Цифровые полупрофессиональные и профессиональные видеокамеры Sony DCR-VX2000/VX2100 и Sony DSR-PD150/170/190. Устройство и ремонт сигнальной части камерных каналов

Значительное число указанных моделей видеокамер в настоящее время находится в эксплуатации, многие из них требуют ремонта или сервисного обслуживания. В предлагаемой статье рассматриваются особенности этих моделей, применяемые в них ПЗС-матрицы, приводятся схемы сигнальной части камерных каналов и даются рекомендации по ремонту этого узла.

Применяемость видеокамер

Выполненные в профессиональном стиле и легко узнаваемые видеокамеры стандартной четкости "Sony DCR-VX2xxx" уже несколько лет пользуются заслуженной популярностью у любителей высококачественной съемки и профессиональных операторов в региональных и местных телекомпаниях. Видеокамеры этой серий пользуются неизменным спросом у оперативных служб МВД, МЧС, в НИИ, научных кафедрах университетов, а особенно у "свадебных операторов", съемки которых во многих случаях происходят в "праздничных потемках", где никакие другие полупрофессиональные камеры подобного класса не обеспечивают сравнимого качества изображения.

Профессиональные видеокамеры серии DSR-PD1ххх отличаются от соответствующих аппаратов серии DCR-VX2ххх в основном применением формата DVCAM и более высокой ценой. В состав серии входят модели "DSR-PD150/150P" (функциональные аналоги "DCR-VX2000/VX2000E"), "DSR-170/170P/190P" (аналоги "DSR-VX2100/VX2100E"), DSR-
PD175P/177P/198P(аналог"DSR-VX2200E"). Все видеокамеры обеспечивают съемку как на малые видеокассеты DVCAM, так и на miniDV. Как известно, скорость протяжки ленты в формате DVCAM равна 28,218 мм/с (в режиме DV SP - 18,8 мм/с), ширина дорожек записи также больше, что обеспечивает меньшее число выпадений сигнала и большее отношение "сигнал/шум" при одновременном увеличении расхода ленты. Время воспроизведения кассеты PDVM-40ME (малая кассета DVCAM) - 41 мин. в формате DVCAM и 63 мин. в формате DV (SP).

Применение видеокассет не смущает профессиональных операторов, многие из них используют видеокамеры только при видеосъемке. С целью продления срока службы лентопротяжного механизма (ЛПМ) весьма дорогостоящих аппаратов для воспроизведения записанных материалов с целью загрузки в компьютер операторы зачастую применяют недорогие бытовые видеокамеры.

Использование видеокассет miniDV для высококачественной видеозаписи имеет определенные преимущества по сравнению с записью на DVD, а именно: компрессия DV, небольшая цена и доступность видеокассет. Коротко остановимся на особенностях формата DV в сравнении с MPEG-2 в приложении к видеокамерам (с записью на DVD, HDD и карты памяти).

Особенности формата DV в сравнении с MPEG-2

Формат DV является разновидностью формата MJPEG с покадровым сжатием видео и переменным коэффициентом компрессии, при этом общий коэффициент компрессии сохраняется постоянным (5:1), скорость результирующего цифрового потока составляет примерно 28 Мбит/с. В формате MPEG-2 большая часть кадров обрабатывается по другому алгоритму - сжимаются не сами кадры, а разность между ними, в этом состоит важнейшее различие форматов. В MPEG-2 имеются не сжатые кадры, как в DV, а сжатая информация о различиях между текущими и ближайшими к ним ключевыми и промежуточными кадрами.

В результате в MPEG-2 достигается большая степень компрессии, в в MPEG-4/H264 - еще более высокая.

Оборотная сторона форматов MPEG - значительно более сложный алгоритм кодирования, чем в формате DV (компрессия обязательно используется во всех цифровых видеокамерах), и необходимость перекодирования при редактировании и монтаже отснятых материалов, приводящая к потерям качества изображения, большим, чем при использовании формата DV. При этом некоторые виды редактирования, например монтаж склейкой (нарезка клипов), в формате DV вообще не требуют рекомпрессии.

При использовании компрессии MPEG-2 обеспечивается изображение, сравнимое по качеству с DV, при этом максимальная скорость потока данных не превышает 9,8 Мбит/с, что почти в 3 раза меньше, чем при сжатии DV.

Но при необходимости редактирования и дальнейшего переноса материалов на DVD или другие цифровые носители, неизбежно возникающей в профессиональных приложениях, пользователи сталкиваются с проблемой снижения качества изображения. Кроме того, далеко не все компьютерные программы удовлетворительно справляются с редактированием видеоматериалов в формате MPEG-2 (DVD), в то время как для формата DV существует множество различных программ, отлично справляющихся с поставленными задачами.

Таким образом, компрессия MPEG-2 (MPEG-4/H264) удовлетворяет требованиям любителей видеосъемки, использующих режим "снял-просмотрел" без редактирования. Однако при необходимости сложного монтажа и редактирования с наложением титров, звука и различными спецэффектами предпочтительнее использовать компрессию DV. Следует отметить, что в профессиональных приложениях компрессию DV используют не только при записи на кассеты miniDV, DV, DVCAM, DVCPRO, но и на другие типы цифровых носителей, в том числе и твердотельные.

Рассмотрим основные функциональные возможности и параметры рассматриваемых видеокамер.

Функциональные возможности и параметры видеокамер

Рис. 1. Внешний вид Sony DCR-VX2000E

Sony DCR-VX2000E (рис. 1, по версии сервисного руководства Ver.1.3, 2005 г.)

• ЛПМ: С Mechanism, кассеты miniDV с памятью (от 4 до 16 кб), время записи на кассету DVM60 - 1/1,5 ч;
• 3-матричный ПЗС-датчик изображения с диагональю 1/3 дюйма, общее число пикселов 450000, эффективное число - 400000;
• комбинированный объектив с 12-кратным оптическим увеличение (48-кратное цифровое увеличение), фокусное расстояние 6-72 мм, F1.6-2.4, диаметр фильтра 58 мм;
• цветовые температуры: автоматический баланс белого, 3200°К (для съемки в помещениях), 5800°К (для дневного освещения);
• оптическая стабилизация изображения: Super Steady Shot;
• минимальная освещенность: 2 лк (F1.6);
• форматы изображения: 4:3, 16:9;
• комплекс ручных регулировок (фокусировка, баланс белого, экспозиция, скорость затвора, уровень звука);
• преобразование аналоговых сигналов, например с видеомагнитофонов, в цифровые (от входов RCA, S-video на выход DV) для подачи на компьютер или для записи на кассеты miniDV;
• запись неподвижных изображений на съемные карты памяти Memory Stick;
• разъемы входов/выходов: S-video (вход/выход); RCA видео/аудио (стерео), входы/выходы; DV (вход/выход); вход управления LANC control, микрофонный вход (стерео) для низкоомного микрофона, Ø3,5 мм, чувствительность 0,388 мВ, вывод постоянного напряжения 2,5...3 В, входной импеданс 6,8 кОм;
• цветной ЖК дисплей: диагональ 2,5 дюйма (49,9x37,3 мм), разрешение 880x228 (200640 точек);
• карта памяти: Memory Stick MSA-4A (4 Мб), напряжение питания 2,7...3,6 В, ток потребления 45 мА;
• опционные карты памяти Memory Stick (до 64 Мб);
• запись "стоп-кадров" с видеокамеры или внешних источников на карту памяти;
• литий-ионный аккумулятор: NP-F330 (infoLITHIUM, серия L), напряжение 7,2 В; емкость 5 Вт·ч, габариты 38,4x20,6x70,8 мм;
• сетевой адаптер: AC-L10/A/B/C, напряжение 8,4 В (ток 1,5 А);
• время непрерывной съемки: (NP-F330) - 75 мин. (с видоискателем), с опционными аккумуляторами - от 120 мин. (NP-F530) до 575 мин. (NP-F960);
• возможность приблизительной оценки оставшегося времени работы;
• запись в прогрессивном режиме с повышенным разрешением для съемки быстродвижущихся объектов и в режиме фотографирования (используются все пиксели ПЗС-матриц, развертка 25 кадр/с);
• мощность потребления от аккумуляторов: 4,7 Вт (с включенным ЖК дисплеем), 4,1 Вт ( с видоискателем);
• габариты: 115x145x342 мм;
• вес: 1,6 кг (с аккумулятором);
• дополнительные аксессуары: пульт ДУ RMT-811, карта памяти Memory Stick, USB-кардридер, диск с ПО PictureGear 4.1 Lite.

Рис. 2. Внешний вид Sony DCR-VX2100E

SonyDCR-VX2100E (рис. 2, по версии сервисного руководства Ver.1.4, 2008 г., отличия)

• минимальная освещенность: 1 лк (F1.6);
• ЖК дисплей: диагональ 2,5 дюйма, разрешение 960x220 (211000 точек);
• литий-ионный аккумулятор NP-F570 (infoLITHIUM, серия L), напряжение 7,2 В, емкость 15,8 Вт·ч, габариты 38,4x20,6x70,8 мм;
• время непрерывной съемки: (NP-F570) - 225 мин (с видоискателем), с опционными аккумуляторами от 145 мин. (NP-F550) до 685 мин. (NP-F970);
• сетевой адаптер: AC-L15A/L15B, напряжение 8,4 В (ток 1,5 А);
• габариты: 120x159x393 мм.

Рис. 3. Внешний вид Sony DCR-VX2200E

Sony DCR-VX2200E (рис. 3, по версии сервисного руководства Ver1.1, 2010 г., отличия)

• ЛПМ: N Mechanism (MDX-N220);
• 3-матричный КМОП-датчик изображения ClearVid CMOS с диагональю 1/3 дюйма, общее число пикселов 1200000 (1440x810), число эффективных пикселов для формата 16:9 - 1037000, для формата 4:3 - 778000;
• система обработки изображений: Enhanced Imaging Processor;
• объектив: G Lens с 20-кратным оптическим увеличением (30-кратное цифровое увеличение), фокусное расстояние 4,1-82 мм, F1,6-3,4, диаметр фильтра 72 мм;
• минимальная освещенность: 1,5 лк (F1,6, при фиксированной выдержке 1/25, автоматическом усилении и диафрагме);
• 10-контактный разъем аналоговых выходов (видео и звук);
• опционные карты памяти: Memory Stick Duo, Memory Stick PRO Duo, Memory Stick-HG Duo, возможность применения карт памяти Memory Stick Micro через адаптер М2, объем памяти до 32 Гб;
• запись стоп-кадров на карту памяти с разрешением до 1440x810 (16 : 9);
• расширенные возможности ручной регулировки параметров съемки (оттенки кожи, гамма-коррекция, имитация кинопленки, фаза и глубина цветов и др.);
• различные режимы стабилизации изображения Steady Shot: жесткая, стандартная, мягкая, Wide Conv. (используется с опционными широкоугольными конверсионными объективами SONY);
• ЖК дисплей: диагональ 8 см (3,2 дюйма), формат 16:9, разрешение 1920x480 (921600 пикселов);
• опционные аккумуляторы (infoLITHIUM, серия L, напряжение 7,2 В): NP-F570 (2,2 А·ч), NP-F770 (4,4 А·ч), NP-F970 (6,6 А·ч);
• сетевой адаптер: AC-L100/AC-L100C, напряжение 8,4 В, максимальный ток 1,5 А;
• время непрерывной съемки с ЖК дисплеем: 155 мин. (NP-F570), 315 мин. (NP-F770), 470 мин. (NP-F970);
• мощность потребления от аккумулятора: 5,8 Вт (с видоискателем), 6 Вт (с ЖК дисплеем);
• габариты: 169x178x349 мм;
• вес: 2,1 кг

Датчики изображения видеокамер

Несмотря на наличие большого числа общих конструктивных и функциональных черт рассматриваемых моделей видеокамер, имеются и существенные схемотехнические и функциональные различия. Высокая чувствительность, являющаяся "визитной карточкой" видеокамер серии DCR-VX2xxx и ряда других моделей SONY в основном определяется качественными параметрами датчиков изображения.

В моделях DCR-VX2000E/ VX2100E применены по три черно-белых ПЗС-матрицы типа ICX247AL-13 собственного производства (такие же матрицы применены и в моделях DSR-PD150P/170P/190P). Матрицы конструктивно объединены в узлы цветоделительных призм, входящих в состав объективов видеокамер. На рис. 4 приведен сборочный чертеж секции блока объектива моделей DCR-VX2000/ VX2000E, на рис. 5 - моделей DCR-VX2100/VX2100E.

Рис. 4. Сборочный чертеж секции блока объектива моделей DCR-VX2000/VX2000E

Рис. 5. Сборочный чертеж секции блока объектива моделей DCR-VX2100/VX2100E

В таблице 1 приведены каталожные номера деталей основных узлов секции блока объектива видеокамеры DCR-VX2000E (в скобках - отличающиеся номера для модели DCR-VX2100E).

Таблица 1. Каталожные номера деталей основных узлов секции блока объектива видеокамеры DCR-VX2000E/VX2100E

Принципиальные электрические схемы плат ПЗС-матрицы CD-254 (такая же плата применена в модели DSR-PD150P) и CD-512 (такая же плата применена в моделях DSR-PD170P/PD190P) приведены в архиве (см. в конце статьи). В состав плат входят 3 идентичных микросхемы каналов зеленого (IC101), красного (IC102) и синего (IC100) цветов (физически ПЗС-матрицы установлены в узле призмы (позиция 454 на рис. 4) и усилители выходных сигналов (IC103-IC105), выполненные на микросхемах AD8014ART-REEL7 фирмы Analog Devices. Как видно из рассмотрения схем и сборочных чертежей, во всех приведенных выше моделях видеокамер используются одинаковые типы ПЗС-датчиков изображения, микросхемы предусилителей и одинаковые узлы цветоделительных призм (внешний вид приведен на рис. 6).

Рис. 6. Внешний вид ПЗС датчиков изображения

Спецификации большинства микросхем ПЗС-датчиков SONY для собственной серийной аппаратуры, в том числе и Data Sheet на ICX247AL-13, отсутствуют в свободном доступе. Однако компания выпускает ряд функциональных аналогов микросхем, предназначенных для широкого круга потребителей, документация на которые имеется на сайте фирмы. Функциональными аналогами ICX247AL-13 являются микросхемы ICX059AL (технология HAD), ICX059CL (Super HAD), ICX259AL (EXview HAD) с диагональю 1/3 дюйма и общим числом пикселов 795x596 (470 К).

Все перечисленные микросхемы выполнены в одинаковых корпусах и совместимы по назначению большинства выводов, однако отличаются некоторыми параметрами. Коротко рассмотрим особенности устройства ПЗС-матриц SONY выполненных по различным технологиям.

HAD (Hole Accumulated Diode - диодный накопитель дырок) - технологический прием, позволяющий повысить разрешающую способность ПЗС-сенсоров по горизонтали, что достигается использованием двухслойной подложки, состоящей из слоя n-типа и эпитаксиального слоя р-типа. Такое решение позволило отказаться от применения специальных отводящих стоков и увеличить плотность размещения элементов (пикселов) вдоль строк. В начале 90-х годов была разработана технология Hyper HAD, предусматривающая установку над каждым пикселом миниатюрной линзы, концентрирующей световой поток, что дало увеличение чувствительности сенсоров примерно вдвое.

Super HAD - сенсоры, выполненные по этой технологии, являются усовершенствованной версией приборов Hyper HAD, основное отличие заключается в уменьшении зазоров между микролинзами, в результате увеличивается световой поток, падающий на каждый пиксел и общая чувствительность датчика изображения. Усовершенствованная технология Super HAD II позволила увеличить чувствительность датчиков в голубой и красной областях. Сенсоры, выполненные по этой технологии, обеспечивают повышенную четкость изображения при низких уровнях освещенности.

Exview HAD - данная технология позволила увеличить чувствительность датчиков ПЗС-в красной и ближней инфракрасной областях спектра за счет введения дополнительных одинарных (SIL) или двойных (DIL) слоев микролинз между основными линзами и светочувствительными элементами.

Более подробные сведения об особенностях ПЗС-датчиков изображения SONY приведены в статье автора [1]. Чувствительность перечисленных выше ПЗС-матриц (типовые значения): ICX059AL - 300 мВ; ICX059CL - 460 мВ; ICX259AL - 1000/2200 мВ. Зависимости относительной чувствительности микросхем ICX059AL/CL и ICX259AL приведены на рис. 7а, б соответственно.

Рис. 7. Зависимость относительной чувствительности микросхем ICX059AL/CL (а) и ICX259AL (б)

Структура рассматриваемых микросхем приведена на рис.8 (обозначение выводов для ICX059AL), а временные диаграммы на выводах - в архиве (см. электрические принципиальные схемы плат ПЗС-матриц CD-254/512). Назначение выводов микросхем приведено в таблице 2.

Рис. 8. Структура микросхем ICX059AL/CL, ICX259AL

Таблица 2. Назначение выводов микросхем ICX059AL/CL, ICX259AL

Структурные и принципиальные схемы камерных каналов видеокамер

При проведении диагностики неисправностей и ремонта в камерном канале в первую очередь следует проверить прохождение напряжений питания, сигналов управления и видеосигналов, в камерном канале, входящим в блок объектива видеокамер. Структурная схема блока объектива моделей DCR-VX2100/ 2100E приведена на вкладке, соответствующая структурная схема моделей DSR-PD170/PD170P/ PD190P отличается только построением звуковой части блока (внизу справа). Структурные схемы моделей DCR-VX2000/ VX2000E и DSR-PD150/PD150P отличаются в основном обозначениями плат (CD-254 вместо CD-512, SE-108 вместо SE-147, LA-026 вместо LA-028, VC-242 вместо VC-358 и т. д.).

Электрическая принципиальная схема сигнальной части камерного канала моделей DCR-VX2100/VX2100E и DSR-PD170/170P/190P, размещенной на главной плате VC-358 BOARD видеокамер, приведена на вкладке. Диаграммы сигналов на функциональных выводах микросхем этой части камерного канала также приведены на вкладке (элементы сигнальной части камерного канала моделей VX2000/VX2000E, PD150/150P размещены на главной плате VC-242). В состав сигнальной части камерного канала всех перечисленных моделей видеокамер входят следующие основные микросхемы (собственного производства, за исключением IC706):

- IC701, IC702: CXD3400N-T4 (Part No 8-752-397-67), драйвер тактовых импульсов вертикальных регистров ПЗС-матриц.

- IC704: CXA2107R (8-752-08311), устройства выборки/хранения и усилители с АРУ выходных сигналов ПЗС-матриц зеленого, красного и синего каналов.

- IC705: CXD2484AR-T4 (8-752408-78), генератор управляющих и синхронизирующих импульсов камерного канала.

- IC706: AK5483-L (8-759-59808), трехканальный аналого-цифровой преобразователь сигналов ПЗС-матриц фирмы АКМ.

- IC771: CXD3116AR-T6 (8-752397-00), цифровой сигнальный процессор камерного канала.

Аналоговые видеосигналы с ПЗС-матриц через контакты разъемов CN100 (плата CD-512, схемы IV. V, VIII-XI архива), CN025 (главная плата VC-358) поступают на многофункциональную микросхему IC704, где они преобразуются в компонентные цветовые сигналы с наложенными строчными синхроимпульсами. С выходов микросхемы (выв. 5, 7, 9) сигналы RGB поступают на АЦП IC706 типа АК5483. Эта микросхема представляет собой высокопроизводительный (до 20 млн. выборок в секунду) 10-разрядный видео АЦП с параллельной структурой. В состав микросхемы входят 3 идентичных канала с одновременной выборкой (Simultaneous Sampling), обеспечивающих преобразование однополярных сигналов с пиковым уровнем до 1 В в цифровые данные, представленные в прямом двоичном формате (Straight Binary Format Digital Data). Диапазон входных сигналов определяется напряжением питания (3...3,6 В) и внешними напряжениями на выводах VTP (23), VBT (24), соответствующие нижнему и верхнему уровням входного сигнала. Полоса пропускания по уровню -3 дБ - 100 МГц (при Fs=20 МГц). В рассматриваемой схеме частота сигнала SPCK на выв. 14 микросхемы составляет 13,5 МГц (схемы I, VIII-XI архива), структура микросхемы приведена на рис. 9.

Рис. 9. Структура микросхемы АК5483

Формирование тактовых, управляющих и синхронизирующих импульсов в камерном канале обеспечивает микросхема IC705, времязадающим элементом является кварцевый резонатор Х701 частотой 27 МГц (Part No 1-767-586-21 VIBRATOR CRYSTAL), подключенный к выв. 31, 32 микросхемы, размах сигнала на выходе тактового генератора (выв. 31) должен быть не менее 3,5...4 В (период следования 37 нс). Параметры основных управляющих сигналов, формируемых микросхемой, должны соответствовать диаграммам, показанным на рис.14 (Н/V- период строчных/кадровых импульсов, для PAL - 64 мкс/20 мс).

Регулировка (программирование) камерного канала производится с применением специального генератора оптических цветных полос. Необходимость такой регулировки возникает, например, после замены узла призмы, отдельных ПЗС-матриц или микросхемы ЭСППЗУ камерного канала (IC801 - AK6480AM-E2 Part No 8759-445-94). Достаточно сложный процесс регулировки требует отдельного рассмотрения.

Схемы и диаграммы сигналов трактов камерных каналов видеокамер находятся здесь.

Литература

1. Юрий Петропавловский. Применяемость и схемы включения ПЗС-сенсоров SONY и PANASONIC для видеокамер. Ремонт & Сервис, 2010, №8.

Автор: Юрий Петропавловский (г. Таганрог)

Источник:  Ремонт и сервис