CD-плеер: точный безизносный цифровой аудиовоспроизводитель

История развития

Компакт-диск, также известный просто как CD, — оптический носитель с цифровыми данными на поверхности. CD-плеер — устройство, считывающее записанные данные оптическим лучом и точно воспроизводящее исходную информацию (музыку, изображения или данные). Поскольку плеер считывает информацию оптическим способом, нет физического износа диска. Базовая технология, используемая во всех CD-плеерах, по сути одинакова, будь то аудио, видео или компьютерные приложения. Статья фокусируется на плеерах для аудио (конкретно, домашнего аудио).

История компакт-дисковой системы восходит к ранним 1970-м, когда быстрый прогресс в цифровой электронике, лазерной оптике и технологиях крупномасштабной интеграции (LSI) произошел. Многие компании начали исследовать возможность хранения аудиосигналов в оптической форме с использованием цифровых, а не аналоговых средств. Практический метод модуляции аудиосигналов найден с помощью теорий, опубликованных в 1948 г. ученым Клодом Э. Шенноном. Этот метод, известный как Пульс-кодовая модуляция (PCM), дискретизирует аудиосигналы в коротком временном интервале, а затем конвертирует сэмплы в числовые значения для хранения в цифровом формате.

Хранение аудио в цифровом формате (известное как аудио-кодирование) требует больших объемов данных. Например, хранение одной секунды аудиоинформации требует миллион бит данных. Оптические диски, способные хранить миллиарды бит в очень малой площади, оказались идеальными для таких применений. Оптический диск может хранить до миллиона бит данных на площади размером с головку шпильки. Как только технологии записи и хранения цифрового аудио были найдены, производители начали искать способы чтения и обработки данных, хранящихся в таком малом пространстве. Эксперименты с лазерными устройствами (лазер излучает очень узкий луч света, способный фокусироваться на очень малой площади) оказались весьма успешными. Развитие LSI-техник означало, что огромное количество данных, хранящихся на диске, могло обрабатываться достаточно быстро для обеспечения непрерывной музыки. Сцена была готова для разработки полной компакт-дисковой системы.

Хотя многие компании участвовали в ранних исследованиях и экспериментах с различными технологиями, вовлеченными в компакт-дисковую систему, две компании — Sony Японии и Philips Нидерландов — приписывают себе успешное слияние этих технологий в полную систему. Две компании сотрудничали для разработки специфических стандартов компакт-дисковой системы, и консорциум из 35 производителей согласился принять эти стандарты в 1981 г. Первые компакт-дисковые плееры появились на европейских и японских рынках в конце 1982 г. и в США в начале 1983 г.

Сырье

CD-плеер — очень изощренный кусок электронного оборудования. Простой экстерьер содержит сложные внутренние механизмы для чтения и обработки аудиосигналов в очень чистую и четкую музыку. Различные компоненты включают корпусный кабинет, оптический пикап-сборку и печатные платы (PCB), содержащие микросхемы, направляющие электронные процессы системы.

Кабинет, размещающий лабиринт компонентов, обычно сделан из легкого, усиленного алюминия. Лазер — небольшая стеклянная трубка, заполненная газом и небольшим блоком питания для генерации лазерного луча, в то время как фотодиод — полупроводниковая деталь, преобразующая свет, отраженный от компакт-диска, в электрический сигнал — обычно из кремния или германия. Линзы и зеркала в оптическом пикапе сделаны из высокополированного стекла или пластика. Эта сборка размещена в собственном пластиковом корпусе. Большинство электронных компонентов — резисторы, транзисторы и конденсаторы — содержатся на микросхемах, прикрепленных к PCB. Базовый материал этих компонентов обычно кремний. Оборудование, соединяющее различные подсборки, состоит из разного рода металлических и пластиковых гайок, винтов, шайб, шкивов, моторов, шестерен, ремней и кабелей.

Дизайн

Компакт-диск — поликарбонатный пластиковый диск диаметром 4,75 дюйма (12,065 см), содержащий примерно 74 минуты аудиоинформации. Не вся информация на диске — музыка; часть используется для обнаружения ошибок, синхронизации и отображения. Информация на CD закодирована на спиральной дорожке в виде вмятин, называемых плоскости (lands) и ямки (pits), представляющих бинарные единицы и нули. Именно эти вмятины лазер CD-плеера «читает».

Концептуально дизайн CD-плеера напоминает фонограф (виниловый проигрыватель). Как пластинка, компакт-диск вращается на вращательном столе, и аудио считывается пикап-устройством. Однако, в отличие от проигрывателя пластинок, мотор не вращает вращательный стол с постоянной скоростью, а регулирует её в соответствии с расстоянием пикапа от центра вращательного стола. Кроме того, пикап-устройство в CD-плеере — не механическая игла (игла), а оптический лазерный луч, не вступающий в физический контакт с компакт-диском. Лазер фокусирует луч на дисковой дорожке, содержащей плоскости и ямки, и детектор CD-плеера (фотодиод) чувствует разницу между светом, отраженным от плоскостей, и тем, отраженным ямками. Фотодиод превращает этот отраженный свет в электрический сигнал. Переданный на электронную печатную плату, этот сигнал конвертируется системой декодирования данных обратно в звук.

В компакт-дисковом плеере есть в основном три подсборки: механизм привода диска; оптическая пикап-сборка; и сборка электронной печатной платы, координирующая другие системы внутри плеера и включающая серво-механизм и схему декодирования данных. Посылая сигналы серво-механизму, печатная плата регулирует скорость мотора, фокусировку и трекинг оптического пикапа; управляет потоком данных к схеме декодирования; и предоставляет отображаемую информацию в ответ на различные кнопки на панели управления.

Механизм привода диска состоит из шпинделя, удерживающего CD, и мотора, вращающего его. Мотор, называемый шпиндельный мотор, смонтирован под пластиковым подносом загрузки или вращательным столом. Отдельный мотор, смонтированный на шасси (базе или раме CD-плеера), двигает поднос загрузки внутрь и наружу плеера; это делается через шестерню, прикрепленную к мотору, которая также управляет большей шестерней для подъема и опускания зажима для удержания диска на месте.

Оптический пикап состоит из лазера, фотодиода и различных линз и зеркал. Вся подсборка скользит вперед-назад по рельсам и управляется серво-механизмом, получающим направляющие сигналы от печатной платы. Оптический пикап обычно расположен под зажимом, позиционирующим диск, в то время как мотор, двигающий сборку, смонтирован на шасси близко к рельсам. Механизм работает, направляя лазерный луч через линзы и зеркала на нижнюю сторону компакт-диска. Линзы и зеркала держат луч правильно сфокусированным. Если луч попадает в ямку на диске, свет не отражается и фотодиод остается неактивным. Если луч попадает в плоскость, свет отражается обратно через линзы и зеркала на фотодиод, который затем генерирует электрический сигнал. Этот сигнал передается на сборку электронной печатной платы, где он конвертируется системой декодирования данных в аудиосигналы для воспроизведения.

Сборка электронной печатной платы состоит из печатных плат, содержащих схему для серво-механизма, работающего оптической пикап-системой, декодирования данных и системы управления. На сборке платы много интегральных схем, микропроцессоров и крупномасштабных интегрированных компонентов.

Ключевая сборка в компакт-дисковом плеере — оптическая пикап-сборка. Она расположена на рельсах, чтобы двигаться вперед-назад под компакт-диском. Она работает, направляя лазерный луч на CD; если лазер попадает в плоскость, отраженный свет затем идет к фотодиоду, который генерирует электрический сигнал. В свою очередь, сигнал идет на печатную плату CD-плеера, которая конвертирует сигнал в музыку.

Процесс
производства

В современном производственном окружении нет единственного метода производства и сборки. Продукты все больше делают как подсборки и собирают вместе как более крупные подсборки или как финальный продукт. Роботизация и компьютерные линии позволяют практически любую деталь устанавливать в любом состоянии подсборки в любой точке процесса. Последовательность можно менять за минуты для модификаций или точек контроля качества. Описанный здесь производственный процесс поэтому следует схожему подходу к реальному производственному процессу в индустрии. Процесс сначала описан в терминах различных подсборок, затем детально описывает, как различные подсборки собираются вместе для финального продукта.

Оптическая пикап-подсборка

• 1 Приобретенные у внешних подрядчиков лазер и фотодиод устанавливают под зажим диска. Различные линзы и зеркала в сборке должны быть правильно расстоены и выровнены для фокусировки и направления света по необходимости. Вся сборка затем размещается в пластиковом корпусе. Корпус делают одним из обычных пластикообразующих процессов — экструзией или литьем под давлением, в то время как линзы и зеркала (обычно кремний) режут в нужную форму и затем тонко полируют абразивами. Полупроводниковый фотодиод делают подготовкой и полировкой вещества вроде кремния или германия, а затем добавлением примесей для создания слоев. Электрические контакты затем добавляют. После установки оптических компонентов на место ставят шестерни и ремень, которые помогут позиционировать оптический пикап.

Подсборка привода диска

• 2 Далее, мотор, который будет двигать оптический пикап, соединяют с шестернями и ремнем и помещают на шасси. Поднос загрузки теперь центрируют, и шпиндельный мотор, вращающий диск, устанавливают. После позиционирования зажима, к которому прикреплен оптический пикап, рядом с подносом загрузки, поднос, зажим и мотор пикапа устанавливают в ящик загрузки, который помещают в корпус CD-плеера.

Подсборка электронной печатной платы

• 3 Последними собирают электронные компоненты. Спроектированные инженерами с использованием CAD-пакетов, печатные платы состоят из медной основы, на которую переносят узор (маскирование) через шелкографию или подобный метод. После покрытия светочувствительным материалом, узорные области травят химически для создания многослойной платы — слои включают различные транзисторы и конденсаторы, формирующие цепи. Крошечные микросхемы (обычно из кремния), монтируемые на плате, делаются тем же способом, но в гораздо меньшем масштабе. В зависимости от производителя, CD-плеер может иметь одну большую печатную плату или несколько меньших. После прикрепления к панели или панелям, цепи соединяют с передней панелью управления CD-плеера, блоком переключателей и наконец блоком питания.

Финальная сборка

• 4 Когда различные подсборки готовы, они соединяют и интерфейсят вместе для завершения финальной сборки. Большинство работы на этом этапе выполняют люди. CD-плеер теперь тестируют и отправляют на упаковку.

Контроль качества

Как отмечалось ранее, компакт-дисковый плеер — очень изощренное устройство, и строгие меры контроля качества принимаются от начального до финального этапа производства для обеспечения правильного функционирования плеера в соответствии с отраслевыми стандартами.

Поскольку многие компоненты компакт-дискового плеера делаются специализированными вендорами, производитель плеера должен зависеть от этих вендоров для производства качественных деталей. Некоторые из самых критичных элементов — те, что в оптической пикап-сборке. Линзы и зеркала, используемые в лазерном пикапе, например, сделаны из высококачественного стекла, и человеческий контакт должен избегаться в производственном процессе для сохранения их поверхностей чистыми и без мазков. Аналогично, электронные компоненты печатных плат должны делаться в среде «чистой комнаты» (с специальными воздушными фильтрами и требованиями к одежде), потому что даже единичная частица пыли может вызвать неисправность в схемах. Печатные платы и чипы тестируют на многих уровнях диагностическими машинами для выявления неисправностей в схемах.

Что касается контроля качества производителем плеера, сборку привода диска инспектируют на правильное выравнивание мотора, шпинделя, подноса загрузки и различных шестерен. Кроме того, оптический пикап проверяют на правильное выравнивание линз и лазерного луча. После объединения подсборок в корпусе все проводные соединения инспектируют на правильный электрический контакт и корректный интерфейс с другими компонентами. Визуальные инспекции для проверки ремней, шкивов и шестерен — неотъемлемая часть процесса контроля качества. Финальная инспекция состоит в воспроизведении тестового диска, генерирующего специальные сигналы и паттерны, позволяющие рабочим выявить неисправности в системе. Кроме того, различные переключатели и кнопки передней панели проверяют на выполнение указанных функций и отображение соответствующей информации на панели.

Будущее

Технология CD-системы прошла долгий путь за последние несколько лет, и новые применения для компакт-дисковых систем обнаруживаются каждый день. Рынок уже видел введение CD-ROM, CD-Video и CD-Interactive. Последний продукт, привлекающий внимание потребителей — Kodak Photo-CD, который может отображать фотографии на телевизорах и компьютерных экранах. Эти фотографии могут редактироваться или кроппироваться пользователем, как клипарт-изображения.

Аудио CD-системы увидят введение многих новых функций в ближайшие годы. Плееры с продвинутыми функциями пульта ДУ сейчас на стадии разработки. Корпус CD-плеера включает верхнюю крышку или «капот» и переднюю панель управления. Компакт-диск лежит на подносе загрузки, скользящем в и из плеера. Эти функции позволят пользователю отображать информацию на самом блоке пульта ДУ, такую как названия песен, имена артистов и фактические тексты песен. Компакт-диски, способные и к записи, и к воспроизведению, как кассетная лента, также в разработке. Огромные возможности хранения CD также придают себя многим широким мультимедийным применениям, и вполне возможно, что компакт-диски станут общим носителем обмена данными для всех аудио, видео и компьютерных приложений.