复刻Cam84项目：手搓CCD相机（ICX453传感器）

🆘集帅们，CCD撅撅子💯，拍出来的照片太好看了救命🆘

注意：Cam8X系列的设计都已经过时了，不建议按照原版电路1:1复刻，如果想做的话，见文末---硬件上犯的错误---来对原版设计进行修正。

另外原文是用Markdown写的，所以有些地方的格式可能会有些奇怪（B站什么时候才能直接支持Markdown捏）

WHY
所以为什么突发奇想搞这么个东西，其实是和群友吹水时候聊到了自制相机，想着闲着也是没事干不如找点事情做。

HOW

传感器

从和群友的吹水中得知，ICX453这块CCD传感器比较合适，另外CCD相机的配套电路设计也比较简单，有Cam8X系列相机设计参考，我选的Cam84。现在回过头来看Cam84设计有许多缺陷，如果想要自己做的话，Cam86和87是不错的参考。

关于这块传感器，索尼并没有给出公开的对应资料。不过ICX453和ICX413的设计比较相近，而ICX413的手册是公开的，时序什么的参考413就好了（大概）

配套电路

额，上面说CCD的配套电路简单，其实也不算很简单，主要是以下几个部分

    CCD驱动芯片：产生垂直驱动信号（这玩意的时序和电平自己调特阴间）
    
    IP：一个图像处理芯片，包含了CDS/SH/ADC这些关键部件。分开来也不是不行，但是分开来做的话，工程难度以及最主要的---噪声水平会显著增加（如果设计得很好另说）

    电源芯片：想要驱动一个CCD电路，需要产生+15/-8的供电，所以需要实现对应的正负电源
    
    MOS驱动：CCD功耗不大，但FT2232直推不现实，所以要用MOS驱动。

    控制器：原版Cam84使用了FT2232来将连接电脑并发送控制信号。不过我后期打算使用ESP32来控制并采集储存图像

原件的具体型号就不列了，Cam84的BOM表和电路图都有给出

拼起来

既然整套电路都是围着传感器设计的，那不妨先读一下传感器的时序图（热知识，这个阶段其实不用操心这个）

手册看一晚上我都没得出是啥玩意，google了半天，真的没一个人解释的，感觉全世界就我不懂CCD驱动。

但毕竟人家也没料到会有多少爱好者来手搓这些玩意，所以资料写的模糊一些挺正常，所以我决定先跳过时序这一部分，直接用现成的软硬件把东西搓出来，然后再自己去理解。

硬件设计

对照着Cam84的电路图，我在立创EDA里面把相机的电路画出来，相对应的做了一些改动：

    1.小型化（但是好像没啥用，因为第二点打破了）
    2.模块化（将原本一个板子的事情拆成了前端、电源、控制三部分），这样比较方便我研究时序信号。其实原作者在电路里面加入了很多跳针，这也是为了方便测试。另外原版是作为天文相机使用，时钟频率比较低，读出慢。将控制部分拆开后可以随时更换更快的主控来提高读出速度

设计的原则还是尽可能的保证重要信号不过孔，比如给Vout一条单独的通路，GND使用铺铜。各种时序信号也尽量保证等长（不过十几MHz的信号应该不是很要紧）

最后几张板子的图如下

关于电源板的事在文末---硬件上犯的错误--会有解释

购买零件

Wait What？这也值得单独拿出来说吗？至少我觉得这里面还是有点门道的

首先看看这玩意的原版BOM，其实算是比较杂的，有各种规格的无源器件，还有六七种芯片。在根据BOM找原件的过程中，根本做不到一家买齐所有。千万别看错型号，特别是贴片三极管、稳压器一类等只印代号的器件。我自己就是把LM和LP看错，结果买了错的LDO😅。浪费时间又浪费钱。

除此之外，封装确认也是个问题，特别是贴片这玩意，一不小心就会掉坑里，比如：三极管的封装是DO-xxx，但是下面还会分为SMA、SMB、SMC三个小类。除此之外，像是电感、扼流器又是两种不同的玩意，两种东西又各自有几种不同的封装。

最后一点：如果遇到了买不到、难买、价格太高的零件怎么办？比如原版BOM里面某种规格的钽电容，电容电阻在不影响功能前提下可以替换成近似的（比如滤波电容、限流电阻）

对于芯片IC，还可以优先考虑拆机片商家，先看看拆机片商家卖多钱，问问供货情况。这招对于已停产、冷门型号、热门造假型号比较好用。并且拆机片也没那么不堪，毕竟芯片不容易坏，买的时候多买几颗就行。

组装
贴片原件的焊接方法主要有两种：1.直接上烙铁 2.用热板

我选择用热板。其实热板这东西嘛，也不用买专门的。直接搜LED拆焊热板，买个功率最小的就好了。可能有经验的SMT仙人要跳出来说了：WTF，你这样做是不好的！！！

不过，根据嘉立创的SMT服务参数来看，如果你不加钱上高级产线的话，SMT的温度在250c左右，正好就是大部分不可控拆焊板的温度。

yes yes I know，如果你想要做严肃的SMT焊接，可控的温度曲线是非常重要的，这样才能满足锡膏的熔点特性。但咱就是说，既然只是偶尔做做SMT回流焊，就别讲究那么多了🤔大不了烙铁补一补。

板级测试

当所有东西（除传感器）焊接好之后，做个简单的Smoke Test，摸摸芯片有没有发烧的🥵，万用表量一下各级电压是否符合设计需求，如果都OK的话，看好CCD的方向，焊接到板子上。

正常情况下，我这里用的8V可调电源供电，前端（带传感器）静态电流应当在0.06A附近，读取时最大电流也刚好在0.1A出头。如果大于这个数值肯定不正常。另外要提一点，我的采集板由USB口供电，如果前端和采集整合在一起（就是Cam84原版设计）要加上对应电流。

如果遇到遇到电流大于这个的情况，一般有两种：
前端电流上升到0.11A待机0.15A读取，ADC也伴随着不正常的发热：大概率ADC寄。
电流巨大，同时正负电源电压严重拉低：估计CCD焊反。

将电源PCB单独制作的好处就是能方便测量各路电压，同时可以有选择性的断开某一路供电来排除错误。原版Cam84的设计是All in one，也使用了跳线排针和跳线帽来达到相同目的。

当然，如果有示波器的话可以看看波形对不对。将电源和控制板连接，打开软件，按下拍摄按钮。下面是我自己测量的一些波形（注意，只有当CCD连接到板后，垂直驱动的电压波形才会和手册对应）

垂直驱动

水平驱动

外壳设计

使用了堪称反人类的FreeCAD来折磨自己，这么个简单的东西画了四天三夜

Tip：你可以不用去自己把卡口给画出来，只需要上网搜索“Sony E mount cover 3D model”，然后截取适当的长度即可。E卡口法兰距是18mm，即保证传感器平面到镜头卡口的平面距离是18mm

最后拼起来是这样的（底壳没装因为要做测量）

硬件上犯的错误

传感器方向看反/封装失误

这个真的难绷，为此还废了一个传感器

有三个注胶孔和三个定位环
我一开始把注胶孔当成定位环，结果插上去传感器直接短路😅，炸了。
而且传感器的引脚间距比ICX413的大了一些（目测大2~3mm），然后不得不把传感器引脚掰弯一些才勉强塞下。画板子一定要量实物啊😢

针脚很密集的情况下直接用示波器探针去捅

嗯...然后把LDO烧了。

还没完，LDO烧了之后击穿，12V直通后端。我当时吓的差点尿裤子，后端的ADC烧了的话得重新买（记住这句话）。还好换个LDO就正常了，没把后端芯片的魔法烟雾放出来。

东西没断电就往上焊东西

虽然我的烙铁有接地，并且我家的接地是有效的，但感应电还是把ADC（ADC:还是没逃过）、MOS驱动、LDO（LDO:为什么又是我）给一套带走了😭，另外我ADC只买了两片，而且第二片不懂是不是有问题还用不了。所以就这个原因得让项目往后推几天

熬夜画板子

然后画出来几条错的线，还好容易改，小刀加飞线解决。
晚上画的板子还是得第二天起来再检查检查

板子的通孔画太小

导致拆焊特别特别困难，清理不干净。上面那个传感器就是我拆焊的时候心态崩了，直接拿钳子拽下来的。

照抄别人的方案（Cam84的不足）

emmm...其实本来也没啥问题，但是cam84有许多设计不合理的地方

电源：

原方案使用的是TPS6513X正负电源芯片来产生垂直驱动所需要的+15v/-8v电压，但至少在我手里没能让它成功跑起来，可能是画板的问题，可能是芯片的问题，可能是焊接的问题......反正跑不起来就对了。
最后换成双MAX686方案（电源板二），两个686分别负责正电源和负电源，一次成功。
另外这个电源化简为繁，能5V供电结果还整一堆LDO从12V降下来，后面测试发现这一整套的功耗也就8V*0.1A=0.8W，而且要注意我是从电源端进行测量的，电路中有个效率很低的LDO。整体改用5V直接供电，根据群友的说法，5V 500mA就可以满足需求。

时钟：

在cam84后续的设计（cam85/86）中，作者很明显也意识到了不足，将时钟信号的分工更加细化，由原来3条时钟线变成我也懒得数反正多了好几条。
不过让我们先看看原版的骚操作，下面是我测量的读出时序信号，从上到下依次为：Vout，RG，CDSCLK1，CDSCLK2

前置知识：CDS时钟是下降沿触发，Vout分为三个阶段，分别是RG，RST，SIGNAL

**才意识到我的Vout在上面这图稀烂，很难分辨RST阶段，就是信号下降过程中的斜率变小那块，所以我重新采集了一遍（其实是ADC炸了之后重测的几次）**

从图里面可以清楚看到三个阶段（但是为啥信号阶段会振铃wtf）

具体的电路图我就不贴出来了，简单来说，原作者使用了非门、电容、电阻来调节RG、CDSCLK1、CDSCLK2。输入信号为高时，开始为电容充电。若电容电压超过逻辑门规定的“逻辑高电平”，逻辑门就会输出0，那么在电容从0v充电到“逻辑高电平”的这段时间就是逻辑门输出为“1”的时间。

又因为CDSCLK是下降沿触发，假若我们想要增大触发的延迟，即下降沿向后推迟，只需要增大电容，延长“0v--->逻辑高电平”的充电时间即可。

但是在实践过程中，我发现电容超过一定容量后（我试出来大约是>=560pF），因为电容放电时间 > 时钟周期，就会产生长短不一的输出信号。所以这个调节也是有范围的。

唠完了采样时钟，其实水平时钟也有着很大缺陷：那颗MAX4428。一看手册猛如虎，实操起来2.5（MHz）。手册说时钟信号最大可达20MHz，结果一个10MHz，50%占空比的驱动信号就干趴下了😅。50%占空比都驱动不了，其他更小的占空比真不敢想。所以我也在寻找一个pin2pin的替代方案。

所以cam84的时钟电路设计就是一个“勉强能用的”糙品，抖动巨大，各种不确定性因素叠加在一起（比如电容自身的误差），导致无论是ADC采样时钟，还是水平驱动信号都十分糟糕。but hey, it works :-)

HOLY SHIT! IT ACTUALLY WORKS!

错误软件+屎一样的信号路径+没有正确的镜头卡口

很纳闷为啥出来是这效果，进行了一些调查后发现是ADC输出线拉太长+用错软件导致的。

我原本以为ADC出来的不就是8位的并行数字信号嘛，而且频率也不高，用杜邦线连起来应该不会有太大问题，结果nope。这玩意的损耗比我想象的大得多。最后让采集板直接怼到输出口上才彻底消除。

如果想拍星空用MaxIM肯定没错，但是对于日常拍摄来说显然是不合适的。于是下载原版的Cam8View软件，这下就正常许多，而且自带Debyer（好耶）

另外镜头卡口的事情上面提过了

换了个软件+调整信号路径+有正确的镜头卡口和镜头+对上焦后

两张图拍摄的场景不同

上面这张我就知道个光圈1.8开满(因为是手动镜头)，其他的东西诸如iso和快门速度之类的不详

下一步就是研究cam84view的控制信号，以及读出过程，将这个过程搬到ESP32上去做，并将得到的照片存储到SD卡里