Prelektronika

Sprzątałem w magicznym miejscu i znalazłem jeden ze swoich projektów. Projektów z dawnych czasów. Projektów bez sensu. To znaczy z sensem, ale bez sensu. Idea urządzenia miała sens, dla mnie nawet bardzo duży. Założenia... mogłyby mieć sens, gdyby nie narzucone ograniczenia - a tak, to fantazja poniosła mnie trochę za daleko. Ograniczenia zaś - te już nie miały sensu w ogóle, im więcej czasu mija od wiekopomnej chwili pierwszego uruchomienia urządzenia - tym bardziej utwierdzam się w tym przekonaniu.

Zapraszam na przydługą opowieść, pełną dywagacji, o tym jak zmierzyć czas otwarcia migawki w aparacie, o samych aparatach oraz o tym jak robić i przede wszystkim jak nie robić elektroniki.

Na płytkach wytrawiony jest rok - 2006. To były czasy, kiedy zdjęcia robiłem jeszcze Chinonem CM-4 albo już Chinonem CG-5. Na pewno z Zenitem TTL już wtedy nie biegałem. Chinony miały bagnet K i ten system pozostał ze mną do teraz. W tamtym okresie chciałem wiedzieć o fotografii wszystko. "I want it all and I want it now". Dotyczyło to także sprzętu. Chinon był u nas szerzej nieznany i pozostał zapomniany, ale sprzęt robił naprawdę wysokiej klasy.

CG-5 według mnie spokojnie mógł konkurować z Pentaxem ME Super. Zresztą, co tu dużo mówić, mamy 2018 rok, a ja nadal od czasu do czasu robię tym aparatem zdjęcia (choć przyznam, że ostatnie "od czasu" było dosyć dawno... pora to nadrobić) i spisuje się bez zarzutu. Wracając do tematu - obsesja na punkcie sprzętu i chęć zdobycia całej wiedzy - zaowocowała tym, że chciałem dowiedzieć się, na ile precyzyjne są migawki w aparatach. Wymyśliłem sobie więc prymitywny, ale jak mi się wydawało, bardzo dobry sposób pomiaru czasu otwarcia migawki. Otóż - chciałem świecić (obojętnie, czy przez obiektyw, czy bezpośrednio) na migawkę, a po stronie kliszy zamierzałem umieścić fototranzystor i reszta miała być już prosta. Migawka otwiera się, fototranzystor jest oświetlany, zaczyna przewodzić, zaczynamy liczyć czas, migawka zamyka się, fototranzystor przestaje przewodzić, kończymy liczyć czas. Wynik.

Mniej więcej tak (tylko to już wersja 2.0 ultra laser edition powstała na potrzeby tego wpisu):

I tu stało się to, co stać się musiało. Skończyła się teoria, a zaczęła się praktyka - czyli wszystko koncertowo zaczęło się tentegować.

Na papierze wszystko wyglądało dobrze. Fototranzystory, których użyłem miały czas włączenia i wyłączenia na poziomie pojedynczych mikrosekund. W dodatku różnica pomiędzy tymi czasami była znikoma (jedna, może dwie mikrosekundy) - więc się wzajemnie znosiły w moim pomyśle. Dobrałem takie, które pracowały w podczerwieni, więc światło dzienne miało nie być problemem. Oświetlać chciałem diodą podczerwoną. Maksymalna częstotliwość z jaką mógł pracować czujnik była na poziomie ponad 100kHz.

Aparaty, jakie były w moim zasięgu dysponowały najkrótszym czasem 1/1000 sekundy. Sprzęt, o którym wtedy tylko "ktoś, gdzieś" słyszał - 1/4000 a nawet 1/8000 s. Uznałem, że przyjmę za najkrótszy czas 1/8000, zaokrąglę do jednej dziesięciotysięcznej, czyli 100 mikrosekund. Głupio było jednak mieć rozdzielczość na poziomie tego co się mierzy, więc przyjąłem, że generator będzie działał na 100kHz, to nam daje impuls co 10 mikrosekund, w granicy działania fototranzystorów, a jednocześnie rząd wielkości więcej niż mierzony najkrótszy czas. W przypadku mojego sprzętu - dwa rzędy wielkości więcej. Widziałem świat w różowych barwach. Teraz mógłbym się zgodzić, że do tej jednej tysięcznej to jeszcze można by zastosować. Ale ale, wszystko się wtedy składało, błędy mi się znosiły - czas włączenia tranzystora był prawie identyczny jak czas wyłączenia; założyłem, że kurtyny w migawce przesuwają się w tym samym tempie, więc wypadkowa wynosi równe zero kropka zero sekundy i można o tym nie myśleć, dla czasu 1/1000 będę miał błąd na poziomie 1%...

.. tylko, że w swoim pędzie do wiedzy jakoś nie do końca zdawałem sobie sprawę, jak działa migawka szczelinowa. Byłem święcie przekonany, że niezależnie od czasu zawsze działa tak samo. Opada przednia kurtyna, naświetlana jest klatka przez wybrany czas, po czym opada tylna kurtyna i koniec. Myślałem, że kurtyny opadają tak szybko, że jest to pomijalne. W zasadzie jest to prawda. Tylko, że ta prawda kończy się w okolicy jednej sześćdziesiątej sekundy w przypadku aparatów, o których wspominam - i niewiele się zmieniło do dziś. To co dzieje się w przypadku krótszych czasów można opisać tak samo, z jedną, małą różnicą. Otóż - tylna kurtyna migawki zaczyna opadać zanim przednia do końca opadnie. Klatka filmu (a obecnie - matryca) nie jest naświetlana w całości - tylko przez przesuwającą się szczelinę pomiędzy kurtynami migawki.

To generuje kilka ciekawych efektów - zdeformowane obrazy szybko i prostopadle do ruchu migawki poruszających się obiektów czy ograniczenie minimalnego czasu synchronizacji ze zwykłą lampą błyskową. Ma to także wpływ na to, jak długo oświetlony jest fototranzystor w moim projekcie - nie jest płaski, nie znajduje się przy samej migawce. To powoduje, że rejestruje dłuższe czasy, niż powinien.

Metoda nie jest jednak tragicznie beznadziejna. Oświetlenie za pomocą punktowego światła, na przykład ze zwykłego wskaźnika laserowego powoduje, że wyniki są dużo bardziej wiarygodne. Niestety na pomysł zastosowania lasera wpadłem dużo później... ale teraz na potrzeby wpisu zbudowałem sobie na szybko "makietę" projektu, ze wskaźnikiem laserowym i oscyloskopem w roli miernika. Wyżej mogliście zobaczyć film z pomiarem czasu otwarcia migawki przez 4 sekundy. Poniżej czasy ciekawsze, na przykład jedna tysięczna:

Mam kilka wniosków z tej zabawy:

• zdecydowanie lepsze rezultaty pod względem stromości zbocza impulsu generowanego przez fototranzystor uzyskałem umieszczając źródło światła po stronie migawki, a czujnik od strony obiektywu. Sami zobaczcie:

  

  

  Nie mam pomysłu skąd taka różnica.

• duże znaczenie ma geometria - jeżeli migawka nie jest prostopadle względem strumienia światła mamy kolejne błędy:

  

  Przykład powyżej jest wykonany już pod sporym kątem, ale nawet w przypadku niewielkich zmian w położeniu źródła światła i czujnika względem migawki, różnice potrafią sięgać od dziesiątek do nawet setek mikrosekund.

• w przypadku dłuższych czasów metoda daje satysfakcjonujące rezultaty - poniżej pomiar jedynego w tym aparacie czasu mechanicznego: 1/60 sekundy oraz najdłuższego manualnego: 4 sekundy:

  

  

Na koniec jeszcze jeden film, tym razem ćwierć sekundowe otwarcie migawki, także zmierzone całkiem dokładnie:

Zostawmy jednak fotografię i wróćmy do elektroniki. Projekt nazwany szumnie "Testerem migawki" nigdy nie miał wyglądać tak jak na filmach powyżej. Miał tylko zliczać czas (w dziesiątkach mikrosekund) i go wyświetlać. Marzyła mi się automatyczna zmiana zakresu i wyświetlanie 4 cyfr. Całość miała być prosta, zgrabna i superfajna. W tamtym czasie byłem tradycjonalistą (nie, żeby mi się jakoś później odmieniło) i chciałem to zrobić na mikrokontrolerze 8051. Do tego wyświetlacz LCD i gotowe.

I tak to miało być zrobione.

Niestety pojawił się "projekt" z cyfrówki. Postanowiłem upiec dwie pieczenie na jednym ogniu i zrobić coś, co chciałem zrobić, a jednocześnie zaliczyć tym przedmiot. Dla osób postronnych nie brzmi to pewnie jeszcze źle, ale pojawiły się pewne ograniczenia, które z miłego projektu zrobiły wrzód na...

Całkowicie odpadała logika programowalna, mikrokontrolery itp. To był już podobno XXI wiek, więc można było korzystać z takich nowości jak scalone bramki logiczne, prosto z roku 1961; czy nawet scalone liczniki, dekodery BCD czy, klękajcie narody - multipleksery! Niejako z automatu (nawet ja miałem trochę instynktu samozachowawczego) odpadał równocześnie wyświetlacz LCD. Dosyć szybko zrezygnowałem z pomysłu automatycznej zmiany zakresu (rezygnacja ów była moim przebłyskiem geniuszu, bo co prawda wymyśliłem jak to zrobić... na papierze, ale w rzeczywistości groziło mi zalutowanie się na śmierć). W kwestii wcześniej wspomnianego wyświetlania wyboru dużego nie było - padło na diodowe wyświetlacze siedmiosegmentowe (jedno muszę przyznać - one nawet teraz wyglądają przepięknie).

Tutaj wkroczyła jednak matematyka - wynik miał być wyświetlany z rozdzielczością 10 µS. Ze zmiany zakresu zrezygnowałem. To znaczy, że do wyświetlenia jednej sekundy potrzebujemy sześciu cyfr: 1 s = 100000 x 10 µS. Ale przecież aparaty mają czasy nawet 30 sekund... 30 sekund mieści się na 7 cyfrach, ale tak nieparzyście robić... no to damy 8 cyfr.

No i tu się zaczęło... 8 cyfr, to 8 dekoderów bin->7seg - nie, będziemy multipleksować, jeden dekoder, multiplekser albo dwa i już mamy liczbę scalaków pod kontrolą. Ale liczymy do stu milionów... no i się rozmnożyło - generator, multiplekser czy dwa, liczniki, dekodery. Na papierze wyglądało to całkiem przyzwoicie. Skończyło się na 16 scalakach, 8 wyświetlaczach i garści elementów dyskretnych. Szesnaście układów po 14 - 16 nóżek. Co to oznacza chyba się domyślacie - jeżeli nie - widać na zdjęciach.

W dodatku miałem kolejny doskonały pomysł - to musi wyglądać. Obudowa więc będzie jak najmniejsza. Projekt zaczął ewoluować z 2D - jedna płytka, w pełne 3D - skończyło się na trzech dwustronnych płytkach, jedna nad drugą, lutowanymi w zasadzie obustronnie. Wyobraźcie sobie uruchamianie tego układu. Dysponowałem wtedy multimetrem. I tyle.

Najcenniejsza nauka, jaką wyniosłem z tego dzieła, jest dosyć nietypowa. Otóż bardzo, ale naprawdę bardzo, dużo czasu straciłem na poszukiwanie przyczyn "problemów z dolnej części pleców". Poszczególne elementy niby działały, ale nie do końca, tablice prawdy momentami nie zgadzały się z tym, co działo się w układzie. Winowajczynią okazała się pasta lutownicza. Używałem układów z epoki - to użyłem i pasty lutowniczej z epoki. Niestety była tak wiekowa, że wykształciła świadomość. A jak wiadomo - impulsy nerwowe działają na prąd.

A prąd lepiej płynie w przewodnikach. Więc miałem pastę lutowniczą, która przewodziła prąd. Tak trochę. Bo to dopiero początek cywilizacji był. Rezystancja na poziomie dziesiątek kiloomów pomiędzy dwiema ścieżkami.

Wystarczyło.

Później było już z górki. Projekt działał, przedmiot zaliczyłem, do projektu nie wróciłem.

Rozkładając go teraz, widzę jednak, jak bardzo był nieudolny. Tutaj nie chodzi o to, że popełniłem cały szereg błędów. Te błędy były do popełnienia i do wyciągnięcia wniosków. Tutaj chodzi o to, że te błędy nigdy nie zostały poddane krytyce. Nikt ich nigdy nie zauważył i nie wytknął. Układ działał, w środku nie było procka, to super; następny.

A co boli najbardziej:

• fetysz używania stabilizatora 7805. Pakowałem go wszędzie. Jednocześnie rezygnowałem z zasilania sieciowego, bo transformatory kosztują, bo są duże, bo można użyć zasilacza, na przykład 9V, albo 12V - będzie super, mam układ niezależny od zasilacza, bo sobie zrobię swoje własne 5V. Własne, najlepsze. Przetwornice to jak wiadomo czyste zło.
• zero tłumienia zakłóceń i zasilanie prowadzone na hurra. Użyłem szesnastu układów TTL (no dobra, w większości serii HC i HCT, ale...) - ile widzicie na zdjęciach, na przykład, kondensatorów przy nich ?
• wzorzec czasu zbudowany na przerzutniku Schmitta i układzie RC... w projekcie, który o mierzenie czasu się opierał i była to najważniejsza kwestia.
• eklektyczne podejście do serii używanych układów, dopatrzyłem się 74 serii LS, HC, HCT i 64 z CEMI, które są nie wiadomo czym - S ? LS ? Standardowe ?
• stracony czas. Wymyślenie i zaprojektowanie układu, łącznie z zasymulowaniem w Electronic Workbenchu (w boskiej wersji 5.12) zajęło mi pewnie jeden wieczór. Na tym powinien się ten projekt zakończyć. W zamian straciłem całe dnie na projektowaniu płytek, upychaniu tego w obudowie, lutowaniu w 3D, uruchamianiu układu bez właściwych narzędzi i powielaniu błędów. Mógłbym w tym czasie rozrysować z 10 innych rzeczy. Ale kto by sprawdzał 10 projektów...

Mimo wszystko warto podsumować i zakończyć pozytywnymi wrażeniami:

• udało się zdobyć unikalną wiedzę na temat przewodzącej pasty lutowniczej
• układ naprawdę działał !
• zostały mi fajne wyświetlacze siedmiosegmentowe na płytce, którą w zasadzie da się "zaimportować" do innego projektu
• pobawiłem się laserem i oscyloskopem na starość
• mój Chinon nadal trzyma formę
• posprzątałem w szafce
• nie kręci mnie już używanie 7805 (LM317 też nie).