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ENZYKLOPÄDIE DER FUNKELEKTRONIK UND ELEKTROTECHNIK Dynamischer Speicherchip DRAM – als Videokamera. Enzyklopädie der Funkelektronik und Elektrotechnik
Lexikon der Funkelektronik und Elektrotechnik / Digitale Technologie Die Eingabe von Bildern in einen Computer und deren weitere digitale Verarbeitung auf die eine oder andere Weise erfordert eine recht hohe Investition. Das teuerste Gerät ist hier wohl eine Videokamera, deren Signal von einem Computer ausgelesen, gespeichert und digitalisiert wird. Die teuerste, aber qualitativ beste Methode zur Bildeingabe ist die Digitalisierung des Ausgangssignals einer Haushaltsvideokamera. Allerdings ist der schaltungstechnische Aufwand hier immer noch erheblich. Denn hierfür sind ein Hochgeschwindigkeits-Digital-Analog-Wandler, ein Hochgeschwindigkeitsspeichergerät und eine entsprechende Schnittstelle zu einem Personalcomputer erforderlich. Für Amateurexperimente ist dies ein ziemlich teurer Weg. Eine Fernsehübertragungskamera mit Computerschnittstelle ist zu teuer und kann das Budget eines Funkamateurs erheblich belasten. Der Ausweg aus dieser Situation war der unkonventionelle Einsatz eines dynamischen Speicherkristalls. Es stellt sich heraus, dass DRAM als empfindlicher optischer Sensor verwendet werden kann. Vor einigen Jahren brachte Micron Technology (ein amerikanischer Hersteller von integrierten Single-Chip-Schaltkreisen) eine spezielle Version des 64k-DRAMS mit Kontrollfenster heraus, das als Bildsensor verkauft wurde. Da die Geometrie des Kristalls im Mikroschaltkreis bekannt ist, war es mit einigem Aufwand möglich, eine Videokamera herzustellen. Leider wurden diese Chips nicht mehr verkauft, was ein Hindernis für die Entwicklung einer Computerkamera darstellte. Allerdings habe ich eine Computerplatine mit DRAMS-Speicherchips zerlegt, die ein Keramikgehäuse mit einer Metallkappe hatte. Ich habe die Metallabdeckung ziemlich schnell entfernt und das Schutzglas darunter zum Vorschein gebracht. Was macht man als nächstes? Um das Experiment erfolgreich fortführen zu können, wurde beschlossen, den parallelen Port eines Personalcomputers zu verwenden, der sich hervorragend für die Ein-/Ausgabe von Informationen eignete. Zur Steuerung wurden zwei kleine Programme in Assembly geschrieben. Und – oh, Wunder! - Nach mehreren Tests war auf dem Computerbildschirm ein Bild zu sehen. Wie funktioniert es? 64k-DRAM enthält 65536 Speicherzellen, die in einer Matrixform angeordnet sind, die normalen Zugriff ermöglicht. In diesem Fall wurde der D4164-Chip von NEC verwendet, bei dem es sich um vier Matrizen von 64x256 Speicherzellen handelt. Jede Speicherzelle besteht aus einem Kondensator und komplementären Transistoren. Ein Kondensator speichert Informationen in Form einer elektrischen Ladung. Komplementäre Transistoren greifen auf diesen Kondensator zu (schalten ihn).
Wird eine Zeile der Matrix ausgewählt, so wird durch abwechselndes Schalten aller 256 Komplementärtransistoren dieser Zeile der gewünschte Kondensator (Zelle) mit einem der 256 Verstärker verbunden. Wenn die Spannung im Verstärker über einem bestimmten Wert liegt, wird davon ausgegangen, dass es sich um eine logische 1 handelt, andernfalls ist der Ausgang des Verstärkers eine logische 0. Durch Zählen eines der 256 Verstärker in einer bestimmten Zeile (d. h. Auswählen eine Spaltenadresse), wählen wir das gewünschte Ausgangssignal DRAM aus. Da die Kondensatoren auf dem Speicherchip auslaufen (langsam, aber unweigerlich entladen), müssen sie ständig regeneriert (aufgeladen) werden, um ihre Informationen nicht zu verlieren. Wenn sie aufhören, sich zu regenerieren, verschwindet nach einiger Zeit die Ladung in der Kondensatorzelle und das entsprechende Bit wird umgeschaltet. Durch die Beleuchtung (Belichtung) des Kondensators wird dieser Effekt verstärkt, der Kondensator entlädt sich viel schneller und das Ergebnis ist eine Umkehrung des Informationsbits. Die Entladezeit des Kondensators ist das Hauptmaß für die Lichtintensität in dieser Speicherzelle. Um diesen Effekt zu nutzen, sind folgende Schritte erforderlich: - Zunächst werden alle Speicherkondensatoren aufgeladen. „Dann werden die Gedächtniszellen für einige Zeit bestrahlt. - Alle Speicherzellen werden abgefragt und analysiert. Jede Zelle (Fotozelle) wird auf eine Umkehrung des ursprünglichen Zustands untersucht, die als Fackel betrachtet wird. DRAM ist ein Speicherchip, daher muss die logische Adresszuweisung mit der physischen Position auf dem Chip übereinstimmen. Um diese Verteilung herauszufinden, müssen mehrere Tests durchgeführt werden. Bei einem DRAM-Chip, dessen Zelladressen aus zwei Komponenten bestehen – Zeilenadressen und Spaltenadressen – kann man davon ausgehen, dass sie in der physikalischen Struktur des Kristalls genau gleich angeordnet sind. Wie sich herausstellte, stimmt das tatsächlich, d.h. Logische Zeilenadressen entsprechen physischen Zeilen und logische Spaltenadressen entsprechen physischen Spalten. Logische Adressen innerhalb einer Zeile entsprechen natürlich nicht einem physischen Ort in einer Speicherzelle auf einem integrierten Schaltkreis auf einem Einkristall. Das verarbeitete Bild zeigt diese fehlerhafte Verteilung neu angeordneter Zeilen und Spalten. Durch die Neuanordnung der Adressbits kann dieser Mangel behoben werden, dennoch ist hier noch ein experimenteller Ansatz erforderlich. Die Geometrie integrierter Schaltkreise auf einem Einkristall verschiedener Hersteller kann unterschiedlich sein. Daher funktioniert das Steuerprogramm nur mit NEC-Chips vom Typ 4164 korrekt. Bei anderen Speicherchips können Fehler auftreten, aber wenn Sie das Steuerungsprinzip kennen, können Sie das Ergebnis korrigieren. Jetzt wird klar, dass unser integrierter Schaltkreis auf einem Einkristall aus vier nebeneinander liegenden Matrizen besteht. Die beiden äußeren Matrizen sind von den beiden mittleren durch relativ große Lücken getrennt; Dies führt zu einigen Fehlern im Bild. In diesen Lücken steckt wahrscheinlich eine Dekodierungslogik. Die beiden mittleren Matrizen sind durch eine viel kleinere Lücke getrennt, sodass sie als Matrix aus 128x256 Zellen betrachtet werden können. Als Sensoren kommen auf dieser Basis nur zwei mittlere Matrizen zum Einsatz. Ein Blick durch eine Lupe auf den Mikroschaltkreis zeigt deutlich die Matrixstruktur des Kristalls.
Jetzt müssen Sie das Objektiv genau fokussieren. Bei näherer Betrachtung fällt auf, dass einige Zeilen und Spalten noch neu angeordnet sind. Zwei Zeilen werden korrekt dargestellt, die nächsten beiden sind miteinander vertauscht. Der Vorgang des Lesens des Zellinhalts behebt diesen Fehler. Als nächstes werden die Adressen der Spalten korrigiert, von denen vier richtig gelesen werden und die anderen vier in der falschen Reihenfolge. Die Ermittlung der richtigen Verteilung ist nicht immer einfach, da hierfür eine solide integrierte Optik und eine sehr präzise Fokussierung des Bildes erforderlich sind. Nur bei korrekter Verteilung ist das Muster deutlich erkennbar! Beginnen Sie den Test am besten mit einer weißen Oberfläche, auf der dunkle Gegenstände platziert und bewegt werden. Sorgfältige Beobachtung, präzise Objektivfokussierung und etwas Geduld helfen dabei, grobe Fehlfunktionen (Fehlanpassungen) zu erkennen und dann die Merkmale des integrierten Schaltkreises auf einem Einkristall aufzudecken. Grobe Ungenauigkeiten werden durch schwarze Linien erkannt, auf dem Chip lokalisiert und unter Kontrolle gebracht. Um den Parallelport eines Personalcomputers zum Anschließen eines DRAM-Chips zu verwenden, sind einige Modifikationen erforderlich. Der Druckeranschluss enthält parallele Kondensatoren und äquivalente Reihenwiderstände, die die steilen Flanken des Taktsignals glätten; Wir brauchen diese Elemente in diesem Fall nicht und sollten daher entfernt werden.
In einer typischen hochintegrierten Platine sind die einzelnen Module direkt über CMOS-Ausgänge mit den Druckerports auf einem Niedriglastbus verbunden, daher muss ein bidirektionaler Puffertreiber vorhanden sein. Verbinden Sie nun den parallelen Port mit einem Kabel mit dem Sockel, auf dem der DRAM-Chip installiert werden soll. Die Buchsen dieses Panels müssen gute Kontakte haben (vorzugsweise vergoldet) und einem wiederholten Austausch standhalten, da Sie den erforderlichen Mikroschaltkreis auswählen müssen. Es ist auch notwendig, eine separate Steckdose für die Mikroschaltung herauszubringen, da die Spannung am Ausgang des LPT-Anschlusses hier nicht verwendet werden kann. Der Drucker kann dort aber jetzt nicht angeschlossen werden! Sehr wichtig ist auch der Entkopplungskondensator zwischen Pin 8 und Pin 16 des DRAM, da dort im eingeschalteten Zustand ein recht hoher elektrischer Strom fließt (ca. 100 mA). Dieser Kondensator wird direkt auf den Körper des Chiphalters (Sockel) des ICs gelötet (auf Polarität achten! Pin 8 ist +5 Volt, Pin 16 ist Masse). Ohne diesen Kondensator geht gar nichts! Mechanisches Design der integrierten Optik Die Nutzfläche des Chips NEC 4164 beträgt etwa 1,2 x 6 mm², wenn wir beide extremen Matrizen ablehnen. Basierend auf dieser Tatsache müssen integrale Optiken implementiert und ausgewählt werden. Ein Objektiv mit 8 mm Brennweite entspricht etwa einem 50 mm Standardobjektiv in einer Kleinformatkamera. Berücksichtigt werden auch Objektive mit Brennweiten von 5 bis 35 mm. Diese Optik amortisiert sich im späteren Einsatz. Wir haben das erwähnte Objektiv einer Super-8-Kamera (Brennweite f = 25mm) verwendet. Besser ist es, kurzbrennweitige Objektive zu verwenden, beispielsweise von alten Dünnfilmkameras, einer defekten Haushaltsfernsehkamera etc. Ich hoffe, dass Sie in Fotofachgeschäften und Fotostudios ein passendes Objektiv finden. Aber auch ohne ein hochwertiges Objektiv kann man mit einem einfachen Kurzbrennweitenobjektiv gute Ergebnisse erzielen. Die Bildqualität des Objektivs sollte dem vom Objektiv erhaltenen Bild nicht unterlegen sein. Schließlich projizieren Sie ein Bild auf einen Mikroschaltungskristall, der keine hohe Auflösung wie auf einem Fotofilm unterstützt. Aufgrund der großen Auswahl an Linsen und deren Einbau vor dem Chipkristall können wir hier keine Standardlösung für die Platzierung und Gestaltung des optischen Systems geben. Zu beachten ist lediglich die präzise Zentrierung der integrierten Optik, damit das Bild exakt auf den Kristall fokussiert wird. Lichtempfindlichkeit Die integrierte Schaltung auf einem Einkristall bietet keine hohe Lichtempfindlichkeit, daher sind die Belichtungszeiten des Kristalls länger als bei einer echten CCD-Videokamera. Die Bewegungsgeschwindigkeit fester Objekte hängt von der Beleuchtung ab und liegt zwischen Hunderten und 20 Sekunden. Längere Zeiten sind nicht möglich, da sonst das Bild stark verrauscht (unscharf) wird. Während dieser recht langen Belichtungszeit ist es ratsam, für Ihr Motiv ein Stativ dabei zu haben. Außerdem müssen Ihre Hände frei sein, um die Belichtungszeit zu korrigieren, indem Sie an der Computertastatur arbeiten und erfolgreiche Bilder aufnehmen. Es ist anzumerken, dass der DRAM-Chipkristall empfindlicher auf das rote Spektrum des optischen Bereichs reagiert als auf das blaue; möglicherweise weist er eine gute spektrale Empfindlichkeit im infraroten (unsichtbaren) Strahlungsspektrum auf. Software Das Initialisieren und Auslesen des Speicherchips erfolgt durch Assembler-Programme, die in Turbo-Pascal-Programme eingefügt werden. Initialisierung Die INITRAM-Prozedur initialisiert den integrierten Schaltkreis. Da das Vorhandensein von Ladung in den Speicherzellen der NEC 4164-Mikroschaltung einer logischen „1“ entspricht, ist „1“ in allen Zellen vorab aufgezeichnet. Zur Steuerung eines DRAM-Chips sind eine Reihe komplexer Taktsignale erforderlich.
Zunächst wird der Zeilenadresszähler am Adresseingang der Mikroschaltung eingestellt. In diesem Fall wird der RAS-Eingang auf „0“ gesetzt – das Setzen der Leitungsadresse ist erlaubt. Als nächstes wird die Spaltenadresse angegeben, der Din-Eingang auf den gewünschten Wert gesetzt (in unserem Fall werden alle Zellen auf „1“ gesetzt), dann wird der CAS-Eingang auf „0“ gesetzt. Der DRAM hat nun die Spaltenadresse und Datenbits akzeptiert. Dieser Vorgang wird für alle 32768 Speicherplätze wiederholt; Nun ist der DRAM-Chip initialisiert, alle Kondensatoren sind geladen (geschrieben „1“). Dann vergeht eine gewisse Zeitspanne, während der der Chip-Speicherkristall bestrahlt wird. Wenn diese Zeit abgelaufen ist, werden Informationen aus den Speicherzellen gelesen, während die hervorgehobenen Zellen ihren Zustand ändern (die beleuchteten Kondensatoren entladen sich schneller). Informationen lesen Das Auslesen von Informationen aus dem Speicherkristall erfolgt durch das LESERAM-Verfahren. Dies geschieht auf die gleiche Weise wie bei der INITRAM-Prozedur. Der Inhalt jeder Speicherzelle wird gespeichert und dann in ein Bild umgewandelt. In diesem Fall werden lokale Fehler korrigiert. Dementsprechend werden alle 8 Bits zu Bytes zusammengefasst. Um ein Image zu erstellen, werden 4096 Bytes benötigt, da nur die Hälfte des Speicherchips genutzt wird. Diese Daten werden dann an das Hauptprogramm übergeben. Das Korrekturprogramm gleicht die unterschiedliche Empfindlichkeit einzelner Pixel aus. (Speicherzellen an den Rändern des Sensors sind empfindlicher als der zentrale Bereich.) Da zwischen den beiden Mittelmatrizen eine kleine Lücke besteht (für NEC 4164!), gibt es auch ein zweites Korrekturprogramm. Es trennt beide Bildhälften um 5 Pixel und füllt das resultierende Intervall rational aus. In manchen Fällen ist es sinnvoller, auf diese Korrektur zu verzichten oder den Verarbeitungsalgorithmus zu verbessern. Die drei Programme INITRAM (Initialisierung), LESERAM (Lesen) und Korrektur sind in der Prozedur „Belichtung“ enthalten und notwendig, um ein Zeitintervall für die Bestrahlung der Matrix und die Aufnahme von Bildinformationen zu erstellen. Das Verfahren „ANZEIGE“ dient der schnellen Anzeige eines Bildes von einer VGA-Karte. In diesem Fall werden Bildinformationen direkt in den Videospeicher eingegeben, was das Ergebnis erheblich beschleunigt. Leider verdoppeln sich die vertikalen Abstände einzelner Speicherzellen, was durch den Ausgleichsvorgang im Anzeigeprogramm erklärt wird. Wenn Sie andere Grafikkarten verwenden, muss diese Routine möglicherweise angepasst werden. Die Prozeduren „SPEICHERN“ (Schreiben) und „LESEN“ (Lesen) zeichnen das Bild auf, speichern es entsprechend im BMP-Format und legen es auf der Festplatte ab. Andere Programme Die oben besprochenen Programme werden von anderen Anwendungsprogrammen verwendet. Das KUCKUCK-Programm ist das wichtigste von allen; Es nimmt sowohl Einzelbilder als auch Bildserien in 2, 4 oder 10 Helligkeitsstufen auf. Das aktuelle Bild ist immer auf dem Monitor und kann mit der Leertaste aufgenommen werden. Prinzipiell kann die Kamera natürlich nur Bilder mit 2 Stufen (Schwarzweiß) aufnehmen, es ist jedoch möglich, Bilder mehrfach mit Halbtönen (Graustufen) zu bestrahlen.
Einzelbelichtungen von Halbtonbildern werden nacheinander in Dateien geschrieben (.3 bzw. „.9“) und dann zur Weiterverarbeitung durch die Programme „Grau3“, „Grau4“ und „Dither“ umgewandelt: „Grau3“ erzeugt 3 Einzelbelichtungen einer Bitmap mit 4 Helligkeitsstufen. (4 Bit pro Pixel an Informationen, dabei werden nur die Farben 0, 7, 8 und 15 verwendet und dementsprechend Schwarz, Hellgrau, Dunkelgrau und Weiß. Für eine schnelle Bildschirmverarbeitung von Halbtonbildern ist eine weitere Konvertierung erforderlich: die „ Das Programm „Grau4“ konvertiert die gleichen Eingabedaten auf die gleiche Weise wie „Grau3“, jedoch in einem anderen Format. Neun Einzelbelichtungen für die „.9“-Datei werden vom Programm „Dither“ in ein Schwarzweißbild (jeweils 3-fache Breite und Höhe des Originals) umgewandelt. Als Ergebnis der Belichtungen erzeugt jedes Pixel in neun Bildern für jeden Punkt eine 3x3-Pixel-Matrix aus Zufallsverteilungen. Zur Betrachtung der erstellten Bildsequenzen, die wiederum vom Programm „KUCKUCK“ erstellt wurden, dient das Programm „FilmAb“ (Video Clip). So können kurze „Videoclips“ mit 2 oder 4 Helligkeitsstufen erstellt und eine beliebige Betrachtungsreihenfolge gewählt werden. Da das 128x256-Pixel-Format recht groß ausfällt, insbesondere die Länge der Zeilen doppelt so lang ist wie die der Spalten, können Sie das „Halbformat“ mit einer Auflösung von 128x128 Pixeln verwenden. Wenn Sie das Programm „FilmAb“ (Videoclip) ausführen, müssen Sie diese Option zunächst sinnvoll laden, um Speicherplatz zu sparen. Die resultierenden Einzelbilder können von Windows-Programmen wie Paintbrush verarbeitet werden. Liste der einzelnen Verfahren und Programme: - VIDEO.INC enthält Verfahren auf hoher Ebene: - INITRAM, INITRAM2: Initialisierung des D4164-Chips im Voll- und dementsprechend Halbformat. - LESERAM, LESERAM2: Bildinformationen lesen. - ANZEIGE: schnelle Eingabe auf VGA-Karte. - LESEN: 2-Farben-Bitmap-Datei, 128x256 und 128x128 Pixel. - SPEICHERN: Bitmap-Daten, Format wie gelesen - KUCKUCK: Aufnahme in zwei Formaten – 2, 4 oder 10 Helligkeitsstufen. - GRAU3: Erzeugt eine 4-Farben-BMP-Datei aus 3 Einzelbelichtungen („.3“ -> „.BMP“). - GRAU4: Es werden Daten mit Informationen für das 4. Bit der VGA-Karte („.3“ -> „.4“) generiert. - DITHER: Aus 9 Einzelbelichtungen werden 2 Farbbilder erstellt („.9“ -> „.BMP“). - FILMAB: 2- oder 4-farbige Bitmaps werden zu einem Film zusammengefügt (mit einem Namen versehen: "name. BMP"). Литература: - Datenblatt IS 32 Optic Ram, Micron Technology Ein Satz Originaldokumentation in einer Datei kuckuck.zip (283 kB) Anmerkung des Übersetzers Diese Arbeit, nach dem Erstellungsdatum der Dateien zu urteilen, wurde 1992 geschrieben, als sogar 486 Computer eine sehr coole Sache waren. Eventuell müssen Sie die Software für moderne PCs anpassen. Es kann sich herausstellen, dass der parallele Anschluss des Computers nicht geändert werden muss (ich möchte meinen Drucker nicht verlieren :-)). Was die verwendeten Mikroschaltkreise betrifft: - Anscheinend wird es nicht einfach sein, NEC DRAM zu finden (ich habe noch keinen in meinem Müll gefunden), und das MS eines anderen Unternehmens enthält möglicherweise keine Metallkappe. Wie kommt man dann an den Kristall? Im Allgemeinen bin ich der Meinung, dass dieser Artikel nur ein Ausgangspunkt ist, um mit diesem interessanten Problem zu experimentieren. В Quelldatei Es gibt noch ein paar Textdateien. Ich versuche sie auch zu übersetzen. Autor: Martin Kurz, übersetzt von Nikolai Bolschakow, rf.atnn.ru
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