数码相机原理.docx

数码相机原理.docx

《数码相机原理.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《数码相机原理.docx（20页珍藏版）》请在冰点文库上搜索。

数码相机原理

相機電路識圖基本資識

目前我們所見的數碼相機類型很多,但從電路原理上講是大致相同的,如下圖所示.

從電路結構上分五大部份:

1.感應器.將不同波長的光信號轉換成電信號并提供給信號處理器.

2.數據處理器.負責信號處理,放大,濾波,較正,編碼,調制.

3.存儲器.存儲未處理與處理之后的數據.

4.顯示及控制電路.輸入指令與顯示其當時的工作狀態,相當于電腦上的顯示器與鍵盤.

5.輸出接口.將處理好的數據按不同需求提供給周邊環境,如,電腦,打印機,電視機等.

先舉個例,對電源部份的分析.

我們都知道仍何電子產品的組成一定有電源這一部份,好,我們就將它看著一個部份,也就是一模塊.既然如此,從我們所了解到所有電源電路可知,電源無非就是由整流,濾波,調整,穩壓,升壓,取樣等電路組合而成的.整流電路是將交流或是直流中有混帶交流成份的電流通過二極管或電容將其交流成份濾出.穩壓電路中一定有基准電壓,取樣電壓,和比較電壓,調整其取樣電壓就可以得到我們所需要的標准的電壓.

現在再想想,無論多復雜的電源電路,它不就是由一些二極管與電阻電容或者集成電路組合而成的嗎?

相機的原理也可用一句話來說:

經鏡頭聚焦后的物景由感應器轉換成電信號,再由數據處理器處理成我們所需要的圖像信號或其它數字信號輸出.

數位相机的工作原理

數位相机使用CCD/COMS電耦合器件記錄影像,然后把CCD/COMS器件的電子信號轉換成數位信號.同時對紅.綠.藍三色曝光.而視采用CCD/COMS陣列的結构不同,又可以分作線性陣列和平面.平面陣列的影像捕捉速度要比線性陣列快.大致可分作兩种工作方式:

一.利用透鏡和分光鏡將光圖像信息分成R.G.B三束單色光,并將它們分別用在三片CCD光電傳感器上,三种顏色信息經CCD轉換成模擬電信號,然后經過A/D模擬轉換成數位,再經過DSP數字信號處理后存到存貯器中,最后經數字接口/視頻接口輸出給計算机.打印机/電視机,這種記錄方式的數碼相機在當市上適用較少.

二、每個像素點的位置上有三個分別加上R.G.B三种顏色濾色片的CCD/CMOS光電傳感器,透過透鏡后的光圖像信息,被分別作用在不同的傳感器上,并將它們轉換為模擬電信號,然后經過A/D模數轉換成數字信號,再經過DSP數字信號處理后存到存儲器中.最后,經數字接口/視頻接口輸出給計算机.打印机/電視机,如下圖所示:

普通數位相机的系統工作過程:

1.開机准備:

當打開相机的電源開關時,主控程序MCU就開始檢查相机的各個部件是否處于可工作狀態,如果有一部份出現故障,那么LCD屏上就會給出一個錯誤信息.并使相机停止工作.如果正常,那么相机就處于准備狀態

2.聚焦及測光:

數位相机都有自動對光和自動測光功能,當你對准一物体并把快門壓下一半時,一個4位的MCU就開始工作,它通過計算确定對焦距离,快門的速度及光圈的大小.

3.拍照:

按下快門,攝像器件CCD就把從被攝景物上反射的光抓住,并以R,G,B三像素存儲.

4.圖像處理:

就是把這些像素一束一束地從CCD以串行的方式送到相机內部的緩沖存儲區,這中間要經過數碼相机的很多部件的處理,如進行A/D變換,進行白平衡及色彩的校正.

5.圖像合成:

一束一束的光到達緩沖區后,再合成在一起形成一幅完整的數字圖像.

6.圖像壓縮:

圖像的處理過程并沒有結束,當它離開緩沖區時還要被壓縮,壓縮的程度根据拍攝前你選定的拍攝模式而定,對于標准模式,一般壓縮幅度較大;而對于高質量模式,壓縮幅度較小.

7.圖像保存:

主控程序芯片MCU發出一個信息,把壓縮的圖像再轉到存儲卡中,長期保存.

8.圖片影像編修与輸出:

存儲在數碼相机內或存儲卡上的數碼圖片影像,可以輸出到計算机中利用圖像處理軟件進行常規調整与特效處理,然后通過輸出接口輸出到打印机,電視机,錄像机上,還可以上网傳輸.

数字處理器DSP

一、什么是DSP芯片

DSP芯片，也称数字信号处理器，是一种具有特殊结构的微处理器。

DSP

芯片的内部采用程序和数据分开的哈佛结构，具有专门的硬件乘法器，广泛采用流水线操作，提供特殊的DSP指令，可以用来快速地实现各种数字信号处理算法。

根据数字信号处理的要求，DSP芯片一般具有如下的一些主要特点：

（1）在一个指令周期内可完成一次乘法和一次加法。

（2）程序和数据空间分开，可以同时访问指令和数据。

（3）片内具有快速RAM，通常可通过独立的数据总线在两块中同时访问。

（4）具有低开销或无开销循环及跳转的硬件支持。

（5）快速的中断处理和硬件I/O支持。

（6）具有在单周期内操作的多个硬件地址产生器。

（7）可以并行执行多个操作。

（8）支持流水线操作，使取指、译码和执行等操作可以重叠执行。

设计DSP应用系统，选择DSP芯片时非常重要的一个环节。

只有选定了DSP芯片才能进一步设计外围电路集系统的其它电路。

总的来说，DSP芯片的选择应根据实际的应用系统需要而确定。

一般来说，选择DSP芯片时考虑如下诸多因素。

1、DSP芯片的运算速度。

运算速度是DSP芯片的一个最重要的性能指标，也是选择DSP芯片时所需要考虑的一个主要因素。

2、DSP芯片的价格。

根据一个价格实际的应用情况，确定一个价格适中的DSP芯片。

3、DSP芯片的硬件资源。

4、DSP芯片的运算速度。

5、DSP芯片的开发工具。

6、DSP芯片的功耗。

7、其它的因素，如封装的形式、质量标准、生命周期等。

DSP应用系统的运算量是确定选用处理能力多大的DSP芯片的基础。

那么如何确定DSP系统的运算量以选择DSP芯片呢？

①．按样点处理

按样点处理就是DSP算法对每一个输入样点循环一次。

例如；一个采用

LMS算法的256抽头德的自适应FIR滤波器，假定每个抽头的计算需要3个MAC周期，则256抽头计算需要256*3=768个MAC周期。

如果采样频率为8KHz，即样点之间的间隔为125μs的时间，DSP芯片的MAC周期为200μs，则768个周期需要153.6μs的时间，显然无法实时处理，需要选用速度更快的芯片。

②．按帧处理

有些数字信号处理算法不是每个输入样点循环一次，而是每隔一定的时

间间隔（通常称为帧）循环一次。

所以选择DSP芯片应该比较一帧内DSP

芯片的处理能力和DSP算法的运算量。

假设DSP芯片的指令周期为P（ns），一帧的时间为⊿τ（ns），则该DSP芯片在一帧内所提供的最大运算量为⊿τ/P条指令。

二、DSP系统的特点

数字信号处理系统是以数字信号处理为基础，因此具有数字处理的全部

特点：

（1）接口方便。

DSP系统与其它以现代数字技术为基础的系统或设备都是相互兼容，这样的系统接口以实现某种功能要比模拟系统与这些系统接口要容易的多。

（2）编程方便。

DSP系统种的可编程DSP芯片可使设计人员在开发过程中灵活方便地对软件进行修改和升级。

（3）稳定性好。

DSP系统以数字处理为基础，受环境温度以及噪声的影响较小，可靠性高。

（4）精度高。

16位数字系统可以达到的精度。

（5）可重复性好。

模拟系统的性能受元器件参数性能变化比较大，而数字

系统基本上不受影响，因此数字系统便于测试，调试和大规模生产。

（6）集成方便。

DSP系统中的数字部件有高度的规范性，便于大规模集成。

三、DSP芯片的应用

自从DSP芯片诞生以来，DSP芯片得到了飞速的发展。

DSP芯片高速发

展，一方面得益于集成电路的发展，另一方面也得益于巨大的市场。

在短短的十多年时间，DSP芯片已经在信号处理、通信、雷达等许多领域得到广泛的应用。

目前，DSP芯片的价格也越来越低，性能价格比日益提高，具有巨大的应用潜力。

DSP芯片的应用主要有：

（1）信号处理--如，数字滤波、自适应滤波、快速傅里叶变换、相关运算、频谱分析、卷积等。

（2）通信--如，调制解调器、自适应均衡、数据加密、数据压缩、回坡抵消、多路复用、传真、扩频通信、纠错编码、波形产生等。

（3）语音--如语音编码、语音合成、语音识别、语音增强、说话人

辨认、说话人确认、语音邮件、语音储存等。

（4）图像/图形--如二维和三维图形处理、图像压缩与传输、图像增强、

动画、机器人视觉等。

（5）军事--如保密通信、雷达处理、声纳处理、导航等。

（6）仪器仪表--如频谱分析、函数发生、锁相环、地震处理等。

（7）自动控制--如引擎控制、深空、自动驾驶、机器人控制、磁盘控制。

（8）医疗--如助听、超声设备、诊断工具、病人监护等。

（9）家用电器--如高保真音响、音乐合成、音调控制、玩具与游戏、数字电话/电视等。

存儲器FlashMemory

Flashmemory的技術已經是相當成熟，在未來應用相繼廣泛的情形下，又再度躍為產業聚焦的所在，以下茲淺談Flash產品的簡單工作原理與分類。

一、工作原理

FlashMemory的標準物理結構稱之為位元（cell），其特色為一般MOS的閘極（Gate）和通道的間隔為氧化層之絕緣（gateoxide），而FlashMemory在控制閘（Controlgate）與通道間卻多了一層物質，稱之為浮閘（floatinggate）。

拜這層浮閘之賜，使得FlashMemory可以完成三種基本操作模式，亦即讀（byte或word）、寫（byte或word）、抹除（一個或多個記憶體空間），就算在不提供電源給記憶體的環境下，

也能透過此浮閘，保存資料的完整性。

由於浮閘的物理特性與結構，使得當浮閘被注入負電子時，此一位元就由數位"1"被寫成"0"；相對的當負電子從浮閘中移走後，此一位元就由數位"0"變成"1"，此過程稱之為抹除。

目前產業界有許多將負電子注入浮閘或移除技術的探討，其中熱電子注入法（hot-electroninjection），是當源極（source）接地，控制閘的電壓大於汲極（Drain）的電壓時，浮閘與通道間氧化層的能量帶會變得很狹隘，因此在通道中的負電子會被加速自通道上跳到浮閘中，進而完成寫的動作。

同樣的原理可以運用在抹除的功能上，當控制閘接地且源極接至一個高壓時，浮閘上的負電子將會自浮閘中拉至源極，進而完成抹除的動作。

FlashMemory就是透過這種負電子存放

或移除於浮閘的原理，使得本身具有重複讀寫的特性。

FlashMemory有四個獨立的儲存區（有部份廠商的是8個獨立的儲存區,）,它們受ACA命令和各存儲區的地址控制,在儲存區被啟動以后,同時也送出一個讀命令.從而輸出一個有用的數字信號.緊隨著讀脈沖的作用輸出不同長度的連續的數字信號.這就是讀的原理.地址信號順序脈沖數據是依照讀脈沖型態而定議的.讀脈沖可用在任何的儲存區,所以串行讀取時間將隱藏在輸出的連續的多重數據后面,當A10出現高電平的時候,讀命今就自動地完成這個讀取的觸發動作.任何的讀寫命令都必須加載到各自的存儲區直到完成電荷轉移為止.從存儲區開始啟動以后,一個寫的命令將被送出,并且以后將輸入連續的寫脈沖到存儲器.地址的開始輸入是從A0-A9;A0-A8;AO-A7,并且按地址觸發脈沖所定議的地址數據順序及脈沖數據型態.一個寫命令可以應用到任意的儲存區（塊）因此串行時鐘能驅動各區,并隱藏在這些連續的數據流后面.寫恢復時鐘是必須的,當寫脈沖A10是低電平的時候,寫命今就自動地完成這個寫入的觸發動作.任何的讀寫命令都必須加載到各自的存儲區直到完成電荷轉移為止.

在FlashMemory里,可以存圖像資料也可以存我們需要隨意修改的Firmware資料.它的標准工作電壓為3.3V.一般在2.7-3.6均可正常工作.工作時鐘頻率為200us.保存數資料一般為10年.

（二）、Flash的分類

根據記憶體電晶體設計架構之不同可分為CellType以及OperationType兩種，CellType又可分為Self-AlignedGate（StackGate）及Splitgate兩種，前者以Intel為代表，後者則被Toshiba、SST等廠商所採用；至於OperationType，依據功能別又可區分為CodeFlash（儲存程式碼）及DataFlash（儲存一般資料），CodeFlash動作方式有NOR及DINOR兩種，而DataFlash動作方式則有NAND及AND兩種，其中CodeFlash主要以NOR型為主，儲存系統程式碼及小量資料，多半應用於PC、通訊行動電話、PDA、STB等產品上；而DataFlash則是以NAND型為主，用於儲存大量資料，主要應用範圍包括DSC、MP3等所需要的各式規格的小型記憶卡。

电子电路中的反馈电路

（1）.正反馈与负反馈

从放大器的输出端把某些量送回输入端去，称为反馈。

若反馈量与输入量的相位相同，且加入反馈后使放大倍数增加的称为正反馈；若反馈量与输入量的相位相反，其反馈用于电路产生振荡，负反馈用于改善放大器的性能。

（2）.反馈方式与反馈效果

反馈效果与反馈量的性质和方式是密切相关的，若负反馈量与输出电压成正比，其反馈效果能使输出电压稳定，输出电阻减小，称为电压负反馈；如果负反馈量与输出电流成正比，其反馈效果能使输出电流稳定，输出电阻增加，则称为电流反馈。

按反馈量在输入端的接入形式划分为串联反馈和并联反馈。

串联反馈的反馈量以串联形式串接于输入回路，并联反馈的反馈量以并联莆式并接于输入回路,串联负反馈能增加输入电阻，而并联负反馈却减小输入电阻。

（3）.反馈的判别方法

正反馈还是负反馈用瞬间极性法判别，先假定输入信号某一瞬时极性然后按单级共射极放大器输入与输出反相的原理逐级推出各输入、输出端的瞬时极性，最后看反馈到输入端的反馈量的极性与最初输入信号的假定极性：

若两者极性相同，则为正反馈，若两者极性相反则为负反馈。

电压反馈还是电流反馈用假想输出端交流短路法判别。

把输出端效流短路后，若反馈量消失，则为电压反馈，若仍然有反馈量，则为电流反馈，串联反馈还是并联反馈考察输入回路的联接方式进行判别。

反馈量与输入信号若是电压相加，则为串联反馈，若是电流相加，则为并联反馈。

三种形式的反馈

反馈电路在各种电子电路中都获得普遍的应用,反馈是将放大器输出信号（电压或电流）的一部分或全部,回授到放大器输入端与输入信号进行比较（相加或相减）,并用比较所得的有效输入信号去控制输出,这就是放大器的反馈过程.凡是回授到放大器输入端的反馈信号起加强输入原输入信号的,使输入信号增加的称正反馈.反之则反.按其电路结构又分为:

电流反馈电路和电压反馈电路.正反馈电路多应用在电子振荡电路上,而负反馈电路则多应用在各种高低频放大电路上.因应用较广,所以我们在这里就负反馈电路加以论述.负反馈对放大器性能有四种影响:

1.负反馈能提高放大器增益的稳定性.

2.负反馈能使放大器的通频带展宽.

3.负反馈能减少放大器的失真.

4.负反馈能提高放大器的信噪比.

5.负反馈对放大器的输出输入电阻有影响.

图F1是一种最基本的放大器电路,这个电路看上去很简单,但其实其中包含了直流电流负反馈电路和交流电压负反馈电路.图中的R1和R2为BG的直流偏置电阻,R3是放大器的负载电阻,R5是直流电流负反馈电阻,C2和R4组成的支路是交流电压负反馈支路,C3是交流旁路电容,它防止交流电流负反馈的产生.

1.直流电流负反馈电路.

晶体管BG的基极电压VB为R1和R2的分压值,BG发射极的电压VE为Ie*R5那么BG的B、E间的电压=VB-VE=VB-Ie*R5.当某种原因（如温度变化）引起BG的Ie↑则VE↑,BG基发极的电压=VB-VE=VB-Ie*R5↓这样使Ie↓.使直流工作点获得稳定.这个负反馈过程是由于Ie↑所引起的,所以属于电流负反馈电路.其中发射极电容C3是提供交流通路的,因为如果没有C3,放大器工作时交流信号同样因R5的存在而形成负反馈作用,使放大器的放大系数大打折扣.

2.交流电压负反馈电路

交流电压负反馈支路由R4,C4组成,输出电压经过这条支路反馈回输入端.由于放大器的输出端的信号与输入信号电压在相位上是互为反相的,所以由于反馈信号的引入削弱了原输入信号的作用.所以是电压负反馈电路.R4是控制着负反馈量的大小,C4起隔直流通交流的作用.当输入的交流信号幅值过大时,如果没有R4和C4的负反馈支路,放大器就会进入饱和或截止的状态,使输出信号出现削顶失真.由于引入了负反馈使输入交流信号幅值受到控制,所以避免了失真的产生.

整流与滤波电路

1、整流电路

常用的整流有半波、全波、桥式、对偶、倍压式整流电路，它们都是利用二极管的单向导电性把交流电压变为直流电压，不同形式的整流电路对变压器及二极管的要求也不同，其特点和要求列于表一中:

2、滤波电路

滤波电路实际上是一种低通滤波电路，它能通过直流分量，而抑制交流分量、因此通常用电容和电感元件组成，其电路形式和特点列下于下表二中，滤波电路以纹波系数r来评价其滤波性能的优劣：

注：

r是输出电压的纹波系数数

r=输出电压交流分量有效值（伏）/输出直流电压（平均值）（伏）

r越小，滤波性能越好。

通常r为百分之几至千分之几。

采用电感滤波时，应考虑到在电源断开时，电感线圈两端会产生较大的感应电势，所以选用整流二极管的电压特级应留有一定余量，以防击穿。

.门电路

“门”是这样的一种电路：

它规定各个输入信号之间满足某种逻辑关系时，才有信号输出，通常有下列三种门电路：

与门、或门、非门（反相器）。

从逻辑关系看，门电路的输入端或输出端只有两种状态，无信号以“0”表示，有信号以“1”表示。

也可以这样规定：

低电平为“0”，高电平为“1”，称为正逻辑。

反之，如果规定高电平为“0”，低电平为“1”称为负逻辑，然而，高与低是相对的，所以在实际电路中要选说明采用什么逻辑，才有实际意义，例如，负与门对“1”来说，具有

“与”的关系，但对“0”来说，却有“或”的关系，即负与门也就是正或门；同理，负或门对“1”来说，具有“或”的关系，但对“0”来说具有“与”的关系，即负或门也就是正与门。

（一）、与门

图一（a）为三端负与门。

其逻辑关系是：

当罗列入A、B、C均为“1”时，输出端F才为“1”。

（C）是与门的逻辑符号，图（b）是波形图，图（d）是逻辑关系表。

它们的逻辑关系式为：

F=A·B·C

（二）、或门

图二为三端正或门电路，只要有一个输入端为“1”信号。

输出端就为“1”信号，称为或门。

图（b）是波形图，它们的逻辑表达式为：

F=A+B+C

（三）、非门（反相器）

图三为非门电路，它的逻辑功能是：

输入为：

“0”，输出为“1”

反之则反，由于ui与uo反相,所以又称反相器，其逻辑符号如图（b）所示，图中C1为加速电容，D1为箝位二极管，D2超抗饱和作用，原理是：

当BG饱和时，ud>uc（通常ub为（0.7-0.8）伏，uc为（0.1-0.3）伏），使D2导通，若D2压降为0.2伏，ub=-0.7伏，此时uc变为0.5伏，这就减轻了饱和深度，另外由于ID流入BG，就使Ic增加，Ib减小，通过Ib自动调节作用，使电路能稳定地工作。

雙向傳輸門邏輯電路

双向传输逻辑门电路,几乎所有的電子產品都使用到這個電路,電路中A;B為信號的輸入輸出端,E為控制端.它的工作原理是:

当E为高电平时,門A開啟,信号A流向B,当E为低电平时,門B開啟,信号B流向A.

在我們所用的DSP與RAM之間的總線連結,就是用這種方式進行傳送數據的.當感應器捕捉到的信號經DSP計算之后要儲存在RAM中,同時RAM儲存的狀態又要反饋到DSP.當我們的相機電源一開啟,DSP就時時對物景進行亮度計算,自動白平衡調整,它們之間的數據流是雙向運行的.電路原理同上.

通過對以上的電路資識的了解,在我們的腦海里已經形成了一個初步的

概念,無論是多么復雜的電路它們都是由這些單元電路組合而成的,所以

現在我們重新回到數位相機上來,覺得它的原理也不難理解.

（下面以DS122的電路原理為例作進一步介紹）

1.開機電路原理

此電路是相機DS122上的一個開機單元電路,它兼容DS105,所以開機方式有三種.先來看看DS122的電池開機原理:

當按下POWER鍵的時候,電池的電壓便直接通過網絡PWR_SW加在二極管D11上,這時二極管得到正偏而導通,并向Q18的基極提供控制電壓,使電源電路開始工作,在開始工作的同時,CPU檢查所有電路,如果電路都正常,則CPU輸出高電平通過網絡DSP_PWR加到D11,這時便使Q18的基極維持高電平從而使個電路正常工作.當需要自動關機時,DSP_PWR變為低電平.

USB開機的原理:

當USB與電腦良好地聯結之后,5V電源就直接加在D12上,使相機正常開機,當USB接通之時同時也通過一個電阻R25向DSP提供一個檢測電壓,經CPU的識別,使相機不會進入自動關機狀態.

DS105的開機原理:

當電源電壓通過葉片開關加到D12與Q20的基極,D12向整機供電使電源正常開啟,而經Q20的控制電壓加到DSP,經CPU識別后維持開機狀態.

2.升壓電路的工作原理

升壓器的型號有若干種,但它們的升壓原理是大致相同的.首先來看看電路中各原件的作用,先熟悉原件作用對我理解電路很有幫助.L5,電感線圈只要提到電感線圈,大家都很清楚它的功能,在升壓電路中是利用它的電流不能瞬時突變和它的儲能作用來實現升壓過程的.D6,它是一高速開關二極管,在此電路中的主要作用是整流,選用高速管的目的是提高對電源的有效利用率,并且使輸出電壓穩定.U14,它是一具脈沖調制器,脈沖的寬度受基准電壓大小的控制.為了使大家更容易理解此電路,先我們來把它化為一個簡化的等效電路,如下圖:

當電源開啟后,脈寬控制器從第四腳輸出脈沖頻率,該脈沖在電路中相當于一連續通斷的高速開關,正是由于這樣,當第四腳為低電平時,線圈開始充電（儲能）,當第四腳為高電平時,線圈中的所儲備的電荷經過D6放電,放電的同時也給C26充電.于是負載可一直得到供電.它的穩壓原理是這樣的,當輸入電壓較低時,于在取樣電壓上也會取得較低的電壓輸入到第六腳,此時脈沖控制器經比較后輸出較寬的脈沖頻率,也相當于D6導通的時間變長,截止的時間變短,從而達到穩壓的目的.

3.閃光觸發電路原理

在數碼相機中有相當一部份是采用這樣的閃光觸發電路,無論是哪種電路它們的原理基本相同,目的是要給閃光管提供一個相當高的觸發電壓.電路中Q2是一個可控元件,當給第2腳提供一個高電平時,該可控硅導通,電流從第3腳流向第1腳.T2為升壓線圈,也是常說的觸發線圈,作用是升壓.D4是240V穩壓二極管,當電壓超過240V時,該管導通.

電路的工作原理是:

當電壓被充到240V時,穩壓管D4導通,經Q4放大后提供給DSP,經識別后確認此時可進行閃光拍照.當按下快門時,一個閃光觸發的高電平送至Q2的第2腳,Q2導通,240V的高壓加到T2第2腳,因T2的第1腳有一47000pf電容（在瞬時電壓時相當于短路）,所以在線圈的初級形成電流,從而使次感應到近萬伏的高壓去觸發閃光管使其發光.