Compact Disc Speler: Nauwkeurige, Slijtvrije Digitale Audio Weergave

Achtergrond

Een compact disc, ook populair bekend als simpelweg een CD, is een optisch opslagmedium met digitale data opgeslagen op zijn oppervlak. Een compact disc speler is een apparaat dat de opgeslagen data leest door middel van een optische bundel en de oorspronkelijke informatie (muziek, afbeeldingen, of data) nauwkeurig reproduceert. Omdat de speler de informatie door optische middelen leest, is er geen fysieke slijtage op de disc. De basistechnologie die in alle compact disc spelers gebruikt wordt, is essentieel hetzelfde, of de speler nu ontworpen is voor audio, video, of computertoepassingen. Dit artikel zal zich richten op spelers ontworpen voor audio (specifiek, thuisaudio) toepassingen.

De geschiedenis van het compact disc systeem kan herleid worden tot de vroege jaren '70, toen snelle vooruitgang in digitale elektronica, laseroptica, en grootschalige integratie (LSI) technologieën plaatsvond. Veel bedrijven begonnen de mogelijkheid te verkennen om audiosignalen in optische vorm op te slaan met digitale in plaats van analoge middelen. Een praktische methode van het moduleren van de audiosignalen werd gevonden met theorieën gepubliceerd in 1948 door een wetenschapper genaamd Claude E. Shannon. Deze methode, bekend als Puls Code Modulatie (PCM), bemonstert audiosignalen gedurende een kort tijdsinterval en converteert de monsters dan in numerieke waarden voor opslag in digitaal formaat.

De opslag van audio in digitaal formaat (bekend als audio encoding) vereist grote hoeveelheden data. Bijvoorbeeld, het opslaan van één seconde audio-informatie vereist één miljoen bits data. Optische schijven capabel om miljarden bits data in een heel klein gebied op te slaan, bleken ideaal voor dergelijke toepassingen. Een optische schijf kan tot één miljoen bits data opslaan op een gebied zo klein als een speldkop. Eenmaal de technologieën voor het opnemen en opslaan van digitale audio gevonden waren, begonnen fabrikanten te zoeken naar manieren om de data opgeslagen in zo'n klein gebied te lezen en verwerken. Experimenten met laserapparaten (een laser emiteert een zeer smalle bundel licht capabel om te focussen op een heel klein gebied) bleken vrij succesvol. De ontwikkeling van LSI technieken betekende dat de enorme hoeveelheid data opgeslagen op de schijf snel genoeg verwerkt kon worden om continue muziek te leveren. Het toneel was nu gezet voor de ontwikkeling van een compleet compact disc systeem.

Hoewel veel bedrijven deelnamen aan vroege onderzoek en experimenten met de diverse technologieën betrokken bij een compact disc systeem, worden twee bedrijven—Sony van Japan en Philips van Nederland—gecrediteerd met het succesvol samenvoegen van deze technologieën in een compleet systeem. De twee bedrijven collaboreerden om specifieke standaarden voor het compact disc systeem te ontwikkelen, en een consortium van 35 fabrikanten stemde ermee in om deze standaarden in 1981 te adopteren. De eerste compact disc spelers werden geïntroduceerd in de Europese en Japanse markten in late 1982 en in de Verenigde Staten in vroege 1983.

Grondstoffen

Een compact disc speler is een zeer gesofisticeerd stuk elektronische apparatuur. De eenvoudige exterieur bevat complexe interieure mechanismen om audio-signalen te lezen en te verwerken in heel heldere en scherpe muziek. De diverse componenten omvatten een behuizingskast, een optische opname-assembly, en geprinte schakelprintplaten (PCBs), die microchips bevatten die de elektronische processen van het systeem sturen.

De kast die het doolhof van componenten huisvest is meestal gemaakt van licht, versterkt aluminium. De laser is een kleine glazen buis gevuld met gas en een kleine voeding om een laserbundel te genereren, terwijl de fotodiod—een halfgeleider onderdeel dat het licht dat gereflecteerd wordt van de compact disc in een elektrisch signaal omzet—meestal van silicium of germanium gemaakt is. De lenzen en spiegels in de optische opname zijn gemaakt van hooggepolijst glas of plastic. Deze assembly is in zijn eigen plastic behuizing gehuist. De meerderheid van de elektronische componenten—weerstanden, transistors, en condensatoren—zijn op microchips bevestigd aan PCBs. Het basismateriaal van deze componenten is meestal silicium. De hardware die de diverse subassemblages verbindt bestaat uit een verscheidenheid aan metaal en plastic moeren, schroeven, ringetjes, katrollen, motoren, tandwielen, riemen, en kabels.

Ontwerp

Een compact disc is een 12,065 cm diameter polycarbonaat plastic disc die ongeveer 74 minuten audio-informatie bevat. Niet alle informatie op de disc is muziek; ervan wordt gebruikt voor foutdetectie, synchronisatie, en displaydoeleinden. Informatie op een CD is gecodeerd op een spiraalspoor in de vorm van indentaties genaamd lands en pits die binaire highs en lows vertegenwoordigen. Het zijn deze indentaties die de CD-speler's laser "leest."

Conceptueel lijkt het ontwerp van een CD-speler op dat van een fonograaf (platen) speler. Als een plaat, wordt de compact disc gedraaid op een draaitafel, en het audio wordt gelezen door een opnameapparaat. Echter, in tegenstelling tot een platenspeler, roteert de motor de draaitafel niet met een constante snelheid, maar past het aan in overeenstemming met de afstand van de opname vanaf het midden van de draaitafel. Verder is het opnameapparaat in een CD-speler geen mechanische stijl (een naald) maar een optische laserbundel die niet in fysiek contact komt met de compact disc. Deze laser focust zijn bundel op het disc-spoor dat de lands en pits bevat, en de CD-speler's detector (de fotodiod) waarnemt het verschil tussen het licht gereflecteerd van de lands en dat gereflecteerd door de pits. De fotodiod zet dit gereflecteerde licht om in een elektrisch signaal. Doorgestuurd naar de elektronische schakelprint, wordt dit signaal dan teruggeconverteerd naar geluid.

Er zijn basisieel drie subassemblages in een compact disc speler: de disc drive mechanisme assembly; de optische opname assembly; en de elektronische schakelprint assembly, wat de andere systemen binnen de speler coördineert en wat het servo-mechanisme en data decoding circuitry omvat. Door signalen naar het servo-mechanisme te sturen, past het schakelprintbord de motorsnelheid, focussering, en tracking van de optische opname aan; beheert de stroom van data naar de decoding circuitry; en levert display-informatie in reactie op de diverse knoppen op het controlepaneel.

Het disc drive mechanisme bestaat uit een spindle die de CD houdt en een motor die het roteert. De motor, genaamd de spindle motor, is gemonteerd onderneath het plastic disc laadbakje of draaitafel. Een afzonderlijke motor gemonteerd op het chassis (de basis of frame van de CD-speler) beweegt het laadbakje in en uit de speler; dit wordt gedaan door middel van een tandwiel dat aan de motor bevestigd is en dat ook een groter tandwiel bedient om een klem op te heffen en te verlagen voor het vasthouden van de disc.

De optische opname bestaat uit een laser, een fotodiod, en diverse lenzen en spiegels. De gehele subassembly glijdt heen en weer op rails en wordt gecontroleerd door het servo-mechanisme dat richtinggevende signalen ontvangt van het schakelprintbord. De optische opname is meestal onder de klem gelegen die de disc positioneert, terwijl de motor die de assembly beweegt op het chassis dicht bij de rails gemonteerd is. Het mechanisme werkt door een laserbundel door lenzen en spiegels op de onderkant van de compact disc te richten. De lenzen en spiegels houden de bundel correct gefocust. Als de bundel een pit op de disc raakt, wordt geen licht gereflecteerd en blijft de fotodiod gedisengaged. Als de bundel een land raakt, wordt licht teruggereflecteerd door de lenzen en spiegels op de fotodiod, die dan een elektrisch signaal genereert. Dit signaal wordt overgedragen naar de elektronische schakelprint assembly, waar het door het data decoding systeem in audio signalen voor playback geconverteerd wordt.

De elektronische schakelprint assembly bestaat uit geprinte schakelprintplaten die de circuitry voor het servo-mechanisme bevatten, wat het optische opnamesysteem bedient, data decoding, en control systeem. Er zijn veel geïntegreerde circuit chips, microprocessoren, en grootschalige geïntegreerde componenten op de bordassembly.

Een sleutelassembly in een compact disc speler is de optische opname assembly. Het is op rails gesitueerd zodat het heen en weer kan bewegen onder de compact disc. Het werkt door een laserbundel op de CD te richten; als de laser een land raakt, reist het gereflecteerde licht dan naar de fotodiod, die een elektrisch signaal genereert. Op zijn beurt beweegt het signaal naar de CD-speler's schakelprint, wat het signaal in muziek converteert.

Het Productie
proces

In de huidige productieomgeving is er geen enkele methode van fabricage en montage. Producten worden steeds meer gemaakt als subassemblages en samengebracht als grotere subassemblages of als het eindproduct. Robotica en computer-gecontroleerde lijnen staan toe dat virtucl elk onderdeel in elke toestand van de subassembly op elk punt in het proces geïnstalleerd kan worden. De volgorde kan in minuten gewijzigd worden om toe te staan voor wijzigingen of kwaliteitscontrole controlepunten. Het hier gedetailleerde productieproces volgt daarom een vergelijkbare benadering als het daadwerkelijke productieproces dat in de industrie gebruikt wordt. Het proces wordt eerst beschreven in termen van de diverse subassemblages en dan de beschrijving details hoe de diverse subassemblages samengebracht worden om het eindproduct te maken.

Optische opname subassembly

• 1 Aangekocht van buitencontracteurs, worden de laser en de fotodiod onder de discklem geïnstalleerd. De diverse lenzen en spiegels in de assembly moeten correct gespaced en uitgelijnd zijn zodat ze licht kunnen focussen en richten zoals nodig. De gehele assembly wordt dan in een plastic geval gehuist. Het geval wordt gemaakt door een van de gebruikelijke plastic vormgevingsprocessen zoals extrusie of injectiegieten, terwijl de lenzen en spiegels (meestal silicium) in de juiste vorm gesneden en dan fijn gepolijst worden met abrasieven. De halfgeleider fotodiod wordt gemaakt door een stof zoals silicium of germanium voor te bereiden en te polijsten en dan onzuiverheden toe te voegen om lagen te creëren. Elektrische contacten worden dan toegevoegd. Na de optische componenten in positie zijn, worden de tandwielen en riem die helpen de optische opname te positioneren, in plaats gezet.

Disc drive subassembly

• 2 Vervolgens wordt de motor die de optische opname zal bewegen aan de tandwielen en riem verbonden en op het chassis geplaatst. Het laadbakje is nu gecentreerd, en de spindle motor die de disc zal roteren wordt geïnstalleerd. Nadat de klem waaraan de optische opname bevestigd is, naast het laadbakje gepositioneerd is, worden het bakje, klem, en opname motor in de laadlade geïnstalleerd, wat in de CD-speler's kast geplaatst wordt.

Elektronische schakelprint subassembly

• 3 Laatst te assembleren zijn de elektronische componenten. Ontworpen door ingenieurs met computer-ondersteund ontwerp (CAD) pakketten, bestaan de schakelprintplaten uit een koper-geklade basis die een patroon overgedragen heeft gekregen (maskeren) door zeefdruk of een vergelijkbare methode. Na het coaten met een fotogevoelig materiaal, worden de gepatroneerde gebieden chemisch geëtst om een multi-layer bord te creëren—de lagen omvatten de diverse transistors en condensatoren die de circuits vormen. De kleine microchips (meestal van silicium gemaakt) die op het bord gemonteerd zijn, worden op dezelfde manier gemaakt, behalve op een veel kleinere schaal. Afhankelijk van de fabrikant, kan de CD-speler één grote schakelprint of verschillende kleinere borden hebben. Na ze aan het paneel of panelen bevestigd zijn, worden de circuits aan de CD-speler's voorkant controlepanel, de schakelassembly, en ten slotte de voeding bevestigd.

Eindmontage

• 4 Eenmaal de diverse subassemblages klaar zijn, worden ze verbonden en geïntrofaseerd om de eindmontage te voltooien. Het meeste werk op dit stadium wordt door menselijke werknemers gedaan. De CD-speler wordt nu getest en voor verpakking gestuurd.

Kwaliteitscontrole

Zoals eerder genoteerd, is een compact disc speler een zeer gesofisticeerd apparaat, en strikte kwaliteitscontrole maatregelen worden geadopteerd van de initiële tot de finale stadium van de fabricage om het correcte functioneren van de speler in overeenstemming met industriestandaarden te garanderen.

Omdat zoveel van de componenten in een compact disc speler door gespecialiseerde leveranciers gemaakt worden, moet de spelerfabrikant afhankelijk zijn van deze leveranciers om kwalitatieve onderdelen te produceren. Enkele van de meest cruciale elementen zijn die in de optische opname assembly. De lenzen en spiegels gebruikt in de laser opname, bijvoorbeeld, zijn gemaakt van hoogwaardig glas, en menselijk contact moet vermeden worden tijdens het productieproces om hun oppervlakken schoon en vlekvrij te houden. Op dezelfde manier moeten de elektronische schakelprintcomponenten in een "schone ruimte" omgeving gemaakt worden (bevattende speciale luchtfilters alsmede kledingvereisten), omdat zelfs een enkel stofdeeltje malfunctioning in de circuitry kan veroorzaken. De schakelprintplaten en chips worden op veel niveaus getest door diagnostische machines om fouten in de circuits te lokaliseren.

Wat kwaliteitscontrole door de spelerfabrikant betreft, wordt de disc drive assembly geïnspecteerd op correcte uitlijning van de motor, spindle, laadbakje, en de diverse tandwielen. Bovendien wordt de optische opname gecontroleerd op correcte uitlijning van lenzen en de laserbundel. Eenmaal de subassemblages in de kast samengevoegd zijn, worden alle bedradingsverbindingen geïnspecteerd op correcte elektrische contact en correcte interface met de andere componenten. Visuele inspecties om riemen, katrollen, en tandwielen te controleren zijn een integraal deel van het kwaliteitscontroleproces. De finale inspectie bestaat uit het afspelen van een testdisc die speciale signalen en patronen genereert, wat werknemers in staat stelt fouten in het systeem op te sporen. Bovendien worden de diverse voorkantpaneel schakelaars en knoppen gecontroleerd om te garanderen dat ze de aangegeven functies uitvoeren en de juiste informatie op het paneel tonen.

De Toekomst

De CD-systeemtechnologie is een lange weg afgelegd in de afgelopen jaren, en nieuwe toepassingen voor compact disc systemen worden elke dag ontdekt. De markt heeft al de introductie gezien van CD-ROMs, CD-Video's en CD-Interactief. Het recentste product dat consumentenaantrekking trekt is Kodak's Foto-CD, die foto's op televisie en computerschermen kan tonen. Deze foto's kunnen bewerkt of bijgesneden worden door de gebruiker, net als clipart afbeeldingen.

Audio CD-systemen zullen de introductie zien van veel nieuwe features in de komende jaren. Spelers met geavanceerde afstandsbedieningsfuncties zijn nu in de ontwikkelingsfase. De behuizing voor een CD-speler omvat een topcover of "bonnet" en een voorkant controlepanel. De compact disc rust op een laadbakje dat in en uit de speler glijdt. Deze functies zullen de gebruiker in staat stellen informatie op de afstandsbediening zelf te tonen, zoals songtitels, artiestennamen, en de daadwerkelijke songteksten. Compact disc's capabel van zowel opnemen als afspelen, zoals een cassettetje, zijn ook in ontwikkeling. De CD's enorme opslagcapaciteiten lenen zich ook tot veel breed-gebaseerde multimedia toepassingen, en het is heel goed mogelijk dat compact disc's het gemeenschappelijke medium van data-uitwisseling voor alle audio, video, en computertoepassingen zullen worden.