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無線電子工学および電気工学の百科事典 ダイナミック メモリ チップ DRAM - ビデオ カメラとして。 無線エレクトロニクスと電気工学の百科事典
画像をコンピュータに入力し、何らかの方法でさらにデジタル処理するには、かなり多額の投資が必要です。 おそらく、ここで最も高価なデバイスはビデオ カメラであり、そこからの信号はコンピュータによって読み取られ、保存され、デジタル化されます。 最も高価ですが、品質と画像をキャプチャするための最良の方法は、民生用ビデオ カメラからの出力信号をデジタル化することです。 しかし同時に、ここでの回路コストは依然として多額です。 高速デジタル/アナログコンバータ、高速ストレージデバイス、およびパーソナルコンピュータへの適切なインターフェイスが必要となるためです。 アマチュアの実験にとって、これはかなり高価な方法です。 コンピュータインターフェイスを備えたテレビ送信カメラは高価すぎるため、アマチュア無線の予算を大幅に損なう可能性があります。 この状況を打開する方法は、ダイナミック メモリ クリスタルの型破りな使用でした。 DRAM は高感度の光センサーとして使用できることがわかりました。 数年前、Micron Technology (単結晶上の集積回路の米国メーカー) は、イメージ センサーとして販売される、コントロール ウィンドウを備えた特別バージョンの 64k-DRAMS をリリースしました。 マイクロ回路内の結晶の形状はわかっているので、少し努力すればビデオカメラを作ることができました。 残念ながら、これらのチップは販売されなくなったため、コンピューター カメラの作成が妨げられました。 ただし、金属キャップが付いたセラミックケースを備えた DRAMS メモリチップを搭載したコンピュータボードを分解しました。 すぐに金属カバーを取り外しました。その下には保護ガラスがありました。 次はどうする？ 実験をうまく進めるために、情報の入出力に最適なパソコンのパラレルポートを使用することにしました。 制御用に XNUMX つの小さなアセンブラー プログラムが作成されました。 そして――ああ、奇跡だ！ - いくつかのテストの後、ある種の画像がコンピュータのディスプレイに表示されました。 それはどのように機能しますか？ 64k-DRAM には、従来のアクセス マトリックスに配置された 65536 個のメモリ セルが含まれています。 この場合、NEC の D4164 チップを使用しました。これは、64x256 メモリ セルの XNUMX つのマトリックスです。 各メモリセルはコンデンサと相補トランジスタで構成されます。 コンデンサは情報を電荷の形で保存します。 相補型トランジスタがこのコンデンサにアクセス (スイッチ) します。
マトリックスの行が選択されている場合、この行の 256 個の相補トランジスタすべてが順番にスイッチングされ、目的のコンデンサ (セル) が 256 個のアンプの 1 つに接続されます。 アンプの電圧が特定のレベルを超える場合、これは論理 0 であるとみなされ、そうでない場合、アンプの出力は論理 256 になります。この行の XNUMX 個のアンプの XNUMX つを数えることによって (つまり、列を選択します)アドレス)、出力 DRAM で目的の信号を選択します。 メモリ チップ上のコンデンサはリーク (ゆっくりではあるが必然的に放電) するため、情報が失われないように常に再生成 (再充電) する必要があります。 再生が停止すると、しばらくするとコンデンサ セルの電荷が消失し、対応するビットが反転されます。 コンデンサを照らす（露出させる）ことによって、この効果は強化され、コンデンサはより速く放電され、その結果、ビットの情報が反転されます。 コンデンサの放電時間は、このメモリ セルの光強度の主な値となります。 この効果を使用するには、次の手順が必要です。 - まず、すべてのメモリ コンデンサが充電されます。 - その後、しばらくの間、メモリセルが照射されます。 - すべてのメモリセルが調べられ、分析されます。 各セル（光電池）は、初期状態の反転を観察し、これをフレアとみなします。 DRAM はメモリ チップであるため、論理アドレスの割り当てはチップ上の物理的な位置と一致する必要があります。 この分布を見つけるには、いくつかのテストを実行する必要があります。 DRAM チップでは、セル アドレスが行アドレスと列アドレスの XNUMX つの要素で構成されており、それらは結晶の物理構造内で同じように配置されていると想定できます。 結局のところ、これは実際に当てはまります。 論理行アドレスは物理行に対応し、論理列アドレスは物理列に対応します。 ライン内の論理アドレスは、もちろん、単結晶上の集積回路上のメモリ セル内の物理的な位置に対応しません。 処理された画像では、行と列が再配置されて、この誤った分布が表示されます。 アドレスのビットを再配置することでこの欠陥を取り除くことができますが、それでもここでは実験的なアプローチが必要です。 さまざまなメーカーの単結晶上の集積回路の形状は異なる場合があります。 したがって、制御プログラムは NEC タイプ 4164 チップでのみ正しく機能します。 他のメモリチップではエラーが発生する可能性がありますが、制御原理を理解していれば結果を修正することができます。 ここで、単結晶上の集積回路が、隣り合った 128 つの行列で構成されていることが明らかになるでしょう。 256 つの極端な行列は、比較的大きなギャップによって中間の XNUMX つの行列から分離されています。 これにより、画像にいくつかのエラーが生じます。 これらのギャップには、おそらくデコード ロジックが存在します。 中央の XNUMX つのマトリックスは、XNUMXxXNUMX のマトリックスとして見えるように、はるかに小さいギャップで区切られています。 これに基づいて、XNUMX つの中間行列のみがセンサーとして使用されます。 虫眼鏡を通して微細回路を見ると、結晶のマトリックス構造が明確に定義されます。
次に、レンズの焦点を正確に合わせる必要があります。 よく見ると、まだいくつかの行と列が再配置されていることがわかります。 XNUMX つの行が正しく表示され、次の XNUMX 行が互いに入れ替わります。 セルの内容を読み取る操作により、この欠陥は修正されます。 次に、列のアドレスが再度修正されます。そのうち XNUMX つは正しく読み取られますが、他の XNUMX つは間違った順序になっています。 正しい分布を確立することは、堅実な統合光学系と非常に正確な画像の焦点合わせを必要とするため、必ずしも簡単ではありません。 パターンは、分布が正しい場合にのみ明確に表示されます。 白い表面に暗いオブジェクトを配置して移動する状態からテストを開始するのが最善です。 注意深い観察、レンズの正確な焦点合わせ、そしてある程度の忍耐力があれば、重大な欠陥 (不一致) を認識し、単結晶上の集積回路の特徴を明らかにすることができます。 大きな不正確さは黒い線の助けを借りて認識され、結晶上で局所的に特定され、管理下に置かれます。 パーソナルコンピュータのパラレルポートを使用してDRAMチップを接続するには、いくつかの変更が必要です。 プリンタポートには、クロック信号の高速エッジを滑らかにするパラレルコンデンサと同等の直列抵抗が含まれています。 この場合、これらの要素は必要ないため、削除する必要があります。
典型的な高度に統合されたボードでは、個々のモジュールは CMOS 出力によって低負荷バス上のプリンタ ポートに直接接続されるため、双方向バッファ ドライバが必要です。 ここで、ケーブルを使用して、DRAM チップを取り付けるソケットにパラレル ポートを接続します。 このパネルのソケットは、必要なマイクロ回路を選択する必要があるため、良好な接触 (できれば金メッキ) が必要であり、繰り返しの交換に耐える必要があります。 ここではLPTポートの出力の電圧を使用できないため、マイクロ回路用に別の電源ソケットを引き出す必要もあります。 ただし、プリンターをそこに取り付けることはできません。 DRAM のピン 8 とピン 16 の間のデカップリング コンデンサも非常に重要です。これは、オン時にそこにかなり大きな電流 (約 100 mA) が流れるためです。 このコンデンサは、IC のソケットに直接はんだ付けされています (極性に注意してください! ピン 8 は +5 ボルト、ピン 16 はグランドです)。 このコンデンサがなければ何も動作しません。 集積光学系の機械設計 NEC 4164 チップ チップの有用な表面は、両方の極端なマトリックスを拒否した場合、約 1,2x6 平方 mm です。 この事実に基づいて、インテグラル オプティクスを実装し、選択する必要があります。 8mmレンズは小型カメラの標準レンズ約50mmに相当します。 焦点距離 5 ～ 35 mm のレンズも考慮されます。 この光学素子は、さらに使用することで元が取れます。 Super-8 カメラ (焦点距離 f = 25mm) の前述のレンズを使用しました。 古い薄膜カメラや欠陥のある民生用テレビカメラなどの短焦点レンズを使用することをお勧めします。 コミッションフォトショップやフォトスタジオでは、適切なレンズを提案してくれると思います。 しかし、高品質のレンズがなくても、シンプルな短焦点レンズで良い結果を達成できます。 レンズからの画像の品質は、レンズから受け取る画像よりも劣ってはなりません。 結局のところ、フィルム上のような高解像度をサポートしていないマイクロ回路チップに画像を投影していることになります。 レンズとチップの前への取り付けの選択肢が大きいため、光学システムの配置と設計についての標準的な解決策をここで示すことはできません。 画像が結晶上に正確に焦点を合わせるために、一体型光学系の正確なセンタリングに注意することだけが必要です。 光感度 単結晶の集積回路は高い光感度を提供しないため、結晶の露光時間は実際の CCD ビデオ カメラの露光時間よりも長くなります。 固定されたオブジェクトの移動速度は照明に依存し、数百秒から 20 秒の範囲です。 これ以上の時間は不可能です。そうしないと、画像が非常に「ノイズが多く」なります (ぼやけてしまいます)。 このかなり長い露光期間では、デザインのために三脚を用意することをお勧めします。 また、コンピューターのキーボードを操作し、成功した画像を記録することで、両手が自由になって露光時間を修正できる必要があります。 DRAM チップ結晶は、青色スペクトルよりも光学範囲の赤色スペクトルの影響を受けやすく、放射の赤外 (不可視) スペクトルにおいて良好なスペクトル感度を有する可能性があることに注意してください。 ソフトウェア メモリ チップの初期化と読み取りは、Turbo-Pascal プログラムに挿入されたアセンブラ プログラムによって行われます。 初期化 INITRAM プロシージャは集積回路を初期化します。 NEC 4164 チップのメモリ セル内の電荷の存在は論理「1」に対応するため、すべてのセルに「1」が事前に書き込まれます。 DRAM チップを制御するには、多数の複雑なクロック信号が必要です。
まず、ライン アドレス カウンタがマイクロ回路のアドレス入力に設定されます。 この場合、RAS 入力は「0」に設定されます。ラインのアドレスを設定できます。 次に、列アドレスが指定され、Din 入力が目的の値に設定され (この場合、すべてのセルが「1」に設定されます)、次に CAS 入力が「0」に設定されます。 DRAM は列アドレスとデータ ビットを受信しました。 このプロセスは 32768 個のメモリすべてに対して繰り返されます。 ここで、DRAM チップが初期化され、すべてのコンデンサが充電されます (「1」が書き込まれます)。 その後、一定時間が経過し、その間にチップメモリー結晶が照射される。 この時間が経過すると、メモリ セルから情報が読み取られ、強調表示されたセルの状態が変化します (点灯しているコンデンサの放電が速くなります)。 閲覧情報 メモリクリスタルからの情報の読み取りは、LESERAM プロシージャによって実行されます。 これは INITRAM プロシージャと同じ方法で発生します。 各メモリセルの内容は、画像に変換するために保存されます。 この場合、局所的なエラーが修正されます。 したがって、8 ビットごとにバイトが結合されます。 メモリ チップの半分しか使用されないため、イメージの作成には 4096 バイトかかります。 このデータはメイン プログラムに渡されます。 補正プログラムは、個々のピクセルの異なる感度を均等化します。 (センサーの端にあるメモリ セルは、中央ゾーンよりも感度が高くなります。) 両方の中間マトリックスの間に小さなギャップがあるため (NEC 4164 の場合!)、5 番目の補正プログラムもあります。 画像の両方の半分を XNUMX ピクセルずつ引き離し、結果として生じたギャップを合理的に埋めます。 場合によっては、この補正を放棄するか、処理アルゴリズムを改善する方が合理的である場合があります。 「露光」手順には INITRAM (初期化)、LESERAM (読み取り)、補正の XNUMX つのプログラムが含まれており、マトリックスを照射して画像情報を記録する時間間隔を作成するために必要です。 「ＡＮＺＥＩＧＥ」（ＩＮＤＩＣＡＴＩＯＮ）手順は、ＶＧＡカードからの画像を迅速に表示するために使用される。 この場合、画像に関する情報がビデオ メモリに直接入力されるため、結果が大幅に高速化されます。 残念ながら、個々のメモリ セルの垂直方向の距離は XNUMX 倍になりますが、これは表示プログラムの補償手順によって説明されます。 他のディスプレイ アダプタを使用する場合は、このルーチンを調整する必要がある場合があります。 プロシージャ「SPEICHERN」（書き込み）と「LESEN」（読み取り）は、それぞれイメージを BMP 形式で書き込み、保存し、ハードディスクにダンプします。 その他のプログラム 上で説明したプログラムは、他のアプリケーション プログラムによって使用されます。 「KUCKUCK」プログラムはすべてのプログラムの中で最も重要です。 単一の画像だけでなく、2、4、または 10 の明るさレベルの一連の画像も記録します。 現在の画像は常にモニター上に表示され、スペースバーを使用して記録できます。 もちろん原理的には白黒の２階調の画像しか撮影できませんが、中間調（グレースケール）の画像を繰り返し露光することも可能です。
ハーフトーン イメージの単一露光はファイル (それぞれ「.3」と「.9」) に連続して書き込まれ、プログラム「Grau3」、「Grau4」、および「Dither」によるさらなる処理のために変換されます。「Grau3」は 3 つの単一露光を生成します。 4 つの明るさレベルのビットマップ。 (ピクセルあたり 4 ビットの情報で、カラー 0、7、8、15 と、それぞれ黒、ライト グレー、ダーク グレー、白レベルのみを使用します。グレースケール イメージを画面上で高速に処理するには、別の変換が必要です。プログラム「Grau4」は、同じ入力データを「Grau3」と同じ方法で変換しますが、形式が異なります。 「.9」ファイルの 3 つの単一露光は、「ディザ」プログラムによって白黒画像 (それぞれオリジナルの幅と高さの 3 倍) に変換されます。 露光の結果、各ポイントの 3 つの画像の各ピクセルは XNUMXxXNUMX ピクセルのランダム分布マトリックスを作成します。 プログラム「FilmAb」（ビデオクリップ）は、プログラム「KUCKUCK」によって作成された一連の画像を表示するために使用されます。 このようにして、2 または 4 つの明るさレベルを持つ短い「ビデオ クリップ」を作成でき、視聴順序は任意に選択できます。 128x256 ピクセル形式は非常に大きく、特に行の長さが列の 128 倍になるため、解像度 128xXNUMX ピクセルの「ハーフ形式」を使用できます。 まず第一に、プログラム「FilmAb」（ビデオクリップ）を実行するとき、ディスクスペースを節約するためにこのオプションを合理的にロードする必要があります。 結果として得られる個々の画像は、ペイントブラシなどの Windows プログラムで処理できます。 個別の手順とプログラムのリスト: - VIDEO.INC には高レベルの手順が含まれています。 - INITRAM、INITRAM2: それぞれフル フォーマットとハーフ フォーマットでの D4164 チップの初期化。 - LESERAM、LESERAM2: 画像情報を読み取ります。 - ANZEIGE: VGA カードへの高速入力。 - LESEN: 2x128 ピクセルと 256x128 ピクセルの 128 色のビットマップ ファイル。 - SPEICHERN: ビットマップ データ、読み取り時の形式 - KUCKUCK: 2 つのフォーマットで録画 - 4、10、または XNUMX の明るさレベル。 - GRAU3: 4 つの単一露光から 3 色の BMP ファイルを生成します (「.3」 -> 「.BMP」)。 - GRAU4: VGA カードの 4 ビット (".3" -> ".4") の情報を持ったデータが生成されます。 - ディザ: 9 回の単一露光から 2 つのカラー画像 (「.9」 -> 「.BMP」) が作成されます。 - FILMAB: 2 つまたは 4 つのカラー ビットマップがムービーにマージされます (名前: "name.BMP")。 文学： - Datenblatt IS 32 光学ラム、ミクロン技術 ファイル内の元のドキュメントのセット kuckuck.zip（283 kB） 翻訳者のメモ ファイルが作成された日付から判断すると、この作品は 1992 年に書かれたものであり、486 台のコンピューターでさえ非常にクールなものでした。 最新の PC に合わせてソフトウェアを調整する必要がある場合があります。 コンピューターのパラレル ポートを変更する必要がないことが判明するかもしれません (プリンターをなくしたくありません :-)。 使用されている超小型回路について: - どうやら NEC DRAM を見つけるのは簡単ではないようです (まだゴミ箱から見つけていません)。また、他社の MS には金属キャップが含まれていない可能性があります。 では、どうやってクリスタルにたどり着くのでしょうか？ 一般的に、私の意見では、この記事はこの興味深い問題を試すための出発点にすぎません。 В ソースファイル さらにいくつかのテキスト ファイルがあります。 それらも翻訳してみます。 著者: Martin Kurz、Nikolai Bolshakov 訳、rf.atnn.ru
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