【doc】激光唱机光学拾音头的
设计
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激光唱机光学拾音头的设计 ?
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激光唱机光学拾音头的设计
KenC.Pohlmann警左蛋英译老助棱
一
,激光啊机设计概述
激光唱机的作用就是把储存在CD唱片上的数字信号恢复成音频信号.其工作要比
只重现音频信号复杂}即它在完成数模转换的同时还须进行解调和误差校正过程.此
外,拾取数字信号的激光拾音头以及必须采用的自动循迹,自动调焦系统,将使唱机更
为复杂.要得到在价格上能与家庭式,汽车式,便携式模拟唱机竞争的激光唱机,尚须
完成许多技术工作.
CD唱机(即激光唱机)用伺服电机驱动唱片I用激光头读取其数字信号I用解调, 声遭分离和误差校正电路来获取数字音频信号用数模转换器和低通滤波器把数字音频
信号转换成适用于普通功放和扬声器的模拟信号.控制机构和显示部件提供了使用者与
唱机之间的人机对话.为了控制这些附属系统,在设计唱机时采用了一个或多个微处理
器.CD唱机的原理方框图如图1所示.
图1CD唱机方框图
:,光掌播音叠
数字信号是由在转动的唱片上沿其径向移动的光学拾音器拾取的.一张唱片可以
容
纳二百万比特,它们被精密地压制在唱片的螺旋线轨道上光学抬音器须聚焦,循迹,
拾取轨道数字信号.整个透镜结构,激光源和读数头都必须小,使其毖在唱片面上水平
移动和垂直浮动,以便拾取轨道信息或用户随机储存的节目.虽然各厂家的设计特点不
同,但拾音头的设计和工作原理一般都是相似的.典型的拾音头如图2所示. 对于拾音头来说,普通的玻璃管激光器太大了,CD拾音器使用的是输出光能约为 5row的半导体激光器,它产生波长为790nm的相干铝镓砷光束.半导体的发光特性已应
用多年.给PN结施加正向偏压,连结处的部分电子和空穴复台,能量以光的形式放出.
发光二极管就是利用这种现象做成的.然而,激光却与普通光大不相同,即它是由单一
波长的光组成且其相位是相同的,如图3所示.因此需要改进装置,如图4所示.一个 载流于射入镓铝砷激活层,诱发一系列复合光予射出.不过,光还须放大,因此需要采
取一些措施.在激活层的两边都嵌上一层隔离
材料
关于××同志的政审材料调查表环保先进个人材料国家普通话测试材料农民专业合作社注销四查四问剖析材料
且使激活层两个边界的折射率不同,
以便包住载流子不让其跑出来.另外,为能在激活层内不断放大,光发射方向的晶面做
成反射面,相对不变波长发射起光共振器作用.
图2CD唱机的光学拾音器
(^'蠢先瞢拜青种捷长
触
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图4半导体激光器的结构图5CD唱机的光学拾音器结构
光学拾音器是一种精密的机械系统.其光学部分的设计包括一个衍射光栅,分光 镜,1/4波片和一些透镜系统,如图5所示.激光束从激光二极管出发监控光敏=极 管紧挨着激光二极管,它控制激光器的功率以补偿其温度变化.监控二极管的输出电流
与激光器的光输出成正比如果监控二极管输出电流低于相应的参考值,就加大供给激
光器驱动晶体管的电流,以增大激光器的光输出.同样,如果监控二极管电流过大,就
减步供给激光器的电流.由激光器点光源射出的光要通过一个衍射光栅.它是一块缝宽
仅为几个激光波长的屏栅.光束通过光栅时衍射成不同角度的出射光,如用聚光镜聚焦
观察,就可看到中心光束很亮,在其两侧还有一系列光强较弱的光束,如图6所示拾 音系统将厨中心光束拾取数字信号,循迹,调焦.在三光束拾音器构设计中两个第二
61
光束即第一级(衍射)光束用于衙迹.
光路上的下一个光学元件(分光镜)承担着抬音头的主要任务,即把激光导向唱片 表面,又把反射光偏转给光敏二极管.分光镜可以看成是一面与光轴成45.的单向镜.
因而当光到达分光镜时,它就象一廓窗口让其通过,而对于反射光,它又是一面导向
镜,使光偏转90..分光镜由两块棱镜构成,在两棱镜接台处有一层与镜面成45.的介质
膜.介质膜就起单向镜面的作用J即让水平偏振光通过,照射到唱片表面上,而被反射
的光变为垂直偏振光回到分光镜,又被它反射成棱镜茬而方向的光.反射光的强度由唱
片上有无凹坑决定..
在分光镜之后是准直透镜(在某些设计中把它放在
分光镜之前),其作用是使发散光变为平行光,如图7 所示.然后光通过1/4波片(QWP),它是一种具有
双折射象散特性的晶体材料.它控制光的偏振,使反射 光的相位得以校正.光第一次通过被片时有90.的相移, 光反射回来通过时又发生90.相移.于是在分光镜处反 射光和入射光棍位差为180.这样就使分光镜能正确地 偏转反射光.
光路中最后一个光学元件就是物镜组,其
作用是把光聚焦到唱片上.主光点在聚碳酸酯
膜的表面上直径为0.8ram.聚碳酸酯膜的拆射
率为1.55,其厚度为1.2ram,于是光点照射捌-
反射面上就缩小为1.7m直径,比凹槽宽度
(O.5p.m)稍宽.物镜安装在双轴驱动器和能
垂直运动调焦,水平运动循迹的何服系统中.
,
衍射光栅把激光分成
光束
,
准直透境产生平行光
现在,唱片上的犏码数据就决定了激光光束盼命运.当光点打在两凹坑阿钓平滑面
时,光几乎全部被反射回来I当光点打在透膜层中约有1/4光波设长深度的凹坑时
从
凹槽反射的光束与从平滑面反射的光束相抵消,几乎没有光返回.'结果,光强发生
鹫化
的记为"1",光强不变酌则为0".不同光强的光返回通过物镜,1/一4波片(再 次实现9O.相移),准直透镜,射在倾斜的分光镜膜面上.于由光偏转90.后通过聚光
镜
和柱面镜,这些光学元件是用来控制伺服调焦系统的操作,以保证物镜处于适当的焦距
上.然而,光束的主要作用箍通过光的反射把数字信号载送给四(或六)象限光敏二极
管.最后,由抬音器获得的电信号被解码成音频波形信号.
三,自动调焦设计
要正确地区别反射面和凹槽,激光束必须依靠由高度相差1lOam的坑壁所产生的发
射光的千涉现象.因此,光束在表面的聚焦是至关重要的I任何离焦情况都会导致数字
信号的拾取出错.特别是激光聚焦的误差容限必须在?0.5m范围内.当然,即使是最
平的唱片也一定有误差,唱片的技术指标规定容限为?0.5ram.因此,当唱片表面偏 离时物镜应能重新调焦.这是靠伺服自动调焦系统完成的,该系统由中心光束,一个四
象限光敏二极管,控制电路和驱动物镜的伺服电机组成.自动髑焦系统的功能框图如图
62
8所月.
在很多CD唱机的设计中都是利用象
散的独特性质即产生畸变图象来实现自动
词焦的在光敏二扳管前面的柱面镜就是
负责检测离焦状态的.当物镜和唱片反射
面之间的距离发生变化时,系统的焦点也
发生变化,通过柱面镜后射出来的图象形
状也相应变化.那么,光敏二极管接收到
图象的变化就会产生聚焦误差信号.
当唱片面处于物镜焦点位置时,通过
凸透镜,柱而镜的反射图象不受柱面镜象
敖影响,而呈圆形光斑打在光敏二极管中
心.唱片物镜的距离减小时,物镜,
凸透镜,柱面镜的焦点都离柱面镜更远,
所得图象就变成了椭圆形.同样,当唱片
与物镜的距离增大时,焦点离透镜更近,
也得到狮圆形图象,但此椭圆与前面的椭
f【]差90.
阳象限光敏二极管读取由各个象限的
光强,以产生相应的四个电压.如果调焦
信号生成象限值(A+C)一(B+D),
"t
雀謦
{,"
图8自动调焦信号检测原理图
(A)拾音器的主光隶产生自动调焦信号
(B)同象散跟踪误差图样
(C)四象限光敏=极管把误差图样转换
成自动调焦信号
(D)敲大的信号表示出唱片的位置韭用
来控制伺服系统保持堆焦
则输出误差电压信号就是双极性正弦波(S),中心值约为0.当光束准确地聚焦于唱 片上时,其值为0;当唱片靠得太近刚产生正向调焦信号,如果唱片远离则产生负向调
焦信号.就象其它的闭环系统(侧如控制电机恒速的锁稆环系统)一样,误差信号连续
调整机构位置,力图得到0值误差信号,于是就达到了对激光束调焦的目的. 伺服系统用来驱动物镜上下移动,从而保证物镜在允许的对焦范围内.这就需要电 子线路来转换润焦信号,产生伺殿控制电压.该电路利用一些比较器和放大器产生
伺服
电压控制驱动机构来移
动物镜.图9所示就是
这种电路的实例.
物镜由线圈,永久
磁铁机构支承于光轴方
向上,这类似于扬声器
的结构,只是在这里物
镜取代了喇叭筒的位
置.如图10所示,用双
轴驱动器驱动.抬音头
措助一个吲磁环安装在图9CD自动调焦电路 63
基座上.用一个圆形箍套住内装诃焦,循 迹线圈的线圈架.由调焦驱动电路产生的 控制电压加到线圉架内的调焦线圈上,于 是线圈相剥于磁铁作上下移动,使物镜保 持在正确的焦距范围内.另一个轴的运动 即左右移动是用于保证循迹精度的. 四,自动镛迹设计
在激光唱片上,调制激光载送数字信 号,与介质面根本没有接触(除光线外). 这就提出了一个有趣的技术问题:没有任 何接触物I导,抬音头怎样对螺线形坑迹 循迹呢?在CD唱机的自动循迹系统中可 以找到答案.
激光唱片上的螺线形坑迹在密纹唱片 (LP)的一个纹路宽度内可以走60.
此外,唱片偏心可能会产生多达300?171的
轨迹偏离.再加上振动的影响,要保证激
光抬音器的循迹精度为=0.=Lm并非易
事.采用激光系统循迹来比较合适}用任
何纯机械系统循迹都是不可能的.激光拾图10CD拾音嚣肛轴驱动器(Sony~司) 音头有两种自动循迹系统(单光束系统三光束系统).单光束系统利用中心光束循迹
(同时该中心光束还读取数字信号和自动调焦),而三光束系统则用另外两束光循述.
两种
方法
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采用的电路类似,效果也相同.
在三光束拾音头中,中心激光束经衍射光栅衍射后分成一系列光强减弱的光束.两 束第一级光束也和中心光束一起射到唱片表面,如图10所示.中心光束点打在凹坑迹
上,而两束循迹光则照射在中心光束点的上下两侧,如图n所示.在正常的循迹过程 中,循迹光束的一部分打在凹坑迹边界处,而另一部分光束则照射在坑迹之间的平滑面
上.三束光经反射通过1/4波片和分光镜,主反射光束照射在四象限光敏二极管上,而
两束循迹反射光束则分别照射到位于主光敏二极管两边的光敏二极管上.用于处理数字
信号循迹信号和调焦信号的光敏二极管的配置,如图12所示. 当三个光点偏移坑迹的边缘上时,有一束光照在凹坑上的面积就太些,反射光强 小些,而另一束光照在坑迹上的面积就小些,反射光强大些,于是由循迹光反射回来的
总光量就发生了变化.两个循迹光敏二极管输出相应的电压,由此产生循迹校正信号,
如图14所示.
电子电路就是利用这两个信号的差值进行循迹校正.在前光束信号电路上加一个延
时电路,使它与后光束的信号同相.如果能准确地循迹,?差值为O.如果循迹光束
偏
离,就产生差值信号,向左偏为正,向右偏为负,形成正弦曲线的循迹校正信号,如图
15所示.该信号加在包括有永久磁铁,调焦/循迹线圈的双轴驱动器上.要纠正循迹
64
建
图11三光束循迹光路
0
0
0
0
0
0
图12三光束循迹
固14由两侧的光束产生循迹误
差信号
误差,蜘应把校正电压加到线圈
上,线圈架绕轴转动,使物镜横
向移动,从而使主光点重新回到
中心位置,此时循迹校正信号再
次变为0.
固13甩于自动调焦和信号拾取的四象艰 二板管
图15"S"曲线的产生
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单光束自动循迹系统也是利用同样的闭环系缝保证抬音器准确循迹,不过,单光束
法是利用中心光束和四象限光敏二极管来取代三光束法中的两路第一级光束和外加的两
个光敏二扳管.当光束偏离轨迹,照射在凹坑上的光增多,光敏二极管接收到的反射光
强量就加大.自动循迹电路检测出循迹偏差,但起初并不能确定偏离方向.于是,先尝
试性地让物镜向一边移动,检测反射光光强的变化.如果光强变小,则
说明
关于失联党员情况说明岗位说明总经理岗位说明书会计岗位说明书行政主管岗位说明书
尝试的方向
不对,应向相反方向移动.因此,采用这种试探法,通过循迹校正信号和何服电机就可
不断力保正确循迹.
除了保证激光束正确所要求的寻遭精度井,电机还应能准确地驱诗抬音头在唱片表
砥移动,以跟踪整个嘬片上的冁线形坑迹拾音头必臻嚣在唱片上由一个位置跃至另一
十位置在蠛线迹上找蓟所要求的位置后再继续循迹.这些功毖帮是分别由不同的电路
控制的,主要是要利用早先产生的控制信号.用直线电机连续跟踪坑迹.循迹校正信号
向直线电机提供控制信号.因此,CD唱机中的循迹与传统唱机也有类似之处,郎传统
65
o
0G00
.菩0
口f=U00
OnU00
唱机是唱片的刻纹引导唱针循迹,cD唱机是自动循迹系统引导拾音头在cD唱片
上进符
循迹.
对于快速前进或倒退,是由微处理器控制直线电机,让它比正常循迹时转动更快. 当到达正确位置时,由循迹校正信号产生的正弦曲线与微处理器产生的控制信号相比
较,然后告知电路已到达正确循迹位置.在对准坑迹前,会产生一个制动脉冲以抵消拾
音头的惯性.驱动器在找准坑迹后停止驱动,于是叉可继续进行正常的自动循迹. 唱片的反射性可能会因制造误
差,唱机光学元件的污染等而有所变
化.为了使数字信号正确得到恢复,
重要的是要保持电压电平不变,因此
输出控制放大器的增益要随激光束的
光强变化.此增益的调整是在开始读
取唱片内容表过程中自动完成的,且
在唱片放音过程中保持不变.这是通
过微处理器的控制实现的.在图16所
示的设计中,在取大器电路申接入了
适当的电阻,增益变化范围约为
?lOdB.对检测电路的损伤会产生一
个控制信号,它提醒伺服系统注意,圈16循迹电压调整硬伺服驱动电路 这张唱片有缺陷或已损坏.在严重的情况下,将把物镜拉离唱片,以防损坏抬音器. 【本文译自,Prir,ciplesofDigitalAudio,柏第七章"激光瑁机"葩抬音头设计部分,pp20B,2拈】.
修(八
路的
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故障时视野要宽
受
RobertAPeage着谭绍舅译橱林棱
外部元件常常决定一个运算放夫器的性能一,这就是为什幺鲍勃要甩连载的前七个
部分探计它们的原因.但是运算放夫嚣韭不是无故障的,振荡和噪音是两个普遍的问
题.在第九部分,鲍勃迁探讨缓冲器和此较器出现的类似的麻烦. 在围绕着许多不同的元件进行了冗长柏讨论后,我们最终触及到运算放大器本身. 值得高兴的是,一半的问题已经解决了.为什么呢?因为引起其中许多问题的就是运放
周围的元件.毕竟,运算放大器受到欢迎是因为它的增益和传输特性均是由外部元件确
定的.
因此,如果一个放大器的增益出了毛病,你可以很快知道应该检查的是电阻的容 66