Analiza Si Proiectarea Unei Memorii Optice pe Disc de Tip Read Only Cd Player, Video Disc Player, Cd Rom
Titlul temei: Analiza și proiectarea unei memorii optice pe disc de tip read-only ( CD player, Video disc player, CD-ROM )
Date inițiale de proiectare: Proiectarea unui circuit de prelucrare a semnalelor RF provenite de pe memoriile optice
3. Probleme dezvoltate în proiect:
a) Generalități
b) Noțiuni generale de prelucrare a semnalelor AF pentru înregistrarea pe compact discuri
c) Prezentarea schemei bloc funcțională a sistemului read-only și principiile de funcționare ale părților componente
Proiectarea unui circuit de prelucrare a semnalelor RF provenite de pe memoriile optice
Material grafic obligatoriu : ( tabele grafice scheme )
5. Loc de desfășurare: Universitatea Politehnică București
6. Mijloace materiale sunt puse la dispoziție de : Universitatea Politehnică București
GENERALITĂȚI
În literatura tehnică, prin CD se înțeleg, în funcție de context, trei noțiuni aparținând aceluiași domeniu-înregistrarea digitală a semnalelor audio pe discuri de dimensiune mică;
a. Conceptul general de înregistrare audio pe discuri de mică dimensiune folosind tehnica digitală pentru codare și sisteme de citire optică pe bază de laser la redare. Expresia curent utilizată în literatura tehnică de limbă engleză, pentru acest sistem, este ,,Compact Disc Digital Audio System’’.
b. Aparatul de citire a discului compact care folosește ca traductor un sistem optic (pe bază de laser).
c. Compact discul luat ca obiect în sine, adică un disc din material plastic, subțire și cu un diametru relativ mic (12cm), pe care sunt înregistrate semnalele de AF codate digital.
Așa cum a fost lansat și apoi dezvoltat și de alte mari companii de electronică, CD-ul nu este compatibil cu alte sisteme de înregistrare și redare audio, parametrii săi superiori celor ai sistemelor convenționale (disc clasic sau bandă magnetică), impunându-l pe piața mondială.
Structura discului compact
Așa cum reiese chiar din denumirea cu care s-a impus pe piață, CD-ul ca piesă fizică se prezintă ca un disc de dimensiuni mici (12 cm de diametru și 1.2 mm grosime), realizat în masă plastică.
Pentru a fi asigurată compatibilitatea disc-CDP (aparat de redare), toate dimensiunile elementelor constructive ale unui CD sunt standardizate. De asemenea este standardizată și prelucrarea digitală a semnalelor AF. Înregistrarea semalului audio (sub formă prelucrată-digital) constă dintr-o succesiune de adâncituri (pit-în limba engleză) realizate pe una din suprafețele discului. Aceste adâncituri care formeză semnalul primar sunt despărțite de mici pauze între ele și sunt înșirate pe suprafața discului sub forma unei piste în spirală. Făcând abstacție de forma și dimensiunile pistei CD, situația este asemănătoare cu cea a discului convențional.
(Vezi Fig 1)
Fig. 1 Structura compact discului: a–dispunerea spațială a adânciturilor sub formă de pistă în spirală; b–secțiune a discului perpendiculară pe piste
Așa cum reiese din figură, partea de bază a discului este formată dintr-un material plastic transparent (uzual, policarbonat). Acesta are de altfel și o grosime de 1…1.1 mm din grosimea totală de 1.2 mm.
Înregistrarea este relizată pe una dintre suprafețele discului transparent și constă în mici adăncituri de ordinul a 0.11 μm. Suprafața pe care s-a realizat înregistrarea este metalizată, pentru a deveni reflectorizantă, și apoi protejată mecanic printr-o folie de protecție.
Din direcția de “citire” a discului (suprafața transparentă), adânciturile se percep ca mici ridicături, însă în literatura de specialitate pentru ele se păstrează numele de “pits”. Înălțimea ridicăturilor (semanlele audio digitale) este de 0.11 μm comparabilă cu λ/4 a radiației laser cu care se face citirea, ceea ce face ca salturile respective să fie ușor sesizabile la “citirea” optică.
Lungimile adânciturilor (ridicăturilor), cât și ale pauzelor cu care alternează sunt limitate la 9 valori formate din 3…11 unități de circa 0.3 μm.
Lățimea adânciturilor este de 0.5 μm, iar distanța dintre axele a două piste este de 1.6 μm. Poziția pistelor pe disc este dată în figura 2
Fig. 2 poziționarea pistelor pe disc
Citirea făcându-se printr-un sistem optic este eliminat astfel contactul fizic disc-traductor. Acest lucru constiruie de altminteri unul din avantajele principale ale sistemului CD față de sistemele convenționale care presupun contact direct, deci uzură reciprocă traductor disc.
Sistemul optic de citire
Sistemul optic de citire a CD-ului, așa cum s-a menționat deja , este realizat pe bază de tehnică laser și se caracterizează prin aceea că citirea discului se face de la distanță, eliminându-se astfel contactul mecanic sistem citire-disc.
Pentru realizarea sistemului de citire optic a fost aleasă tehnica laser datorită a două avantaje pe care le prezintă față de orice alt sistem de citire optic :
Coerența în timp și spațiu a radiației luminoase laser, superioară oricăror alt fel de surse luminoase;
Dimensiunea redusă a sursei luminoase care are drept consecință posibilitatea realizării unui sistem optic de citire de gabarit și greutate redusă.
O consecință a coerenței radiației laser este faptul că permite realizarea
unei focalizări foarte bune pe statul reflectorizant al discului, după ce a străbătut partea sa transparentă. Pe suprafața exterioară a discului, fasciculul luminos laser are un diametru de 0.8…1 mm, iar pe suprafața activă (reflectorizantă) diametrul spotului de focalizare este de maxim 1.7 μm.
Situiația este redată în figura 3 din care reiese și faptul că față de diametrul spotului de pe suprafața exterioară a discului, firele fine de praf sau alte impurități au dimensiuni neglijabile, neinfluențând astfel calitatea redării semnalelor digitale.
Fig.3 Focalizarea fasciculului laser pe suprafața reflectorizantă
Avantajele sistemului CD față de sistemele clasice de înregistrare-redare a semnalelor de AF
Extinzând comparația cu alte sisteme clasice de înregistrare a semnalor AF (casetofonul, magnetofonul), rezultă avantajele hotărâtoare ale sistemului CD, care l-au impus într-un timp foarte scurt :
Avantaje datorate discului compact ca atare (piesă fizică)
Gabarit mic pentru o durată de circa 60 de minute, ceea ce permite o stocare simplă;
Condiții de stocare nepretențioase;
Imunitate crescută la efectele manipulării și la acțiunea prafului
Avantaje datorate prelucrării digitale a informației de AF.
Datorită prelucrării digitale a informației, un sistem CD uzual asigură parametrii tehnici net superiori celor ai sistemelor convenționale, chiar în variantele lor profesionale. Dintre aceștia pot fi enumerați :
– banda de frecvențe (la 0.5 dB) : 20 Hz…20kHz;
dinamica semnalului : 90dB;
raportul semnal-zgomot >90dB.
NOȚIUNI GENERALE DE PRELUCRARE A SEMNALELOR AF PENTRU ÎNREGISTRAREA PE CD
PRELUCRAREA DIGITALĂ A SEMNALELOR DE AF UTILIZATE ÎN TEHNICA CD
După cum se știe, în tehnica CD semnalele utile de AF (audiofrecvență) sunt procesate digital.
Prelucrarea digitală constituie, de altfel, atuul acestui mod de înregistrare în competiția cu tehnicile de înregistrare de tip convențional.
Prelucrarea digitală a semnalelor în general și procesarea digitală a semnalelor de AF utilizate în tehica CD, în special, constituie o noutate pentru o mare parte a celor interesați în domeniu înregistrărilor audio. Aceștia, de la amator la profesionist, sunt în general mult mai avizați în domeniul prelucrării analogice. Din acest motiv, autorii consideră pentru o bună înțelegere a funcționarii aparaturii de redare CD, la început trebuie clarificate o serie de noțiuni cu privire la principiile prelucrării digitale a datelor și cu privire la circuitele electronice specifice tehnicii digitale.
Semnale electrice
Referitor la CD, prin semnal electric se înțelege o mărime electrică (curent, tensiune, putere) care reprezintă semnalul acustic de audiofrecvență care îl generează. Cu alte cuvinte, semnalul electric de AF este informația de audiofrecvență transpusa într-o mărime electrică.
În tehnica CD, semnalele sunt de două feluri:
semnale analogice
semnale digitale.
Semnale analogice
Aceste semnale sunt continue atât în timp, cât și în valoare. În figura 4 este dat un exemplu de semnal analogic
Așa cum reiese din figură, valorile semnalului electric se modifică continuu în timp și sunt proporționale cu valorile corespunzătoare ale semnalului acustic care îl generează.
La origine, toate semnalele de AF sunt de tip analogic.
Semnalele digitale
Semnalele digitale sunt discrete atăt ca valoare, căt și în timp.
Prin a fi discret în valoare se întelege, că numărul valorilor pe care le ia semnalul este finit (în cazul din desen două valori), iar prin a fi discret în timp se ințelege că valorile semnalului (în număr limitat) se schimbă periodic, însă ramâne același pe durata perioadei respective.
Pentru exemplificare în figura 5 este reprezentat un semnal digital de durată T divizată în opt perioade t1,…t8, pe fiecare perioadă semnalul având una din cele două valori: “zero” sau “unu”.
Coduri binare
Un semnal digital, așa cum reiese de mai sus, este o succesiune de impulsuri care pot avea două valori- “zero” sau “unu”. Acest mod de exprimare a valorilor cu ajutorul a două cifre (unu și zero) constituie baza tehnicii digitale. Unitatea respectivă se numește bit (binary digit-cifră binară-cu două valori) și poate avea, evident, cele două valori , unu sau zero.
Informația digitală nu constă în valoarea (amplitudinea) semnalului, ci în alternanța de biți 1 și 0 care poate constitui un “cuvânt”, deci un cod care poate însemna ceva.
Plecănd de la digit, reiese că utilizând un sistem de numerație cu baza 2 (cu valorile 0 sau 1) se poate scrie orice număr, deci orice informație.
Scrierea unui număr se face exact ca în sistemul de numerație decimal scriind succesiv coeficienții puterilor descrescătoare ale bazei. În acest caz, baza este 2, iar coeficienții nu pot avea decât valorile 0 sau 1.
Valoarea decimalăa numărului binar se obține deci efectuând adunarea: nm*2m + nm-1*2m-1 + …+n2*22 + n1*21 + n0*20, unde nm,…,n0 sunt coeficienții numărului binar scris sub forma: nm*nm-1*nm-2…n2*n1*n0.
În figura 5 exemplul de semnal digital reprezintă numărul în sistem decimal 178 exprimat cu ajutorul a opr digiți.
Deci, folosind grupe de biți pot fi exprimate, mai mult sau mai puțin precis, valori numerice. Cu căt numărul de biți folosit la exprimare ste mai mare, cu atât precizia este mai mare.
Caracteristic prelucrărilor digitale este faptul că datele sunt grupate în “cuvinte”, un cuvănt reprezentând o grupare de biți semnificativă, care reprezină o entitate, un cod.. În cadrul cuvintelor sau codurilor digitale, biții extremi sunt denumiți:
LSB (Least Significant Bit) – bitul cel mai puțin semnificativ, care reprezintă informația cu ponderea cea mai mică în codul respectiv
– MSB (Most Significant Bit) – bitul cel mai semnificativ, care reprezină informația cu ponderea cea mai mare in codul respectiv.
Subliniem faptul că, în tehnica digitală nivelul semnalelor nu are practic importanță, singura condiție care se inpune este aceea că diferența între “unu” și “zero” să fie suficient de mare pentru a fi decelate ca atare, fără a se crea confuzii (“zero” în loc de “unu” și invers) în tipul prelucrărilor ulterioare.
Succesiunea prelucrărilor digitale ale semnalelor de AF la înregistrare
Succesiunea prelucrărilor digitale ale semnalelor de AF la înregistrare este dată în figura 6.
La prima vedere, pentru un neavizat, lanțul de prelucrari din figură nu spune mare lucru. Din acest motiv, în cele ce urmează, fiecare din fazele prelucrării digitale va fi explicată mai pe larg, cu această ocazie încercându-se și clasificarea noțiunilor de tehnică digitală implicate.
Lanțul de prelucrări de la înregistrare pornește de la semnalul AF analogic și sfârșește o dată cu realizarea discului compact, mai precis cu stabilirea succesiunii dot avea două valori- “zero” sau “unu”. Acest mod de exprimare a valorilor cu ajutorul a două cifre (unu și zero) constituie baza tehnicii digitale. Unitatea respectivă se numește bit (binary digit-cifră binară-cu două valori) și poate avea, evident, cele două valori , unu sau zero.
Informația digitală nu constă în valoarea (amplitudinea) semnalului, ci în alternanța de biți 1 și 0 care poate constitui un “cuvânt”, deci un cod care poate însemna ceva.
Plecănd de la digit, reiese că utilizând un sistem de numerație cu baza 2 (cu valorile 0 sau 1) se poate scrie orice număr, deci orice informație.
Scrierea unui număr se face exact ca în sistemul de numerație decimal scriind succesiv coeficienții puterilor descrescătoare ale bazei. În acest caz, baza este 2, iar coeficienții nu pot avea decât valorile 0 sau 1.
Valoarea decimalăa numărului binar se obține deci efectuând adunarea: nm*2m + nm-1*2m-1 + …+n2*22 + n1*21 + n0*20, unde nm,…,n0 sunt coeficienții numărului binar scris sub forma: nm*nm-1*nm-2…n2*n1*n0.
În figura 5 exemplul de semnal digital reprezintă numărul în sistem decimal 178 exprimat cu ajutorul a opr digiți.
Deci, folosind grupe de biți pot fi exprimate, mai mult sau mai puțin precis, valori numerice. Cu căt numărul de biți folosit la exprimare ste mai mare, cu atât precizia este mai mare.
Caracteristic prelucrărilor digitale este faptul că datele sunt grupate în “cuvinte”, un cuvănt reprezentând o grupare de biți semnificativă, care reprezină o entitate, un cod.. În cadrul cuvintelor sau codurilor digitale, biții extremi sunt denumiți:
LSB (Least Significant Bit) – bitul cel mai puțin semnificativ, care reprezintă informația cu ponderea cea mai mică în codul respectiv
– MSB (Most Significant Bit) – bitul cel mai semnificativ, care reprezină informația cu ponderea cea mai mare in codul respectiv.
Subliniem faptul că, în tehnica digitală nivelul semnalelor nu are practic importanță, singura condiție care se inpune este aceea că diferența între “unu” și “zero” să fie suficient de mare pentru a fi decelate ca atare, fără a se crea confuzii (“zero” în loc de “unu” și invers) în tipul prelucrărilor ulterioare.
Succesiunea prelucrărilor digitale ale semnalelor de AF la înregistrare
Succesiunea prelucrărilor digitale ale semnalelor de AF la înregistrare este dată în figura 6.
La prima vedere, pentru un neavizat, lanțul de prelucrari din figură nu spune mare lucru. Din acest motiv, în cele ce urmează, fiecare din fazele prelucrării digitale va fi explicată mai pe larg, cu această ocazie încercându-se și clasificarea noțiunilor de tehnică digitală implicate.
Lanțul de prelucrări de la înregistrare pornește de la semnalul AF analogic și sfârșește o dată cu realizarea discului compact, mai precis cu stabilirea succesiunii de adâncituri și pauze care constituie pista dispusă în spirală pe suprafața sa.
La redare, lanțul de prelucrări este parcurs invers. Începe cu “citirea” discului, deci a succesiunii de adâncituri și pauze care constituie semnalul inițial și se ajunge în final la reconstituirea semnalului de AF inițial.
Conversia semnalelor analogice în semnale digitale
Principiul conversiei analogic- digitale
Semnalul analogic este un semnal continuu variabil în timp, iar al doilea nu este altceva decât o succesiune de impulsuri (1 sau 0) care reprezintă un număr sau un “cuvânt”.
Pentru a trece de la semnalul analogic la cel digital trebuie deci ca semnalul analogic să fie înlocuit cu o succesiune de cifre, materializate sub forma unor impulsuri cu două nivele (0 și 1). În figura 7 este reprezentată, ca principiu trecerea semnal analogic-semnal digital.
Fig. 7. Semnal analogic – semnal digital
În cazul semnalului digital se transmite deci o succesiune de numere, care reprezintă valoarea semnalului analogic în anumite momente. Pentru ca semnalul digital să aproximeze cât mai bine semnalul analogic, reiese de la prima vedere că numărul de puncte în care se face citirea trebuie să fie cât mai mare, iar numerele care exprimă valoarea trebuie să aibă cât mai multe cifre.
În tehnica digitală, trecerea de la semnalul analogic continuu la cel digital se numește discretizare, ceea ce presupune valori discrete – în număr finit – ale semnalului, corespunzătoare unor momente discrete (la anumite momente – și ele în număr finit).
Din punct de vedere tehnic, conversia semnalelor analogice de AF în semnale digitale (discretizarea) se realizează în două etape. În prima etapă se realizează discretizarea în timp, cunoscută sub numele de eșantionare (sampling – în limba engleză) și apoi se realizează cea de-a doua etapă, discretizarea valorii sau cuantificarea, ceea ce presupune atribuirea unei anumite valori numerice (cod) nivelului fiecărui eșantion. Valorile respective sunt în număr finit și sunt exprimate cu un anumit număr de cifre, în cazul acesta scrise în cod binar (cu două valori : 1 și 0).
Conversia analog digitală: a-semnalul analogic; b-semnalul eșantionat; c-valorile digitale ale celor opt eșantioane
In figura 2.5a, cu linie continuă este reprezentat semnalul analogic. In figura 2.5b este reprezentat rezultatul eșantionării. Aceasta a fost făcuta in cele opt momente marcate t0, …,t7. Valorile eșantioanelor (nivelele analogice) sunt cuprinse intre 0 și 7 unități. Nivelul digital al fiecărui eșantion se exprimă cu ajutorul a trei digiți, deci pot fi scrise 23=8 valori, situație acoperitoare pentru exemplul acesta. Fiecărui eșantion i se asociază astfel un număr digital format din trei cifre care-i exprimă mărimea. Această unltima operație – cuantificarea – are ca rezultat succesiunea de impulsuri din figura 2.5.c, unde fiecare trei impulsuri reprezintă valoarea unui eșantion, iar succesiunea de impulsuri este expresia digitală a semnalului din figura 2.5.a.
Pentru exemplificare, in figura 2.5. este dat un caz simplu de conversie analogic – digital.
Circuite specializate folosite in conversia analogic – digitală
Prima fază a conversiei A/D (analogic – digitale) este, așa cum s-a mai spus, eșantionarea. Rezultatul eșantionării este un semnal discret in timp, fiecare eșantion având o anumită valoare (amplitudine).
Problema practică este aceea de a găsi circuitele electrice care pot realiza funcția respectivă și care pot asigura condițiile tehnice care I se impun.
Circuitul electric care, in principiu, poate asigura această funcție este un circuit simplu numit “circuit de eșantionare și memorare a nivelului” (sample – hold). El constă dintr-un cuadripol care conține un intrerupător și un condensator. Schema sa electrică este dată in figura 2.6.a.
La intrarea cuadripolului se aplică semnalul analogic, iar la ieșire se culege semnalul eșantionat – memorat. Operația constă in manipularea cu o anumită frecvență a intrerupătorului K. Deci, in momentul eșantionării, intrerupătorul se inchide pentru un timp foarte scurt, la ieșire transferându-se valoarea semnalului de la intrare, apoi comutatorul se deschide, iar condensatorul C (vezi figura 2.6.a) memorează valoarea, păstrând-o ca nivel de ieșire până la următoarea eșantionare. Forma semnalului analogic luat ca exemplu este dată in figura 2.6.b, iar forma semnalului eșantionat – memorat este dată in figura 2.6.c. Eșantionarea se face la momentele t0,…,t12, cu o frecvență f0. Forma semanlului eșantionat aproximează forma semnalului de referință. Este evident că precizia aproximării este cu atât mai mare cu cât numărul de eșantioane intr-o anumită perioadă de timp este mai mare sau, altfel spus, cu căt frecvența de eșantionare este mai mare – precizia aproximării crește. Pentru exemplificare, in figura 2.6.d este redată forma semnalului eșantionat cu o frecvență egală cu jumătate din cea folosită in cazul din figura 2.6.c. În acest caz se vede clar că forma semnalului eșantionat este mult diferită de cea a semnalului inițial.
Calitativ, lucrurile sunt clare. Eșantionarea trebuie făcută cu o frecvență cât mai mare.
În cazul CD, fiind vorba de semnale de audiofrecvență a căror frecvență maximă este de 20 kHz, rezultă că frecvența de eșantionare trebuie să fie de cel puțin 40 kHz. In tehnica CD frecvența de eșantionare a fost aleasă de 44.1 kHz.
In practică, circuitul de eșantionare – memorare este puțin mai complicat. Comutatorul este un element electronic, de obicei un tranzistor JFET (tranzistor unijoncțiune cu efect de câmp) iar din motive de separare, la ieșirea cuadripolului este conectat un etaj separator – repetor (buffer – voltage follower – in limba engleză). Schema electrică a circuitului fizic este dată in figura 2.7.
T
+
Uin F0 – Uieșire
Circuit electric practic de eșantionare
Eșantionarea se obține prin comanda pe poarta tranzistorului T, cu un semnal sub formă de impulsuri de frecvență egală cu frecvența de eșantionare (f0) și durată foarte mică.
Caracteristicile semnalului digital rezultat după conversia
analogic – digitală
In cazul concret al tehnicii CD, conversia semnal analogic(de AF) – semnal digital se caracterizează prin următoarele:
frecvența de eșantionare este de 44.1 kHz, deci de 2.2 ori mai mare decât frecvența maximă a semnalului util (audio – frecvență);
valoarea eșantionelor este cuantificată cu 16 biți, ceea ce inseamnă că pot fi utilizate 216 = 65536 nivele valorice (trepte de nivel), cu consecința imediată că raportul semnal – zgomot (datorat cuantificării) este mai bun de 90 dB;
cuvântul (valoarea eșantionului) exprimat cu 16 biți trebuie transmis in intervalul dintre două eșantioane. În acest caz, trebuie deci ca frecvența biților (a impulsurilor care formează cuvântul) să fie : fbiți = feșantionare * n, unde n este numărul biților din “cuvânt”, deci fbiți = 44100 * 16 = 705600 Hz. În cazul transmisiei stereo, actualmente generalizată, rezultă că frecvența trebuie să fie dublă, pentru a permite transmiterea a două cuvinte in intervalul dintre două eșantionări. De aici rezultă : fbiți stereo = 1411200 Hz;
Codarea semnalelor digitale
Corectarea erorilor. Principii. Metode.
Semnalul digital rezultat în urma conversiei analogic – digitale nu poate fi utilizat direct pentru înregistrarea pe disc, din mai multe motive :
nu conține nici o informație de sincronizare;
orice eroare de redare datorată imperfecțiunii înregistrării sau deteriorării discului care duce la lipsa semnalului se transformă într-o perturbație de audiție foarte supărătoare;
toate supracreșterile impulsurilor digitale devin surse de perturbare atât a semanlului de AF, cât și a sistemelor mecanice de “citire” a discului (uzual, servo – sisteme).
Pentru a elimina toate aceste neajunsuri și a asigura calitatea deosebită a înregistrării CD mai ales în ceea ce privește fidelitatea, se folosește un sistem de codare deosebit de complexă a semnalului digital AF. Scopul tuturor acestor prelucrări deosebit de sofisticate ale semnalului digital este tocmai corectarea oricărei erori posibile la redare.
În principiu, pentru detectarea erorilor în transmisie (la redare) se folosește metoda adăugării unor biți suplimentari informației digitale propriu – zise, care nu conțin informații (AF), însă au rolul de a ajuta la detectarea erorilor de la redare (refacerea informației primare).
Metoda cea mai simplă, și clasică în același timp, folosită pentru detectarea erorilor este “transmiterea unui bit de paritate”. Acest bit, adăugat la valorile de “unu” ale cuvântului (informației) trebuie să asigure o anumită valoare pară sau impară, convenită în prealabil.
În practică, cel mai frecvent caz intâlnit este acela în care numărul de “unu” din cuvânt plus bitul de paritate trebuie să dea o valoare pară.
Codarea CRCC
Soluția găsită pentru detectarea și eliminarea erorilor în cazul CD este codarea CRCC. S-a folosit prescurtarea din limba engleză deoarece este consacrată și acceptată practic în literatura tehnică de specialitate din majoritatea țărilor.
CRCC este prescurtarea expresiei din limba engleză ”Cyclic Redundancy Check Code”, care poate fi tradusă în românește prin: “cod ciclic cu verificare redundantă”. Această metodă este foarte complexă fiind posibil de utilizat numai în condițiile folosirii unor circuite integrate cu grad foarte mare de integrare (LSI – Large Scale Integration – în limba engleză).
Varianta practică a metodei CRCC folosită în tehnica CD este cunoscută sub numele de CIRC (Cross Interleave Reed Solomon Code – cod Solomon cu intercalare încrucișată). Prelucrarea digitală respectivă constă practic în intercalarea între “cuvintele” semnalului a unor cuvinte de control cu ajutorul cărora pot fi detectate și corectate erorile.
Principiul metodei este extrem de sofisticat, iar circuitele integrate dedicate de tip LSI care o realizează sunt fabricate numai de câteva mari firme. În continuare menționăm caracteristicile codării CIRC utilizată în tehnica CD:
– La intrarea codorului CIRC se aplică semnalele rezultate la ieșirea convertorului AD. Acestea constau din cuvintele de 16 biți.
Se grupează câte 6 cuvinte de 16 biți corespunzând canalului stânga AF (în tehnica CD nu se folosește înregistrarea mono). Fiecare cuvânt de 16 biți este separat în câte 2 cuvinte de 8 biți. În final, grupării inițiale îi corespunde o nouă grupare de 24 cuvinte a 8 biți. Aceasta este stocată într-o memorie RAM.
Prima procesare propriu-zisă a codorului CIRC este “amestecarea” (scrambling – în limba engleză) cuvintelor. Operația constă în întârzierea cuvintelor pare cu 16 biți și amestecarea conectărilor la codorul C2.
Codorul C2 generează încă 4 cuvinte a câte 8 biți pe care le inserează între cele 24 de cuvinte inițiale, în așa fel că la ieșire are disponibile 28 cuvinte a 8 biți.
Între codorul C2 și codorul C1 sunt plasate o serie de linii de întârziere de durate diferite. Acestea generează intercalarea datelor, ceea ce face ca semnalul să aibă o structură aleatoare (random pattern).
Următorul pas al codării constă în aportul codorului C1. Acesta generează 4 noi cuvinte de câte 8 biți, aducând numărul de cuvinte al grupării la 32(fiecare a 8 biți).
După codarea C1 este inserată o nouă întâtziere de 8 biți între cuvintele pare, iar cuvintele de control introduse de cele două codoare sunt inversate. Rezultă astfel la ieșire un grup de 32 cuvinte a 8 biți care aparent nu au nici o legătură cu cuvintele de la intrare.
Caracteristicile semnalului codat CIRC
La iesirea codorului CIRC, unitatea de informație este formată din grupe de câte 32 cuvinte a 8 biți, fiecare conținând câte 24 cuvinte care reprezintă informație AF (digitală) și 8 cuvinte de control intercalate, care asigură controlul și corecția erorilor la redare.
Datorită creșterii numărului de biți pentru aceeași informație (deci în aceeași unitate de timp) este necesar ca și frecvența biților să fie mai mare. Creșterea frecvenței este proporțională cu creșterea numărului de cuvinte, deci:
fbiți=1.4112*32/24=1,8816 MHz.
Cuvântul de control
Semnalul rezultat la ieșirea codorului CIRC , pentru a fi utilizabil , trebuie completat cu încă o serie de informații care să ajute la controlul prelucrării ulterioare a semnalelor . Acest lucru se realizează prin adăugarea unui cuvânt de 8 biți la grupul de 38 cuvinte care reprezintă unitatea de prelucrare a informației . Cuvântul de control se adaugă la începutul fiecărui grup și conține o serie de informații.
Codarea EFM
Această codare (sau modulație digitală) apare ca necesară pentru obținerea unui semnal cu o anumită densitate a impulsurilor “unu” față de “zero” în structura finală a semnalului care urmează a fi înregistrat pe disc .
Întrucît pe disc urmează a fi înregistrate semnale digitale de tip NRZI la care valoarea unu este dată defrontul impulsului , acest semnal trebuie să îndeplinească mai multe condiții din care cea mai importantă este: “între două valori (impulsuri) unu trebuie să fie intercalate minimum două și maximum 10 valori zero”.
Condiția este asigurată prin folosirea modulației tip EFM (Eight-to-Fourteen Modulation = modulația opt la paisprezece). Modulația constă în transformarea tuturor cuvintelor posibile de 8 biți, în cuvinte de 14 biți care îndeplinesc condiția enunțată mai sus.
Schema bloc a circuitului pentru modularea EFM este dată în figură:
Cod de 8 canal 14 17 biți
biți biți
Schema bloc a modulatorului EFM
La intrarea codorului se aplică semnale digitale formate din cuvinte de 8 biți, iar la ieșiree sunt asigurate codurile corespunzătoare de cîte 14 biți care îndeplinesc condiția ca impulsurile (valorile unu) din semnal să fie despărțite de minimum două și maximum zece zerouri.
PREZENTAREA SCHEMEI BLOC FUNCȚIONALĂ A SISTEMULUI READ-ONLY ȘI PRINCIPIILE DE FUNCȚIONARE ALE PĂRȚILOR COMPONENTE
Generalități
În ceea ce privește schema bloc și principiul de funcționare a CDP-ului, situația este extrem de complicată. Așa cum s-a menționat deja în lucreare, CDP – urile sunt a treia generație, clasificarea fiind făcută în special pe criteii tehnologice, legate de gradul de integrare a funcțiilor și modul de realizare a etajelor tipice (în special al capululi optic de citire). La această diversificare trebuie adăugat faptul că în ultimii ani o serie de alte firme electronice constructoare de aparatură de AF au asimilat și fabricația de CDP – uri.
Principalele diferențe între variantele existente constau în : concepția tehnologică, modul de înregistrare al funcțiilor și soluțiile tehnice folosite pentru asigurarea anumitor funcțîî specifice.
Singurul lucru comun tuturor acestor variante constructive rămâne compatibilitatea cu CD – ul care are parametrii standardizați.
În această situație este de înțeles că o schemă bloc, care să acopere complet structura funcțională cât și constructivă a tuturor variantelor CDP, este foarte greu de dat.
Pentru înțelegerea funcționării CDP la nivel de funții minim necesare se va folosi o schemă bloc didactică, pe funcțiuni, iar pentru analiza etajelor funcționale se va folosi o schemă bloc structurată pe etaje constructive. În realitate cele două scheme bloc conțin practic aceleași elemente însă evidențierea lor este făcută în funcție de scopul urmărit : descrierea funcționării generale sau descrierea structurii constructive.
Scheme bloc funcțională
Cea mai generală schemă bloc funcțională a unui CDP este dată în figura 3.1.
În ea sunt reprezentate etajele funcționale care asigură un minimum de funcțiuni necesare pentru redarea CD – urilor. În principiu acestă schemă bloc corespunde tuturor tipurilor de CDP aflate în exploatare. Etajele funcționale principale din schemă sunt :
sistemul mecanic, care asigură toate mișcările elementelor mobile ale CDP;
sistemul optic, care asigură “citirea” optică a discului;
RF – etajele care asigură prelucrarea semnaleor de nivel foarte redus “citire” de pe disc;
Blocul de prelucrare al semnalelor AF, care asigură prelucrarea semnelelor “citite” de pe disc, până la conversia lor în semnale analogice;
Procesorul de AF – etaje de prelucrare a semnalelor AF – neinteresant din punct de vedere CD, deoarece presupune numai prelicrări cunoscute ale semnalului AF – analogic;
Blocul de comandă al servosistemelor;
Sistemul de comandă și control, specializat pentru CDP;
Bloc de alimentare.
Cu aceste etaje se poate asigura funcționarea unui CDP care oferă funcțiunea minimă, acea de citire a discului compact și de redare fidelă a înregistrării AF inițială.
disc
fascicul laser
Schema bloc funcțională CDP
Funcționarea CDP
Plecând de la schema din figura 3.1 poate fi descisă funcționarea de principiu a CDP – ului.
Sistemul mecanic
Sistemul mecanic este constituit dintr-o serie de motoare și dispozitive electromecanice care asigură mișcarea discului și deplasările capului de citire optic în timpul redării unui disc pe CDP.
Pentru a fi redat un CD trebue ca elemnetele mobile ale CDP – ului să efectueze următoarele efectuări :
(1) încărcarea discului – acțiune prin care discul așezat manul pe un suport mobil este introdus automat în CDP și poziționat corect în vederea “citirii”;
(2) rotirea discului cu turație variabilă pentru a se asigura condiția de viteză liniară constantă care asigură derularea aceluiași lungimi de pistă în unitatea de timp, prin fața capului de citire;
(3) deplasarea uniform liniară (translație) a capului de citire pe una din razele discului dinspre interior spre exterior. Mișcarea este simulată cu rotirea discului, din combinarea lor rezultând traiectoria sub formă de spirală care urmărește forma pistei cu înregistrarea audio;
(4) două deplasări de mică amplitudine ale capului de citire, care compensează erorile de poziție relativă cap – disc. Una este o deplasare sus – jos (N – S) și are drept scop compensarea erorilor de focalizare (F). Cealaltă este de tip dreapta – stânga (E – V) și are drept scop corectarea erorilor de urmărire a pistei înregistrate (T – tracking);
(5) descărcarea discului – acțiune prin care discul este scos automat din poziția de funcționare și adus într-o poziție în care poate fin extras manul din CDP.
Schematic, deplasările discului și ale capului de citire sunt redate în figura 3.2. Fiecare dintre aceste mișcări este asigurată de un motor sau de un dispozitiv specializat. Astfel :
MID – motorul de încărcare – descărcare a discului este un motor de mică putere, uzual – de curent continuu, conectat într-o structură mecanică ce asigură deplasarea corespunzătoare a discului. El este activat numai la introducerea și extragerea discului din CDP.
Deplasările discului și ale capului de citire (a – vedere”de jos”; b- vedere laterală (1)-încărcare-descărcare; (2)-rotire; (3)-translație;
(4)-poziționare
MR – motorul de rotire al discului este un motor cu turație variabilă. El asigură o viteză liniară constantă a discului (CLV – Constant Linear Velocity – în limba engleză), așa fel ca viteza de derulare a înregistrării la redare să fie constantă, indiferent de poziția capului de citire pe raza discului.
Pentru a se asigura condiția de viteză liniară constantă, turația discului (deci a motorului) trebuie să varieze la o citire (derulare completă) între circa 500 ture / minut (inelul interior – de start) și circa 200 ture / minut (inelul exterior – de oprire).
Turația motorului este controlată de un sistem servo care are la bază o buclă PLL sincronizată de un oscilator cu cuarț. În consecință și precizia păstrării vitezei liniare constante este de precizia cristalului (de ordinul a 10 –6.
MT – motorul de translație (sled lead motor –în limba engleză) asigură mișcarea de translație a capului de citire. Viteza sa de mișcare este extrem de precisă și este controlată de un sistem servo. El este fixat pe capul de citire căruia-i asigură mișcarea.
Dispozitivul de corectare a poziției relative a capului de citire față de disc este cunoscut și sub numele de poziționer (actuator – în limba engleză). El asigură cele două corecții ale poziției capului de citire : corecție de focalizare (F sau FE – Focus Error) și corecția de poziționare pe pistă (T sau TE – Tracking Error).
Fiecare dintre cele două corecții este extrem de importantă pentru asigurarea unui semnal corect la redarea discului.
Corecția de focalizare constă într-o mișcare sus – jos a capului de citire (mai exact a lentilei de focalizare). Datorită dimensiunilor extrem de reduse ale pistei cu înregistrarea și ale punctului focal al fascicolului laser, precizia poziției capului față de suprafața reflectorizantă a discului este de ordinul zecilor de micron, orice eroare de poziționare putând duce la falsificarea informației, deci la o reproducere incorectă a semnalului audio.
Când distanța focală este bine reglată, punctul focal, care are un diametru de circa 1.7 m, poate fi poziționat pe o singură pistă .Când focalizarea este reglată incorect, punctul focal fiind prea apropiat sau prea depărtat spotul fascicolului laser pe suprafața reflectorizantă va avea un diametru mai mare, care poate acoperi două, trei sau chiar mai multe piste.
Sistemul de reglare al punctului de focalizare este automat, de tip servo.
Având în vedere faptul că fluctuațiile discului la rotire sunt de până la 0.5 mm, iar înălțimea unei adâncituri este de ordinul a 0.1 m, eficiența uzuală a sistemului de corecție a focalizării este de ordinul a 50 dB.
Corectia de tracking este la fel de inportantă ca și corecția de focalizare. Așa cum este realizat CD – ul, cu pista sub formă de spirală cu distanță de numai 1.6m între două spire, este imposibil ca din construcția mecanică a CDP – ului și a discului propriu – zis să se asigure o precizie atât de riguroasă încât capul de citire să urmărească exact spirala.
În cazul real traiectoria capului va parcurge la o singură turație trei cercuri (trei spire ale pistei). La timpul t0 se află pe pista A, la t1 pe pista B, la t2 pe pista C, la timpul t3 pe pista B.
Evident că exemplul este pur didactic, erorile mecanice fiind mult mai mari (zeci de piste), însă scoate în evidență importanța sistemului de corecție a urmării pistei (tracking).
Sistemul de tracking este automat, de tip servo, și la CDP – uri uzuale are o eficiență de ordinul a 57 dB (plajă de 70 m cu o precizie de 0.1 m) – comparabilă cu eficiența tracking – ului de la VCD (video compact disc).
În practică, cele două corecții, de focalizare și de tracking, sunt realizate cu același mecanism de poziționare fixat pe capul de citire, partea sa mobilă asigurând deplasarea lentilei de focalizare în limitele corectării celor două abateri, până la precizia necesară (de ordinul sutelor de m).
Referitor la sistemul mecanic trebuie reținute următoarele idei :
sistemul mecanic este format din motoare și mecanisme de precizie deosebite, care depășesc actualele limite ale tehnologiei bunurilor de larg consum, sub acest aspect fiind la nivelul aparaturii profesionale;
elementele sistemului mecanic descise mai sus sunt părțile finale ale unor servosisteme complexe care le asigură de altfel și precizia acționării;
indiferent de soluțiile tehnice folosite, funcțiile îndeplinite de sistemul mecanic sunt aceleași :
poziționarea discului pentru redare;
rotirea discului și mișcarea de translație a capului de citire din care rezultă traiectoria sub formă de spirală a capului față de disc, asigurând astfel citirea pistei (spirală);
mișcarea de corecție a focalizării (sus – jos) și mișcarea de corecție tracking ( dreapta – stânga)a capului față de disc, mișcări de amplitudine redusă dar de precizie foarte mare.
Sistemul optic pentru citirea discului
Sistemul optic de citire a discului este unul dintre elementele specifice ale tehnicii CD. El constituie traductorul optoelectronic al sistemului, punând în evidență strucuta de denivelări a pistei.
Funcționarea sa se bazează pe utilizarea fenomenelor optice ale căror legi fizice sunt valabile și pentru gama de infraroșu din care face parte și radiația laser utilizată în tehnica CD.
Principiul funcționării sistemului optic este redat foarte simplificat in figura 3.5a.
“Citirea” optică a discului: a-principiul citirii;
b-reflexia fasciculului laser pe CD
O diodă laser (DL) generează un fascicul luminos care ajunge (focalizat) pe suprafața reflectorizantă a discului. Fasciculul reflectat este captat de un fotodetector (PD – Photodetercor) și transformat în semnale electrice de radiofrecvență – RF (de ordinul MHz). Semnalele recepționate de fotodetecor sunt rezultatul reflexiei de pe CD – figura 3.5.b.
Când fasciculul luminos este reflectat de către o pauză (între două adâncituri) reflexia este totală(100%). Când fasciculul incident ajunge pe suprafața unei adâncituri, reflexia este redusă, ajungând la circa 30% din radiația incidentă (datorită difuziei, cât și a înălțimii denivelării care se apropie de /4).
La ieșirea fotodetectorului va rezulta deci un semnal de RF care este prima formă de a semnalului digital citit de pe disc.
Funcție de prelucrarea fasciculului laser și de structura fotodetectorului, la ieșirea sistemului optic se asigură semnalele primare din care se pot forma cele trei semnale necesare funcționării CDP – ului :
semnalul de RF din care se reface semnalul digital de AF;
semnalul de eroare de focalizare (FE – Focus Error) – necesar corecției focalizării – reglarea poziției capului de citire a discului așa fel ca punctul de focalizare a fasciculului laser să fie focalizat pe suprafața reflectorizantă a discului;
semnalul de eroare tracking (de poziționare pe pistă), notat și TE (Tracking Error – in limba engleză) – necesar corecției de tracking;
reglarea poziției capului de citire a discului pe axa pistei cu înregistrarea de AF.
Referitor la sistemul optic de citire trebuie reținute următoarele idei : – folosește o sursă proprie de radiații laser (din domeniul infraroșu);
funcționarea sa se bazează pe reflexia diferită a fasciculului laser pe adânciturile și pauzele de pe pista CD (rapotr de ordinul 1:3);
asigură la ieșire trei semnale:
semnal RF (semnal audio digital);
semnal de eroare focalizare;
semnal de eroare tracking.
Etajul de RF
Este etajul amplificator de semnale RF, de nivel mic generate de fotodetector.
El se caracterizează prin amplificări mari și zgomot mic. Aici are loc practic prelucrarea semnalelor captate de fotodetector și separarea lor pe cele trei căi : semnal digital audio, semnal de eroare focalizare și semnal de eroare tracking.
În majoritatea cazurilor nu apare ca etaj distinct de prelucrare a semnalelor, constructiv el fiind amplasat in stricta apropiere a fotodetectorului.
Blocul de procesare a semnalelor digitale AF
Semnalul de Rf detectat de fotodetector constiuie baza de refacere a semnalului audio înregistrat pe disc. Pentru reconstituirea semnalului original, semnalul de RF suferă o serie de prelucrări. Astfel :
din semnalul de RF este refăcut semnalul digital convențional (NRZI – respectiv NRZ);
din semnalul NRZ este extras cuvântul de sincronizare;
semnalul EFM este demodulat obținându-se un semnal digital grupat in cuvinte de opt bițî;
sunt extrase cuvinte de cod (subcodurile P și Q, singurele utilizate deocamdată in tehnica CD) și transmise sistemului de comandă și control;
semnalele digitale audio sunt transmise convertorului de D/A (digital analogic) care le transformă in semnale analogice cât mai apropiate de semnalul originar.
În orice moment sistemul de comandă și control este informat de starea prelucrării semnalelor și in același moment el intervine in procesarea lor.
Prin prelucrarea sofisticată a semnalelor digitale se asigură o foarte bună protecție a înregistrării la erorile posibile (datorate discului sau “cititorului”). Aceste erori sunt fie corectate chiar in sistemul de procesare digitală (când au durate relativ mici – secunde), fie semnalate și eliminate ulterior – in cazul unor erori de durată mai mare.
Toată procesarea digitală este controlată de un semnal de tact. Pentru prima parte a procesării semnalelor citite de pe CD, semnalul de tact este provenit de la un oscilator de mare precizie (cu cristal) eliminându-se astfel toate fluctuațiile posibile ale sistemului de citire.
De reținul faptul că blocul de procesare digitală a semnalului de AF este realizat, mai ales la ultimele tipuri de CDP – uri, in variante extrem de integrate, accesul la prelucrarea semnalelor fiind practic imposibil.
Etajele de AF
În aceste etaje are loc procedarea semnalelor de audiofrecvență analogice, refăcute din semnalul digital. Ea constă in amplificare, corecție de ton și eventual obținerea de efecte speciale (de exemplu “surround”, extrabass etc.). prelucrarea este realizată la nivelul de aparatură Hi Fi.
Din punctul nostru de vedere, această prelucrare nu prezintă interes, ea făcându-se prin metode convenționale, deja cunoscute. Din acest motiv, etajele respective (procesare AF analogic) nu vor fi descrise.
Blocul de comandă al servosistemelor
Blocul de comandă a servosistemelor asigură prelucrarea semnalelor de eroare ale celor patru servosisteme CDP :
servosistemul CLV – care asigură corecția vitezei de rotire a discului in vederea obținerii unei viteze liniare constante;
servosistemul de deplasare transversală, care impreună cu servisistemul de tracking asigură deplasarea liniară a capului de citire de-a lungul unei raze;
servosistemul de tracking care asigură deplasarea stânga – dreapta a capului de citire in vederea urmăririi pistei inregistrate;
servosistemul de focalizare care asigură deplasarea sus – jos a capului de citire in vederea păstrării constante a distanței focale.
Blocul de comandă primește semnalul de eroare care constiuie informația necesară corectării, il amplifică – mai nou, il transformă in informație digitală – și, după o serie de alte prelucrări, funcție de starea CDP, îl transmite la etajele de corecție, care acționează in sensul anulării erorii.
Sistemul de comandă și control
Acest sistem este realizat cu ajutorul unui microprocesor. El controlează funcționarea CDP-ului și tot prin el se dau comenzile.
Datorită preciziei mecanice de excepție a sistemului CDP manipularea manuală este exclusă, impunându-se acest sistem de comandă și control. Odată impus sistemul pe bază de microprocesor – automat apar și avantajele sale, care permit asigurarea unei serii de facilități notabile, fără de care un CDP nici n-ar mai fi de conceput. Dintre acestea cele mai uzuale sunt:
-afișarea stării de funcționare non stop;
-selecția oricărei înregistrări de pe disc;
-regim de funționare non stop;
-redare în ordine aleatoare a melodiilor;
-programarea ordini de redare;
-redarea secvenței de început(10 s) din fiecare înregistrare ;
-etc.
Blocul de alimentare
Asigură toate tensiunile de alimentare necesare etajelor funcționale CDP – ului.
În general alimentatoarele folosite in CDP – uri sunt de putere mică, de tensiuni mici, însă foarte bine stabilizate, condiție impusă de faptul că asigură alimentarea unor circuite digitale, mai pretențioase din acest punct de vedere.
. Schema bloc a CDP – urilor din generația a III-a
O schemă bloc generală valabilă pentru CDP – urile din generația a III-a este dată in figura 3.6.
Spre deosebire de schema din figura 3.1 care are un caracter didactic, la stabilirea structurii blocurilor funcționale s-a ținut seama de situația reală din practică. Principalul bloc constructiv diferit de schema din figura 3.1. este capul de citire optică. Acesta cuprinde mai multe elemente funcționale diferite, care asigură și funcțîuni diferite.De exemplu, cuprinde detectorul de eroare (a focalizării și de tracking), cât și elementele finale de corecție (poziționerul) care sunt caracteristice sistemului servo. De asemenea, capul de citire conține primele etaje de prelucrare a semnalelor detectate (RF) – caracteristice lanțului de prelucrare digitală a semnalelor.
Deoarece această schemă bloc este mai apropiată de realitate și blocurile funcționale reprezentate in ea sunt in general prezentate sub această formă și in literatura tehnică mondială de specialiate, autorii au luat ca bază a prezentării etajelor CDP tot această schemă bloc.
De menționat că in schema bloc n-au fost reprezentate blocurile funcționale nespecifice CDP – urilor (procesorul de audiofrecvență și alimentatorul), considerate ca neinteresante din punct de vedere al tehnicii CD.
Rămân deci de explicat funcțiile și principiile constructive și de funcționare ale celor patru blocuri specifice unui CDP :
capul optic de citire;
blocul de procesare digitală;
sistemul servo (și mecanic);
sistemul de comandă și control.
CAPUL OPTIC DE CITIRE
Capul optic de citire este una din părțile specifice ale CDP – ului. Funcțiunile sale multiple și in același timp extrem de specializate fac din el elementul poate cel mai reprezentativ al aparatului de redare CD.
Funcțiunile și schema bloc
Schema bloc a capului optic de citire este dată in figura 4.1, iar funcțiile asigurate de acestea sunt :
“citirea” semnalului digital inregistrat pe discul copmact;
prelucrarea semnalului de RF citit de sistemul optic.
determinarea erorii de focalizare și asigurarea unui semnal de eroare in vederea corectării ei;
mișcarea de translație al capului in vederea parcurgerii discului după spirala pistei inregistrate;
poziționarea relativă față de disc in vederea asigurării focalizării și tracking – ului corecte (poziționarea sus – jos și dreapta – stânga).
Elementele schemei bloc asigura functiunile enumerate, astfel :
a-Sistemul optic asigura citirea discului. Elementele sale principale sunt o dioda laser, LD (Laser Diode-in limba engleza), care genereaza fasciculul de radiatie in infrarosu si detectorul foto, PD (Photo Detector-in limba engleza). La iesirea detectorului, prin prelucrarea semnalelor electrice detectate se obtin cele trei cemnale electrice necesare:
-semnalul RF din care se face semnalul digital de AF;
-semnalul de eroare a focalizării (FE – Focus Error – în limba engleză), care constituie semnalul de comandă a servosistemului de compensare a poziției capului de citire de axa pistei cu înregistrarea AF.
b-Etajele de RF asigură tocmai prelucrarea semnalelor la fotodetector (PD )pentru asigurarea celor trei semnale enumerate mai sus, de nivelele necesare prelucrării ulterioare.
c-Motorul de translație asigură mișcarea de translație a capului față de disc. Mișcarea sa este foarte riguros controlată de sistemul servo, al căriu element final este.
d- Poziționerul asigură poziția corectă a capului de citire față de disc. Cele două mișcări ale sale, riguros controlate de sisteme servo, din care fac parte funcțional, asigură precizia (de zecimi sau sutimi de m ) necesară unei redări CD de bună calitate.
Sistemul optic
Noțiuni generale
Sistemul optic este la rândul său un dispozitiv specializat și specific al capului de citire. Caracteristica principală a sistemului optic este utilizarea unor dispozitive pe bază de radiații laser. Din acest motiv, în lucrarea de față cât și în alte lucrări din domeniu, se fac referiri la o serie de fenomene și noțiuni legate de optică și de tehnica laser.
Unele din ele sunt foarte cunoscute și altele sunt practic noi pentru mulți dintre cititori.
A – Dioda LASER
Cuvântul LASER este abrevierea din limba engleză a expresiei “Light Amplification by Stimulated Emission of Radistion”. Fenomenul LASER este un caz particular al fenomenului MASER.
amplificarea microundelor prin stimularea radiațiilor, la care microundele aparțin spectrului luminos.
Fenomenul aparține domeniului fizicii cuantice și explicarea sa nu face obiectul lucrării de față. Ceea ce trebuie reținut este faptul că fenomenul laser are la bază acumularea de energie cuantică dintr-un dispozitiv fizic (gaze, cristale, joncțiune semiconductoare) și eliberarea sa sub formă de energie luminoasă, atunci când nivelul de energie acumulată depășește o anumită limită.
În cazul CDP – urilor elementul generator de radiații laser este o diodă de tip ILD (Injection Laser Diode) care se caracterizează prin următoarele :
este constituită dintr-o joncțiune semiconductoare realizată din GaAs;
are o dimensiune fizică redusă (suprafața joncțiunii este de circa 0.5 mm2);
emite o radiație coerentă monocromatică cu lungimea de undă =0.78 m (corespunzătoare începutului gamei de infraroșu 0.75…1.5 m, în stricta apropiere a spectrului vizibil ROȘU=0.75 m;
funcționează comandată în curent, asemănător cu diodele LED, însă este mai sensibilă la variațiile de curent și tensiune care pot să o și distrugă;
are un timp de viață limitat la ordinul sutelor sau miilor de ore (de funcționare), cu mențiunea că utilizarea in condiții de funcționare din afara zonei optime recomandate de producător poate duce la distrugerea sa rapidă. Din acest motiv este bine să nu se acționeze asupra elementelor de reglare a punctului de funcționare a diodei decât dacă se cunosc instrucțiunile producătorului și se dispune de aparatura de măsură și control adecvată.
B – Câteva noțiuni de optică
Prin radiație luminoasă se înțelege gama de unde electromagnetice a căror lungime de undă este cuprinsă între 0.37 m și 0.75m. lungimea de undă, a unei radiații luminoase este dată de relația : =c/f, unde cu c s-a notat viteza de propagare a luminii in vid, 300.000 km/s, iar cu f frecvența radiației.
În cazul diodelor laser utilizate în tehnica CD așa cum s-a menționat deja, radiația este monocromă, fiind caracterizată de o sindură lungime de undă, =0.78 m radiație situată la începutul benzii de infraroșu, foarte aproape de roșu (ROȘU=0.75 m).
Din acest motiv toate fenomenele cunoscute din optică sunt valabile și in domeniul radiației laser folosită în tehnica CD.
Fascicul luminos cu secțiune circulară
a-paralel ; b-convergent; c-divergent
propagarea luminii se face sub formă de fascicule luminoase care pleacă radial de la o sursă luminoasă teoretic punctiformă. În practică, un fascicul luminos în urma prelucrărilor suferite se poate prezenta în trei moduri :
fascucul paralel – când secțiunea sa perpendiculară pe direcția de propagare este practic aceeași pe durata parcursului;
fascicul convergent – când secțiunea sa perpendiculară pe direcția de propagare se micșorează cu distanța, ajungând punctiformă la o anumită distanță;
fascicul divergent– când secțiunea sa perpendiculară pe direcția de propagare crește cu distanța, fasciculul având tendința să se disperseze.
Situația este prezentată schematic în figura 4.2.
În contact cu materia (la schimbarea mediului de propagare) radiația luminoasă suferă anumite transformări, în funcție de caracteristicile materialului cu care vine în incidența. Astfel, un fascicul incident poate fi reflectat, absorbit, refractat sau transmis în continuare prin noul mediu. În practică, în cazul incidenței fascicululi luminos cu un alt corp material decât mediul inițial de propagare apar toate fenomenele enumerate, încadrarea într-unul sau în altul din ele se va face având în vedere ponderea energetică a manifestării.
Reflexia. Este fenomenul care apare în cazul în care suprafața cu care intră radiația luminoasă în incidență este reflectorizantă (impenetrabilă și neabsorbantă pentru radiația respectivă). În limbajul curent o astfel de suprafață se numește oglindă. O altă condiție a reflexiei coerente este aceea că neregularitățile suprafeței reflectorizante să fie semnificativ mai mici decât lungimea de undă a radiației. În cazul în care suprafața este reflectorizantă în să are denivelări accidentale mari (comparabile cu lungimea de undă0 reflexia este difuză (împrăștiată). Asect fenomen este prezentat în figura 4.3.
Pentru un fascicul luminos paralel, cele două legi care guvernamentează reflexia coerentă sunt :
unghiul de reflexie este egal cu unghiul de incidență;
unda incidentă, unda refelctată și normala ridicată în punctul de incidență pe suprafața reflectorizantă se află în același plan.
Absorbția. În cazul în care corpul cu care intră în incidența unda luminoasă o absoarbe aproape în totalitate ( n-o reflectă și n-o transmite) este vorba de fenomenul de absorbție. Uzual, energia luminoasă absorbită este transformată în energie termică.
Transmitanța. Este fenomenul optic prin care unda luminoasă incidentă se propagă prin noul mediu cu pirderi mici (de obicei sub 25 % pentru corpurile transparente). Pe suprafața de contact a celor două medii (a corpurilor transparente străbătute de lumină), unda luminoasă suferă o deviere a direcției de propagare, fenomen cunoscut sub numele de refracție.
Refracția. Fenomenul constă în schimbarea unghiului de propagare a radiației luminoase la schimbarea mediului de propagare. Acest lucru se în tâmplă când radiația luminoasă nu este perpendiculară pe suprafața de contact în noul mediu de propagare. Situația este reprezenataă in figura 4.4, iar legea fizic aeste exprimată de formula : sin 1/sin 2 = n, unde 1 și 2 sunt unghiurile de incidență respectiv de refracție ale fascicululi luminos (față de normala la suprafața de separare) iar prin n de noteazoeficientul de refracție, o mărime caracteristică mediilor de propagare.
C – Componente ale sistemelor optice
In optică sunt cunoscute și folosite o serie largă de componente a căror funcționare de bazează în general pe fenomenele optice enumerate mai sus.
Dintre acestea o parte sunt folosite în tehnica CD, în special la realizarea capului de citire optic. Dintre ele vor fi descise foarte pe scurt cele mai frecvent utilizate :
– Lentila subțire (circulară) – are simetrie sferică și este cel mai frecvent tip de lentilă folosită în tehnica CD. Esa se caracterizează prin aceea că un fascicul luminos paralel cu diametrul său și cu axa optică după parcurgerea lentilei devine convergent, adică schimbându-și forma se concentrează într-un punct aflat pe axa optică a lentilei. Acest punct este cunoscut sub numele de focar sau punct focal.
Distanța dintre lentilă și punctul focal este una din caracteristicile constructive ale lentilei, se notează cu “f” și se numește distanță focală.
În tehnică pentru caracterizarea lentilelor sunt folosiți doi parametri :
număr focal, f/D, unde f este distanța focală iar D este diametrul lentilei;
apertura numerică (NA – Numerical Aperture) definit ca : n * sin , unde n este indicele de refracție al mediului (n=1 pentru aer) și este jumătatea unghiului maxim de acceptare a luminii;
Lentila cilindrică. Lentila cilindric areprezintă o secțiune dintr-un cilindru. Datorită formei sale comportamentul în cele două plane perpendiculare care trec prin axa optică este diferit. În figura 4.6 este dată situația cea mai imteresantă a utilizării unei lentile cilindrice.
Ea este străbătută axial de un fascicul luminos convergent al cărui punct de focalizare este la distanța f2 de lentilă.
Referindu-ne la situația din figură in care axa cilindrului din care face parte lentila este orientată N-S (sus – jos – plan vertical) situația este următoarea :
în plan orizontal (E-V) lentila se comportă ca o lentilă convergentă cu distanța focală f1 (mai mică decât f2);
în plan vertical (N-S)lentila nu afectează practic fasciculul luminos, el urmând să focalizeza ca și în cazul lipsei lentilei, la distanța f2. Acest caz la distanța f1 fasciculul lunminos este focalizat sub forma unui segment de dreaptă orientat N-S. la distanța f2 fasciculul luminos este focalizat sub forma unui segment de dreaptă orizontal, E-V.
Lentila cilindrică
În cele două situații limită, secțiunea prin fascicul are forma unei elipse a cărei axă mare are diferite înclinări, în funcție de distanța la care este făcută secțiunea.
Cazul particular este puntul A, unde secțiunea este circulară. În acel loc axele elipsei spotului (pe orizontală și pe verticală) sunt egale. Orice deplasare intr-un sens sau altul din punctul A are drept consecință stricarea simetriei circulare. Aceasta proprietate caracteristică lentilelor cilindrice este folosită in tehnica CD pentru aprecierea corectitudinii focalizării fascicululi de citire pe suprafața discului.
– Prisma. Prisma este un corp transparent folosit, după împrejurări, pentru reflectarea sau dispersarea unui fascicul luminos. Forma cea mai comună de prismă este cea cu unghi drept. Cea mai simplă aplicație este cea în care o radiație luminoasă pătrunde vertical pe una din fețele mici, se reflectă din fața mare, și iese perpendicular pe cea de-a doua suprafață mică.
– Colimatorul. Colimatorul este un dispozitiv format din două lentile convergente simple. Efectul colomatorului este acela de a crește diametrul unui fascicul luminos paralel. Evident că folosit invers efectul este acela de a micșora diametrul fascicululi inițial. Prin analogie cu electrotehnica, colomatorul poate fi considerat un trasformator de secțiune a fasciculului luminos.
– Grila de difracție. La trecerea unui fascicul luminos printr-o grilă cu găuri foarte mici (de ordinul de mărimi al lungimii de undă) în afara radiației principale vor apărea la ieșire o serie de radiații (fascicule) secundare cu anumite unghiuri de propagare, diferite de direcția fascicululi principal. Energia fasciculelor secundare poare atinge valoarea de 25 % din cea a fasciculului principal. În tehnica CD fenomenul este folosit pentru generarea a două fascicule secundare laterale care sunt utilizate pentru controlul urmăririi pistei cu înregistratea de pe disc (semnalul “Tracking” – servo).
– Prisma polarizată. Prisma polarizată în realitate este una din utilizările speciale ale unei prisme obișnuite. La trecerea dint-un mediu de propagare mai dens ( cu indice de refracție mai mare) la un mediu de propagare mai puțin dens (cu indice de refracție mai mic) distingem patru situații în funcție de unghiul de incidență al fasciculului luminos.
Fascuculul luminos incident este perpendicular pe suprafața de separare. Trecerea este totală, fasciculul urmărind aceeași direcție.
Fasciculul luminos are un unghi de incidență 1 de valoare mică. La trecere apare fenomenul de refracție, unghiul 2 al fascicululi fiind mai mare decât unghiul 1 de incidență.
Facsiculul luminos are un unghi de incidență c care corespunde un unghi de difracție de 90 0.
Fasciculul luminos are un unghi de incidență mai mare decât unghiul critic. În acest caz reflexia este totală.
Construcția și funcționarea sistemului optic de citire
Constructiv, sistemul optic de citire este constituit din sursa de radiație laser LD (dioda laser), un ansamblu de dispozitive optice necesare prelucrării fasciculului luminos și fotodetectorului PD care este traductorul opto – electric. În practica CDP sistemul optic de citire este realizat în două variante :
– cu trei fascicule;
-cu un singur fascicul.
A – sistemul optic cu trei fascicule
Structura de bază a sistemului optic cu trei fascicule este reprezentată în figura 4.1.3
Sistemul optic de citire cu trei fascicule
Radiația luminoasă (infraroșu) este generată de dioda laser (radiație coerentă în timp și frecvență). Sursa radiației este plasată în apropierea sistemului optic, așa că este divergentă. Deschiderea unghiulară a fasciculului este notată cu .
Primul element optic interpus în calea fasciculului este o grilă de difracție cu ajutorul căreia se formează cele două fascicule secundare necesare pentru controlul tracking.
După aceea, sistemul optic este străbătut de cele trei fascicule luminoase în loc de unul singur. În cele ce urmează ne vom referi numai la fasciculul principal, central, știind însă că toate prelucrările sale le suportă și cele două fascicule laterale. Astfel, fasciculul străbate neafectat prisma polarizată datorită radiației nepolarizate și unghiului de atac corect ales. În continuare, fasciculul străbate un colimator care îl transformă în fascicul paralel (cilindric) și apoi fasciculul traversează un strat anizotrop foarte subțire (grosime /4), care schimbă polaritatea radiației (1/4 wave plate – în limba engleză) după care fasciculul străbate lentila convergentă fixată mecanic pe partea mobilă a poziționerului.
Lentila asigură focalizarea fascicululor laser pe suprafața reflectorizantă a discului.
De remarcat faptul că focalizarea respectivă se realizează în trei puncte – punctul central calat pe pista cu înregistrarea și două puncte laterale care asigură informația de poziționare a capului față de pistă (tracking).
Fasciculul luminos este reflectat și datorită axialității, se întoarce pe același traseu. De la disc ajunge la lentila de conevergență, străbate cristalul anizotrop (/4), ajungând astfel polarizat liniar. Prin colimator fasciculul reflectat este aplicat prismei polarizate. Aici, datorită polarizării și unghiululi de incidență spotul este deviat cu 90 0 și aplicat prin intermediul unei lentile cilindrice detectorului de infraroșu (PD – Photo Detector).
Structura de principiu a detectorului este dată în figura 4.1.4.
Cele șase elemente detectoare sunt notate :A, B, C, D, E, F. fiecare element este independent și este constituit în practică dintr-o singură fotodiodă.
Corespunzător acestei variante cele trei semnale sunt obținute astfel :
– Semnalul de AF înregistrat pe disc
Reflexia fasciculului luminos pe suprafața discului diferă, ca intensitate în funcție de structura de adâncituri (pits) și pauze de pe pista “citită”. Reamintim că o adâncitură are o înălțime de ordinul a 1/4 și situația reflexiei se prezintă ca în figura 4.1.5.
Deoarece multă lume n-a dat importanță convenției denumirilor revenim cu precizarea că în tehnica CD prin adâncitură se înțelege adâncitura realizată la înregistrate în suportul transparent al CD – ului. Revenind la figura 4.1.5 se remarcă faptul că în cazul în care cele trei fascicule laser ajung în zona unei pauze, în condiții normale de citire, reflexia este practic totală (100 %). În cazul în care aceleași trei fascicule ajung pe o adâncitură reflexia este numai parțială (de ordinul a 30 % din energia fasciculului incident). La acest comportament contribuie atât fenomenul de reflexie difuză, care apare în zona adânciturilor, cât și faptul că unda reflectată este decalată cu aproximativ /2 și deci apare o extincție a radiației de infraroșu. Deja la un raport energetic de circa 3:1 cât este cel corespunzător fasciculului reflectat de pauză – respectiv de adâncitură – diferența pauză – adâncitură poate fi bine evidențiată.
Structura detectorului de infraroșu pentru un sistem optic cu trei spoturi
Unda reflectată, captată și dirijată prin sistemul optic de citire este aplicată detectorului foto. Fasciculul central ajunge pe partea centrală a detectorului – elementele centrale ale detectorului notate cu A, B, C, D. Detectorul asigură la ieșire semnale electrice (numite de radiofrecvență – RF), proporționalitate cu intensitatea luminoasă a fasciculului captat. Semnalul de RF este obținut prin însumarea semnalelor de la cele patru elemente fotosensibile ale părții centrale adetectorului.
Deși semnalul înregistrat pe disc este de formă digitală la detecție datorită limitelor tehnologice mecanice și electrice ale sistemului semnalul de RF are o formă rotunjită asemnănătoare cu cea a semnalelor analogice sinusoidale.
Reflexia fasciculului laser pe suprafața reflectorizantă a discului compact
Semnalul de eroare a focalizării (Fe – Focus Error)
Semnalul FE este obținut tot prin prelucrarea semnalelor detectate de cele patru celule independente ale detectorului central, notate A, B, C, D în figura 4.1.4. modul de prelucrare se bazează pe proprietatea lentilei cilindrice care între cele două puncte de focalizare (sub formă de segmente de linie) face ca fasciculul luminos inițial circular să aibă secțiuni eliptice, ale căror axe își schimbă poziția față de axa optică. Într-un singur punct secțiunea fasciculului va fi circulară și acolo este plasat fotodetectorul. Orice inexactitate a focalizării – distanță prea mică sau prea mare a discului față de capul de citire – face ca spotul luminos pe fotodetector să aibă o formă eliptică cu o anumită înclinare a axelor. Situație reprezentată în figura 4.17.
Așa cum reiese din figură semanlul de eroare de focalizare (FE) se obține prin compararea semnalelor captate de celulele detectoare A + C pe de o parte și B + D pe de altă parte. Cazul optim este acela în care focalizarea este corectă .
În această sistuție spotul luminos pe detector are formă circulară și cele patru celule sunt iluminate egal. În cazul în care focalizarea fasciculululi laser nu are loc pe suprafața reflectorizantă a discului, ea fiind mai apripiată sau mai depărtată, spotul luminos va avea forma unei elipse a cărei formă și înclinare a axelor vor fi funcție de mărimea și sensul erorii.
Semnalul de eroare tracking (TE).
Semnalul de eroare tracking se obține utilizând cele două fascicule laterale ale fasciculului laser principal. Ele sunt prelucrate ca și acesta ajungând focalizate pe suprafața reflectorizantă a discului. Datorită prelucrărilor din sistemul optic poziția punctelor de focalizare este cea reprezentată în figura 4.18. așa cum reiese din figură cele două spoturi secundare încadrează spo0rul secundar fiind distanțațe față – spate de acesta cu circa 20 m și plasate lateral față de axa de deplasare.
Detectarea erorii de focalizare: a-focalizare corectă-semnal de eroare nul; b-focalizare prea apropiată-semnal de eroare negativ;
c- focalizare prea depărtată-semnal de eroare pozitiv
b – Sistemul optic cu un singur fascicul
Structura de bază a sistemului optic cu un singur fascicul este dată în figura 4.20. ca și în cazul sistemului optic cu trei fascicul fiecare dintre elementele sale consecutive este cunoscut. Ca și în cazul sistemului optic cu trei spoturi detectorul fotoprincipal este format din patru celule independente notate A, B, C, D. În acest caz unele variante constructive sunt prevăzute cu încă două detectoare (E și F) suplimentare care măresc suprafața sensibilă a detectorului.
Forma detectorului central este un pătrat cu latura de 250 m. prin adăugarea acestor elemente suplimentare suprafața totală crește considerabil, făcând ca eventualele zgârieturi sau imperfecțiuni ale elementelor din sistemul optic, care duc la fenomene de difracție sau necentrare a spotului să nu afecteze asupra calității citirii semnalului
Sistemul optic de citire cu un singur fascicul
PRELUCRAREA SEMNALELOR DE RF
Etajele de RF
Generalități
La ieșirea fotodetectorului semnalul are o formă diferită de cea digitală a semnalului folosit la înreistrare, ea apropiindu-se mai mult de forma semnalelor analogice sinusoidale. Acest semnal de frecvență mare este și de nivel foarte mic, ceea ce-l face vulnerabil la perturbațiile de tot felul. Din acest motiv chiar înh stricta apropiere a fotodetectorului semnalul respectiv este prelucrat în vederea ridicării nivelului său și în vederea obținerii semnalelor de eroare (focalizare și tracking) obținute tot din prelucrarea semnalelor de RF de la detector.
Circuite specializate în prelucrarea semnalelor de RF
Pentru prelucrarea semnalelor RF sunt folositeo serie de amplificatoare operaționale foarte liniare de mare amplificare și de zgomot foarte mic. În figură sunt date câteva dintre montajele folosite în lanțul de amplificare RF. În figura 2.3.a este dată schema principalului amplificator la care este cuplată dioda fotodetectoare. El realizează și funcția de conversie curent – tensiune a semnalului detectat. În figura b este dată schema amplificatorului de inversor. Amplificarea montajului este dată de relația : A0 = (Rf + R1) / R1.
În figura c este dată schema amplificatorului inversor cu punct virtual de masă. În acest caz amplificarea este dată de relația : A0 = -Rf / Ri.
Tot pentru procesarea semnalelor de RF dar de data aceasta a semnaleleor de corecție a erorilor de focalizare sau / și de tracking sunt folosite circuite de însumare sau de comparare realizare de asemenea cu amplificatoare operaționale.
Câteva aspecte practice legate de etajele de prelucrare RF
Cu etajele prezentate mai sus se poate asigura prelucrarea semnalelor de RF din cadrul capului optic de citire. Practic toate aceste amplificatoare sunt realizate foarte integrat asigurând condiția impusă tututor etajelor funcționale ale capului de citire. Ca și majoritatea etajelor de procesare a semnalelor CDP, accesul la procesul de prelucrare este practic imposibil (cele trei semnale unul de RF și două semnale de eroare) fiind accesibile numai la ieșîrea capului de citire sau funcție de construcția CDP, la ieșirea blocului de procesare RF.
Amplificatoare operaționale folosite în etajele de RF : a – amplificator convertor I/U al semnalelor de la fotodetector; b – amplificator neinversor; c – amplificator inversor cu punct virtual de masă
Motorul de translație
Motorul de translație asigură mișcarea de translație a capului de citire care împreună cu mișcarea de rotație a discului realizează traiectoria în spirală. Mișcarea capului de citire este extrem de precisă și este controlată de sistemul servo din care face parte. Constructiv, în practică sunt realizate două sisteme de deplasare a capului de citire :
motor liniar
motor de rotație cu dispozitiv cu șurub.
Motorul liniar. Este un dispozitiv electromagnetic care asigură o deplasare liniară a elementului mobil proporțională cu valoarea curentului de comnadă. Motorul este format din două perechi de magneți permanenți. Peste miezul format din cei doi magneți este realizată o înfășurare prin care trece un curent. Funcție de mărimea curentului și de sensul său miezul mobil se deplaseză longitudinal în câmpul magnetic într- un sens sau altul.
Motorul de rotație cu dispozitiv cu șurub. Este un dispozitiv care transformă mișcarea de rotație a motorului într-o mișcare de translație cu ajutorul șurubului pe care culisează capul de citire. Și în cazul acesta mișcarea motorului este foarte precisă și controlată riguros de servosistemul din care face parte.
Poziționerul
Poziționerul este un dispozitiv electromegnetic cu două axe care asigură cele două corecțîi esențiale ale poziției capului de citire față de discul compact : corecția de focalizare și corecția de tracking. Funcționarea sa are la bază interactivitatea dintre un câmp permenet și un câmp magnetic generat de o bobină prin care trece un curent. Dispozitivul constă dintr-un magnet permanent între polii căruia îi sunt plasate două înfășurări, reprezenatate de către un singur conductor. Înfășurările sunt perpendiculare una pe alta și perpendiculare pe liniile de forță ale câmpului magnetic permanent. În momentul cănd printr-una dintre înfășurări trece un curent electric, funcție de amplitidinea și sensul său bobina respectivă se va deplasa stânga – dreapta și sus – jos având ca axa de referință liniile de forță ale câmpului magnetic permanent. Dispozitivul este realizat de dimensiuni extrem der eduse și este montat în capul optic de citire.
BLOCUL DE PROCESARE DIGITALĂ A SEMNALELOR DE AF
Funcțiile blocului de procesare digitală a semnalelor de AF
Blocul de procesare digitalsigură prelucrarea semnalelor de RF livrate de capul optic de citire până în faza în care este reconstituit semnalul AF analogic inițial. În plus tot din prelucrarea digital semnalelor se mai asigură o serie de informații necesare sistemelor servo și sistemelor de control CDP.
Cele mai importante funcțiuni asigurate de acest bloc funcțional sunt :
reface forma semnaleleor digitale NRZI și NRZ din semnalul de RF;
generează impulsurile de tact, sincronizate cu semnalul “citit” pe disc. Acestea asigură tacul procesării semnalelor digitale până la înscrierea în memorie;
procesează semnalul digital în ordinea inversă procesării de la înregistrate;
asigura citirea semnalului digital primar din memorie cu un semnal de tact general de un oscilator de precizie eliminând astfel efectele fluctuațîîlor discului;
asigură conversia semnalului digital primar (refăcut) în semnal analogic de AF;
detectează conținutul canalelor P și Q ale subcodului (informație pentru sistemul de comandă și control);
asigură o serie de informații servosistemelor.
Schema bloc
Constructiv, blocul de procesare digitală este cpmpus din trei părți importante, fiecare asigurând o parte distinctă a procesării semnalelor :
refacerea semnalului digital;
procesorul digital (standard);
conversia D / A.
Refacerea semnalului digital
Așa cum s-a menționat deja, procesul de prelucrare a semnalelor digitale pleacă de la un semnal numit “semnal de RF” a cărui formă (eye pattern), cel puțin la prima vedere, n-are nimic comun cu semnalul digital. Din acest motiv, primul pas este acela de a reconsttui semnalul NRZI originar. Reamnintim că semnalul NRZI se caracterizează prin aceea că fiecare “1” este redat de o trecere (un front de impuls), valorile sale stabilite, unu și zero, având semnaificația digitală zero.
Teoretic, refacerea semnalului digital dintr-un semnal de tip RF poate fi realizată cu un circuit ca acela din figura 5.2.
Unui amplificator operațional I se aplică la intrarea neinversoare semnalul analogic (tip sinusoidal – în exemplu), iar la intrarea inversoare se fixează un nivel de tăiere la jumătatea amplitudinii maxime a semnalului analogic.
Princioiul refacerii semnalului digital din semnalul de RF
Datorită amplificării foarte mari a montajului semnalul de la ieșire va avea fronturi abrupte și va varia între nivelul 0 și nivelul tensiunii de alimentare (5V, în exemplu). Nivelul de tăiere (respectiv deschidere) al semanlului fixat strict de la ½ din amplitudinea sa asigură sincronismul semnalului digital cu cel analogic.
În practică lucrurile stau puțin altfel. Cu toate că au fost luate măsuri în timpul prelucrării digitale pentru ca valoarea sumei digitale a semnalului NRZI să fie nulă, sau cât mai apropiată de zero, acest obiectiv nu este atins tot timpul așa că fluctuațiile semnalului duc la o variație a axei sale. Variația respectivă are drept consecință o decalare fluctuantă în timp a semnalelor digitale refăcute, deci o lipsă de sincronizare care poate duce la distorsionarea informației.
Din acest motiv, este foarte important ca în fiecare moment să fie refăcută axa mediană a semnalului, adică să fie stabilit nivelul de tăiere a semnalului la valoarea reală a jumătății amplitudinii sale.
Procesarea digitală standard a semnalelor de AF
Această procesare reprezintarcurgerea în sens invers și complementar a prelucrărilor semnalului de la înregistrare. Parcurgerea este inversă, deoarece se pleacă de la înregistrare și se ajunge la semnalul originar, și este complenentară, deoarece codărilor și modulărilor de la înregistrare le vor corespunde decodări și demodulări la redare.
Prelucrarea propriu – zisă a semnalelor digitale este realizată cu circuite integrate LSI (cu grad foarte mare de integrare), ceea ce face ca accesul la procesorul de prelucrare a semnalelor să fie practic imposibil utilizatorului sau chiar specialistului.
Din acest motiv, în cele ce urmează nu ne vom referi la soluțiile practice (circuitele efective) folosite la procesare ci numai la aspectele principale ale prelucrărilor digitale.
A – Formatul de bază al semnalului NRZ (cadrul)
Cadrul este constituit din 33 de cuvinte (a 17 biți) și un cuvânt de sincronizare de 27 de biți (24 biți informație de sincronizare și 3 biți de adaptare – legătură).
Unitatea de informație semnaificativă de AF este formată însă de subcod, care este format din 98 de cadre succesive. Se știe că fiecare cadru conține un cuvând de control de 8 biți. Fiecare din acești 8 biți este o componentă a câte unui subcod de 98 biți, care conține informații asupra înregistrării. Trebuie deci să fie transmise 98 de cadre pentru ca subcodurile respective să fie complete și să aibă sens, deci să se cunoască toate datele necesare redării discului.
B – Semnalul de sincronizare
Acest semnal este folosit pentru sincronizarea oscilatorului comandat în tensiune (VCO) al buclei PLL care asigură refacerea semnalului digital. Tot acest oscilator asigură și semnalul de tact folosit la prelucrarea semnalului digital PLCK (Pulse Clock). Schemele practice de sincronizare sunt în general complexe și asigură o foarte bună sincronizare a oscilatorului. În schemele uzuale, detectorul semnalului de sincronizare presupune existența unui registru de deplasare cu 24 biți eliminându-se astfel cei 3 biți suplimentari – de legătură – ai cuvântului de sincronizare.
Tot acest registru elimină și cei 3 biți de legătură ai cuvintelor EFM de 14 biți.
C – Decodarea EFM
Decodarea este o procesare logică de stabilire a corespondenței cuvânt (EFM) 14 biți – cuvânt de 8 biți, astfel că, la ieșirea decodorului, un cadru va fi format din 33 cuvinte de 8 biți. Schema bloc de principiu a decodorului EFM este dată în figura 5.8.
Decodorul EFM – schemă bloc
La baza funcționării sale stă memoria ROM, care conține tabelul de corespondență a cuvintelor de 14 – respectiv 8 biți (același cu cel de la înregistrare).
La ieșire, cuvintele de 8 biți sunt semnale digitale convenționale, forma lor (succesiunea și numărul de “unu” sau “zero”) nefiind afectată de vreo restricție.
D – Detectarea (și extragerea) cuvintelor de control de 8 biți
Extrgerea din fiecare cadru a cuvântului de control de 8 biți asigură câte un bit de informație pentru fiecare din cele 8 canale ale subcodului de control, notate P, Q, R, S, T, U, V, W. După recepția unui subcod (98 de cadre succesive) subcodul este complet, informația sa avâd sens. Deocamdată, așa cum s-a menționat deja sunt utilizate numai subcodurile P și Q, celelalte 6 canale urmând a fi folosite în alte scopuri, încă nedefinite.
Forma și conținutul celor două canale de control au fost descise în detaliu.
De rețiunt că informațiile referitoare la conținutul celor două subcoduri de control sunt transferate la microprocesorul care asigură controlul funcționării CDP.
După extragerea cuvântului de control, cadrul este format din semnale digiale convenționale organizate in 32 cuvinte a 8 biți.
E – Decodarea CIRC
Mai sus au fost enumerate câteva dintre motivele codării CIRC, cât și principiile sale. S-a subliniat deja faptul că această procesare este complexă, este realizată cu circuite integrate LSI și că fabricanții lor țin încă secrate amănuntele procesării semnalelor atât la codarea cât și la decodarea CIRC.
La același nivel de informație generală menționăm în ordine principalele prelucrări asigurate de către decodorul CIRC :
primește la intrare semnalele digitale convenționale (32 cuvinte a 8 biți);
întărzie cuvintele impare cu durata unui cuvânt de 8 biți și inverseazăcuvintele de control adăugate în codorul C1 cu cele adăugate în codorul C2, deja inversate la codarea CIRC de la înregistrare. Această invesare face ca la intrarea decodorului C1 să ajungă chiar cuvintele de control adăugate de codorul C1;
la intrarea decodorului C1 se aplică 32 cuvinte a câte 8 biți fiecare, dintre care 4 cuvinte de paritate sunt folosite pentru decodarea C1. Acest decodor poate corecta un cuvânt eronat din fiecare cadru de 32 cuvinte. Dacă sunt mai multe cuvinte eronate, decodorul semnalează faptul că nu poate corecta erorile din cadrul. În acest caz el lasă să treacă neafectate cele 28 de cuvinte rămase (după ce a extras cele patru cuvinte de paritate C1) însă transmite un semnal de marcare (error flag) a faptului că acest cadru conține necorectate în C1. Datorită transferului de informației cu întârzieri diferite intre cele două decodoare (C1 și C2), marcajul de eroare (error flag) pot intra în diferite momente la C2.
Astfel la decodorul C2, cuvintele ajunse eronate vor fi detectate și corectate. Dacă numărul cuvintelor eronate este mai mare de 4, C2 nu le mai poate corecta și cele 24 de cuvinte (după ce au fost extrase de codorul C2) sunt transmise la ieșire necorectate însă marcate cu biți indicatori de eroare (error flag);
semnalele de la ieșirea decodorului C2 sunt rearanjate (unscrambled) cu cuvintele impare sunt întârziate cu durata a 2 cuvinte;
în final, la ieșirea decodorului CIRC semnalul digital trebuie să corespundă cu semnalul digital convențional rezultat la înregistrarea, la ieșirea convertorului și analogic – digital.
F – Corectarea erorilor
Am menționat faptul căerorile sunt detectate și corectate în detectorul CIRC a cărui principală menire tocmai aceasta este. Decodorul C1 poate corecta un cuvânt eronat și marchează cadrul cu mai mult de două cuvinte eronate. Decodorul C2 poate corecta însă la patru cuvinte dintr-un cadru. Există totuși situații in care sistemul de corecție nu este eficient, numărul cuvintelor eronate fiind mai mate decât posibilitățile sale de corecție.
În acest caz, cuvintele eronate sunt marcate iar informația eronată este eliminată ulterior prin alte metode. Dintre acestea cele mai utilizate sunt :
Muting
Metoda constă în blocarea căii de sunet pe durata informației eronate. Metoda nu este general agreată, deoarece efectul sonor este asemănător cu cel al dropout – ului de la sistemele clasice, adică se percepe ca o întrerupere a sunetului pe o durată mică de timp. Oricum, efectul de muting este mai puțin supărător decât efectul sonor produs în sistemul de audiție digital de o eroare necorectată.
Păstarea valorii eșantionului precedent
Întrucât fiecare eșantion este reprezentat de către un cuvânt digital, în cazul detectării unei erori într-un cuvânt (eșantion) acesta este eliminat, lui atribuindu-i-se valoarea cuvântului (eșantionului) precedent.
Interpolare liniară
Această metodă asigură cea mai bună aproximare. Ea presupune o memorare a semnaluli și o întărziere a redării obținută cu un registru de deplasare.
Aceasta este soluția utilizată în tehnica CD și reprezintă o combinație a celor două metode precedente.
Practic, aceste metode de eliminare a erorilor corespund unor defecte mecanice ale discului care au o lățime mai mare 1 mm (de exmplu, zgârieturi).
Conversia digital – analogică (D/A)
Noțiuni generale
Conversia semnal digital – semnal analogic este prelucrarea inversă conversiei analogic – digitale de la înregistrare. Ea este practic ultima procesare din lanțul de prelucrări ale semnalului digital la redare și constă în transformarea semnalelor digitale (un șir de coduri numerice de 16 biți) în semnale analogice de AF.
Conversia D/A presupune o serie de aspecte foarte specifice ale prelucrării, care condiționează calitatea semnalului reconstituit. Dintre acestea cele mai importante sunt :
în procesul de refacere, ca și în procesul de eșantionare, datorită folosirii unor semnale sub formă de impulsuri apare un spectru foarte larg de semnale nedorite.
Toate semnalele parazite pot afecta în diferite moduri funcționarea CDP – ului, afectând fie calitatea AF, fie perturbând chiar semnalul RF.
zgomotul care apare datorită conversiei A/D de la înregistrare se însumează cu zgomotul care apare ca rezultat al conversiei D/A de la redare. Ca principiu, situația este redată în figura 5.11. fiind vorda despre CD care utilizează 16 digiți, mărimea raportului semnal – zgomot în cazul acesta este de 98 dB atât la înregistrare cât și la redare.
Întrucăt zgomotul se însumează pătratic (în puteri), zgomotul final la redare va fi de 93 dB, valoarea care se pare că nu mulțumește pe toată lumea.
Tipuri de convertoare convenționale D/A
În practica conversiei D/A sunt utilizate mai multe tipuri de convertoare. Ele diferă în principal prin principiul de funcționare.
A – convertor D/A cu curenți proporționali
În limbajul de specialitate acest tip de convertor este cunoscut și sub denumirea sa englezească “weighted current D/A converter”.
Fiecărui bit îi corespunde un comutator notat K1…Kn. acesta va fi comutat funcție de valoarea bitului căruia îi corespunde. Pentru “zero” comutatorul conectează rezistența la masă, iar pentru “unu” comutatorul conectează rezistența la Uref (tensiune continuă). În cazul în care un bit are valoarea “unu” și comutatorul conectează rezistența la tensiunea Uref, prin ea se stabilește un curent proporțional cu ponderea bitului cu codul digital (cuvântul) respectiv. Valoarea cea mai mare o va avea curentul corespunzător MSB, IMSB = Uref / R, iar valoarea cea mai mică o va avea curentul corespunzător LSB, ILSB = Uref / nR.
Valoarea totală a curentului la ieșirea rețelei respective este formată din suma curenților ramurilor corespunzătoare biților cu valoarea “unu “, deci proporțională cu valoarea numerică a codului. Curentul total reprezintă valoarea analogică refăcută a eșantionului.
D – Convertor D/A cu structură mixtă
Acest tip de convertor realizează un compromis optim între precizia convertorului cu sursa de curent constant și simplitatea convertorului cu rețea rezistivă în scară.
Primilor trei biți in ordinea ponderii în cuvânt (începând cu MBS) le corespunde structura de convertor cu surse de curent constant (de mare precizie). Urm atorilor 15 biți (bit 4…LSB)le corespunde o structură de convertor cu rețea rezistivă “în scară”. Avantajele structurii mixte permit realizarea unui convertor de mare precizie și fără mari complicații tehnologice. Această soluție a fost și este utilizată la realizarea unor convertoare D/A folosite în tehnica CD.
În figura 5.16 este dată o schemă bloc mai detaliată a convertorului D/A realizat cu structură mixtă.
Din ea reies avantajele tehnologice ale integrării sale într-un circuit integrat specializat:
Sursele de curent nu sunt în număr prea mare (22 pentru 18 biți), necesitând un număr total de 40 tranzistoare pentru această funcție.
Convertor D/A cu structură mixtă, realizată în tehnologie CI
Precizia funcționării (conversiei)este asigurată prin reproductibilitatea foarte bună astructurilor tranzistoarelor în circuitul integrat.
Singura condiție externă riguros impusă circuitului este asigurarea unei polarizări foarte exacte (și în special stabile) a celor două serii de baze (Vp1 și Vp2) pentru a asigura precizia necesară surselor respective de curent.
E – Convertor specializat pentru aplicații CD
Pentru aplicațiile din tehnica CD o serie de firme producătoare au dezvoltat convertoare specializate. Deși cu o structură foarte complexă, convertorul se preteazăla o integrare aproape totală și asigură o serie de performanțe greu (sau chiar imposibil) de atins cu convertoarele clasice. În cele ce urmează vor fi prezentate principiile sale de funcționare care au la bază (cel puțin în prima parte) prelucrări digitale. Convertorul fiind dedicat utilizării în CDP – uri este conceput în vederea conversiei cuvintelor de 16 biți. Datele (semnalul digital) sunt aplicate la intrare și constau în cuvinte de 16 biți serie.
Semnalele serie de la intre progreseazîn 16 timpi în registrul de deplasare în așa fel că la sfârșitul ciclului, la ieșirile paralele ale registrului se găsește integral codul digital paralel.
Acest etaj de transformare a semnalelor serie – paralel este cunoscut și sub prescrutarea SIPO.
Cuvântul de 16 biți este protejat cu două circuite zăvor (latch) de câte 8 biți. Un circuit protejează cei 8 biți superiori iar celălalt protejează 8 biți inferiori. Astfel la ieșirea registrului se păstrează codul până când cele două circuite de protecție (latch)primesc un impuls LCK (latch clock) care permite aplicarea celor 16 bițî la două numărătoare de 8 biți. Tactul numărătoarelor (cel pentru cei 8 biți inferiori și cel pentru cei 8 biți superiori) este asigurat de un semnal F0 aplicat simultan ambelor numerătoare. Semnalele de la ieșirea celor două numărătoare sunt Sio și Slo. Cele două semnale de ieșire comandă două comutatoare K1 și K2. Cât timp valoarea măsurată nu a astins valoarea din memorie comutatorul este închis și curentul este aplicat la intrarea IIN. cele două surse fiind de tip curent constant, încărcarea condensatorului C0 și deci nivelul Uieșire va depinde de timpul cât cele două comutatoare sunt închise.
Mai trebuie remarcat faptul că ponderea celor două grupe de biți (8 inferiori și 8 superiori) ai codului de 16 trebuie să fie diferită la formarea valorii tensiunii de ieșire. Întrucăt între cele două grupe este un raport valoric de 28 = 256 și cei doi curenți de încărcare se vor afla în același raport, deci I0 / i0. Acesta face ca în condiții identice de funcționare a celor două numărătoare efectul asupra tensiunii de ieșire a numărătoeului pentru biții inferiori să fie de 256 ori mai mic decât efectul numărătorului pentru biții superiori. În concluzie, Uieșire depinde de timpul de conectare a surselor de curent la intrarea IIN iar acest timp este funcție de comanda de numărătoare , deci de codul digital aplicat la intrare.
Înainte de aplicarea semnlului de încărcare a condensatorului de la cele două surse, printr-o comand dată pe poarta tranzistorului unijoncțiune T0, acesta șuntează condensatorul descărcându-l, așa că totdeauna procesul pleacă de la starea inițială – condensator descărcat.
În practică, datorită gradului foarte mare de integrare, funcțiile respective sunt asigurate numai de către unul sau două circuite integrate specializate.
Fotodetectori
Considerații generale
Pentru detecția fasciculului de radiație emis de laseri cu semiconductori se pot utiliza diferite tipuri de fotodetectori. În spectrul vizibil fascicululu laser poate fi observat cu ochiul liber. Detectorii care se utilizează însă pentru măsurarea energiei de raiație emise de laseri cu semiconductori sunt împărțiți arbitrar în două tipuri generale :
detectori cuantici, în care fotonii incidenți produc perechi de purtători (electron – gol). În acești detectori curentul sau tensiunea rezultate ca urmare a separării și deplasării purtătorilor sunht proporționale cu numărul de fotoni incidenți;
detectori termici, în care se produce o schimbare a unei stări fizice a elementului fotosensibil în funcție de energia radiației absorbite. O categorie de detectori termici, pirodetectori, își schimbă de exemplu polarizarea ca urmare a variației temperaturii cristalului sub acțiunea radiației absorbite. Această schimbare se manifestă prin apariția unei diferențe de potențial între suprafețele plan paralele ale cristalului pirodetector.
Ambele categorii de fotodetectori, cuantici și termici, sunt dispozitive cu lege de răspuns pătratică, în care semnalul la ieșire variază proporțional cu puterea radiației incidente, deci cu pătratul câmpului electric al acesteia.
Printre detectorii cuantici se întâlnesc tuburile fotomultiplicatoare, fotocelulele, fotodiodele semiconductorae. Detectorii termici cuprind bolometrele, termopilele și detectorii piroelectrici.
În cele ce urmează ne vom opri asupra fotodiodelor semiconductoare, utilizate ca fotodetectori în sistemele laser cu semiconductorii.
Fotodiodele semiconductoare sunt folosite pentru demodularea semnalelor optice în sistemele de transmisie pe purtătoare laser în atmosferă, în spațiul cosmic sau prin fibre optice. Ele corespund unei game largi de cerințe privind performanțele, compatibilitatea cu sursele de radiație laser și mediul de transmisie, prețul de cost.
Ele au în special următoarele caracteristici :
sensibilitate mare la radiația laser incidentă cu lungimi de emisie caracteristice laserilor cu semiconductori și altor tipuri de laseri (cu gaze, solizi, cu coloranți), în domeniul ultraviolet, vizibil și infraroșu;
lărgimea de bandă suficient de mare sau viteză de răspund mare la impulsuri de frecvență ridicată (sute de megabiți pe secundă);
zgomot redus;
variație mică a parametrilor la schimbarea condițiilor ambiante (temperatură, presiune etc.);
dimensiuni mici, consum de curent electruic și tensiune de alimentare reduse etc..
Fotodiodele semiconductoaresatsfac deci aproape toate condițiile necesare pentru a fi folosite ca fotodetectori în sistemele cu laseri cu semiconductori.
Procese fizice de fotodetecție în joncțiunea p-n
Natura și caracteristicile joncțiunii semiconductoare p-n. Intr-o joncțiune p-n, nepolarizată din exterior, purtătorii de sarcină se autodistribuie în așa fel încât nivelele Fermi ale celor două regiuni (n și p) să coincidă în vecinătatea joncțiunii. Electronii atomilor donori din regiunea tip n a joncțiunii vor trece pe nivelele acceptoare din regiunea de tip p a joncțiunii, formând un strat cu caracteristici de dipol electric care constă din donori ionizați pozitiv în regiunea n a joncțiunii și acceptori ionizați negativi în regiunea p a joncțiunii. Dipolul astfel format generează un câmp electri de contact care va deplasa electronii din banda de conducție în regiunea n a joncțiunii și golurile din banda de valență în regiunea p a joncțiunii. Joncțiunea propriu – zisă este definită printr-un plan, în care nivelul Fermi se găsește în mijlocul benzii interzise. De o parte și de alta a joncțiunii se formează o regiune cu caracter de dipol numită strat de epuizare (sărăcire); aceasta dă de fapt grosimea joncțiunii p-n. Stratul de epuizare este pentru fiecare dintre regiunile semiconductoare p și n un strat de suprafață în care concentrația de purtători liberi devine neglijabilă față de concentrația atomilor de impuritate ionizați. Distribuția potențialului și grosimea stratului de epuizare depind în principal de doi factori : de densitatea stărilor de suprafață în cele două regiuni ale joncțiunii p-n și de doparea cu impurități a semiconductorului de bază. Cu cât semiconductorul este mau piternic dopat cu impurități, cu atât grosimea stratului de epuizare este mai mică, pentru căsarcina de suprafață este egală cu sarcina atomilor de impuritate dintr-un volum mai mic.
Caracteristic deci pentru startul de epuizare este faptul că el constituie un domeniu cu sarcină spațială, spre deosebire de volumul semiconductorului care rămâne neutru din punct de vedere electric.
Se poate determina grosimea stratului de epuizare în funcție de concentrația atomilor de impuritate astfel :
În momentul formării joncținuii între atomii donori și acceptori are loc un transfer de sarcina caracterizat prin relația de egalitate :
(1)
unde xn și xp sunt adâncimile de pătrundere ale stratului de epuizare în regiunile de tip n și respectiv p ale joncțiunii, iar Nd și Na – concentrațiile atomilor de impuritate donori respectiv acceptori. Din ecuațiile Poisson ale potențialelor electrice în cele două regiuni ale joncțiunii se poate deduce energia potențială internă a joncțiunii p-n :
. (2)
Grosimea stratului de epuizare va fi :
(3)
sau
(4)
Dacă regiunea p este mult mai intens dopată decât regiunea n a joncțiunii, Na >>Nd, din ecuația (1) rezultă xn >>xp, cu alte cuvinte majoritatea stratului de epuizare se găsește în interiorul regiunii tip n a joncțiunii. Deci,
(5)
Se observă că grosimea stratului de epuizare scade o dată cu creșterea dopajului cu impurități. Rezultatul de mai sus este valabil numai pentru joncțiunile abrupte dintre două regiuni n și p dopate uniform. Dacă concentrația de impurități variază liniar de-a lungul joncțiunii p-n relația de dependență între gradul de dopaj cu impurități și adâncimile de pătrundere a stratului de epuizare va fi dată de egalitatea (2), în care constantele Na sau Nd sunt înlocuite cu N (x). Astfel într-o joncțiune cu distribție liniară în care Na (x)>Nd, pentru x=0 și Nd constantă, sarcina în stratul de epuizare variază proporțional cu x iar potențialul Un proporțional cu x3.
În stratul de epuizare nu există purtători mobili, ci numai sarcina spațială; cu alte cuvinte stratul de epuizare este un izolat. În aceste condiții joncțiunea p-n se comportă ca un condensator plan, a cărui capaciate specifică pe unitatea de suprafață este :
(6)
Într-o joncțiune abruptă, între două regiuni p și n uniform dopate cu impurități, în care xn>>xp, avem
(7)
În prezența unei tensiuni externe U, ecuația anteriaoră devine :
(8)
Se observă că în cazul unei polarizări directe a joncțiunii (U>0), capacitatea joncțiunii crește, pe când la aplicarea unei polarizări inverse (U<0), capacitatea joncțiunii scade. Variația capacității joncțiunii cu tensiunea aplicată pentru o joncțiune abruptă p-n :
(9)
In cazul unei distribuții liniare a dopajului cu impurități în joncțiunea p-n capaciatetea depinde de tensiunea aplicată prin relația :
(10)
unde pentru x=xj este gradientul de impurități al joncțiunii.
În joncțiunea p-n se poate defini un câmp electric mediu .
În cazul unei joncțiuni abrupte, în care Na >>Nd aceasta are valoarea :
. (11)
Din ecuațiile (2) și (5) rezultă :
(12)
Valoarea tipică a lui Un este de circa 1 V, iar cea a lui xn între 10-4 și 10-6 cm. Se obțin astfel intensități de câmp electric în joncțiunea p-n de circa 104 – 106 V/cm. Se poate arăta că aplicarea unei tensiuni negative joncțiunii produce o creștere a intensității câmpului electric proporțională cu rădăcina pătrată a tensiunii exteriaore aplicate. Într-o joncțiune cu distribuție liniară a impurităților câmpul electric crește proporțional cu tensiunea exterioară aplicată la puterea 1/3.
Polarizarea inversă, curentul de saturație și fotoconductibilitatea.
Prin aplicarea unei tensiuni negative unei joncțiuni semiconductoare p-n dopată moderat cu impurități ia naștere un curent invers de valoare redusă datorat deplasării purtătorilor minoritari între cele două regiuni ale joncțiunii. Ele este datorat golurilor generate termic în regiunea n care se deplasează înspre regiunea p, a joncțiunii și electonilor generați termic în regiunea p, care se deplasează înspre regiunea n a joncțiunii. Viteza de generere termică a golurilor în regiunea n în unitatea de volum este :
(13) unde pn este concetrația golurilor în regiunea tip n, iar p timpul de viață mediu al golurilor, în aceeași regiune.
Similar viteza de generare termică a electronilor în regiunea p este :
(14)
în care np este concentrația electronilor în regiunea p și n – timpul de viață mediu al electronilor în aceeași regiune. Golurile vor difuza prin joncțiune în regiunea p pe o distanță Lp numită lungime de difuzie a golurilor, astfel că apare un curent de goluri a cărei densit te de curent va fi :
(15)
Similar, electronii liberi generați termic se deplasează sub acțiunea tensiunii inverse prin joncțiune în regiunea n a semiconductorului formând un curent de electroni cu densitatea de curent :
(16)
practic putem înlocui raportul L/ cu D/L unde D este costanta de difuzue a purtătorilor dată de relațiile :
(17)
și
(18)
Deci, densitatea totală de curent prin joncțiunea p-n va fi (19)
Ideal, orice tensiune inversă aplicată joncțiunii p-n afectează numai statul de epuizare. În realitate în majoritatea semiconductorilor stratul de epuizare este mult mai îngust decât lungmea de difuzie a purtătorilor. Din acest motiv prin creșterea tensiunii inverse nu se va modifica curentul invers.
Deci, curentul invers este saturat și rămâne constant până la străpungerea joncțiunii prin proces de avalanșă. În practică acest curent nu este riguros constant, ci crește ușor cu mărirea tensiunii inverse. Această creștere este datorată apariției unui curent de pirderi cauzat în principal de generarea la suprafața joncțiunii a purtătorilor minoritari respectiv a purtătorilor minoritari în interiorul stratului de epuizare.
Să vedem ce se întâmplă în momentul iluminării joncțiunii p-n polarizată invers, cu un dascicul de radiație emis de un laser sau de o altă sursă de lumină. Excitația opticăpoate produce creșterea concentrației de purtători minoritari prin generare optică a perechilor electron-gol. Este vorma despre un efect fotoelectric intern în care energia radiației incidente este suficient de mare pentru ca electronii din banda de valență sau de pe nivelele de impurități din banda interzisă să treacă în banda de conducție. Dacă excitația optică se produce în interiorul lungimii de difuzare a purtătorilor, curentul de saturație crește.
Acest mecanism se numește fotoconductibilitate, deoarece produce creșterea conductibilității electrice ale semiconductorului. Efectul nu este propriu numai joncțiunii p-n, dar nu poate fi pus în evidență decât în prezența unui câmp electric extern. Fotoconductibilitatea este un proces în care intervin excitațiaoptică șî fenomenul de transport al purtătorilor minoritari în prezența unui câmp electric extern. Considerăm că sub acțiunea fotonilor incidenți, absorbiți în semiconductor, electronii sar în banda de conducție; la procesul de conducție electrică vor participa un număr suplimentar n de electroni, și respectiv, un număr suplimentar de goluri p în banda de valență.
Conductibilitatea electrică va crește cu .
Conductibilitatea în absența iluminării este :
(20)
unde n și p sun tmobilitățile purtătorilor.
În urma iluminări conductibilitatea semiconductorului crește la
=0+ (21)
unde
=e(nn+pp) (22)
Termenul sau fse numește fotoconductibilitate .
În domeniul absorbției fundamentale, numerele nși p,de purtători fotogenerați în unitatea de timp sunt egale între ele și proporționale cu energia luminoasă absorbită în unitatea de volum și unitatea de timp:
n=p=I (23)
unde este coeficientul de absorbție al radiației incidente în semiconductor, I-intensitatea radiației luminoase incidente, iar -un coeficient de proporționalitate numit randament cuantic.
În lipsa recombinărilor sau a altor fenomene de generare, după un timp t, concentrațiile n și p vor fi:
n=p=It (24)
și teoretic ele ar trebui să crească nelimitat.
În practică pe lîngă procesul de generaqre apare simultan un proces de recombinare a purtătorilor minoritari, care după un timp ajung la echilbru dinamic. Acest timp nu poate fi mai mare decât timpul de viață al purtătorilor, în care ei există în stare liberă din momentul generării până în momentul recombinării.
Relațiile anterioare devin:
nst=In (25)
pst=Ip (26)
Existența defectelor din cristal, a impurităților duce la creșterea numărului centrelor de recombinare din semiconductor.Aceste recombinări pot fi directe, prin trecerea electronilor din banda de valență, sau indirecte, prin intermediul capcanelor din banda interzisă, ceea ce duce la scăderea fotoconductibilității. Recombinarea directă este posibilă în semiconductoi cu bandăinterzisă îngustă (Te, Ge, InSb,PbTe ),la temperaturi suficient de ridicate. În majoritatea semiconductorilor însă, in care Wi=0.5-0.7eV,recombinarea are loc prin intermediul centrilor locali de recombinare.
Efectul fotovoltaic în joncțiunea p-n.
La iluminarea unei joncțiuni p-n nepolarizate apar perechi electron- gol care difuzează în regiunea câmpului de contact al joncțiunii p-n unde electronii și golurile sunt dirijați în direcții opuse.ca urmare, semiconductorul se încarcă cu sarcini puse și apare o tensiune electro motoare. Este vorba despre efectul fotovoltaic, fenomenul în care radiația luminoasă produce o tensiune directă în joncțiunea p-n.Considerăm o joncțiune p-n iradiată cu fotoni care au o energie mai mare decât banda interzisă. Absorbția fotonilor produce perechi electron-gol. Cîmpul electric intern va deplasa cele două tipuri de purtători în direcții opuse, electronii în regiunea n și golurile în regiunea p a joncțiunii.
Separarea sarcinilor produce o diferență de potențial în joncțiune. În acest proces purtătorii sunt de tip majoritar dotați cu un timp de viață teoretic infinit. Dar, după fotogenerare, purtătorii de sarcină care depășesc bariera de potențial (b-eU) vor fi injectați în cele două regiuni opuse unde devin purtători minoritari și se recombină. La bornele joncțiunii se poate măsura o tensiune U sau, conectând o rezistență in circuit, un curent de valoare mică. Caracteristica curent – tensiune a joncțiunii p-n este dată de relația
(27)
unde I0 este curentul de saturație al purtătorilor liberi, datorat agitației termice în semiconductori.
Dacă joncțiunea este scurtcircuitată, curentul de scurtcircuit este
Isc=eA(Ln+Lp)G (28)
în care A este suprafața joncțiunii p-n, iar G-viteza de fotogenare a purtătorilor (Isc este un curent al purtătorilor minoritari). Dacă se utilizează în circuitul extern o rezistență de sarcină, curentul prin rezistență are valoarea
(29)
De aici se poate deduce fototensiunea în circuit deschis (I=0):
(30)
Cănd intensitatea radiației luminoase incidente crește se măresc atât curentul de scurtcircuit cât și tensiunea în gol, U0.curentul Isccrește liniar cu intnsitatea radiației conform cu relația (28) pe când tensiunea în gol U0 crește logaritmic ca în ecuația (30).
Efectul fotoelectric intern în contactul metal – semiconductor.
Contactul metal- semiconductor prezintă importanță aăt pentru faptul că poate reprezenta un dispozitiv electronic separat cât și pentru funcționarea asemănătoare a aproape tuturor dispozitivelor semiconductoare și circuitelor integrate.
Când un metal este pus în contact cu un semiconductor, apare o diferență de potențial de contact determinată de diferența dintre energiile de ieșire ale metalului, M și semicomductorului S . La aducerea celor două corpuri în contact în primul moment există o situație de dezechilibru. Imediat apare o redistribuție a sarcinilor însoțită de formarea unui strat de contact în semiconductor.Între metal și semiconductor are loc un schimb de electroni, pînă când nivelele Fermi FM si FS coincid și nu mai are loc o trecere netă de electroni.
Se produce astfel o deformare la suprafața semiconductorului a marginilor benzilor energetice ale acestuia numită efect Schottky.
Dacă nivelul Fermi în metal este mai puțin adânc decât în semiconductod (M<S), atunci se obține o trecere predominantă de electroni din metal în semiconductor, iar stratul de contact din semiconductor capătă caracter de strat de acumulare.
Un astfel de strat oferă o rezistență electrică mică în comparație cu rezistențestului semiconductorului. Dacă (M>S), prin punerea în contact a celor două corpuri se obține o trcere predominantă de electroni din semiconductor în metal, iar stratul de contact devine un strat de epuizare. Rezistența stratului de contact devine importantă și poate predomina față de rezistența restului semiconductorului. În această situație stratul de epuizare se numește barieră Schottky.
Înălțimea barierei B depinde de diferența M-S și este :
B=M-S (31)
Densitatea de curent în contactul metal- semiconductor în prezența unei tensiuni externe U este dată de relația:
, (32)
unde J0120T2(A/cm2),T fiind temperatura absolută a semiconductorului.
În ultimi ani s-au realizat fotodiode semiconductoare cu strot de barieră Schottky, în care fotodetecția se face prin efect fotoelectric intern.
Efectul de avalanșă și fotodioda de avalanșă.
Revenind la joncțiunea p-n polarizată invers, la o tensiune inversă ridicată un purtător minoritar(un electron) care contribuie la curentul de sarurație invers, poate fi accelerat în cîmpul electric al joncțiuni până la o energie cinetică egală sau mai mare cu 3/2 Wi. El poate transfera o parte din această energie unui electron din banda de valență trecându-l în banda de conducție. În acest fel se genereaxă o pereche electron-gol iar electronul primar pierde o parte din enr\ergie deplasându-se spre marginea inferioară a benzii de conducție. S-au format astfel doi electroni care pot primi energie cinetică de la câmpul electric din joncțiune.Când acești electroni capătă o energie cinetică de circa 3/2 WI, ei vor putea la rândul lor două perechi electron-gol și procesul se repetă în regim de avalanșă.
La o anumită densitate de purtători liberi de mare energie, fenomenul de avalanșă nu mai poate fi controlat și se produce străpungerea termică a joncțiuni.Străpungerea prin avalanșă este localizată în câteva microplasme care pot fi puse în evidență datorită recombinărilor radiative care însoțesc procesele de formare ale perechilor electron-gol.Fiecare microplasmă lucrează intermitent, în impulsuri.
Microplasmele sunt favorizate de dislocații, neomogenități din interiorul stratului de epuizare.Procesul de avalanșă este însoțit de un curent de zgomot.El este evidențiat printr-o caracteristică curent-tensiune în care curentul este proporțional cu tensiunea la puterea 3-6.
Curentul invers de avalanșă este dată de o relație empirică:
IR=MIS (33)
unde IS este curentul de saturație în lipsa procesului de avalanșă, iar M-un factor de multiplicare.
El se poate calcula cu relația:
(34)
relație în care UR este tensiunea inversă de lucru, Ust-tensiunea de străpungere prin efect de avalanșă a joncțiuni (când M-), iar n are valori cuprinse între 3-6.
Polarizând joncțiunea p-n cu o tensiune inversă UR mai mică decât tensiunea de străpungere Ust, factorul de multiplicare prin efect de avalanșă este suficient de mare pentru ca fotocurentul inițial să fie amplificat. Acest principiu este folosit în realizarea fotodiodelor de avalanșă.
CIRCUITE DE FOTODETECȚIE ȘI PARAMETRII FOTODIODELOR SEMICONDUCTOARE
Detecția semnalelor mici. Circuitul echivalent și sursele de zgomot.
Prin semnal mic într-o fotodiodă se înțelege semnalul care produce un curent de cel mult zece ori mai mare decât curentul de zgomot în fotodiodă. Circuitul de bază de fotodetecție este reprezentat în fig. 4.15,în care foto dioda este polarizată invers printp-o rezistență de sarcină RL.
Tensiunea de semnal obținută prin rezistența de sarcină RL va fi un semnal alternativ, cu frwcvența egală cu frecvența de modulație a fluxului de radiație incident() pe suprafața activă a fotodiodei. Fluxul de radiație va produce prin fotodiodă un fotocurent Is. Relația dintre fotocurent și fluxul de radiație este :
Is=R (35)
unde R este o constantă caracteristică fotodetectorului, numită responsivitate și care se măsoară în A/W; ea este dependentă de lungimea de undă a radiației incidente. Fluxul de radiație se măsoară în wați.
În absența semnalului și a unei radiații de fond incidente (în întuneric), în circuitele de fotodetecție apare un curent de întuneric Id.
Circuit de polarizare al fotodetectorului
În curent alternativ zgomotul în fotodioda semiconductoare este format din trei părți principale:-zgomotul termic,
-zgomotul de alice,
-zgomotul în exces, numit și”zgomot 1/f”.
La frecvențe mai mici de 1kHz, zgomotul predominant este zgomotul 1/f pe când peste 1kHz acest zgomot poate fi neglijat.Zgomotul în exces este asociat curentului de scurgeri de suprafață al joncțiunii p-n.El poate fi eliminat constructiv printr-o anumită tehnologie a fotodiodei semiconductoare.
Zgomotul total în fotodioda semiconductoare poate fi exprimat prin relația:
(36)
Zgomotul termic ij2 este un zgomot de tip Johnson datorat mișcărilor aleatorii ale purtătorilor în rezistența serie afotodiodei (Rs) și în rezistența de sarcină (RL).
Valoarea pătratică medie a curentului de zgomot termic este:
(37)
unde k este constanta lui Boltzmann (1.38*1023J/K), T-temperatura absolută a materialului (K), iar B-banda efectivă a circuitului de măsurare a curentului de zgomot (Hz).
Zgomotul de alice este un rezultat al trecerii aleatoare a purtătorilor discreți din curentul de întuneric prin joncțiunea semiconductoare a fotodiodei.
Valoarea medie pătratică a curentului de zgomot de alice, datorat variațiilor aleatorii ale curentului de întuneric este:
In2=2eIdB (38)
Zgomotul termic și zgomotul de alice sunt zgomote “albe” și au o distribuție gaussiană. Deoarece aceste două tipuri de zgomote sunt statistic independente, se poate defini un curent de zgomot total prin relația:
(39)
Zgomotul fotodetectorului este dependent de tensiunea de alimentare, de temperatură și de banda de trecere a circuitului de măsurare.
Zgomotul de alice, datorat curentului de întuneric, și zgomotul 1/f, datorat pierderilor de curent de suprafață, pot fi reduse printr-o tehnologie adecvată de fabricație a fotodetectorului. Zgomotul de alice crește datorită fluctuațiilor intrinseci în fotoexcitația purtătorilor.Când fotodioda nu are amplificare internă prin efect de avalanșă, zgomotele termice cresc datorita rezistenței de sarcină a fotodiodei și a altor elemente ale amplificatorului cuplat cu acesta.
Când se folosesc fotodiode de avalanșă, semnificația zgomotului termic se reduce. Dar, multiplicarea purtătorilor prin efect de avalanșă este un proces aleator, care introduce zgomote importante. Aceste zgomote în exces se manifestă prin creșterea zgomotului de alice peste nivelul rezultat din amplificarea curentului de zgomot primar.
Valoarea medie a curentului de semnal, după amplificarea internă prin efect de avalanșă, este:
(40)
unde M este factorul de multiplicare mediu, iar ip-fotocurent primar.Se consideră că fotocurentul primar are o componentă de curent continuu, IP. În această situație zgomotul de alice va avea expresia :
(41)
Valoarea pătratică medie a factorului de multiplicare M2 este o funcție statistică a procesului de amplificare prin efect de avalanșă.Pentru un mare număr de fotodiode de avalanșă, s-a găsit formula:
(42)
unde x > 0 și FMeste considerat un factor de zgomot în exces, dependent de factorul de multiplicare prin efect de avalanșă, M.
Parametrii principali ai fotodiodelor.Definim randamentul cuantic sau eficacitatea cuantică a unui fotodetector ca raportul dintre numărul de electroni eliberați prin efect fotoelectric, ns , și numărul de fotoni F incidenți în unitatea de timp pe suparafața activă a fotodetectorului.
În locul randamentului cuantic se folosește noțiunea de responsivitate R, care definește raportul dintre valoarea medie a fotocurentului generat la ieșirea fotodetectorului și valoarea medie a fluxului de radiație incident (W):
(44)
Responsivitatea unui fotodetector ca și randamentul său cuantic depinde în primul rând de lungimea de undă a radiației incidente. Ea depinde de frecvența de modulație a fasciculului incident de radiația mediului ambiant (radiația de fond), Pb, de temperatura absolută a materialului semiconductor T, ca și de factorul de multiplicare, a fotodiodei, M.
Există deci relatia:
R=R(, f, Pb, T, M ) (45)
În cazul fotodiodelor de avalanșă, valoarea responsivități depășește unitatea având valori tipice de peste A/W.Uneori se folosește noțiunea de sensibilitate S, care se definește drept raportul dintre curentul de semnal în rezistența de sarcină, Is ( A) și puterea radiației incidente pe unitatea de suprafață activă a fotodetectorului (iradiația) în mW/cm2 :
(46)
Un parametru important al fotodetectorilor este puterea de radiație minimă detectabilă, numită putere echivalentă de zgomot. Ea se definește ca valoare afluxului de radiație care produce un semnal egal cu valoarea semnalului de zgomot deci un raport semnal/zgomot egal cu unitatea.
Puterea echivalentă de zgomat se măsoară cu o bandă de zgomot B=1Hz și se calcul;ează cu relația:
(47)
Circuite de fotodetecție și caracteristicile lor.
Există două regimuri diferite de lucru ale unei fotodiode:
-regim de lucru fotovoltaic
-regim de lucru fotoconductiv.
În regim de lucru fotovoltaic fotodioda lucrează fără polarizare externă, pe când în regim de lucru fotoconductiv, fotodioda este polarizată invers de la o sursă externă de tensiune.
Fiecare regim de lucru are aspectele sale de bază. Astfel în regim de lucru fotovoltaic, fotodioda nu are curenți de scurgeri de suprafața și deci nici curenți de zgomot 1/f, ceea ce înseamnă că se pot măsura energii luminoase foarte scăzute. Lucrând în regim fotoconductiv, se obține în schimb o capacitate mai mică a fotodiodei din cauza polarizării inverse a joncțiunii.
Viteza de răspuns a fotodiodei este determinată în principal de produsul dintre capacitatea joncțiunii și rezistența de sarcină.Prin timp de creștere sau viteză de răspuns a unei fotodiode semiconductoare se înțelege timpul în care electronii și golurile produși prin efectfotoelectric intern sunt colectați de către electrozii diodei, deci priduc un semnal electric la ieșirea fotodiodei. Timpul de creștere cel mai redus se obține în fotodetectori cu strat de epuizare total, care elimină teoretic orice rezistență serie Rs în circuitul echivalent, și cu o rezistență de sarcină RL redusă, de regulă 50 ohmi.
Nivelul tensiunii inverse de polarizare influențează și procesul de colectare apurtătorilor liberi în joncțiune. Se pot obține deci responsivități ridicate lucrând în regim fotoconductiv.
Obținerea unui timp de creștere redus al semnalului la ieșirea de fotodetecție necesită o rezistență de sarcină mică. O astfel de condiție poate fi ușor realizătă în practică utilizând ca sarcină a fotodiodei un amplificator operațional cu reacție negativă prin rezistența Rf. Fotodioda este conectată la intrarea inversoare a amplificatorului operațional, iar la intrarea neinversoare a acestuia se conectează o sursă de tensiune suplimentară pentru a împiedica bascularea amplificatorului (intrarea sa în saturație) în cazul unui semnal mare la ieșirea fotodiodei.
Lucrul în regim fotoconductiv implică apariția unui curent de scurgeri cauzat de polarizarea diodei, iar produsul dintre acest curent și rezistența de reacție negativă Rf va produce o tensiune externă suplimentară la ieșirea circuitului.Compensarea acestei tensiuni se poate face prin aplicarea unei tensiuni reglabile pe intrarea neinversoare a amplificatorului operațional.
Lucrând în regim fotovoltaic, cu rezistențe de sarcină mică,curentul la ieșirea fotodiodei variează liniar cu puterea radiației incidente.Această condiție se poate realiza ușor tot prin intermediul unui convertor curent –tensiune cu amplificator operațional.
Tensiunea la ieșirea amplificatorului va fi egală cu produsul dintre fotocurentul la ieșirea fotodiodei și rezistența de reacție,Rf.
Frecvența minimă de lucru va fi dată de relația:
(48)
unde Rp este valoarea rezistenței joncțiunii Rj în paralel cu rezistența de polarizare a fotodiodei Rb, iar Cc-capacitatea condensatorului de cuplaj.
Sistemele servo și mecanice
Noțiuni generale
Un sistem servo este un sistem mecano-electric ce presupune controlul continuu al funcționării unui dispozitiv mecanic (motor) prin intermediul unor semnale electrice.
În aplicațiile din CDP-uri semnalul electric de comandă provine din prelucrarea semnalului de eroare, care la rândul său rezultă din compararea a două mărimi, dintre care una este de referința.
Schema generală a unui CDP este organizată sub forma unei bucle care cuprinde sistemul mecanic a cărui funcționare urmează a fi controlată, un etaj traductor care transformă mărimea mecanică într-o mărime electrică ce urmează a fi prelucrată în buclă , un comparator, care evidențiază eroarea între mărimea electrică provenită de la sistem și omărime electrică de referință și un sistem de prelucrare a semalului de eroare provenit d la comoarator până ce ajunge la nivelul și forma necesare comenzii sistemului mecanic în vederea compensării totale a erorii detectate.
Din punct de vedere al modului de prelucrare a semnalelor electrice din bucla servo, sistemele servo se împart în două categorii:
a-sisteme servo convenționale(analogice),la care semnalul de eroare detectat, de forma analogică este amplificat și prelucrat analogic până ce se obține semnalul de comandă al mecanismului. Aceasta reprezintă varianta de început a sistemelor servo utilizate în CDP-uri.
b-sisteme servo digitale, la care semnalul de eroare detectat este de formă analogică, însă este folosit pentru generarea unor semnale digitale prelucrate cu o deosebită precizie.Acestea din urmă comandă funcționarea generatorului de curent care stabilește regimul de lucru al mecanismului comandat.
Sistemele servo digitale au fost preferate în ultima vreme sistemelor convenționale datorită preciziei cât și vitezei de corecție în buclă, asigură o foarte ușoară și eficientă comunicare cu sistemul de comamdă și control pe bază de microprocesor.
Schema unui servosistem digital este dată de : primul etaj este un convertor A/D care tronsformă semnalul de eroare analogic într-un semnal digital. La sfîrșit, semnalul digital este folosit pentru a se reconstitui semnalul analogic inițial (semnalul de eroare).Convertorul D/A poate să asigure la ieșire mărimea analogică în două moduri :
-refăcând valoarea analogică prin impulsuri cu amplitudinea proporțională cu valoarea metodă numită impulsuri modulate în amplitudine;
refăcând valoarea analogică prin impulsuri modulate în durată.
Schema bloc a sistemului servo CDP
Schema bloc a sistemului servo dintr-un CDP este dată în figura 6.3
In ele sunt reprezentate cele patru sisteme de bază și sistemul mecanic de încărcare-descărcare a discului controlat de sistemul de comandă și control.
Din schema bloc reiese că trei dintre sistemele servo au partea finală (mecanică) cât și prima parte (detectorul de eroare) poziționate pe capul de citire optic.
Servosistemele unui CDP-schema bloc
Servosistemul de focalizare
Schema bloc a servosistemului de focaluzare este dată în figura 6.4.a
Semnalul de eroare focalizare (FE) zin funcție de mărimea și sensul abateri de la situația focalizării corecte va avea diferite valori :
-o valoare negativă, cu amplitudinea proporțională cu abaterea în cazul unei distanțe focale prea mici (Fig. 6.4. c);
-o valoare pozitivă proporțională cu abaterea în cazul unei distanțe focale prea mari(Fig. 6.4.d);
-valoarea nulă în cazul focalizării fasciculului chiar pe suprafața reflectorizantă a discului (Fig.64.b).
Semnalul de eroare de focalizare odată detectat, poate fi prelucrat în două moduri:
Analogic-este filtrat, amplificat și apoi folosit pentru a comanda un generator de curent continu folosit pentru corecția poziției relative a capului de citire față de disc.El va activa poziționerul care va realiza o deplasare sus-jos în vederea compensării erori sesizate.
Digital –semnalul de eroare FE este transformat în semnale digitale. În final, semnalul analogic refăcut va fi folosit la comanda circuitului de generare a curentului de alimentare a poziționerului.
Servosistemul de focalizare:a -schema b;oc; b –fascicul focalizat corect; c –fascicul cu punct focal prea apropiat; d –fascicul cu punct punct focal prea depărtat
Servo sistemul de tracking
Schema bloc a servosistemului de tracking este dată în figura 6.5.
Detectorul și mecanismul de compensare se află amplasate în blocul funcțional cap de citire optic.
Modul de detectare a semnalului de eroare tracking este diferit la cele două sisteme optice:
– în cazul sistemului optic cu 3 spoturi, semnalul de eroare notat TE este un semnal analogic,
în cazul sistemului optic cu un singur spot semnalul este constituit dintr-o succesiune de impulsuri de polaritate diferită, funcție de abatere.
Funcționarea sistemului este asemănătoare cu funcționarea sistemului de focalizare. Semnalul de eroare (TE) este prelucrat, în final el comandînd mărimea și sensul curentului prin cea de a doua bobină a poziționerului.
Semnalul de eroare tracking este transmis și la servosistemul de mișcare transversală a capului de citire optic care îl folosește pentru comanda motorului respectiv.
Servosistemul tracking: a –schema bloc; b –forma semnalului de eroare
Servosistemul de deplasare transversală
Schema bloc a unui sistem de deplasare transversală este : motorul este amplasat pe capul de citire optic, asigurând sistemului optic al acestuia o deplasare liniară dealungul razei discului pe o distanță de circa 33mm.
Sub aspect constructiv în tehnica CDP sunt folosite două variante de motoare de deplasare transversală: motorul liniar și motorul de rotație cu dispozitiv cu șurub.
Pentru funcționarea normală a CDP în regim de redare a înregistrării, semnalul folosit pentru comanda servosistemului este tot semnalul de eroare tracking (TE).
Ca și restul servosistemelor din CDP, și servosistemul de deplasare transversală este realizat în ultima vreme în variantă digitală,cu atât mai mult cu cât acest servosistem acționează strict sub controlul sistemului de comandă și control supravegheat de microprocesor.
Servosistemul de rotire al discului CLV
Principala funcție a sistemului este asigurarea unei viteze liniare constante a discului față de capul de citire optic, indiferent de poziția sa pe raza discului. Semnalul de eroare este obținut prin compararea a două semnale de tact:
semnalul de tact PLCK1 provenit de la bucla PLL care reface forma semnalului digital din semnalul de RF. Acest semnal asigură tactul tuturor procesărilor digitale ale semnalului de AF, până la înscrierea în memoria RAM. El este sincronizat de semnalul EFM și conține toate abaterile de frecvență ale semnalului real, dotorate funcționării mecanismelor CDP-ului;
semnalul de tact PLCK2 provenit de la un oscilator cu cuarț de stabilitate foarte bună. Acest semnal asigură tactul de citire din memoria RAM a semnalului redat, asigurând astfel eliminarea fluctuațiilor semnalului AF.
Din compararea celor două semnale rezultă semnalul de eroare de rotire notat cu ER.
Servosistemul de rotire asigură o precizie foarte mare vitezei de rotație, de ordinul 10-6 – precizia frecvenței cristalului, care împreună cu precizia sistemului de translație a capului de citire asigură practic eliminarea oricărei fluctuații observabile a sunetului la redare.
Mecanismul de încărcare descărcare a discului
Mecanismul de încărcare / descărcare a discului asigură toate deplasările discului de la introducerea sa în CDP până când ajunge în poziția de redare, respectiv deplasările la extragerea discului pornind de la poziția de redare până ce este adus într-o poziție acesibilă utilizatorului pentru apuea fi apucat comod cu mîna.
Mecanismul este foarte complex și permite două mișcări. Una este o mișcare de translație și cealaltă mișcare este una de lift care așează liftul în poziția de redare respectiv ridică discul din poziția de redare.
În practică, pentru efectuarea acestei operații (de lift) sunt folosite două variante constructive:
dispozitiv cu un singur motor, la care încărcarea cât și descărcarea discului sunt realizate cu ajutorul unui singur motor electric cuolat într-un sens sau în altul;
dispozitiv cu două motoare, la care fiecare operație este realizată cu câte un motor separat.
Astăzi se folosește aproape numai varianta cu un singur motor.
Pe lîngă partea mecanică sistemul de încărcare descărcare este prevăzut și cu o serie de sesizoare care transmit informația sistemului de comandă și control. Indiferent de complexitatea CDP-ului sunt necesari minimum 2 sesizoare. Acestea sunt două microîntrerupătoare care sesizează cele 2 poziții extreme ale sertarului cu CD:
sertar introdus sistem închis;
sertar ieșit din carcasa CDP (sistem deschis).
Uzual, CDP – ul folosește și un sesizos optic care detectează existența discului în CDP.
Aceste informații transmise sistemului de comandă și control condiționează funcționarea CDP-ului.
Copyright Notice
© Licențiada.org respectă drepturile de proprietate intelectuală și așteaptă ca toți utilizatorii să facă același lucru. Dacă consideri că un conținut de pe site încalcă drepturile tale de autor, te rugăm să trimiți o notificare DMCA.
Acest articol: Analiza Si Proiectarea Unei Memorii Optice pe Disc de Tip Read Only Cd Player, Video Disc Player, Cd Rom (ID: 149247)
Dacă considerați că acest conținut vă încalcă drepturile de autor, vă rugăm să depuneți o cerere pe pagina noastră Copyright Takedown.