy.ru/forum/index.php/topic,20540.0.html переделка по Груву обсуждается, но я тут форум почитал, позволю себе процитировать Mihail Sedyh:
https://astronomy.ru/forum/index.php/topic,38694.msg691035.html#msg691035

Спасибо за описание принципов работы по схеме Грува. Окончательно убедился, что эта схема ущербна по своей сути (какой смысл вырубать вертикальный конвейер, уродуя структуру видеосигнала и поимев геморрой с переходными процессами в мометы коммутации (как раз когда полезный сигнал считывается), когда можно просто запретить слив заряда из ячеек, при этом оставив все схемы развертки работать в штатном режиме..  ).

А вот как это "...просто запретить слив заряда из ячеек..." реализовать?
Здесь: https://astronomy.ru/forum/index.php/topic,14365.0.html - развивается схема Грува.
Здесь: https://astronomy.ru/forum/index.php/topic,20008.0.html - не очень понятно. Вроде тот же Грув, но без подробностей и схем. А дальше по теме вообще ушли от SK1004 (CXA1310AQ и CXD2463R).

Вообще можно мысли какие-то и из этих тем почерпнуть, но самое подробное и удобоваримое описание я нашел только в этой вашей теме, ув. Павел Бахтинов. Да еще такое подробное описание работы! Спасибо.
Но вы переделывали камеру под автогид, а нужно было под астрофото.

АРУ, наверное, для астрофото можно зафиксировать на минимуме.
С гамма-коррекцией тоже можно поэкспериментировать...
Но главное - это увеличение выдержки. Не совсем понятно, с помощью кнопок "+Exp", "-Exp" можно увеличивать/уменьшать выдержку или нет? Если да, то в каких пределах? Насколько устойчива выдержка во времени?

[senao]

Но главное - это увеличение выдержки. Не совсем понятно, с помощью кнопок "+Exp", "-Exp" можно увеличивать/уменьшать выдержку или нет? Если да, то в каких пределах? Насколько устойчива выдержка во времени?

Так Павел же написал, выдержки длиннее 1/50 сек таким способом получить нельзя.
Можно сделать ручную выдержку, кнопками нажимаемыми в ручную. Но из за того что считывание не будет синхронизированно с кадровыми синхро импульсами значительное количество материала пойдет в брак. Сколько именно зависит от того как удачно будете попадать в них при нажатии кнопок.
Насколько мне известно повторяемого решения для увеличения выдержек кроме описанного выше на сегодняшний момент нет. Как возможный вариант добудьте схему от QHY6 и повторите ее.

[Владимир К.]

Так выдержка регулируется от 1/50 до 1/100 (или сколько там верхний предел)? И все?

[senao]

Выдержки переключением логических уровней регулируются от  1/50 до 1/100000с. То есть максимально доступное время экспозиции будет составлять 1/50с. Все что больше можно получить только по ссылкам которые вы давали сами выше, то есть путем кардинальной переделки камеры с довольно паршивеньким результатом на выходе. Поэтому широкого распространения данная методика не получила.

[Павел Бахтинов]

...позволю себе процитировать Mihail Sedyh:
https://astronomy.ru/forum/index.php/topic,38694.msg691035.html#msg691035

Спасибо за описание принципов работы по схеме Грува. Окончательно убедился, что эта схема ущербна по своей сути (какой смысл вырубать вертикальный конвейер, уродуя структуру видеосигнала и поимев геморрой с переходными процессами в мометы коммутации (как раз когда полезный сигнал считывается), когда можно просто запретить слив заряда из ячеек, при этом оставив все схемы развертки работать в штатном режиме..  ).

А вот как это "...просто запретить слив заряда из ячеек..." реализовать?

Ну, это вопрос к Михаилу. В свое время они с Александром Л. достаточно подробно разбирались в вопросах получения выдержек длиннее 1/50с в видеокамерах. А я в такие подробности не вникал, и применять такие камеры для астрофото с длительными выдержками никогда не собирался.