Compact Disc Player

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Hintergrund

Eine CD, im Volksmund auch einfach als CD bekannt, ist ein optisches Speichermedium, auf dessen Oberfläche digitale Daten aufgezeichnet sind. Ein CD-Player ist ein Gerät, das die aufgezeichneten Daten mit Hilfe eines optischen Strahls liest und die Originalinformationen (Musik, Bilder oder Daten) genau wiedergibt. Da der Player die Informationen optisch ausliest, gibt es keine physische Abnutzung der Disc. Die grundlegende Technologie, die in allen CD-Playern verwendet wird, ist im Wesentlichen die gleiche, unabhängig davon, ob der Player für Audio-, Video- oder Computeranwendungen entwickelt wurde. Dieser Artikel konzentriert sich auf Player, die für Audioanwendungen (insbesondere Heimaudioanwendungen) entwickelt wurden.

Die Geschichte des Compact-Disc-Systems kann bis in die frühen 1970er Jahre zurückverfolgt werden, als ein rasanter Fortschritt in der digitalen Elektronik, Laseroptik und Großintegrationstechnologien (LSI) stattfand. Viele Unternehmen begannen damit, die Möglichkeit zu untersuchen, Audiosignale in optischer Form mit digitalen statt mit analogen Mitteln zu speichern. Eine praktische Methode zur Modulation der Audiosignale wurde unter Verwendung von Theorien gefunden, die 1948 von einem Wissenschaftler namens Claude E. Shannon veröffentlicht wurden. Dieses als Pulse Code Modulation (PCM) bekannte Verfahren tastet Audiosignale während eines kurzen Zeitintervalls ab und wandelt die Abtastwerte dann in numerische Werte zur Speicherung im digitalen Format um.

Die Speicherung von Audio im digitalen Format (bekannt als Audiocodierung) erfordert große Datenmengen. Zum Beispiel erfordert das Speichern einer Sekunde an Audioinformationen eine Million Datenbits. Optische Platten, die Milliarden von Datenbits in einem sehr kleinen Bereich speichern können, haben sich für solche Anwendungen als ideal erwiesen. Eine optische Disk kann bis zu einer Million Datenbits auf einer Fläche von der Größe eines Stecknadelkopfes speichern. Nachdem die Technologien zum Aufzeichnen und Speichern von digitalem Audio gefunden waren, suchten die Hersteller nach Möglichkeiten, die auf so kleinem Raum gespeicherten Daten zu lesen und zu verarbeiten. Experimente mit Lasergeräten (ein Laser sendet einen sehr schmalen Lichtstrahl aus, der sich auf einen sehr kleinen Bereich fokussieren kann) erwiesen sich als recht erfolgreich. Die Entwicklung der LSI-Techniken bedeutete, dass die riesige Datenmenge, die auf der Disc gespeichert ist, schnell genug verarbeitet werden konnte, um kontinuierliche Musik bereitzustellen. Damit waren die Voraussetzungen für die Entwicklung eines kompletten CD-Systems geschaffen.

Obwohl viele Unternehmen an frühen Forschungen und Experimenten mit den verschiedenen Technologien beteiligt waren, die an einem CD-System beteiligt sind, wird zwei Unternehmen – Sony aus Japan und Philips aus den Niederlanden – die erfolgreiche Zusammenführung dieser Technologien zu einem vollständigen System zugeschrieben. Die beiden Unternehmen arbeiteten zusammen, um spezifische Standards für das CD-System zu entwickeln, und ein Konsortium von 35 Herstellern vereinbarte 1981, diese Standards zu übernehmen. Die ersten CD-Player wurden Ende 1982 auf dem europäischen und japanischen Markt und in den Vereinigten Staaten in Anfang 1983.

Rohstoffe

Ein CD-Player ist ein sehr hoch entwickeltes elektronisches Gerät. Das schlichte Äußere enthält komplexe innere Mechanismen zum Lesen und Verarbeiten von Audiosignalen in sehr klare und knackige Musik. Die verschiedenen Komponenten umfassen einen Gehäuseschrank, eine optische Pick-up-Baugruppe und Leiterplatten (PCBs), die Mikrochips enthalten, die die elektronischen Prozesse des Systems steuern.

Der Schrank, in dem sich das Labyrinth der Komponenten befindet, besteht normalerweise aus leichtem, verstärktem Aluminium. Der Laser ist eine kleine mit Gas gefüllte Glasröhre und eine kleine Stromversorgung, um einen Laserstrahl zu erzeugen, während die Photodiode – ein halbleitendes Teil, das das Licht, das von der CD in ein elektrisches Signal reflektiert wird – in der Regel aus Silizium oder Germanium besteht . Die Linsen und Spiegel des optischen Tonabnehmers bestehen aus hochglanzpoliertem Glas oder Kunststoff. Diese Baugruppe ist in einem eigenen Kunststoffgehäuse untergebracht. Die Mehrheit der elektronischen Komponenten – Widerstände, Transistoren und Kondensatoren – befinden sich auf Mikrochips, die auf Leiterplatten angebracht sind. Das Grundmaterial dieser Bauteile ist in der Regel Silizium. Die Hardware, die die verschiedenen Unterbaugruppen miteinander verbindet, besteht aus einer Vielzahl von Metall- und Kunststoffmuttern, Schrauben, Unterlegscheiben, Riemenscheiben, Motoren, Zahnrädern, Riemen und Kabeln.

Design

Eine Compact Disc ist eine Polycarbonat-Kunststoffplatte mit einem Durchmesser von 4,75 Zoll (12,065 cm), die ungefähr 74 Minuten Audioinformationen enthält. Nicht alle Informationen auf der Disc sind Musik; ein Teil davon wird für Fehlererkennung, Synchronisation und Anzeigezwecke verwendet. Informationen auf einer CD sind auf einer spiralförmigen Spur in Form von Vertiefungen, die als Lands bezeichnet werden, kodiert und Gruben die binäre Hochs und Tiefs darstellen. Es sind diese Einkerbungen, die der Laser des CD-Players "liest".

Konzeptionell ähnelt das Design eines CD-Players dem eines Phonographen (Plattenspielers). Wie eine Schallplatte wird die CD auf einem Plattenspieler gedreht und der Ton wird von einem Aufnahmegerät gelesen. Im Gegensatz zu einem Plattenspieler dreht der Motor den Plattenspieler jedoch nicht mit konstanter Geschwindigkeit, sondern passt ihn entsprechend dem Abstand des Tonabnehmers von der Mitte des Plattenspielers an. Darüber hinaus ist die Aufnahmevorrichtung in einem CD-Player kein mechanischer Stift (eine Nadel), sondern ein optischer Laserstrahl, der nicht in physischen Kontakt mit der CD kommt. Dieser Laser fokussiert seinen Strahl auf die Plattenspur, die die Lands und Pits enthält, und der Detektor des CD-Spielers (die Photodiode) erfasst den Unterschied zwischen dem von den Lands reflektierten Licht und dem von den Pits reflektierten Licht. Die Photodiode wandelt dieses reflektierte Licht in ein elektrisches Signal um. An die elektronische Platine weitergeleitet, wird dieses Signal dann wieder in Ton umgewandelt.

Es gibt grundsätzlich drei Unterbaugruppen in einem CD-Spieler:die Plattenlaufwerkmechanismusbaugruppe; die optische Aufnehmerbaugruppe; und die elektronische Leiterplattenbaugruppe, die die anderen Systeme innerhalb des Players koordiniert und die den Servomechanismus und die Datendecodierungsschaltung enthält. Durch das Senden von Signalen an den Servomechanismus passt die Platine die Motorgeschwindigkeit, Fokussierung und Verfolgung des optischen Aufnehmers an; verwaltet den Datenfluss zu der Decodierungsschaltung; und liefert Anzeigeinformationen als Reaktion auf die verschiedenen Tasten auf dem Bedienfeld.

Der Laufwerksmechanismus besteht aus einer Spindel, die die CD hält, und einem Motor, der sie dreht. Der Motor, genannt Spindelmotor, wird unter der Kunststoff-Disc-Ladeschale oder dem Drehteller montiert. Ein separater Motor, der am Chassis (der Basis oder dem Rahmen des CD-Players) montiert ist, bewegt die Ladeschale in den Player hinein und aus ihm heraus; Dies geschieht mit Hilfe eines Getriebes, das am Motor befestigt ist und auch ein größeres Getriebe betätigt, um eine Klemme zum Halten der Scheibe anzuheben und abzusenken.

Der optische Pick-up besteht aus einem Laser, einer Photodiode und verschiedenen Linsen und Spiegeln. Die gesamte Baugruppe gleitet auf Schienen hin und her und wird durch den Servomechanismus gesteuert, der die Leitsignale von der Platine empfängt. Der optische Pick-up befindet sich normalerweise unter der Klemme, die die Disc positioniert, während der Motor, der die Baugruppe bewegt, am Chassis in der Nähe der Schienen montiert ist. Der Mechanismus funktioniert, indem er einen Laserstrahl durch Linsen und Spiegel auf die Unterseite der CD richtet. Die Linsen und Spiegel halten den Strahl richtig fokussiert. Trifft der Strahl auf ein Pit auf der Platte, wird kein Licht reflektiert und die Fotodiode bleibt ausgekuppelt. Trifft der Strahl auf ein Land, wird das Licht durch die Linsen und Spiegel zurück auf die Fotodiode reflektiert, die dann ein elektrisches Signal erzeugt. Dieses Signal wird an die elektronische Leiterplattenbaugruppe übertragen, wo es vom Datendecodierungssystem in Audiosignale für die Wiedergabe umgewandelt wird.

Die elektronische Leiterplattenbaugruppe besteht aus gedruckten Leiterplatten, die die Schaltung für den Servomechanismus enthalten, der das optische Aufnehmersystem, die Datendecodierung und das Steuersystem betreibt. Es gibt viele integrierte Schaltkreischips, Mikroprozessoren und großintegrierte Komponenten auf der Platinenanordnung.

Eine Schlüsselbaugruppe in einem CD-Player ist die optische Tonabnehmerbaugruppe. Es befindet sich auf Schienen, so dass es sich unter der CD hin und her bewegen kann. Es funktioniert, indem ein Laserstrahl auf die CD gerichtet wird; Trifft der Laser auf ein Land, gelangt das reflektierte Licht zur Fotodiode, die ein elektrisches Signal erzeugt. Das Signal wandert wiederum zur Platine des CD-Players, die das Signal in Musik umwandelt.

Der Herstellungsprozess
Prozess

In der heutigen Fertigungsumgebung gibt es kein einzelnes Herstellungs- und Montageverfahren. Produkte werden zunehmend als Unterbaugruppen hergestellt und zu größeren Unterbaugruppen oder als Endprodukt zusammengeführt. Robotik und Computerlauflinien ermöglichen die Installation praktisch jedes Teils in jedem Zustand der Unterbaugruppe zu jedem Zeitpunkt des Prozesses. Die Reihenfolge kann innerhalb von Minuten geändert werden, um Änderungen oder Kontrollpunkte für die Qualitätskontrolle zu ermöglichen. Der hier beschriebene Herstellungsprozess folgt daher einem ähnlichen Ansatz wie der tatsächliche Herstellungsprozess, der in der Industrie verwendet wird. Der Prozess wird zunächst in Bezug auf die verschiedenen Unterbaugruppen beschrieben und dann wird detailliert beschrieben, wie die verschiedenen Unterbaugruppen zum Endprodukt zusammengefügt werden.

Unterbaugruppe des optischen Abtasters

• 1 Der Laser und die Fotodiode wurden von externen Auftragnehmern gekauft und unter der Scheibenklemme installiert. Die verschiedenen Linsen und Spiegel in der Baugruppe müssen richtig beabstandet und ausgerichtet sein, damit sie das Licht nach Bedarf fokussieren und lenken können. Die gesamte Baugruppe wird dann in einem Kunststoffgehäuse untergebracht. Das Gehäuse wird durch eines der üblichen plastischen Umformverfahren wie Extrusion oder Spritzguss hergestellt, während die Linsen und Spiegel (meist Silikon) in die richtige Form geschnitten und anschließend mit Schleifmitteln fein poliert werden. Die halbleitende Fotodiode wird hergestellt, indem eine Substanz wie Silizium oder Germanium vorbereitet und poliert wird und dann Verunreinigungen hinzugefügt werden, um Schichten zu erzeugen. Dann werden elektrische Kontakte hinzugefügt. Nachdem die optischen Komponenten in Position gebracht wurden, werden die Zahnräder und der Riemen, die beim Positionieren des optischen Pickups helfen, angebracht.

Unterbaugruppe des Laufwerks

• 2 Als nächstes wird der Motor, der den optischen Pick-up bewegt, mit den Zahnrädern und dem Riemen verbunden und auf dem Chassis platziert. Das Ladefach ist jetzt zentriert und der Spindelmotor, der die Disc dreht, ist installiert. Nachdem die Klemme, an der der optische Pick-up befestigt wurde, neben dem Ladefach positioniert ist, werden das Tablett, die Klemme und der Pick-up-Motor in der Ladeschublade installiert, die im Gehäuse des CD-Players platziert ist.

Unterbaugruppe der elektronischen Leiterplatte

• 3 Zuletzt werden die elektronischen Komponenten montiert. Die Leiterplatten wurden von Ingenieuren mit CAD-Paketen (Computer Aided Design) entwickelt und bestehen aus einer kupferplattierten Basis, auf die ein Muster übertragen wurde (Maskierung) durch Siebdruck oder ein ähnliches Verfahren. Nachdem sie mit einem lichtempfindlichen Material beschichtet wurden, werden die strukturierten Bereiche chemisch weggeätzt, um eine mehrschichtige Platine zu erzeugen – die Schichten umfassen die verschiedenen Transistoren und Kondensatoren, aus denen die Schaltungen bestehen. Die winzigen Mikrochips (meist aus Silizium), die auf der Platine montiert sind, werden auf die gleiche Weise hergestellt, nur in einem viel kleineren Maßstab. Je nach Hersteller kann der CD-Player eine große Platine oder mehrere kleinere Platinen haben. Nachdem sie an dem Panel oder den Panels befestigt wurden, werden die Schaltkreise am vorderen Bedienfeld des CD-Players, der Schalterbaugruppe und schließlich der Stromversorgung befestigt.

Endmontage

• 4 Sobald die verschiedenen Unterbaugruppen fertig sind, werden sie verbunden und miteinander verbunden, um die Endmontage abzuschließen. Die meiste Arbeit in dieser Phase wird von menschlichen Arbeitern verrichtet. Der CD-Player wird nun getestet und zur Verpackung geschickt.

Qualitätskontrolle

Wie bereits erwähnt, ist ein CD-Spieler ein sehr hoch entwickeltes Gerät, und von der Anfangs- bis zur Endphase der Herstellung werden strenge Qualitätskontrollmaßnahmen ergriffen, um das ordnungsgemäße Funktionieren des Spielers in Übereinstimmung mit Industriestandards sicherzustellen.

Da so viele der Komponenten in einem CD-Player von spezialisierten Verkäufern hergestellt werden, muss sich der Player-Hersteller auf diese Verkäufer verlassen, um Qualitätsteile herzustellen. Einige der wichtigsten Elemente sind die der optischen Pick-up-Baugruppe. Die Linsen und Spiegel, die im Laser-Pick-up zum Beispiel verwendet werden, bestehen aus hochwertigem Glas, und menschlicher Kontakt muss während des Herstellungsprozesses vermieden werden, um ihre Oberflächen sauber und wischfrei zu halten. In ähnlicher Weise müssen die elektronischen Schaltungskomponenten in einer "Reinraum"-Umgebung (mit speziellen Luftfiltern sowie Kleidungsanforderungen) hergestellt werden, da selbst ein einzelnes Staubpartikel Fehlfunktionen in der Schaltung verursachen kann. Die Leiterplatten und Chips werden von Diagnosegeräten auf vielen Ebenen getestet, um Fehler in den Schaltkreisen zu lokalisieren.

Was die Qualitätskontrolle durch den Hersteller des Abspielgeräts betrifft, wird die Plattenlaufwerksanordnung auf die richtige Ausrichtung des Motors, der Spindel, der Ladeschale und der verschiedenen Zahnräder überprüft. Außerdem wird der optische Abtaster auf korrekte Ausrichtung der Linsen und des Laserstrahls überprüft. Sobald die Unterbaugruppen im Schrank zusammengebunden sind, werden alle Kabelverbindungen auf korrekten elektrischen Kontakt und korrekte Schnittstelle zu den anderen Komponenten überprüft. Sichtprüfungen zur Überprüfung von Riemen, Riemenscheiben und Zahnrädern sind ein wesentlicher Bestandteil des Qualitätskontrollprozesses. Die Endkontrolle besteht aus dem Abspielen einer Testscheibe, die spezielle Signale und Muster generiert, die es den Arbeitern ermöglichen, Fehler in der Anlage aufzuspüren. Darüber hinaus werden die verschiedenen Schalter und Tasten an der Frontplatte überprüft, um sicherzustellen, dass sie die angegebenen Funktionen ausführen und die entsprechenden Informationen auf dem Panel anzeigen.

Die Zukunft

Die CD-Systemtechnologie hat in den letzten Jahren einen langen Weg zurückgelegt, und täglich werden neue Anwendungen für Compact-Disc-Systeme entdeckt. Auf dem Markt wurden bereits CD-ROMs, CD-Videos und CD-Interactive eingeführt. Das neueste Produkt, das die Aufmerksamkeit der Verbraucher auf sich zieht, ist die Foto-CD von Kodak, die Fotos auf Fernseh- und Computerbildschirmen anzeigen kann. Diese Bilder können vom Benutzer bearbeitet oder zugeschnitten werden, genau wie ClipArt-Bilder.

Bei Audio-CD-Systemen werden in den kommenden Jahren viele neue Funktionen eingeführt. Spieler mit erweiterten Fernbedienungsfunktionen befinden sich jetzt in der Entwicklungsphase. Das Gehäuse für einen CD-Player umfasst eine obere Abdeckung oder "Motorhaube" und ein vorderes Bedienfeld. Die CD ruht auf einer Ladeschale, die in den Player hinein- und herausgeschoben werden kann. Diese Funktionen ermöglichen es dem Benutzer, Informationen auf der Fernbedienung selbst anzuzeigen, wie Songtitel, Künstlernamen und die tatsächlichen Liedtexte sowohl Aufnahme als auch Wiedergabe, wie eine Kassette, sind ebenfalls in Arbeit Die enormen Speichermöglichkeiten der CD eignen sich auch für viele breit angelegte Multimedia-Anwendungen, und es ist gut möglich, dass die Compact Disc das gemeinsame Medium des Datenaustauschs für alle wird Audio-, Video- und Computeranwendungen.