EM2019WSP12/Grundlagen: Unterschied zwischen den Versionen

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[https://pdf1.alldatasheet.com/datasheet-pdf/view/47508/SONY/ILX535K.html Datenblatt ILX535K]
   
 
===Der iC-LFL1402 Zeilensensor===
 
===Der iC-LFL1402 Zeilensensor===

Version vom 21. Dezember 2019, 14:13 Uhr

Grundlagen

  • Verlinkter Seminarvortrag
  • ggf. weitere Informationen zu verwendeten Technologien

Der CCD Zeilensensor

Grundlagen zum CCD Sensor

Ein CCD (Charge Coupled Device) ist ein Sensor der Ladungen in kleinen MOS-Caps (Metal Oxid Semiconductor Capacitors) speichert. Die Ladungen entstehen durch den inneren photoelektrischen Effekt. Hierbei wird löst ein Photon das auf ein Atom prallt frei Elektronen aus dem Kristallgitter, die dann in der Verarmungszone zwischen dem Bias Anschluss und dem Silizium Halbleitermaterial in den MOS-Caps gespeichert wird. Durch die Phasenverschobene Taktung der Bias Anschlüsse werden die Ladungen zum Ausgang des CCDs transportiert, wo sie dann ausgewertet werden können. Um zu wissen an welcher Stelle ein Photon den Zeilensensor getroffen hat wird dieser kurzzeitig belichtet und dann ausgelesen. Die Laserstrahlen werden in meiner Harfe nacheinander ein- und ausgeschaltet. Im Ausgeschalteten Zustand der Laser wird der CCD ausgewertet und danach der nächste Strahl eingeschaltet. Somit kann man sicher sein das nur EIN, bzw. KEIN Punkt auf dem Zeilensensor geladen wurde.

Eine Erklärung zum Phasenverschobenen Ladungstransport eines Zeilensensors bietet dieses Video: https://www.youtube.com/watch?v=XEAL0G2C6pM&t=951s Hier ein Photo aus dem Video: 3 Phasen CCD


Der ILX535K Zeilensensor

Zur Verbildlichung hier ein ILX535K Zeilensensor aus einem Scanner:

CCD Sensor CCD Sensor


Vergrößert man den Zeilensensor 230x erkennt man deutlich 3 Farbfilter (rot,grün,blau). Unter diesen Farbfiltern liegen je 5300 MOS-Caps, die die durch einfallendes Licht erzeugten Ladungen speichern.

CCD Sensor CCD Sensor CCD Sensor CCD Sensor

Datenblatt ILX535K

Der iC-LFL1402 Zeilensensor

Beim iC-LFL1402 handelt es sich um einen Zeilensensor der Firma ICHaus, welcher über ein zugehöriges Evaluationsboard (iC-LF EVAL LF2D) direkt angesteuert werden kann. Im Unterschied zum ILX535K wurden bei diesem Sensor Photodioden verbaut, welche aufgrund des inneren Photoeffekts Elektronen aus dem Valenzband in das Leitungsband heben. Diese Ladungen werden hier in einem so genannten Integrationskondensator gespeichert. Dank einer zusätzlichen integrierten Steuerungslogik kann dieser CCD Sensor mit nur einem Takteingang und einem Eingang für den Startimpuls (SI - Start of Integration) betrieben werden.

Aufbau des CCD Sensors

Der CCD Sensor auf einem Breakout Board:

ic-lfl-eval-lf1m.jpg


Wie im Chip Layout des Datenblatts zu sehen hat der Sensor nur 8 Pins.

Chip_Layout


Der Sensor wird als OBGA (Organic Ball Grid Array) Package hergestellt:

ic-lfl-obga-lfl1c.jpg


Der Sensor besteht aus 256 Photodioden.

CCD_Single_Pixel

Hier einige Nahaufnahmen, auf denen die Photozellen (schwarze Rechtecke), Kondensatoren und vermutlich die sample and hold Schaltkreise zu sehen sind, von denen es je 256 Stück gibt.

CCD_Single_Pixel.gif


256 Analoge Pixelwerte

Mit nur 256 Takten können alle 256 Pixel ausgelesen werden. Dank integrierten sample and hold Schaltkreisen können die analogen Werte des vorheringen Zyklus ausgegeben werden, während die Photozellen neue Werte messen. Die 2 Impulse von Kanal 1 (grün) zeigen den Start der Integration des CCD Sensors (Vgl. Timing Diagramm 'SI' Start of Integration) Kanal 2 (gelb) zeigt 256 Analogwerte zwischen den zwei SI Impulsen von Kanal 1. Fällt weniger Licht auf die Einzelnen Photodioden, werden geringer Spannungen gespeichert und ausgegeben.

CCD_Test


Optische Charakteristik des iC-LFL1402

Die Photodioden des iC-LFL1402 liefern bei einer Wellenlänge von 700nm (sichtbares Licht) die höchsten Spannungswerte. Dennoch ist der CCD Sensor für die verwendeten 532nm Laserdioden bei ausreichend niedriger Frequenz (100 kHz) ohne Shutter brauchbar:

CCD_Optische_Charakteristik.gif

Das MIDI Protokoll

MIDI (Musical Instruments Digital Interface) ist ein Steuerungsprotokoll zur Übertragung von Steuerbefehlen zwischen Musikinstrumenten. In diesem Protokoll können beispielsweise Informationen darüber gesendet, welche Note mit welchem Pitch und welcher Lautstärke ein Empfängergerät abspielen soll. MIDI-Befehle bestehen aus 1 bis 3 Bytes:

  • 1. Statusbyte
  • 2. erstes Datenbyte
  • 3. zweites Datenbyte

MIDI Byte

(Quelle: http://home.snafu.de/hoeldke/Text/MHOnl_MIDI-Datenformat.pdf)


Der MIDI Anschluss ist sehr simpel aufgebaut. Der MIDI Ausgang (linke Seite) benötigt lediglich einen Vorwiderstand zur Begrenzung des Stroms (bei 5V - 200 Ohm, bei 3V3 - 33 Ohm). Der MIDI Eingang (rechte Seitet) trennt zum Schutz des Instruments das Signal galvanisch über einen Optokoppler und stellt zudem keine Masseverbindung zum Sender her, um Brummschleifen zu vermeiden.

Midi Pinout

(Quelle: https://www.youtube.com/watch?v=0L7WAMFWSgY&t=303s)