Принцип работы и устройство дисководов CD-ROM и DVD-ROM

Принцип работы и устройство дисководов CD-ROM и DVD-ROM В лазерных дисководах CD-ROM и DVD-ROM используется оптический принцип записи и считывания информации. В процессе записи информации на лазерные диски для создания участков поверхности с различными коэффициентами отражения применяются различные технологии: от простой штамповки до изменения отражающей способности участков поверхности диска с помощью мощного лазера. Информация на лазерном диске записывается на одну спиралевидную дорожку (как на грампластинке), содержащую чередующиеся участки с различной отражающей способностью.

Одно из слабых мест Blu-ray – очень маленькое расстояние между записывающим слоем и поверхностью – 0, 1 мм по сравнению с 0, 6 в DVD и HD -DVD. Первоначально единственным способом защиты от повреждений в BD-дисках был картридж. Но затем рядом компаний (например, TDK) были разработаны специальные защитные покрытия, противостоящие царапинам и накоплению грязи, что позволило избавиться от картриджей.

В процессе считывания информации с лазерных дисков луч лазера, установленного в дисководе, падает на поверхность вращающегося диска и отражается. Так как поверхность лазерного диска имеет участки с различными коэффициентами отражения, то отраженный луч также меняет свою интенсивность (логические 0 или 1). Затем отраженные световые импульсы преобразуются с помощью фотоэлементов в электрические импульсы и по магистрали передаются в оперативную память.

CD-диск приводится в движение двигателем, являющимся исполнительным элементом системы автоматического регулирования частоты вращения диска. Эта система обеспечивает изменение частоты вращения в зависимости от положения головки воспроизведения и, как следствие, постоянной стабильной скорости считывания информации, записанной на диске. Число оборотов в минуту является переменным и изменяется непрерывно от 500 об/мин при расположении головки воспроизведения на внутреннем диаметре CD (в начале проигрывания) до 200 — на внешнем диаметре. При этом обеспечивается постоянная линейная скорость воспроизведения 1, 25 м/с и считывание информации с постоянной скоростью 4, 3218 Мбит/с.

Схематичное изображение лазерной считывающей головки

Сервомотор по команде от внутреннего микропроцессора привода перемещает отражающее зеркало. Это позволяет точно позиционировать лазерный луч на конкретную дорожку. Луч проникает сквозь защитный слой пластика и попадает на отражающий слой алюминия, серебра или золота на поверхности диска. При попадании его на выступ, он отражается на детектор и проходит через призму, отклоняющую его на светочувствительный диод. Если луч попадает в ямку (пит), он рассеивается, и лишь малая часть излучения отражается обратно и доходит до светочувствительного диода. На диоде световые импульсы преобразуются в электрические.

Яркое излучение преобразуется в единицы, слабое – в нули. Таким образом ямки воспринимаются дисководом как логические нули, а гладкая поверхность как логические единицы. Отметим, что сформированные лазерным лучом питы очень малы по размеру. Примерно 30 -40 впадин соответствуют толщине человеческого волоса, а это примерно 50 мкм. Лазер может попадать на участки «flat» или «pit» . В первом случае фотодектор регистрирует отраженный от поверхности металла луч, во втором — ничего. Для диска глубина ямки должна быть не больше одной шестой длины волны лазера (измеряется в сотнях нанометров). Соотносятся «pit» с компакт-диском — примерно как песчинка и стадион.

!vml]--> Увеличенное схематичное изображение поверхности CD-диска

Различают диски с органическим (в основном диски CD-R-типа) и неорганическим (в основном CD-RW диски) активным материалом. При использовании органического активного материала запись осуществляется путём разрушения химических связей материала, что приводит к его потемнению (изменению коэффициента отражения материала). При использовании неорганического активного материала запись осуществляется изменением коэффициента отражения материала в результате его перехода из аморфного агрегатного состояния в кристаллическое и наоборот. И в том и в другом случае запись производится модуляцией мощности лазера.

]--> Блок-схема проигрывателя CD

Во время записи мощный лазерный луч нагревает небольшие участки активного слоя. Под воздействием высокой температуры меняются свойства вещества регистрирующего слоя в месте нагрева, в результате он перестает пропускать свет. В других местах, которые не разогревались лазером, свет по-прежнему беспрепятственно проходит через регистрирующий слой. В качестве материалов для регистрирующего слоя обычно используются цианин и фталоцианин.

Прозрачность регистрирующего слоя CD-RW зависит от того, в каком состоянии это вещество находится, в аморфном или в кристаллическом. Если нагреть регистрирующий слой до достаточно высокой температуры и затем резко охладить его, то вещество переходит в аморфную форму. Именно так происходит процесс записи. На чистом диске CD-RW регистрирующий слой находится в кристаллической форме. Мощный луч записывающего лазера разогревает участок поверхности и выключается, диск быстро остывает и в этом месте часть активного слоя переходит в аморфную форму. Для того, чтобы вернуть вещество активного слоя в кристаллическое состояние, его опять нагревают, но до меньшей температуры (менее интенсивным лучом). И вещество возвращается в кристаллическое состояние. Такую операцию можно проводить около 1000 раз, именно столько циклов перезаписи выдерживают CD-RW диски.

Базовые типы лазерного звукоснимателя: а) салазочный, б) поворотный рычаг

По конструкции различают четыре типа DVD дисков (в скобках приведена максимальная емкость записи): · DVD-5 (Single-sided, single-layer disc) - однослойные односторонние диски. Запись данных только на одной стороне диска в одном слое (4, 7 Гбайт); · DVD-9 (Single-sided, double-layer disc) - односторонние диски запись на которых осуществляется в двух слоях (8, 5 Гбайт). Внутренний слой данных образуется прессованием и напылением отражающего слоя, как в обычном аудио компакт диске, внешний полупрозрачный слой наносится поверх внутреннего. Считывание данных с внутреннего или внешнего слоя производится с помощью перефокусировки оптической системы; · DVD-10 (Double-sided, single-layer disc) - двухсторонний диск с одним информационным слоем (9, 4 Гбайт); · DVD-18 (Double-sided, double-layer disc) - двухсторонний диск с двумя информационными слоями (17 Гбайт).

Диск Blu-ray Этот формат коренным образом отличается от DVD. В нём используются совершенно новые алгоритмы считывания и обработки информации, что позволяет добиться большей гибкости физической структуры накопителей. Например, длина пита может быть 0, 138, 0, 149 или 0, 160 мкм. Записывающий слой на диске располагается всего лишь на расстоянии 0, 1 мм от поверхности. В результате уменьшаются искажения лазерного луча и время отклика. Всё это позволяет значительно снизить размеры питов и расстояния между дорожками по сравнению с обычным DVD. Итог: на BD-диск помещается 23, 3, 25 или 27 Гбайт данных.

Размеры питов на CD, DVD и BD разница между тремя поколениями оптических носителей

В приводе компакт-дисков можно выделить несколько базовых элементов: лазерный диод, сервомотор, оптическую систему (включающую в себя расщепляющую призму) и фотодетектор. Считывание информации с компакт-диска, так же как и запись, происходит при помощи лазерного луча, но, разумеется, меньшей мощности. Поверхность оптического диска (CD-ROM) перемещается относительно лазерной головки постоянной линейной скоростью, а угловая скорость меняется в зависимости от радиального положения головки. Таким образом, чтение внутренних дорожек осуществляется с увеличенным, а наружных - с уменьшенным числом оборотов. Именно этим обуславливается достаточно низкая скорость доступа к данным для компакт-дисков.

Одним из основных узлов CD-проигрывателя является головка воспроизведения (лазерный звукосниматель). В его задачу входит формирование правильного светового пятна диаметром около 1 мкм. Этот луч “просматривает” поверхность CD-диска и производит считывание информации. Лазерный звукосниматель в своем составе имеет ряд оптических элементов, с помощью которых световое излучение полупроводникового лазера фокусируется строго в плоскости CD. Считывание информации осуществляется фотоприемником, который реагирует на свет, отраженный от CD.

Электропривод современного накопителя на жестких магнитных дисках (HDD - Hard Disk Drive), или винчестер состоит из шпиндельного синхронного двигателя, магнитоэлектрического позиционера магнитных головок и платы электроники. Электроника обеспечивает позиционирование магнитных головок на магнитном диске, управление шпиндельным двигателем, а также автоматическую парковку головок на специальную парковочную площадку при отключении питания компьютера.

Жесткий диск, или винчестер предназначен для записи и хранения информации на магнитных носителях, выполненных в виде алюминиевых, керамических или стеклянных дисков. Стеклянные диски обладают меньшим коэффициентом линейного теплового расширения, что позволяет при их использовании увеличить плотность записываемой информации. На поверхность диска наносится тонкий слой вещества, способного сохранять остаточную намагниченность. После нанесения слоя поверхность диска шлифуется.

Линейные и поворотные системы позиционирования с шаговыми двигателями Линейный привод с шаговым двигателем устанавливается снаружи герметичного блока винчестера, его вал проходит внутрь через отверстие с герметизирующей прокладкой. Назначение отдельных деталей такого привода понятно из приведенного рисунка.

На рисунке приведена поворотная система позиционирования с шаговым двигателем. Приводы с шаговыми двигателями обладают большой инерционностью. Поэтому в настоящее время шаговые приводы в винчестерах не используются.

Основным недостатком позиционеров с шаговыми двигателями является температурная нестабильность положения головки записи/считывания относительно нужной дорожки на магнитном диске винчестера. Это обусловлено тем, что при изменении температуры линейные размеры магнитных дисков изменяются, происходит смещение магнитных дорожек относительно своих прежних положений. Так как ротор шаговых двигателей может устанавливаться только в фиксированных положениях, такой позиционер не может переместить головку на расстояние, меньшее одного шага поворота ротора, чтобы скомпенсировать перемещение дрожек, вызванных изменениями температуры. .

Система позиционирования с подвижной катушкой Для позиционирования магнитных головок относительно магнитного диска используют магнитоэлектрическую систему, состоящую из обмотки и постоянного магнита. Приборы магнитоэлектрической системы работают на принципе взаимодействия подвижной катушки с током и поля постоянного магнита.

Увеличение плотности записываемой на магнитном диске информации зависит от точности позиционирования головок. Поэтому в последнее время стали использовать двухступенчатую систему позиционирования, состоящую из обычного позицинера и пьзоэлектрического микропривода. Сначала головка позиционируется обычным способом, а затем дводится до нужного положения пьезоэлектрическим микроприводом. Пьезоэлектрический микропривод устанавливается между коромыслом перемещения головок и самими головками. Применение пьезоэлектрического микропривода позволяет достичь точности порядка 100 нанометров.

Увеличенное изображение пьезоэлектрического позиционера.

ШПИНДЕЛЬНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ Синхронный шпиндельный двигатель состоит из статора, имеющего явно выраженные полюса, и внешнего ротора с кольцевым постоянным магнитом. На полюсах статора выполнена многовитковая многофазная обмотка, чаще всего, трехфазная. Статор жестко закреплен на корпусе Трехфазный синхронный шпиндельный двигатель с внешним ротором

Асинхронный пуск такого двигателя невозможен, поскольку отсутствует пусковая обмотка типа беличьей клетки. Для запуска шпиндельного двигателя применяется плавное изменение частоты питающего напряжения от 1 -2 Гц до 1000 Гц. Стандартные скорости вращения для разных моделей винчестеров составляют 4800, 5600, 7200, 9600, 10 000, 15 000 об/мин.

Шпиндельные двигатели должны отвечать следующим требованиям: • Иметь высокую надежность, чтобы работать в течение длительного времени и выдерживать тысячи циклов включения/выключения. • Вращение ротора должно происходить без какихлибо вибраций и с постоянной скоростью. • Двигатель не должен быть источником чрезмерного тепла и акустического шума. • Двигатель не должен потреблять много энергии.

Для записи и считывания информации используются разные головки. Для записи используется индуктивная головка, а для считывания магниторезистивная. Это обусловлено тем, что на основе магниторезистивного эффекта можно построить только считывающее устройство. Для считывания информации магнитная головка в настоящее время не применяется, так как имеет большой уровень шумов и зависимость амплитуды считываемых сигналов от скорости вращения магнитного диска. Расстояние между комбинированной головкой записи/считывания (индуктивная для записи и магниторезистивная для чтения) и диском с двойным ферромагнитным слоем находится в пределах 40 нм. Головки чтения и записи объединены в одну конструкцию.

Структурная схема управления позиционированием головок с соленоидным двигателем