音响设备原理与维修---第7章教学课件 中职.ppt

音响设备原理与维修-第7章教学课件 高教版 中职第7章 数字音响设备 7.1激光唱机（CD机）7.2 MD微型磁光盘唱机 7.3 MP3播放机 第7章 数字音响设备 内容提要与学习要求数字音响设备是现代音响技术发展的必然产物。本章主要介绍数字音响技术的基础知识和典型数字音响设备（CD，MD和MP3播放机）的主要特点、结构组成与工作原理；重点介绍激光唱机（CD机）的激光头拾音技术，数字信号的纠错处理与调制处理技术，伺服信号的检测、处理与控制技术等。这些技术都是目前DVD/VCD等激光视盘机的通用技术，掌握这些技术，可以使我们更好地理解其他的现代数字音响设备的结构与原理。此外，本章对代表当今时尚的MP3播放机的数字音频压缩技术也进行了必要的论述。随着音响技术的迅猛发展，各类数字音响设备不断涌现。由于数字电路只对高、低电平脉冲（1，0）进行识别、运算、控制、传输等处理，使数字电路具有一些模拟电路所不具备的优点，如失真低、动态范围大、频率响应宽、声道隔离度高、可靠性高、稳定性好、便于控制和特殊处理、电路易于集成化等，因此现代音响设备都向数字化方向发展。典型的数字音响设备有CD机（激光唱机）、MD（录放式微型磁光盘唱机）、MP3及作为家庭影院的影音信号源VCD，DVD等。第7章 数字音响设备 7.1 7.1 激光唱机激光唱机激光唱机又称CD机（Compact Disc意为小型唱片），是将激光光学技术、数字信号处理技术、精密机械伺服技术及微处理器控制技术、高密度记录技术和超大规模集成电路技术等融为一体的数字音频设备。典型的数字音响设备有CD机（激光唱机）、MD（录放式微型磁光盘唱机）、MP3、VCD、DVD等。CD唱机：唱机：（Compact Disc意为小型唱片），是将激光光学技术、数字信号处理技术、精密机械伺服技术及微处理器控制技术、高密度记录技术和超大规模集成电路技术等融为一体的数字音频设备。CD光盘：光盘：采用单面刻录方式，在直径为12 cm的光盘上可记录和重放74min的双声道立体声高保真数字音频信号，信息量约650Mb。CD信号：信号：CD光盘上的音频信号是采用了数字信号的处理方法，其过程是首先将模拟音频信号转变为数字音频信号，然后再将数字音频信号进行纠错、调制等技术处理后记录到CD光盘上，CD光盘上所刻录的信号，只是代表数码信息的坑点。第7章 数字音响设备 7.1.1 CD机的特点与光盘结构机的特点与光盘结构1CD机的特点机的特点（1）光盘的记录密度高、存储容量大）光盘的记录密度高、存储容量大。一张12 cm的CD光盘存储大约650 MB的信息量，播放74 min高质量的双声道立体声伴音。（2）电声性能指标高，重放的音响效果好）电声性能指标高，重放的音响效果好。主要性能指标如下：频率响应：20Hz20 kHz；信噪比：大于96 dB；动态范围：大于96 dB；声道分离度：大于96 dB；谐波失真：小于0.05%；抖晃率：几乎不存在。第7章 数字音响设备（3）激光非接触读取信息，使光盘永不磨损。）激光非接触读取信息，使光盘永不磨损。（4）对光盘上的灰尘和划痕具有较强的抵御能力。）对光盘上的灰尘和划痕具有较强的抵御能力。原因：光盘的信息表面覆盖着一层硬的保护层，使灰尘与划痕不会损伤到信息记录面；激光束的聚焦作用，使光盘表面的灰尘和划痕经激光束聚焦到信息记录面时的有效影响面积大大减少；在电路中采用了较强的误码纠错技术。（5）节目的检索速度快，操作功能强）节目的检索速度快，操作功能强。例如可以方便地实现快速检索，遥控操作，可以进行随机播放，循环重复播放等等。（6）光盘制作成本低，特别适合于大批量生产）光盘制作成本低，特别适合于大批量生产。因为光盘在注塑机中直接注压成形。制作过程的工序少、速度快，在大批量生产时，成本非常低廉。第7章 数字音响设备 2CD机的光盘结构机的光盘结构60mm导出区导入区节目区（25mm58mm）标签面氧化铝反射涂层透明光盘基板轨迹长度约为0.833.1m截面图放音面第7章 数字音响设备 7.1.2 CD机的基本组成机的基本组成激光唱机主要由机芯和电路两大部分组成。（一）（一）CD机机芯的基本组成机机芯的基本组成1机芯的基本组成机芯的基本组成（1）机芯的结构：机芯的结构：机芯主要有6大部分组成：托盘进出机构；光盘装卸机构；光头进给机构；光盘旋转机构；夹持机构；激光束的聚焦与循迹机构。（2）机芯中的电机）机芯中的电机：机芯中的驱动电机通常有3个：加载电机；进给电机；主轴电机。第7章 数字音响设备（3）机芯基本组成框图：）机芯基本组成框图：加载加载电机电机进给进给电机电机传动传动机构机构系统控制系统控制伺服伺服夹持机构夹持机构托盘进托盘进出机构出机构光盘装光盘装卸机构卸机构光头进光头进给机构给机构光束聚焦光束聚焦与循迹机构与循迹机构光盘旋光盘旋转机构转机构主轴电机主轴电机光盘光盘第7章 数字音响设备 2机芯各部分的主要作用机芯各部分的主要作用机芯各机构的主要作用：机芯各机构的主要作用：（1）托盘进出机构。）托盘进出机构。托盘进出机构是在微处理器的控制之下，由加载电机驱动，带动有关传动机构动作，完成托盘的移进或移出任务。当按下CD机的OPENCLOSE键，即可使CPU控制加载电机的正反转，实现托盘的进出动作。（2）光盘装卸机构。）光盘装卸机构。也是由加载电机驱动，完成光盘的抬起（装载）和下降（卸载）动作。装载时，由加载电机带动使旋转盘抬起，使托盘中的光盘被旋转盘托起，从而实现了将光盘安装到旋转盘上的目的；卸载时，旋转盘下降，使旋转盘上的光盘被卸下来重新放回到托盘中，以便由托盘进出机构将卸下的光盘移出机外。（3）光盘旋转机构。）光盘旋转机构。光盘旋转机构由主轴电机和安装在主轴电机上的旋转盘等组成，由主轴驱动电路带动主轴电机的运转，使光盘高速平稳地旋转。第7章 数字音响设备（4）夹持机构。）夹持机构。夹持机构的作用是依靠其中的永磁体，将光盘吸附在旋转盘上，以免光盘高速旋转时的偏移。（5）光头进给机构。）光头进给机构。用于将激光头组件沿光盘的半径方向移动。由进给齿轮、齿条、滑动杆和进给电机组成，进给电机由驱动电路驱动。进给机构还可根据控制指令，可以执行寻曲、静像、跳跃、重放等功能，即其前进的状态可以根据控制指令而变化。（6）聚焦与循迹机构。）聚焦与循迹机构。分别由聚焦伺服电路和循迹伺服电路驱动激光头物镜机构的聚焦线圈和循迹线圈，以保证激光头的激光束能准确地聚焦于光盘的信号面并准确地跟踪光盘上的信号轨迹，拾取信号。第7章 数字音响设备（二）（二）CD机电路的基本组成机电路的基本组成1电路的基本组成电路的基本组成（1）电路组成：）电路组成：CD机电路主要由信号处理系统、机芯伺服系统、控制显示系统和电源电路等部分组成。信号处理系统：信号处理系统：有RF射频信号处理器、数字信号处理器、数字滤波器与音频数/模变换器以及低通滤波器等。其中数字信号处理（DSP）电路是信号处理系统的核心部分，一般由专用的超大规模集成电路来担任。机芯的伺服系统：机芯的伺服系统：有聚焦伺服电路、循迹伺服电路、进给伺服电路和主轴伺服电路4种。各种伺服电路又包含伺服信号的处理（SSP）电路和伺服信号的驱动输出电路。当采用数字伺服时，伺服信号的处理电路往往与数字信号的处理电路集成在一块电路中。控制显示系统：控制显示系统：有机芯工作状态的控制、电路工作状态的控制、键盘操作与遥控接收、以及显示驱动等电路。其核心是一块专用的微处理器（CPU）。第7章 数字音响设备（2）CD机电路组成方框图机电路组成方框图 ：主轴电机进给电机激光头RF信号处理数字信号处理(DSP)伺服信号处理(SSP)数字滤波器音频DAC聚焦驱动进给驱动主轴驱动循迹驱动DRAMCPU控制系统和操作显示系统遥控接收及面板键控前面板显示加载电机控制光盘AUDIO OUTR低通滤波器L低通滤波器电源电路第7章 数字音响设备 2电路各部分的主要作用电路各部分的主要作用（1）RF信号处理电路。信号处理电路。RF信号处理电路包括射频处理放大器（RF放大），聚焦误差处理放大器、循迹误差处理放大器等电路。RF处理放大电路将光敏二极管产生的数字高频（RF）音频信号进行放大处理，而聚焦误差处理放大器和循迹误差处理放大器，则为相应的伺服电路提供控制误差信号。（2）伺服电路）伺服电路。伺服电路包括聚焦伺服电路、循迹伺服电路、进给伺服电路和主轴伺服电路。不论何种电路，其基本作用都是保证激光头与光盘上的信息轨迹的对应关系。通过来自光盘反射光的信息中检测的各种取样信号和基准信号的比较，得到误差信号去控制各个电机及有关线圈的驱动电路，保证激光束能准确地拾取信号。伺服方式有模拟伺服和数字伺服两种，现在多用数字伺服方式。第7章 数字音响设备 聚焦伺服电路。聚焦伺服电路。通过聚焦误差信号，去控制聚焦线圈的动作来控制激光头物镜的上下聚焦移动动作，保证激光束能够准确地聚焦在光盘的信息轨迹面上。循迹伺服电路。循迹伺服电路。通过循迹误差信号，去控制循迹线圈的动作，从而控制激光头物镜的水平移动动作，保证激光束的焦点能够始终跟踪光盘的信息轨迹移动。进给伺服电路。进给伺服电路。通过进给误差信号，去控制进给电机驱动电路，从而驱动进给电机带动激光头在光盘半径方向上移动，使激光头能够顺着信息轨迹从光盘的最内圈均匀移至最外圈；或按操作指令，使激光头跳跃式移动，或静止不动，取得特殊播放效果。主轴伺服电路。主轴伺服电路。通过主轴伺服误差信号，去控制主轴的驱动电路，再去控制主轴电机的旋转速度，使激光头读取光盘上的信号时，在激光束从最内圈移到最外圈的过程中，主轴电机的转速可以从最内圈的每分钟500转到最外圈的每分钟约200转之间匀速变化。保证主轴电机线速度的匀速性，使激光头始终都以1.3m/s的恒速读出光盘上的信号。第7章 数字音响设备（3）系统控制电路。）系统控制电路。系统控制电路包括前面板上的键控操作电路、显示电路及遥控电路，而其核心部分是微处理器CPU单元，它接受各种操作指令和各种检测数据，并对各种输入信息进行判断和处理，产生相应的指令，控制机械和电路的工作，使CD机进入各种工作方式，并正确显示；同时检测机器的工作状态，如出现不正常的情况，则发出保护停机指令。（4）音频电路。）音频电路。音频电路包括音频数字滤波电路和音频数模变换电路，以及模拟低通滤波器（LPF）。其主要作用是将数字信号处理电路输出的数字音频信号还原成模拟音频信号。此外，根据需要在有的机型中加有卡拉OK电路。（5）电源电路。）电源电路。电源电路用于向整机提供各种不同的工作电压。如直流稳压电源、非稳压电源、交流电源等。第7章 数字音响设备（6）数字信号处理电路（）数字信号处理电路（DSP）。射频放大器输出的来自激光头的RF放大信号，需再经过数字信号处理，才能得到所需的原数字音频信号（音频PCM脉码调制信号）。其最主要的信号处理电路是EFM解调和CIRC纠错处理电路这二个部分。EFM：是Eight to Fourteen Modulation 的缩写，即为8-14调制，它是一项8位数字信号与特定的14位数字信号之间的转换技术，用于解决数字信号在光盘记录与重放过程中出现的一系列问题。CIRC：是 Cross Interleaved ReedSolomon Code的缩写，即交叉交织里德索所门码，是一项用于数字信号的纠错处理的技术，可以使光盘在记录和重放过程中连续出现6千多位以内的误码得到有效的纠正。（RF信号经过EFM解调和CIRC纠错处理后所得到的数据就是原音频PCM脉码调制信号，这个数据就可以送往音频数模变换电路转变为模拟音频信号）。第7章 数字音响设备 其它电路：其它电路：数字信号处理电路还有位时钟再生电路、帧同步检测电路、子码分离电路等。位时钟信号是DSP电路中识读数据码位的基准信号，没有位时钟，所有的数据都无法正确识别；帧同步信号的检测是用来确立数据的码头（每帧的起始点），帧同步信号是DSP电路中分离各类数据的依据。没有帧同步也就无法分离出音频数据、纠错码、控制显示码等，同时左声道数据与右声道数据也将无法确定。数字信号处理电路的输出信号有数字信号处理电路的输出信号有3种：种：(a)声音数据的数字信号（DATA）；(b)位时钟信号（BCLK：bit clock），用于识读数据的码位；(c)左右声道时钟信号（LRCK：left/right clock），用于分离左右声道的音频数据。第7章 数字音响设备 194207.1.3 CD信号的记录过程与重放过程信号的记录过程与重放过程1CD信号的记录过程信号的记录过程CD信号记录过程所采用的关键技术有3项：（1）A/D变换技术；（2）纠错编码技术（采用CIRC纠错编码）；（3）数据调制技术（采用EFM调制）。CD信号的记录过程如下图：A/D变换低通滤波低通滤波A/D变换控制字同步字纠错编码EFM调制光盘L音频R音频光盘数字坑点信号时间多工器1时间多工器2时间多工器3第7章 数字音响设备 2CD光盘中信号的记录格式光盘中信号的记录格式 第7章 数字音响设备 3CD信号的重放过程信号的重放过程 CD信号的重放过程与记录过程正好相反。CD信号主要经EFM解调、CIRC纠错解码、D/A变换后，即输出双声道立体声音频信号。CD信号重放过程的示意图如下图所示：D/A变换L输出D/A变换LPFLPFR输出CIRC纠错解码同步字分离光盘同步字RF信号处理EFM解调子码分离L/R声道分离子码L/R时钟第7章 数字音响设备 224207.1.4 CD信号处理技术信号处理技术（一）（一）ADC与与DAC转换技术转换技术1模模/数转换（数转换（ADC）：ADC包括取样、量化和编码3个过程。（1）取样。）取样。取样是指在信号的时间轴上，以一定的时间间隔周期对模拟信号进行瞬时取值的过程。数字音响设备中常用取样频率为44.1 kHz。（2）量化。）量化。量化就是将每一个模拟信号的取样值用一定精度的数据来表示，即将每个取样值用四舍五入的方法，归并到最小数量单位的整数倍。数字音响设备中常用的量化位数为16 bit。（3）编码。）编码。编码是指将己量化的信号编排成二进制码的过程。用脉冲序列表示二进制数字的操作过程称为脉冲编码调制，简称PCM，是pulse-code modulation的简写。第7章 数字音响设备 2数数/模转换（模转换（DAC）DAC是指将输入的数字信号转换为模拟信号的过程，是模/数转换（ADC）的反变换。DAC的类型：多位（多bit）DAC；1位（1 bit）DAC。（1）多）多bit数数/模变换器模变换器。多bit DAC的转换过程是：首先将相同宽度和幅度的脉冲的有或无所表示的1或0的脉冲序列（数字信号），变换成阶梯状的量化波形信号，然后再用低通滤波器（LPF）将阶梯状的量化波形信号的量化噪声去掉，以还原成原模拟信号。多位DAC变换方式示意图如图(a)所示。第7章 数字音响设备 数字信号数字信号DA变换方式示意图变换方式示意图 LPFLPFLPF(a)多bit D/A变换方式(b)1 bit D/A变换方式（PWM)(c)1 bit D/A变 换 方 式（PDM)模拟信号模拟信号模拟信号PWMPDM普通阶梯信号量化数字信号量化数字信号量化数字信号第7章 数字音响设备（2）1 bit数数/模转换器。模转换器。1 bit DAC有脉冲宽度调制（PWM）方式和脉冲密度调制（PDM）方式。PWM（Pulse Width Modulation）：1 bit DAC的脉冲宽度调制工作方式。在这种工作方式中，数字信号不是被DAC变换成阶梯信号，而是变换成脉冲，每个取样点的数据对应一个脉冲信号，每个脉冲信号的大小和周期（频率）不变，只有0和1这二个值的1 bit数据，而脉冲的宽度与取样值的数据大小成正比，这种脉冲信号就是脉冲宽度调制（PWM）信号。PWM信号再经过低通滤波器（LPF）取出平均值后，就可将其还原成原来的模拟信号。PDM（Pulse Density Modulation）：1 bit DAC的脉冲密度调制工作方式。它是将数字信号转换成一系列的点脉冲，数字信号所代表的取样值的大小决定这些点脉冲的密度（频率），即脉冲密度与取样值的数据大小成正比，而点脉冲的幅度与脉宽不变，也仅有0和1这两个值的1 bit数据。PDM信号仍使用低通滤波器取出平均值后将其还原成模拟信号。第7章 数字音响设备（二）（二）EFM调制技术调制技术 EFM调制是英文Eight to Fourteen Modulation的缩写，即8-14调制，它是将8位数据变换为14位特定的数据的一种技术。1EFM调制的目的调制的目的 在实际中，数据信息是由数字0和1的某种组合而成的，数据码流信息连续为0或连续为1的情况是经常出现的。当数字连续为1时可能会在CD机等数字音响设备的伺服电路中被积分而产生变化的直流电平，从而引起伺服电路工作的不稳定等问题；当数字连续为0时可能会使内部解码电路中的压控振荡器工作不稳定，不能正确恢复位时钟。采用EFM调制技术调制技术可以将含有连续的将含有连续的0或连续的或连续的1的各种的各种8bit的数的数字信字信号变换为不存在连续的号变换为不存在连续的0或连续的或连续的1的的14bit的数字信号的数字信号，从而较容易地从数据码流中分离出位时钟信号，并避免对伺服系统产生干扰使伺服系统的工作稳定。第7章 数字音响设备 2EFM调制的方法调制的方法 在EFM调制之前，首先将音频16位数码分成两个8位的数码（高8位和低8位），然后再将这两个8位数码分别通过EFM调制变换成特定的14位数码。对这些特定的14 bit数码的要求：（1）没有两个连续的数字1出现；（2）两个数字1之间的0的个数最少为2个；（3）两个数字1之间的0的个数最多为10个。另外，在每两个14 bit数码之间，再插入3个连接位。第7章 数字音响设备 EFM调制的部分数据对应表调制的部分数据对应表 序号二进制数8 bitEFM代码14 bit序号二进制数8 bitEFM代码14 bit0000000000100100010000015010010110000100100000011000000011000010000000015110010111001000100000012000000101001000010000015210011000010010000000013000000111000100010000015310011001100000100100004000001000100010000000015410011010100100000000011000110010001000100100010251111110111000100001001010101100101000000001000102521111110001000000010010102011001100100000010010025311111101000010000100101130111000110000010000010254111111100001000001001011401110010100100100000102551111111100100000010010第7章 数字音响设备 3EFM的解调的解调 EFM解调，它是EFM调制的逆过程。其任务是将光盘上的特殊的14 bit 数码重新还原为原来的8 bit数码。EFM解调过程：只要经过EFM调制数据表的反变换，便可将每一个14 bit数码重新转换成原来的8 bit数码。例如：在EFM数据变换表中，一个14 bit数码01 0010 0010 0000经EFM解调（即EFM反变换）后就成为8 bit数码0000 0000；而一个14 bit数码10 0001 0000 0000经EFM反变换后就成为8 bit数码0000 0001。第7章 数字音响设备（三）误码纠错技术（三）误码纠错技术1误码的产生误码的产生 数字信号在记录和重放过程中，一旦信号0和1丢失或出错，则造成的结果是信号本身出现错误，导致声音失真。光盘为存储媒体的CD机来说，数字信号出现错误是经常的事，其原因主要有以下几个方面：（1）光盘的刻录和盘片的制作过程中产生误码。具体来说就是从刻录到盘片压制成形过程中，如果沾上灰尘和受到损伤，或盘片上的信号坑点成形不良混入气泡，或铝反射膜有孔洞等，重放时都会使信号发生错误，产生误码。（2）光盘在使用过程中被划伤或沾上指纹、油污、灰尘等，重放时也会使信号发生差错。（3）在重放过程中，由于伺服或同步信号混乱等原因而不能正确地读取信号，也会使信号产生差错。第7章 数字音响设备 2误码的检测与纠正误码的检测与纠正（1）纵横奇偶检验法）纵横奇偶检验法判别随机误码的位置。判别随机误码的位置。奇偶检验法的功能功能：是用来检测与判别在串行的数据码流中的个别随机误码的位置。奇偶检验法的方法方法：是将串行数据按组排列成行和列，然后在每一行和每一列数据的最后插入检验位0或1，0和1的选择方法是使该行或该列（包括该检验位在内）的全体码中的1的个数总是为偶数（或者为奇数）。这样，当重放过程中若有误码产生，则该误码的相应行和列的奇偶性将发生颠倒，由此便可确认该组数据中有无误码产生和产生误码的位置。当误码位置确定后，纠错就很容易了，例如某位数据出错，由1变为0，纠正时只要将该位的0重新变为1即可。另外规定规定：如果误码所在位置是在奇偶检验位上，则认为原字码无错误。第7章 数字音响设备 二进制代码的奇偶检验举例二进制代码的奇偶检验举例：第7章 数字音响设备（2）交叉交织法）交叉交织法将连续的集中群误码变为个别的离散随机误码。将连续的集中群误码变为个别的离散随机误码。交叉交织法的功能功能：是用来将连续的集中群误码变为个别的离散随机误码。交叉交织法的基本方法：方法：是在信号记录时改变数字信号的顺序，重放时再通过重排来恢复原来的顺序，前者称为交织，后者称为去交织。但这种改变数字信号的顺序不是任意改变数字信号中的每一位数字，而是将数字信号按时间顺序分成组，再使各个组延迟一定的时间，然后调换顺序（即交织）重新组合，将这样处理后的数字信号记录在光盘上。这样一来，重放时如果信号出现了连续误码（群误码），但经去交织处理后，数字信号的排列顺序就还原了，同时群误码也就被分散开了，群误码变成了离散的、个别的随机误码，然后再利用奇偶检验法就容易纠错了。第7章 数字音响设备 交织法编码与解码举例：交织法编码与解码举例：0 01 12 23 310109 94 45 56 67 78 811111212131314140 01 12 23 310109 94 45 56 67 78 811111212131314140 01 12 23 310109 94 45 56 67 78 81111 1212 1313 14140 01 12 23 310109 94 45 56 67 78 811111313 141412120000110010100000010100111111001001011011101100 01 12 23 310109 94 45 56 67 78 81111 1212 1313 1414假设产生连续4个字的误码(a)原信号的码位所对应的序列(c)交织后记录到光盘上的数码序列(d)重放时产生群误码(连续4个字)(b)原码序列交织处理(e)还原后的码序列(误码已离散)去交织处理第7章 数字音响设备 7.1.5 激光头拾音技术激光头拾音技术（激光头是激光唱机的关键部件）激光头作用：激光头作用：利用激光束读取光盘上的坑点信号，并通过光电转换，将光盘上的坑点信号转变为电信号输出。激光头种类：激光头种类：有单光束和三光束两种。单光束激光头的特点单光束激光头的特点：构造简单、成本低，伺服功能强，搜索速度快，电路调整简单，一般只需调整12个参数，但伺服电路较复杂。三光束激光头的特点：三光束激光头的特点：结构稳定可靠、抗震能力强，但结构比较复杂，电路调试点多，成本比单光束激光头稍微偏高。（一）激光头结构组成（一）激光头结构组成（三光束激光头）。1激光头的内部光路结构激光头的内部光路结构 三光束型激光头在半导体激光器的发射口处安装有一个衍射光栅，将激光束一分为三；成为三条光束后，经半透分光棱镜和准直透镜将光束变为平行光；通过物镜机构的聚焦透镜（物镜）入射到光盘表面上；反射光则经过分光棱镜将入射光与反射光分离后；通过柱面透镜由光敏检测器接收并转换成RF信号输出。第7章 数字音响设备 三光束型激光头的光路结构图三光束型激光头的光路结构图：侧视LD PD前视光敏检测器阵列：(进行光电转换产生RF信号，并产生聚焦误差和循迹误差信号)柱面透镜：(对反射光进行单方向聚焦)APC激光通/断控制(LD：ON/OFF)偏振分光棱镜：(分离入射光与反射光)半导体激光器：(激光二极管LD和激光功率检测二极管PD)ECBFDA衍射光栅：(将一条激光束分裂为三条光束)激光束14波长片：(使激光束的偏振方向旋转45o)偏振光反射面准直透镜：(将激光束变为平行光束)物镜：(使激光束聚焦于光盘的信息坑并跟踪信息纹轨)循迹方向(横向移动)物镜聚焦方向(垂直移动)光盘光盘上的螺纹状信息轨迹(由凹坑和凸岛组成)第7章 数字音响设备 2各部件的主要功能各部件的主要功能（1）半导体激光器装置）半导体激光器装置。激光二极管（LD）：其作用是通电后发射为760780 nm的红外激光。激光功率检测二极管（PD）：其作用是将照射到其表面上的激光的光强转化为相应大小的电信号。以便通过激光功率自动控制电路（APC）对LD进行小范围的自动调节和控制，以保持激光功率的恒定。（2）衍射光栅。）衍射光栅。其作用是把一束激光分裂成3条激光束。中间的光束是主光束（实线），用于从光盘上拾取数据，并为伺服系统提供激光束在光盘上的聚焦误差信息；在主光束两旁的激光束（虚线）为辅助光束（副束），用于为伺服系统提供循迹误差信息。（3）偏振光分离器）偏振光分离器（偏振分光棱镜、半透棱镜）。其作用是使激光束的入射光与反射光分离。第7章 数字音响设备（4）准直透镜。）准直透镜。准直透镜的作用是将激光束变为平行光束。（5）1/4片波长片片波长片（也叫偏振滤波器）。1/4波长片的作用是使通过的激光束的偏振方向旋转45。入射光与反射光的偏振方向相差90，由1/4波长片与偏振分光棱镜配合，即可使激光束的入射光与反射光分离。（6）物镜。）物镜。其作用是使入射光束聚焦在光盘的信号面上，并使焦点能够跟踪光盘上的信号轨迹。在物镜上套有聚焦线圈和循迹线圈。聚焦线圈水平放置，可以控制物镜垂直方向移动，使激光束准确聚焦在光盘信息坑上；循迹线圈垂直放置，可以控制物镜水平径向移动，使激光束准确地跟踪光盘上的信息纹轨，达到正确地循迹的目的。第7章 数字音响设备（7）柱面透镜。）柱面透镜。柱面透镜的作用是对反射的激光束进行单方向聚焦，以便产生聚焦误差信号。当激光束在光盘上聚焦良好时，反射回来的主光束将照在ABCD 4只光电二极管的中心，形成一个圆形的光斑；如果聚焦不良，柱面透镜将会使主光束在4只光电二极管上形成一个椭圆形光斑。椭圆形光斑的倾斜方向与主光束在光盘上的聚焦方向有关。（8）光电检测器阵列。）光电检测器阵列。光电检测器阵列的作用是进行光电转换。它由6只光电二极管组成，6只光电二极管分别连接到几个独立的电路上，以便处理拾取到的数据，用作射频RF信号处理，聚焦和循迹控制。三光束激光头大多装在进给驱动机构上，放音时激光头沿光盘的半径方向运动。第7章 数字音响设备 40420（二）激光读识信号的原理（二）激光读识信号的原理 激光束读识光盘上的坑点信号时，主要是根据光的反射现象和光干涉现象来进行的。1根据光的反射现象来读识坑点信号根据光的反射现象来读识坑点信号 激光头发射的激光束，经聚焦后垂直地投射到光盘信号坑点面上。（1）当激光束的焦点处于光盘的非坑点的信息区时，由光的反射原理可知，这时将发生全反射（镜面反射），反射光将100地顺入射光路全部返回，如下图（a）所示。（2）当激光束投射到坑点（光盘上的凸起部分）区域时，激光束产生漫反射，如下图（b）所示，激光束向四周散射，只有少量的激光束顺入射光路返回。当光盘旋转时，从光盘反射所得到的反射光经分光棱镜分光后，到光敏检测器上的光束强度就会随着坑点的有无而变化。激光读识图（a）激光读识图（b）第7章 数字音响设备 由光的反射现象来读识坑点信号的原理示意图由光的反射现象来读识坑点信号的原理示意图 第7章 数字音响设备 2根据光的干涉现象读识坑点信号根据光的干涉现象读识坑点信号 由于光盘上坑槽的深度为0.1 m，坑槽的深度正好相当于光盘透明树脂层中激光束波长的1/4。（1）当激光束投射到非坑点的地方时，反射光在任意时刻与入射光的相位相同，根据波峰与波峰一致的两个波产生增强的干涉现象，这时总的反射光束被增强，如图（a）所示；（2）当激光束投射到坑槽部位时，反射光比入射光延迟1/2波长，使两个光波正好反相，根据波峰与波谷一致的两个波产生抵消的干涉现象，可知这时的反射光束与入射光束互相抵消，见图（b）所示。激光干涉图（a）激光干涉图（b）第7章 数字音响设备 由光的干涉现象来读识坑点信号的原理示意图：由光的干涉现象来读识坑点信号的原理示意图：第7章 数字音响设备 3激光头读识信号的波形：激光头读识信号的波形：由光的反射现象和光的干由光的反射现象和光的干涉现象所产生的反射光涉现象所产生的反射光:在非坑槽区域的激光束可在非坑槽区域的激光束可以以100%地反射；地反射；在坑槽区域的激光束大约在坑槽区域的激光束大约只有只有30%的反射光束。的反射光束。因此，当光盘旋转时，激因此，当光盘旋转时，激光读取坑点信息波形图光读取坑点信息波形图如右图所示。如右图所示。第7章 数字音响设备（三）聚焦误差和循迹误差信号的检测方法（三）聚焦误差和循迹误差信号的检测方法1聚焦误差信号的检测聚焦误差信号的检测（1）像散法。）像散法。（用于三光束激光头）像散法聚焦误差信号检测是在激光头的半透分光棱镜和光敏检测器之间加入一个柱面透镜，当激光束通过该圆柱形透镜时，由于其单方向光束的聚焦作用,使光束截面将随光盘与物镜之间距离的变化而发生形状变化。当聚焦准确时，反射光束在四只光敏二极管上的光点呈圆形，各光敏二极管上的光强相同，这时的聚焦误差信号FE（A+C）（B+D）0；当聚焦不良时，反射光在4只光敏二极管上的光点呈椭圆形，各光敏二极管上的光强不相等，这时的聚焦误差信号FE（A+C）（B+D）0，从而产生的聚焦误差FE信号将被作为聚焦伺服信号，用于控制聚焦线圈上下移动，直至聚焦正确为止。物镜聚焦距离正确：FE（A+C）（B+D）0；物镜聚焦距离过近：FE（A+C）（B+D）0；物镜聚焦距离过远：FE（A+C）（B+D）0。第7章 数字音响设备 像散法聚焦误差检测原理图：像散法聚焦误差检测原理图：BACD聚焦不良(光盘距离过近)聚焦不良(光盘距离过远)BACD聚焦良好BACD聚焦误差信号输出FE(A+C)-(B+D)聚焦比较放大器聚焦检测器BACD第7章 数字音响设备（2）刀口法）刀口法（用于单光束激光头）。刀口法聚焦误差信号检测是在光敏检测器和半透棱镜之间加入一个楔状透镜，组成一对刀口。楔状透镜将光束一分为二分别射在水平摆放的两组光敏二极管A、B和C、D上。当聚焦正确时，激光束射在两组光敏二极管的中心位置，FE（A+D）（B+C）0；当聚焦不良时，激光束发生偏移，产生的FE（A+D）（B+C）0，以此来控制聚焦线圈移动，直至聚焦正确。刀口法聚焦误差检测原理图：ABDC聚焦比较放大器FE(A+D)-(B+C)聚焦误差FE输出600 m600m光敏接收器(ABCD)反射光双刀口ABCDDCBAABDC光盘距离过近：FE(A+D)-(B+C)0光盘距离正确：FE(A+D)-(B+C)=0光盘距离过远：FE(A+D)-(B+C)0ABDCABDC250m第7章 数字音响设备 2循迹误差信号的检测循迹误差信号的检测循迹伺服系统的作用：是使激光束能在200 m的偏心情况下连续准确地跟踪信息纹迹。对激光头的控制：激光头受进给电机控制，能从光盘的内沿到外沿或相反方向作径向运动；激光头能连续准确地跟踪光盘上的信息纹轨，即循迹。激光头组件上设置有能够径向移动的进给驱动机构和物镜能够水平摆动的循迹线圈。CD机的循迹误差信号的检测方法：主要有三光束循迹和单光束循迹两种。（1）三光束法。激光器发出来的一束激光经衍射光栅后分裂成三条光束。中间的光束为主光束，用来拾取RF信号和聚焦误差信号；主光束旁边的有两条边束（副光束），用来拾取循迹误差信号，两条边束经光盘反射后分别射向E、F光敏检测二极管。第7章 数字音响设备 三光束法循迹误差检测示意图三光束法循迹误差检测示意图：(a)EF检测二个边束 (b)循迹正确 (c)光点左偏(d)光点右偏主光束F边束E边束FAEBCD轨迹光点轨迹光点轨迹光点循迹检测器循迹误差信号输出TEE-F循迹比较放大器EF(e)循迹误差信号(TE)的检测第7章 数字音响设备 当主光束焦点准确跟踪信息纹轨时，辅助光束（二个边束）反射到辅助光电检测器E，F上的光量相等，经差分检出信号TEEF0；当激光束焦点与信息纹轨出现偏差时，则TEEF0，经差分检出误差信号TE后控制循迹伺服，达到信息纹轨的准确跟踪。在上图中，光点偏左时，TEEF0；光点偏右时，TEEF0。（2）单光束法。）单光束法。在单光束激光头系统中，往往采用楔状透镜（双刀口）将反射光束一分为二，分别射在A，B，C，D光敏检测器上，（如下图所示）。当激光束的焦点准确跟踪信息纹迹时，（A+B）与（C+D）上的反射光强相等，TE（A+B）（C+D）0；当激光束的焦点与信息纹迹出现偏差时，TE（A+B）C+D）0，作为循迹伺服的误差信号，驱使激光头移动，直至循迹准确为止。第7章 数字音响设备 51420单光束循迹检测法单光束循迹检测法 示意图：示意图：循迹正确循迹偏左循迹偏右入射光束光盘反射光的强度分布信号轨迹中心循迹比较器ABCD+循迹误差信号输出TE=(A+B)-(C+D)楔形双刀口反射光束第7章 数字音响设备*7.1.6 CD机的伺服系统机的伺服系统1伺服系统的作用与要求伺服系统的作用与要求（1）作用：）作用：保证激光头能够准确地沿距离仅为1.6m的信息轨迹拾取光盘上的音频数据信息。（2）要求：）要求：（a）保证激光束能够准确聚焦；（b）激光束的焦点必须时刻跟踪光盘上的信息轨迹，与信息轨迹重合；（c）音视频信息流必须以某一常速向解码电路传送。为了使以上3个方面均能处于良好的工作状态，CD机中设有4种独立的伺服系统：聚焦伺服系统；循迹伺服系统；进给伺服系统；主轴伺服系统。第7章 数字音响设备 各伺服系统的功能：各伺服系统的功能：（1）聚焦伺服系统：）聚焦伺服系统：控制物镜在垂直方向上微动，使激光束焦点在光盘的坑点信号面上保持良好的聚焦；（2）循迹伺服系统：）循迹伺服系统：控制物镜在水平方向上微动，使激光束随时跟踪信息纹轨；（3）进给伺服系统：）进给伺服系统：当物镜在水平方向上不能再移动时，控制进给电机带动激光头组件沿半径方向跳跃；（4）主轴伺服系统：）主轴伺服系统：控制主轴电机带动光盘作恒线速度（CLV）旋转。第7章 数字音响设备 2伺服系统的组成与工作过程伺服系统的组成与工作过程（以日本索尼公司第5代全数字伺服的数码平台机芯伺服控制电路为例）（1）聚焦伺服系统。）聚焦伺服系统。1）聚焦伺服系统组成：）聚焦伺服系统组成：聚焦伺服系统一般由聚焦误差信号检测电路、聚焦误差信号处理电路、驱动放大器和聚焦线圈组成。聚焦伺服系统的电路组成如下图所示。多路器A/D变换聚焦PWM数字伺服处理ADBC153654聚焦驱动292145108时钟聚焦线圈RF处理器：CXA1821M伺服驱动器:BA6392FP机芯数字伺服电路：CXD2545Q第7章 数字音响设备 2）聚焦伺服系统工作过程：）聚焦伺服系统工作过程：聚焦误差的检测，是采用索尼机芯的像散法的对焦检测装置来进行，利用柱面透镜将激光主束的反射光引入到四分检测器ABCD这四个光敏管，转换