光电检测技术光盘机伺服原理.docx
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光电检测技术光盘机伺服原理
§10-3光盘机伺服原理
光盘光学头要想从光盘表面获取信号,必须实现光斑与光盘轨道的循迹伺服和聚焦伺服,还要进行主轴转速控制。
一、循迹伺服原理
(1)三光束法检测原理
为保证跟踪其节距仅为1.6μm的信号轨迹,必须设有伺服系统。
循迹伺服系统是VCD机中最重要的伺服机构之一,其作用是通过物镜的横向移动,使激光束能正确地环绕碟片的信号面循迹。
在CD与VCD系统中,广泛采用三光束法取出循迹信号误差,如图10-7所示。
在图中,给出了主、副三光束光线照射到碟片上的变化情况。
主、副三光束均被聚焦成极细小的光点,投射到碟片信号面的相邻坑点上,各自的反射光分别由A、B、C三个光电二级管组合的光检测器所接收,并输出与其明暗程度相对应的电压VA、VB及VC。
图中(b)表示主光束准确的照射到主信迹上,此时从副光束A、C检出的光量相等,即VA-VC=0,说明主光束照射正确,勿须循迹。
当光点偏离到坑点列的下方时,光点A因位于反射面,其反射光较明亮,而光点C因位于主信迹部分,其反射光因绕射而变得较暗,则两个光电二极管输出的电压不等,即VA>VC,如图中(a)所示,其差VA-VC>0。
若光点偏离到坑点列的上方,则光点A因位于主信迹部分,其反射光较暗,而光点C由于处于反射面,则光点C的反射光较明亮,此时VA-VC<0。
可见VA-VC之差是被用来作循迹伺服误差信号的。
此循迹误差信号,经电子电路放大后,传递到双轴传动系统,执行自动控制操作,便保证了光点B始终能循迹在主信迹上,完成导向任务,使VA-VC之差始终保持在误差范围之内。
(2)循迹精度
光盘轨迹的节距仅为1.67μm,光斑(艾里斑)直径为(取λ=780nm,NA=0.45)
而光盘偏心与主轴跳动达±70μm。
对存在循迹误差时信号读取情况考察的表明,循迹误差最好抑制到±0.1μm左右,则伺服增益为
(3)二级循迹伺服系统
循迹线圈驱动光学头作精伺服,消除高频误差;滑动进给电机驱动光学头小车作粗伺服,消除低频误差。
循迹原理框图,如图10-8所示。
系统控制电路是控制循迹伺服系统工作的,即当碟片开始旋转,放大的循迹误差信号送至循迹线圈时,物镜便环绕碟片的信号面作横向移动,执行循迹功能。
二、聚焦伺服原理
(1)象散法检测原理
聚焦伺服系统的作用,是通过垂直移动物镜,使激光束在碟片的信号面上始终保持着
良好的聚焦。
聚焦伺服机构亦是激光影碟机的最重要机构之一。
物镜虽能将激光束聚焦在碟片的信号面上,但鉴于碟片本身存在的不平,翘曲或偏心等轻微变形,在高速旋转中不可避免的要产生上下抖动的面振动,使物镜与碟片的间距发生改变,而产生聚焦误差,这样便无法保证其焦点始终都落在碟片的信号面上。
为了确保物镜与碟片的间距不变,焦点时刻落在碟片的信号面上。
为了确保物镜与碟片的间距不变,焦点时刻落在碟片的信号面上,就必须有聚焦伺服机构予以保证。
为检测出碟片信号面与物镜间的距离,聚焦误差信号最常用的检测方法是像散法,又称非点收差法。
像散法,是在光电二极管组成的光检测器与碟片之间的光路中,放入一圆柱形透镜,如图10-9所示。
圆柱形透镜只在X方向上起作用。
在此透镜作用下,当聚焦位置最佳时,投射到作为检测器的四分割光电二极管上的光斑为圆形,各光电二极管上接收的光量相等,即4个传感器的输出进行(①+③)-(②+④)运算处理后,基结果为0,该运算结果便是聚焦误差信号,表明聚焦正确,则物镜不动。
当碟片远离物镜时,则光斑呈横向椭圆形,此时(①+③)-(②+④)>0,聚焦误差信号为正,控制聚焦电机使物镜靠近碟片;当碟片靠近物镜时,则光斑呈纵向椭圆形,此时(①+③)-(②+④)<0,聚焦误差信号为负,控制聚焦电机使物镜远离碟片。
依此控制碟片与物镜间的距离时刻保持一定,就始终保证了焦点落在碟片的信号面上。
<0近焦N
=0正焦J
>0远焦F
(2)聚焦精度
激光聚焦焦深为(设λ=780μm,NA=0.45):
取目标值±1μm。
而光盘上下跳动达±500μm,则伺服增益:
(3)聚焦伺服系统
为使物镜能作垂直移动,保持激光束在碟片信号面上的聚焦,聚焦线圈是套在物镜上
的。
系统控制电路控制聚焦伺服系统的工作,保证在激光接通之后,能进行及时地聚焦伺服。
聚焦伺服系统工作时,首先使物镜作垂直移动,寻找其正确的聚焦点,之后是维持良好聚焦的工作条件,是在完成调焦并接收到FOK信号之后进行的。
聚焦伺服系统原理图,如图10-10所示。
在调焦期间,为防止聚焦误差信号扰乱调焦工作,第一级放大器一般是关断的。
三、主轴伺服系统
主轴伺服系统又称旋转伺服系统,其作用是保证碟片在播放时,随着激光头阅读点由内圈移向外圈时,阅读点的线速度(CLV)基本上恒定不变,即碟片以正确速度旋转。
VCD影碟机的转速与CD唱机一样,碟片内圈转速约500r/min,外圈转速约200r/min,其转速有约2.5倍的变化。
主轴伺服系统,将根据碟片上的所获得的数据速率,与影碟机内部的基准率进行比较,而使碟片转速稳定。
影碟机内部的基准频率,是通过PLL(锁相环)来锁定的,在PLL锁定范围内,CD方式的碟片与激光头是起着异常精密的旋转检测器的作用,即PLL的检出起着与频率测速发电机(FC)的相同作用。
四、传动伺服系统
传动伺服系统的作用,是在物镜的操作开始达到极限时,分级移动其光学装置。
传动伺服系统又称滑动送进伺服系统或滑动触头伺服系统。
滑动送进伺服系统,是指用滑动方式沿碟片半径方向移动激光头,来实现顺序读出、跳轨选曲、快进、快退等功能。
由于移动方向相对轨迹走向为横向(与轨迹方向垂直),又称横向移动系统。
激光碟片上的信迹是由内圈至外圈的连续螺纹,在利用循迹伺服跟踪一条信迹时,激光束还必须作相应地由内至外的径向移动,以便物镜与碟片之间的相对位置始终保持正确。
径向移动的速度是极慢的,故又稳定为滑动伺服。
传动伺服系统的驱动力,是利用循迹驱动电流分量,由传动电机驱动激光头,使物镜以机械中心为原点不断地作径向移动。
激光头的移动情况是依据放映情况而定,有常速放映的定速移动、慢镜头的慢速移动、随机搜索的高速移动,由定速至慢速及慢速至高速等随机操作而发生的状态突变。
在这诸多的急剧变化情况下,要完成瞬时跟踪,对传动电机的要求比较高,为此多采用非常精密的齿轮电机。
在VCD影碟机中,根据不同的使用目的,传动伺服方式有多种形式。
常用的有摇臂式、齿轮齿条或送进螺杆方式及线性电机方式等。
其中,摇臂式的光学系统必须用单光束伺服,需移动整个激光头,驱动质量大,易在低频出现二次共振,使设计困难。
齿轮齿条或送进螺杆方式,虽读出信号的速度比其它结构慢,但成本低兼,故被广泛用于普及机中。
齿轮齿条式送进机构,如图10-11所示。
线性电机方式读取信号时,要根据欲到达的目标轨迹设定某种速度曲线,即根据要移动的距离,使其时间与速度的曲线最佳,可用最短时间到达目标轨迹。
这样的移动应加反馈,或对移动机构加制动,都需速度检测器。
线性电机方式,则多用于如对CD-ROM等存取性能要求较高的场合。
§10-4光盘盘面信息结构
一、光盘结构
光盘在光盘系统中是作为信息载体。
它上面的信息存贮格式是从磁盘引伸过来的,主要有光盘轨道格式和光盘扇区格式。
90mm直径磁光盘信息结构如图10-12所示,从径向看,从里到外分成四个区:
反射区、导入区、数据区、导出区;从元周方向看,每个轨道分成25个扇区,扇区编号为从0到24。
表10-190mm磁光盘盘面信息结构
区域名
半径(mm)
从到
轨道号
从到
导入区
1、反射区
2、信号获得区
3、内圈测试区
4、内圈控制区
22.6022.90
22.9023.53
23.5323.97
23.9724.00
-688-293
-292-17
-16-1
数据区
24.0040.00
09999
导出区
1、外圈控制区
2、外圈测试区
3、缓冲区
40.0040.02
40.0240.46
40.4641.00
1000010015
1001610291
1029210624
二、光盘格式
1、
轨道格式
图10—13轨道扇区物理结构
90mm硬光盘轨道为螺旋线型,其几何结构为沟——台式(如图10-13所示),数据记录在台上。
道间距为1.60μm±0.10μm。
每轨道25个扇区,扇区编号从0到24,扇区数据容量为512字节。
每字节以16个信道位表示,则每轨道有290000个信道位长。
盘片转速为30HZ,则位时钟频率为8.7MHZ.
2、扇区格式
盘片控制区和数据区轨道的扇区格式为:
每个扇区均包括一个预格式头,一个编置检测(ODF)区,一个间隙(GAP)区和一
个能记录512个用户字节的记录区;
扇区总长为725字节,其中预格式头52字节,ODF区长1字节,GAP长5字节,记
录区长度为667字节。
如图所示
2
1
2
字节数
-
图10-1490mm磁光盘扇区格式
字节数
S
M
V
F
O
1
A
M
I
D
1
V
F
O
2
A
M
I
D
2
V
F
O
2
A
M
I
D
3
P
A
O
D
F
G
A
P
V
F
O
3
S
Y
N
C
DATAFIELD
Userdata
CRC,ECC
Resync
P
A
EUFFER
5
12
1
5
8
1
5
8
1
5
1
1
5
12
3
639
1
12
预格式头[52字节]
记录区[667字节]
预格式信息是以烧蚀的方式刻录在盘面上,不可更改,各部分信息的含义如表10-2所示。
其中,用户数据区包括512个用户字节,4个未定义字节,4个CRC字节,80个ECC字节,39个Resync字节。
表10-290mm磁光盘扇区各项功能
名称
功能
扇区标记(SM)
用于扇区识别
标志区(ID)
识别轨道号,扇区号和标志场号
变频同步(VFO1,2,3)
锁相提取时钟
地址标志(AM)
后同步(PA)
间隙(GAP)
偏置检测(ODF)
同步信号(Sync)
使ID区字节同步
用于编码闭合
道跟踪偏差检出
数据区字节同步
数据区(DataField)
记录用户数据,4个未定义字节,CRC、ECC,Resync
重同步(Resync)
缓冲区(Buffer)
数据区数据重同步
转速、定位误差容限
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