Вивчення конструкції та принципу дії cd- та dvd- rom приводів

Мета роботи: практично вивчити конструкції CDROM та DVD приводів, ознайомитись із принципом запису на сучасні оптичні носії.

Лабораторне обладнання

1. Привод CDROM Samsung 48x.

2. Привод CD-RW Teac CD-W552E.

3. Диски CD-R та CD-RW.

4. Мікроскоп МБС-9.

5. Вимірник для лазерної дозиметрії ІЛД-2.

6. Лазер напівпровідниковий LSM-464.

Послідовність виконання роботи

1. Вивчити будову приводів CD та CD-RW.

2. Розглянути структури чистих CD та DVD дисків під мікроскопом.

3. Виміряти потужність лазерів приводів CD та CD-RW.

4. Провести запис на CD та DVD диски.

5. Порівняти вихідну структуру диска та структуру записаного диска.

6. За допомогою напівпровідникового лазеру LSM-464 та вимірник для лазерної дозиметрії ІЛД-2 виміряти коефіцієнт відбиття поверхні дисків.

Загальні відомості

Типовий CDROM привод складається із плати електроніки, шпиндельного двигуна, системи оптичної головки, що зчитує, і системи завантаження диска.

На платі електроніки розміщені всі керуючі схеми привода, інтерфейс із контролером комп'ютера й вихід звукового сигналу. Більшість приводів використає одну плату електроніки, однак у деяких моделях окремі схеми виносяться на допоміжні невеликі плати.

Шпиндельний двигун служить для приведення диска в обертання з постійною або змінною лінійною швидкістю. Збереження постійної лінійної швидкості вимагає зміни кутової швидкості диска залежно від положення оптичної головки. При пошуку фрагментів диск може обертатися з більшою швидкістю, ніж при зчитуванні, тому від шпиндельного двигуна потрібна висока динамічна характеристика; двигун використається як для розгону, так і для гальмування диска.

На осі шпиндельного двигуна закріплена підставка, до якої після завантаження притискається диск. Поверхня підставки звичайно покрита гумою або м'яким пластиком для уникнення проковзування диска. Притиск диска до підставки здійснюється за допомогою шайби, розташованої з іншої сторони диска; підставка й шайба містять постійні магніти, сила, притягання яких притискає шайбу через диск до підставки.

Система оптичної головки складається із самої головки й системи її переміщення. У головці розміщені лазерний випромінювач, на основі інфрачервоного лазерного світлодіода, система фокусування, фотоприймач і попередній підсилювач. Система фокусування являє собою рухливу лінзу, що приводить у рух електромагнітною системою voice coil (звукова котушка), яка зроблена за аналогією з рухливою системою гучномовця. Зміна напруженості магнітного поля викликають переміщення лінзи й фокусування лазерного променя. Завдяки малій інерційності така система ефективно відслідковує вертикальні биття диска навіть при значних швидкостях обертання.

Система переміщення головки має власний приводний двигун, що приводить у рух каретку з оптичною головкою за допомогою зубчастої або черв'ячної передачі. Для виключення люфту використається з'єднання з початковою напругою: при черв'ячній передачі - підпружинені кульки, при зубчастої - підпружинені в різні сторони пари шестерень.

Напівпровідниковий лазер (4) генерує малопотужний лазерний промінь, що попадає на дзеркало, що відбиває. Двигун, керований мікропроцесором зміщає рухливу каретку (6) із дзеркалом, що відбиває, і фокусуючою лінзою (7) до потрібної доріжки компакт-диску (1). Промінь лазера фокусується на поверхні CDROM за допомогою лінзи, а потім лінза фокусує відбитий від поверхні диска промінь. Цей промінь за допомогою оптичної системи (5) подається на фотоприймач (3), що перетворює прийняті світлові імпульси в електричні, які потім відповідним чином розшифровуються контролером (2) і передаються в комп'ютер у вигляді цифрових даних.

Рис.9.1. Схема пристрою привода CDROM.

CD (компакт-диск) це диск діаметром 120 мм, виготовляється з полімерів і покритий металевою плівкою, звичайно сплавом на основі алюмінію. Інформація зчитується саме із цієї металевої плівки, яку додатково покривають шаром прозорого полімеру, що захищає дані від механічного ушкодження. Зверху диска звичайно розміщають етикетку, а з нижньої частини роблять зчитування інформації. У такий спосіб компакт-диск є однобічним носієм інформації.

Зчитування інформації з диска відбувається за рахунок реєстрації змін інтенсивності відбитого від алюмінієвого шару випромінювання малопотужного лазера. Приймач (фотодатчик) визначає, чи відбився промінь лазера від гладкої поверхні, або був розсіяний/поглинений. Розсіювання або поглинання променя відбувається в тих місцях, де в процесі запису на диск були нанесені поглиблення (штрихи). Сильне відбиття відбувається в тих областей диска, де таких штрихів немає. Фотодатчик сприймає лазерний промінь, відбитий від поверхні диска, потім ці сигнали надходять у мікропроцесор пристрою, що зчитує, там вони перетворяться у двійкові дані.

Рис.9.2. Структура поверхні CD диска

Глибина кожного штриха на диску дорівнює 0,12 мкм, ширина - 0,60 мкм. Штрихи розташовані у вигляді спіральної доріжки, відстань між сусідніми витками якої становить 1,60 мкм, що відповідає щільності 16 тис. витків на дюйм, або 625 витків на мм. Довжина штрихів уздовж доріжки записи може коливатися від 0,9 мкм до 3,3 мкм. Доріжка починається на деякій відстані від центрального отвору диска й закінчується приблизно в 5 мм від краю диска.

Якщо на компакт-диску необхідно відшукати місце запису певних даних, то його координати попередньо зчитуються зі змісту диска, після чого пристрій, що зчитує, переміщається до потрібного витка спирали й чекає появи певної послідовності бітів.

Запис же на компакт-диск здійснюється однократно й полягає в нанесенні на чисту поверхню алюмінієвого шару відповідного малюнка штрихів. Такий запис здійснюється або випалюванням за допомогою лазерного променя, або шляхом штампування. Записану поверхню вже неможливо повернути у вихідний стан, отже зробити перезапис інформації на компакт-диск не можна.

Дані на компакт-дисках записуються з використанням технології CLV (Constant Linear Velocity - запис із постійною лінійною швидкістю). Це означає, що запис і відтворення даних з компакт-диску відбуваються з постійною лінійною швидкістю переміщення доріжки щодо пристрою, що зчитує. Інакше кажучи, при зчитуванні інформації із внутрішніх доріжок диск повинен обертатися швидше, а при зчитуванні із зовнішніх - повільніше. Цей спосіб застосовується тому, що спочатку компакт-диски були призначені для відтворення звуку, при якому була потрібна постійна швидкість зчитування даних. У зв'язку із цим спіраль компакт-диску розбивається на блоки (сектори), частота проходження яких при записі й відтворенні становить 75 блоків в секунду. Це означає, що при повному часі зчитування, рівному 74 хвилин, на диску розташовується 333 тис. блоків (секторів).

Нові пристрої CD-ROM використають диски, записані із застосуванням технології CLV, але відтворюють їх з постійною кутовою швидкістю - САV (Constant Angular Velocity). При цьому доріжка з даними зчитується лазером з різною швидкістю, залежно від фізичного розташування на диску (внутрішня або зовнішня). Цей тип накопичувачів зчитує доріжки на краю диска швидше, ніж у центрі, оскільки диск обертається з постійною швидкістю. Заявлена швидкість (наприклад 54х) досягається тільки на самих крайніх доріжках, на яких максимальна лінійна швидкість обертання. На середніх і внутрішніх доріжках швидкість читання істотно нижче, падаючи в середньому у два-три рази у міру видалення від краю диска.

Існують пристрої, які дозволяють здійснювати запис на лазерні диски, такі пристрої називають CD-R Drive (CD Recordable, що записує на CD пристрій), а сам диск, на якому проводиться запис називається просто CD-R. Чистий CD-R не має на своїй поверхні жодного заглиблення, він являє собою чисту поверхню. При записі на цій поверхні лазерний промінь записуючого пристрою випалює поглиблення, роблячи в такий спосіб запис інформації. У якості CD не застосовують алюмінієві диски, матеріал підкладки - ціанин або фталоціанин. Зрозуміло, один раз записавши інформацію на такий диск, її не можна стерти або змінити, тому що при записі шар необернено змінюється. Швидкість таких пристроїв маркірують звичайно двома числами, наприклад 52х/54х: запис виробляється на 52х швидкості, читання - на 54х. При записі на швидкостях вище 54х диск сильно розігрівається й розширюється, що приводить до неточного запису.

Крім однократно записуваних CD-R, існують і багаторазово перезаписувані CD-RW (CD ReWritable). Диск CD-RW має активний шар зі сплаву Ag-In-Sb-Te (серебро-індій-сурьма-телур). Такий шар при нагріванні до 500-700 ⁰С розплавляється, втрачаючи відбиваючі властивості. Таким способом можна здійснити запис інформації. При нагріванні ж до температури близько 200 ⁰С відбиваючі здатності відновлюються, таким способом запис на такий носій можна робити багаторазово. Відповідно, пристрої запису на CD-RW можуть ще й записувати звичайні CD-R диски, і, зрозуміло, читають звичайні алюмінієві. Пристрій маркірують уже трьома швидкостями, наприклад: 54х/32х/54х, що означає запис на CD-R на 54х швидкості, перезапис на 32х швидкості,, читання на 54х швидкості.

Однак не всі CDROM Drive будуть читати CD-RW диски. Справа в тім, що стандарт CDROM вимагає, щоб відбиваюча здатність поверхні CD була не нижче 70%, а відбиваюча поверхня штрихів - не більше 28%. Відбиваюча здатність поверхні CD-RW - близько 25. Однак, не всі старі CDROM Drive можуть читати такі CD-RW диски. Втім це стосується тільки дуже старих 1х-8х швидкісних пристроїв, будь-який сучасний CDROM Drive може читати CD-RW диски.

Майбутнє компакт-дисків - цифровий універсальний диск, так званий DVD (Digital Versatile Disc). Це новий стандарт, що значно збільшує обсяг пам'яті й, отже, кількість використовуваних для компакт-дисків програм.

У відповідності зі стандартом DVD-диск є однобічним, одношаровим і містить 4,7 Гбайт інформації. Новий диск має такий же діаметр, як компакт-диски, однак він у два рази тонше (0,6 мм).

Головна відмінність DVD від CD у підвищеній щільності запису інформації. За рахунок зміни лазера, що зчитує, з інфрачервоного діапазону (довжина хвилі 780 нм) у червоний (з довжиною хвилі 650 нм або 635 нм) і збільшення числової апаратури об'єктива до 0,6 (проти 0,45 в CD). Досягається це все більш ніж двох кратним ущільненням доріжок й укороченням довжини штрихів, що й видно на рис. 9.3.

а) б)

Рис.9.3. Щільність запису на поверхні дисків: CD (а) та DVD дисків (б).

Для збільшення ємності DVD-диска можна змінювати такі параметри: (перше число - відносний виграш, далі - значення)

* зменшувати довжину штриха (~2,08х, від 0,972 до 0,4 мкм);

* зменшувати відстань між доріжками (~2,1х, від 1,6 до 0,74 мкм);

* збільшувати область даних (~1,02х, від 86 до 87,6 см²);

* підвищувати ефективність коду корекції помилок (~1,32х);

* зменшувати сектори (~1,06х, від 2 048/2 352 до 2 048/2 060 байт).

Більшість дисків DVD мають ємність 4.7GB. Застосування схем подвоєння щільності і їхніх комбінувань, дозволяє мати диски більшої ємності: від 8.5Gb й 9.4Gb до 17Gb. Існують наступні структурні типи DVD:

Single Side/Single Layer (однобічний/одношаровий, рис.9.4, а): це найпростіша структура DVD диска. На такому диску можна розмістити до 4.7 Гб даних. Ця ємність в 7 разів більше ємності звичайного звукового CD й CD-ROM диска.

Single Side/Dual Layer (однобічний/двошаровий, рис. 9.4, б): цей тип дисків має два шари даних, один із яких напівпрозорий. Обидва шари зчитуються з однієї сторони й на такому диску можна розмістити 8.5 Гб даних, тобто на 3.8 Гб більше, ніж на одношаровому/однобічному диску. Під час процесу запису привод по черзі фокусує лазер на кожному шарі так само, як це відбувається під час читання.

Double Side/Single Layer (двосторонній/одношаровий): на такому диску міститься 9.4 Гб даних (по 4.7 Гб на кожній стороні). Через те, що дані розташовуються із двох сторін, прийде перевертати диск або використати пристрій, що може прочитати дані по обидва боки диска самостійно.

Double Side/Double Layer (двосторонній/двошаровий): структура цього диска забезпечує можливість розмістити на ньому до 17 Гб даних (по 8.5 Гб на кожній стороні).

а) б)

Рис.9.4. Структура поверхні DVD диска: одношаровий (а), двошаровий (б), 1 - підкладка, 2 - шар, що відбиває, 3 - записуваний шар, 4 - напівпрозорий шар, 5 - другий шар, що відбиває, 6 - другий записуваний шар, 7 - прошарок, 8 - лазерний промінь.

Зміст протоколу

1. Найменування роботи.

2. Мета роботи.

3. Лабораторне обладнання.

4. Основні теоретичні відомості про будову та принцип дії CD та DVD приводів та дисків.

5. Замалювати структуру CD та DVD дисків до запису та після, навести значення виміряних величин коефіцієнту відбиття.

6. Висновки по роботі.

Контрольні запитання

1. Опишіть будову та принцип дії типового CDROM приводу.

2. Як улаштований CD диск?

3. Як проводиться зчитування інформації з CD диску?

4. За якими технологіями здійснюється запис на диски?

5. Опішить фізичну будову CD-R та CD-RW дисків.

6. Чим відрізняється DVD диск від CD?

7. Які бувають типи DVD дисків?

ЛІТЕРАТУРА

1. Астапчик С.А., Голубев В.С., Маклаков А.Г. Лазерные технологии в машиностроении и металлообработке / НАН Беларуси; ГНУ "Физико-технический ин-т". — Минск: Белорусская наука, 2008. — 251с.

2. Воробьева Г.А., Каратушин С.И., Леонов А.Ф. Основы лазерного термоупрочнения: Учеб. пособие / Балтийский гос. технический ун-т "Военмех" {Санкт-Петербург}.: Б.и., 2001. — 47с

3. Вохмянин Н. А., Синяков К. А. Современные технологии лазерной термической обработки инструментальных сталей / Санкт-Петербургская гос. лесотехническая академия. — СПб.: ЛТА, 2001. — 74с.

4. Гаращук В. П. Основи фізики лазерів. Лазери для термічних технологій: Навч. посіб. / НАН України; Інститут електрозварювання ім. Є.О.Патона. — К.: ІЕЗ ім. Є.О.Патона, 2005. — 242с.

5. Григорьянц А. Г., Шиганов И. Н., Мисюров А. И. Технологические процессы лазерной обработки: учеб. пособие для студ. вузов, обучающихся по спец. "Машины и технология высокоэффективных процессов обработки материалов" направления подгот. "Машиностроительные технологии и оборудование" / Александр Григорьевич Григорьянц (ред.) — М.: Издательство МГТУ им. Н.Э.Баумана, 2006. — 663с.

6. Перелома В. А., Щерба А. А., Подольцев А. Д., Кучерявая И. Н., Лихошва В. П. Исследование тепловых процессов и структуры поверхностного слоя при лазерной наплавке порошковых материалов. — К., 1998. — 47с.