光盘播放器

背景

一张光盘， 也通常简称为 CD，是一种光学存储介质，其表面上记录有数字数据。光盘播放器是一种通过光束读取记录数据并准确再现原始信息（音乐、图片或数据）的设备。由于播放器通过光学方式读取信息，因此光盘上没有物理磨损。无论播放器是为音频、视频还是计算机应用程序设计的，所有光盘播放器中使用的基本技术都基本相同。本文将重点介绍专为音频（特别是家庭音频）应用程序设计的播放器。

光盘系统的历史可以追溯到 1970 年代初期，当时数字电子、激光光学和大规模集成 (LSI) 技术取得了快速发展。许多公司开始探索使用数字而非模拟方式以光学形式存储音频信号的可能性。使用名为 Claude E. Shannon 的科学家于 1948 年发表的理论发现了调制音频信号的实用方法。这种称为脉冲编码调制 (PCM) 的方法在很短的时间间隔内对音频信号进行采样，然后将采样转换为数值以数字格式存储。

以数字格式存储音频（称为音频编码） 需要大量的数据。例如，存储一秒钟的音频信息需要一百万比特的数据。能够在非常小的区域内存储数十亿位数据的光盘被认为是此类应用的理想选择。一张光盘可以在一个针头那么小的区域上存储多达一百万位的数据。一旦发现了记录和存储数字音频的技术，制造商就开始寻找读取和处理存储在如此小的区域中的数据的方法。使用激光设备（激光发出能够聚焦在非常小的区域的非常窄的光束）的实验证明是非常成功的。 LSI 技术的发展意味着可以足够快地处理存储在光盘上的大量数据，以提供连续的音乐。现在已经准备好开发完整的光盘系统。

尽管许多公司参与了光盘系统所涉及的各种技术的早期研究和试验，但两家公司——日本的索尼和荷兰的飞利浦——成功地将这些技术合并为一个完整的系统。两家公司合作制定了 CD 系统的特定标准，1981 年由 35 家制造商组成的联盟同意采用这些标准。第一台 CD 播放机于 1982 年底在欧洲和日本市场推出，并于 2017 年在美国推出。 1983 年初。

原材料

光盘播放器是一种非常精密的电子设备。简单的外观包含复杂的内部机制，可以读取音频信号并将其处理成非常清晰明快的音乐。各种组件包括外壳、光学拾音器组件和印刷电路板 (PCB)，其中包含指导系统电子流程的微芯片。

容纳迷宫般组件的机柜通常由轻质强化铝制成。激光器是一个充满气体的小玻璃管和一个小电源来产生激光束，而光电二极管——一种半导体部件，将光从光盘反射成电信号——通常由硅或锗制成.光学头中的透镜和反射镜由高度抛光的玻璃或塑料制成。该组件安装在其自己的塑料外壳中。大多数电子元件——电阻器、晶体管和电容器——都包含在连接到 PCB 的微芯片上。这些组件的基础材料通常是硅。将各种子组件连接在一起的硬件包括各种金属和塑料螺母、螺钉、垫圈、滑轮、电机、齿轮、皮带和电缆。

设计

光盘是直径为 4.75 英寸（12.065 厘米）的聚碳酸酯塑料光盘，包含大约 74 分钟的音频信息。并非光盘上的所有信息都是音乐；其中一些用于错误检测、同步和显示目的。 CD 上的信息以称为 区域 的压痕形式编码在螺旋轨道上 和坑 代表二进制高点和低点。 CD 播放机的激光“读取”的正是这些凹痕。

从概念上讲，CD 播放器的设计类似于留声机（唱片）播放器的设计。像唱片一样，光盘在转盘上旋转，音频由拾音器读取。然而，与唱机不同的是，电机不会以恒定速度旋转转盘，而是根据拾音器与转盘中心的距离进行调整。此外，CD 播放器中的拾取装置不是机械手写笔（针），而是不与光盘物理接触的光学激光束。该激光将其光束聚焦在包含平台和凹坑的光盘轨道上，CD 播放机的检测器（光电二极管）检测从平台反射的光与由凹坑反射的光之间的差异。光电二极管将这种反射光转化为电信号。该信号被中继到电子电路板，然后被转换回声音。

光盘播放器中基本上有三个子组件：光盘驱动机构组件；光头组件；以及电子电路板组件，它协调播放器内部的其他系统，包括伺服机构和数据解码电路。电路板通过向伺服机构发送信号，调节光头的电机转速、聚焦、跟踪；管理数据流到解码电路；并响应控制面板上的各种按钮提供显示信息。

光盘驱动机构由一个固定 CD 的主轴和一个旋转它的电机组成。电机，称为主轴电机， 安装在塑料光盘装载托盘或转盘下方。安装在底盘（CD 播放器的底座或框架）上的单独电机将装载托盘移入和移出播放器；这是通过一个连接到电机的齿轮来完成的，该齿轮还操作一个更大的齿轮来升高和降低用于将圆盘固定到位的夹具。

光头由激光器、光电二极管以及各种透镜和反射镜组成。整个子组件在导轨上来回滑动，并由接收来自电路板的定向信号的伺服机构控制。光头通常位于定位光盘的夹具下方，而移动组件的电机则安装在靠近导轨的底盘上。该机制的工作原理是将激光束通过透镜和镜子引导到光盘的底面。透镜和反射镜使光束正确聚焦。如果光束击中光盘上的凹坑，则不会反射任何光，光电二极管保持断开状态。如果光束击中平台，光线会通过透镜和反射镜反射回光电二极管，然后产生电信号。该信号被传输到电子电路板组件，在那里它被数据解码系统转换成音频信号以供播放。

电子电路板组件由包含伺服机构电路的印刷电路板组成，伺服机构操作光学拾取系统、数据解码和控制系统。电路板组件上有许多集成电路芯片、微处理器和大规模集成元件。

光盘播放器中的一个关键组件是光头组件。它位于导轨上，因此可以在光盘下方来回移动。它的工作原理是将激光束对准 CD；如果激光击中陆地，反射光就会传播到光电二极管，从而产生电信号。反过来，信号移动到 CD 播放器的电路板，将信号转换为音乐。

制造
过程

在当今的制造环境中，没有单一的制造和组装方法。产品越来越多地作为子组件制造，并作为更大的子组件或最终产品组合在一起。机器人和计算机运行线允许在过程中的任何点以子组件的任何状态安装几乎任何零件。可以在几分钟内更改序列以进行修改或质量控制检查点。因此，此处详述的制造过程遵循与行业中使用的实际制造过程类似的方法。首先根据各种子组件描述该过程，然后详细说明如何将各种子组件组合在一起以制造最终产品。

光头组件

• 1 从外部承包商处购买，激光器和光电二极管安装在盘夹下方。组件中的各种透镜和反射镜必须正确间隔和对齐，以便它们可以根据需要聚焦和引导光线。然后将整个组件装在一个塑料盒中。表壳由一种常用的塑料成型工艺制成，例如挤压或注塑成型，而镜片和镜子（通常是硅）被切割成适当的形状，然后用磨料精细抛光。半导体光电二极管是通过制备和抛光硅或锗等物质，然后添加杂质以形成层而制成的。然后添加电触点。光学元件就位后，将有助于定位光学拾取器的齿轮和皮带就位。

光驱组件

• 2 接下来，将移动光学拾取器的电机连接到齿轮和皮带并放置在底盘上。装载托盘现在居中，并且安装了旋转光盘的主轴电机。在安装有光拾取器的夹具靠近装载托盘定位后，托盘、夹具和拾取电机安装在装载抽屉中，装载抽屉放置在 CD 播放器的机柜中。

电子线路板组件

• 3 最后组装的是电子元件。由工程师使用计算机辅助设计 (CAD) 封装设计，电路板由覆铜基板组成，基板上转印有图案 （遮蔽） 通过丝网印刷或类似方法。在涂上感光材料后，图案化区域被化学蚀刻掉以创建多层板——这些层包括构成电路的各种晶体管和电容器。安装在板上的微型微芯片（通常由硅制成）以相同的方式制造，只是规模要小得多。根据制造商的不同，CD 播放器可能有一块大电路板或几块较小的电路板。在它们连接到一个或多个面板之后，电路连接到 CD 播放机的前控制面板、开关组件，最后连接到电源。

总装

• 4 各个子组件准备就绪后，将它们连接并连接在一起以完成最终组件。在这个阶段执行的大部分工作是由人类工作者完成的。 CD 播放器现在已经过测试并送去包装。

质量控制

如前所述，光盘播放器是一种非常复杂的设备，从制造的最初阶段到最后阶段都采取了严格的质量控制措施，以确保播放器按照行业标准正常运行。

由于 CD 播放器中的许多组件都是由专业供应商制造的，因此播放器制造商必须依赖这些供应商来生产优质零件。一些最关键的元件是光学拾波器组件中的元件。例如，激光头中使用的透镜和反射镜由优质玻璃制成，在制造过程中必须避免人与人接触，以保持其表面清洁和无污迹。同样，电子电路元件必须在“洁净室”环境中制造（包含特殊的空气过滤器以及服装要求），因为即使是单个灰尘颗粒也会导致电路出现故障。电路板和芯片通过诊断机器在多个级别进行测试，以查明电路中的故障。

至于播放器制造商的质量控制，会检查磁盘驱动器组件是否正确对齐电机、主轴、装载托盘和各种齿轮。此外，还要检查光学头是否正确对准透镜和激光束。一旦将子组件在机柜中系在一起，检查所有接线连接是否正确电气接触以及与其他组件的正确接口。检查皮带、皮带轮和齿轮的目视检查是质量控制过程的一个组成部分。最终检查包括播放生成特殊信号和模式的测试光盘，使工作人员能够追踪系统中的故障。此外，检查各种前面板开关和按钮以确保它们执行指示的功能并在面板上显示适当的信息。

未来

CD 系统技术在最近几年取得了长足的进步，并且每天都在发现 CD 系统的新应用。市场上已经出现了 CD-ROM、CD-Video 和 CD-Interactive。吸引消费者注意力的最新产品是柯达的Photo-CD，它可以在电视和电脑屏幕上显示照片。这些图片可以由用户编辑或裁剪，就像剪贴画图像一样。

音频 CD 系统将在未来几年引入许多新功能。具有高级遥控功能的播放器现在处于开发阶段。 CD 播放机的外壳包括顶盖或“引擎盖”和前控制面板。光盘放置在可滑入和滑出播放器的装载托盘上。这些功能将允许用户在遥控器本身上显示信息，例如歌曲名称、艺术家姓名和歌曲的实际歌词。能够录音和播放，就像盒式磁带一样。CD的巨大存储能力也适用于许多广泛的多媒体应用程序，并且光盘很可能成为所有人数据交换的通用媒介音频、视频和计算机应用程序。