Принцип работы и устройство СD -ROM

МИНОБРНАУКИ РОССИИ

 

Федеральное государственное  бюджетное образовательное учреждение

 высшего профессионального образования

«Самарский государственный  технический университет»

 

 

 

Кафедра «Электронные системы и информационная безопасность»

 

 

 

РЕФЕРАТ

ПО ДИСЦИПЛИНЕ «РАДИОЭЛЕКТРОННЫЕ  СРЕДСТВА БЫТОВОГО НАЗНАЧЕНИЯ»

ТЕМА: «Принцип работы и устройство СD -ROM»

 

 

 

 

 

 

 

Выполнил студент:

Шарафутдинов М.Г.

5-ЗФ-13

Проверил преподаватель:

Кузнецов В.М.

 

 

Самара 2012

 

Содержание:

1 .Введение

2. Устройство привода CD-ROM

3. Принцип работы CD-ROM

4 .Схемы CD-ROM

5. Список использованной литературы

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Введение

В начале 80-х годов голландская  фирма «Philips» объявила о совершенной ею революцией в области звуковоспроизведения. Ее инженеры придумали то, что сейчас пользуется огромной популярностью - Это лазерные диски и проигрыватели.

За последние несколько  лет компьютерные устройства для  чтения компакт-дисков (CD), называемые CD-ROM, стали практически необходимой  частью любого компьютера (или сети). Это произошло потому, что разнообразные  программные продукты (прежде всего  игры и базы данных) стали занимать значительное количество места, и поставка их на дискетах оказалась чрезмерно  дорогостоящей и ненадёжной. Поэтому  их стали поставлять на CD (таких же, как и обычные музыкальные), а  большинство современных игр  и баз данных работает прямо с CD, не требуя копирования на жёсткий  диск.

Запись на CD при помощи обычных CD-ROM невозможна (существуют, правда, устройства CD-R и CD-RW с помощью которых  возможны чтение-однократная запись и чтение-запись-перезапись, соответственно).

CD-ROM способны не только  считывать компакт-диски с данными,  но и проигрывать музыкальные  диски. (Впрочем в некоторых моделях  её нет, и если вам нужна,  проверяйте её наличие.) Для этого  у них на передней панели  есть выход для наушников, но  проигрывание может производиться  и через усилитель звуковой  карты, если она имеется. Проигрыванием  музыкального диска управляет  компьютер, но некоторые CD-ROM имеют  для этой цели кнопки на  передней панели. Качество звука,  выдаваемое CD-ROM, ощутимо ниже, чем  даже у простеньких переносных CD-плееров.

При помощи CD-ROM компьютер  также может проигрывать Video- CD и CD-I (не путать с лазерными видеодисками LDV, имеющими гораздо больший диаметр, чем CD).

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Устройство привода CD-ROM

Типовой привод состоит из платы электроники, шпиндельного двигателя, системы оптической считывающей  головки и системы загрузки диска.

На плате электроники  размещены все управляющие схемы  привода, интерфейс с контроллером компьютера, разъемы интерфейса и  выхода звукового сигнала. Большинство  приводов использует одну плату электроники, однако в некоторых моделях отдельные  схемы выносятся на вспомогательные  небольшие платы.

Шпиндельный двигатель служит для приведения диска во вращение с постоянной или переменной линейной скоростью. Сохранение постоянной линейной скорости требует изменения угловой  скорости диска в зависимости  от положения оптической головки. При  поиске фрагментов диск может вращаться  с большей скоростью, нежели при  считывании, поэтому от шпиндельного двигателя требуется хорошая  динамическая характеристика; двигатель  используется как для разгона, так  и для торможения диска.

На оси шпиндельного двигателя  закреплена подставка, к которой  после загрузки прижимается диск. Поверхность подставки обычно покрыта  резиной или мягким пластиком  для устранения проскальзывания  диска. Прижим диска к подставке  осуществляется при помощи шайбы, расположенной  с другой стороны диска; подставка  и шайба содержат постоянные магниты, сила, притяжения которых прижимает  шайбу через диск к подставке.

Система оптической головки  состоит из самой головки и  системы ее перемещения. В головке  размещены лазерный излучатель, на основе инфракрасного лазерного  светодиода, система фокусировки, фотоприемник и предварительный усилитель. Система  фокусировки представляет собой  подвижную линзу, приводимую в движение электромагнитной системой voice coil (звуковая катушка), сделанной по аналогии с подвижной системой громкоговорителя. Изменение напряженности магнитного поля вызывают перемещение линзы и пере фокусировку лазерного луча. Благодаря малой инерционности такая система эффективно отслеживает вертикальные биения диска даже при значительных скоростях вращения.

Система перемещения головки  имеет собственный приводной  двигатель, приводящий в движение каретку  с оптической головкой при помощи зубчатой либо червячной передачи. Для исключения люфта используется соединение с начальным напряжением: при червячной передаче - подпружиненные шарики, при зубчатой - подпружиненные в разные стороны пары шестерней.

Система загрузки диска выполняется  в двух вариантах: с использованием специального футляра для диска (caddy), вставляемого в приемное отверстие привода, и с использованием выдвижного лотка (tray), на который кладется сам диск. В обоих случаях система содержит двигатель, приводящий в движение лоток или футляр, а также механизм перемещения рамы, на которой закреплена вся механическая система вместе со шпиндельным двигателем и приводом оптической головки, в рабочее положение, когда диск ложится на подставку шпиндельного двигателя.

При использовании обычного лотка привод невозможно установить в иное положение, кроме горизонтального. В приводах, допускающих монтаж в  вертикальном положении, конструкция  лотка предусматривает фиксаторы, удерживающие диск при выдвинутом лотке.

На передней панели привода  обычно расположены кнопка Eject для загрузки/выгрузки диска, индикатор обращения к приводу и гнездо для подключения наушников с электронным или механическим регулятором громкости. В ряде моделей добавлена кнопка Play/Next для запуска проигрывания звуковых дисков и перехода между звуковыми дорожками; кнопка Eject при этом обычно используется для остановки проигрывания без выбрасывания диска. На некоторых моделях с механическим регулятором громкости, выполненным в виде ручки, проигрывание и переход осуществляются при нажатии на торец регулятора.

Большинство приводов также  имеет на передней панели небольшое  отверстие, предназначенное для  аварийного извлечения диска в тех  случаях, когда обычным способом это сделать невозможно - например, при выходе из строя привода лотка  или всего CD-ROM, при пропадании питания  и т.п. В отверстие нужно вставить шпильку или распрямленную скрепку  и аккуратно нажать - при этом снимается блокировка лотка или  дискового футляра, и его можно  выдвинуть вручную. 

 

 

 

 

 

 

 

Принципы работы

Принцип оптического  считывания информации в СД-проигрывателях

Для считывания информации с компакт-диска используется лазерная головка (ЛГ). В корпусе ЛГ установлены  лазерный диод, внутренняя оптическая система (дифракционная решетка, цилиндрическая, коллиматорная и другие линзы, призма), катушки фокусировки и трекинга с фокусирующей линзой, лазерный диод (рис. 1.1).

Рис. 1.1. Конструкция лазерной головки

При подаче напряжения питания  полупроводниковый лазерный диод генерирует когерентный (разность фаз волн постоянна  во времени) луч, который с помощью  дифракционной решетки разделяется  на основной луч и два дополнительных. Пройдя через элементы оптической системы  и фокусирующую линзу, эти лучи попадают на компакт-диск (рис. 1.2).

Рис. 1.2. Фокусировка луча на поверхности диска

Точную фокусировку лучей  на диске осуществляют катушки фокусировки, устанавливающие нужное положение  линзы. Отразившись от диска, лучи снова  попадают на фокусирующую линзу и  дальше в оптическую систему. При  этом отраженные лучи отделяются от падающих благодаря их разной поляризации. Перед  тем, как попасть на фотодатчики (фотодиодную матрицу), основной луч  проходит через цилиндрическую линзу, в которой используется эффект дисторсии  для определения точности фокусировки (рис. 1.3).

Рис. 1.3. Лучи и сигналы  на фотодетекторах

Если луч сфокусирован точно на поверхности компакт-диска, отраженный луч на фотодатчиках имеет  форму круга, если перед или за поверхностью - форму эллипса.

Сигналы с фотодатчиков предварительно усиливаются, и по разности сигналов (A+C) и (B+D) определяется ошибка фокусировки FE (Focus Error). При точной фокусировке сигнал FE равен нулю.

Два боковых луча попадают на датчики E и F. Они используются для  отслеживания прохождения основного  луча по считываемой дорожке (треку) (рис. 1.4).

Рис. 1.4. Принцип отслеживания трека: а). точное прохождение луча по треку; б). ошибочное

Разность сигналов E и F определяет ошибку трекинга (отслеживания дорожки) TE (Tracking Error).

Суммарный сигнал с датчиков A, B, C и D представляет собой высокочастотный (RF) сигнал (>4 МГц) в формате EFM (Eight-to-Fourteen Modulation). Он содержит закодированную аудиоинформацию и дополнительные данные.

Работа сервосхем и основные сигналы в процессе считывания диска

При установке компакт-диска  двигатель позиционирования (Slide motor) перемещает лазерную головку в начальное положение, пока не замкнется концевик "Начальное положение головки". (В некоторых моделях для передвижения каретки и позиционирования имеется не два, а один двигатель.) Дальше головка начинает медленно отъезжать, пока не разомкнется концевик.

По сигналу LDON сервосхема автоматического питания лазера (ALPC - Automatic Laser Power Control) подает питание на лазерный диод. Иногда могут применяться дополнительные концевики для блокировки включения лазера и предотвращения попадания в глаза лазерного луча при разобранном механизме, а иногда лазер постоянно включен при закрытой каретке. Система ALPC поддерживает на заданном уровне мощность излучения лазерного диода. Текущую мощность излучения контролирует фотоприемник, помещенный в одном корпусе с лазерным диодом.

 

Сервопроцессор начинает вырабатывать импульсы начального поиска фокуса (FSR), которые поступают к сервосхемам фокусировки и далее через драйвер - на фокусирующую линзу. Сервосхема фокусировки предназначена для компенсации биений компакт-диска (вверх-вниз). Драйвер (выходной каскад) используется для усиления мощности сигналов. Линза начинает перемещаться вверх-вниз. При точной фокусировке луча на поверхности компакт-диска сигнал ошибки фокусировки FE=(A+C)-(B+D) станет минимальным, отключится подача импульсов FSR, и сервосхема фокусировки начнет управлять фокусирующей катушкой с помощью сигнала FEM, который представляет собой скорректированный сигнал FE. После удачной фокусировки вырабатывается сигнал FOK (FocusOk). Если после 3-4 FSR-импульсов сигнал FOK не вырабатывается, то определяется отсутствие компакт-диска, и работа проигрывателя останавливается.

Сигнал FOK поступает к сервосхемам управления скоростью вращения двигателя (СУСВД). Они вырабатывают сигналы MON (разрешение), MDS (обороты), MDP (фаза), CLV (управление) для управления работой двигателя и регулирования его скорости вращения. Двигатель начинает вращаться и набирать скорость. В некоторых проигрывателях импульсы запуска двигателя генерируются еще до подачи сигнала FOK вместе с FSR-импульсами. При постоянной угловой скорости вращения от начала к концу диска увеличиваются диаметр дорожки и линейная скорость. СУСВД поддерживает на постоянном уровне линейную скорость вращения диска, а после остановки проигрывателя притормаживает обороты двигателя.

Номинальная скорость потока считываемой информации с диска 4,3218 Мбит/с.

Одновременно сигнал FOK поступает  к сервосхеме трекинга и активизирует ее работу. Эта сервосхема обеспечивает точное прохождение луча по центру дорожки. Для отслеживания положения луча используется сигнал ошибки трекинга (TE=E-F).

Отфильтрованная высокочастотная  составляющая сигнала TE (сигнал TER) поступает  на катушку трекинга. Катушка трекинга перемещает линзу в перпендикулярном к дорожкам направлению и может  обеспечить считывание до 20 треков без  перемещения ЛГ. Отфильтрованная  низкочастотная составляющая сигнала TE (сигнал RAD) подается на двигатель  позиционирования, который перемещает ЛГ по полю диска. Лазерная головка  периодически перемещается, когда количество прочитанных дорожек выходит  за пределы, допустимые для катушки  трекинга.

 

 

Схемы трекинга не могут  самостоятельно определить нахождение луча на информационной дорожке или  между ними. Для этого используется зеркальный детектор, который по амплитуде  высокочастотного сигнала EFM определяет положение луча и корректирует его. Если луч находится между дорожками, то амплитуда сигнала EFM минимальна. При удачном отслеживании сервосхемы трекинга вырабатывают сигнал TOK (Tracking OK).

После этого начинается считывание информации с диска. Протактированный импульсами с кварцевого генератора, PLL-детектор подстраивается по частоте и фазе к высокочастотному EFM-сигналу и выделяет из него данные. В сдвиговом регистре последовательные данные преобразуются в параллельные. Дальше информация декодируется, проходит начальную обработку (деперемежение, коррекция ошибок и т.п.) и помещается в буфер "половинного состояния". СУСВД поддерживает заполнение буфера на уровне 50%. Если скорость вращения низкая и буфер заполнен менее чем на 50%, то сервосхема увеличит обороты двигателя, и наоборот. Можно на некоторое время притормозить диск, но звук не прервется. Это объясняется наличием буфера. Похожий принцип работы в AntiShock-схемах, но у них емкость и процент заполнения больше.

Информация в буфер  записывается и считывается по импульсам WFCK и RFCK соответственно. Считанная информация разделяется на аудиоданные и  субкод. Субкод - это служебная информация, которая содержит синхронизирующие биты, сведения о текущем треке, времени. Субкод используют сервосхемы для позиционирования лазерной головки в нужную точку. Скорость потока субкода составляет 58,8 кбит/с. Аудиоданные обрабатываются в звуковых схемах, и на выход поступает аналоговый аудиосигнал.

 

 

 

Преобразование  звука

Преобразование звука  из цифрового в аналоговый формат происходит в звуковых схемах. Первоначально  данные левого и правого каналов  смешаны (мультиплексированы) и размещены  в одном потоке. Аудиоданные проходят дальнейшую обработку (интерполяция, замещение) в цифровых аудиосхемах.

 

 

Для улучшения качества звука  и уменьшения шумов могут использоваться цифровые фильтры и схемы ускоренной выборки (OVERSAMPLING). Цифровые фильтры преобразуют разрядность аудиосигнала с 16 до 18 или 20 бит, уменьшая ступеньку квантования в выходном сигнале. При использовании 18-разрядного фильтра и ЦАП ступенька уменьшается в 4 раза и, соответственно, звук становится более приятным. Схемы ускоренной выборки перемещают шумы квантования (>22 кГц) в область более высоких частот. Данные для ЦАП считываются и преобразуются со скоростью в 2, 4, 8 или 16 раз большей, чем номинальная.

ЦАП преобразовывает цифровые сигналы в аналоговую форму. Возможны два варианта (рис. 1.5).

Рис. 1.5. Включение ЦАП  в звуковых схемах

В дорогих моделях используется вариант, показанный на рис. 1.5,а. Мультиплексированный цифровой сигнал поступает на демультиплексор, который по тактирующим импульсам разделяет его на 2 цифровых потока соответственно для левого и правого каналов. Для каждого канала используется свой ЦАП. В другом варианте (рис. 1.5,б) применяется один ЦАП, аналоговый сигнал с которого разделяется коммутатором на два канала.

В обоих случаях линия  задержки используется для выравнивания по времени данных правого и левого каналов.

Аудиосигналы с выхода ЦАП усиливаются и поступают на выходные фильтры. Фильтры обрезают высокочастотные составляющие (>20 кГц), шумы квантования и сглаживают ступеньку.

В аудиосхемах используются транзисторные ключи, которые управляются сигналом MUTE и закорачивают выходной сигнал на корпус.

Если диск считывается  нормально, то в режимах "Воспроизведение" или "Перемотка по треку" процессор  отключает блокировку звука. Во всех остальных режимах функция MUTE активизирована.

От качества фильтра напрямую зависит качество аудиосигнала. В дорогих моделях используют фильтры более высоких порядков.

Функционирование  проигрывателя в различных режимах

1 Загрузка диска

При включении проигрывателя  в сеть вырабатывается сигнал сброса Reset, который обнуляет регистры процессора. Процессор проверяет положение каретки, лазерной головки (при необходимости позиционирует в начальное положение) и наличие компакт-диска. В некоторых моделях при наличии диска проигрыватель переходит в режим воспроизведения.

При нажатии клавиши "Open/Close" процессор подает сигнал на двигатель каретки, каретка выезжает. При полном выезде каретки срабатывает концевик "Конечное положение каретки", и процессор останавливает двигатель. В некоторых моделях проигрывателей применяются электрические схемы без концевиков, которые по силе тока, потребляемого двигателем, определяют начальное и конечное положения каретки.

Диск устанавливается  в каретку. При повторном нажатии  клавиши "Open/Close" процессор запускает двигатель. Каретка заезжает, пока не сработает концевик "Начальное положение каретки". Диск устанавливается на столик и прижимается к нему. Проигрыватель пытается считать заголовок диска.

Информация с диска  считывается в направлении от центра. Физически заголовок расположен в начале компакт- диска. В нем  записана информация о количестве композиций, общем времени и т.п. Если информация считается удачно, на экране высветятся характеристики диска. В противном  случае на дисплее появится сообщение "Error", "No Disc" или "-", а в некоторых моделях режим воспроизведения будет заблокирован.

2 Воспроизведение

ЛГ начинает считывать  диск, ищет начало первого трека  и начинает воспроизводить его. Одновременно отображаются номер и время трека  на дисплее.

 

 

3 Пауза

Приостанавливается воспроизведение  диска. Выходной аудиосигнал блокируется. Лазерная головка остается на одном месте.

4 Перемотка по  трекам "<<",">>"

ЛГ ищет начало нужного  трека и начинает его воспроизводить.

5 Перемотка по  треку "<", ">

В этом режиме ускоренно  проигрывается трек. Процессор вырабатывает сигналы JF (прыжок вперед) и JP (прыжок назад). Катушка трекинга и ЛГ медленно перемещаются вперед (назад). Считывающий луч постоянно  перепрыгивает с текущей дорожки  на следующую. С помощью детектора  подсчитывается количество пересеченных дорожек. Соответственно вырабатывается сигнал для управления катушкой трек

 

Структурная схема CD-ROM

 

 

 

 

 

 

Структура связей оптико-электронной  системы считывания информации

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Список использованной литературы:

 

1. Журналы “Хакер”, учередитель и издатель ЗАО “Гейм Ленд”, 1999-2004 года.

 

2. Журналы “Навигатор  Игрового Мира”, учередитель ООО “Библион”,1999-2003года.

 

3. Книга серии “Что  есть Что”, “Мультимедиа и виртуальные  миры”, Андреас

Шменк, Арно Вэтьен, Райнер Кёте, издательство “Слово/Slovo” , 1998 г.

 

4. “Физика справочник  школьника и студента”, под  редакцией проф. Рудольфа Гёбеля, издательский дом “Дрофа”, 1999 г.

 

5. Hard и Soft N5, Май 1995

6.Upgrade N2, январь 2001