（检测技术与自动化装置专业论文）dvd聚焦控制和信号处理电路板的设计.pdf

大连理工大学硕士学位论文 摘要 d v d 聚焦伺服控制和信号处理电路板作为d v d 驱动和管理s o c ( s y s t e mo nc h i p ) 芯 片设计的一个重要的组成部分，其核心技术主要集中在国外几家大型的企业中。本项目的 研究完全拥有自主知识产权，为刻录式d v d 产品的开发提供雄厚的技术支持和广阔的市 场前景，并为以后蓝光技术的发展奠定了基础。 本文完成了d v d 信号处理电路板的设计，主要用于信号的调整和处理，最终用 c a d e n c e 软件将电路集成到s o c 芯片中。主要功能是实现检测信号、数据信号和刻录信号 等模拟信号转换成伺服控制器需要的数字信号，并将数字驱动信号转换成驱动板所需要的 模拟驱动信号等功能。通过设计、制作、测试和应用，本设计中的电路板很好的实现了 所需要的功能，具有很高的抗干扰能力和电磁兼容能力。 本文还完成了d v d 聚焦伺服控制软件的开发，主要包括聚焦误差的计算、错误检 测、聚焦获得、层面切换、信号输出等几部分。通过分析研究d v d 顺利控制的框架和控 制器的优化算法，实现聚焦线圈的精确聚焦控制、层面的切换控制、信号错误的检测和聚 焦缺陷的检测等功能。并协同其它的控制软件，在实验室中经测试系统能够精确的控制激 光读取头聚焦在信息轨迹上。 本项目的硬件电路板在实验室中已经经过测试，具有良好的电磁兼容能力和信号的转 换能力。聚焦伺服控制软件，在实验室中经过测试，结合其它伺服控制软件，能够使激光 读取头精确的聚焦在信息点上。整个d v d 驱动和管理芯片正在进行整合测试，其水平已 经达到国外同等芯片的技术水平。 关键词：伺服控制；聚焦：模数转换：信号处理 一i 张善锋：d v d 聚焦控制和信号处理电路板的设计 a d e s i g nf o rd v df o c u sc o n 仃o h i n ga n ds i g n a l sp r o c e s s i n gc i r c u i tb o a r d a b s t r a c t d v df o c u ss e i - v oc o n t r o l l e ra n ds i g n a l sp m c e s s i n gc i r c u i tb o a r di sa l li m p o r t a n t p a r to f d v d d r i v e ra n dm a n a g e rs e e ( s y s t e mo nc h i p ) t h ec o r et e c h n o l o g yi sc e n t r a l i z e di naf e wa b r o a d l a r g ef o r e i g nb u s i n e s s e s t h i sr e s e a r c ho w n st h ei n d e p e n d e n ti n t e l l e c t u a lp r o p e r t ya n dp r o v i d e s s t r o n gt e c h n i c a ls u p p o r ta n dt h ew i d em a r k e tf o r e g r o u n df o re n g r a v e dd v dp r o d u c t i ta l s ol a y s f o u n d a t i o nf o r t h ed e v e l o p m e n to f b h i el i g h tt e c h n o l o g y t h ep a p e rc o m p l e t e st h ed e s i g n i n go fd v ds i g n a l sp r o c e s s i n gc i r c u i tb o a r d ，m a i n l yu s e df o r 碉u s t m e n ta n dp r o c e s s i n gs i g n a l s ，w h i c hi se m b e di n t ot h es o cw i t hc a n d e n c et 0 0 1 i t sm a i n f u n c t i o ni sc o n v e r t i n gt e s ts i g n a l s ，d a t as i g n a l sa n de n g r a v e ds i g n a l si n t od i g i t a ls i g n a l sa c c o r d i n g t ot h er e q u e s to f t h es e r v ec o n t r o l ，a n ds w i t c hd i g i t a ld r i v es i g n a l st oa n a l o gd r i v es i g n a l sf o rd r i v e b o a r d t h r o u g ht h ep r a c t i c a lt e s t ，t h ec o n v e r tb o a r dd e s i g n e di nt h ep a p e rc a l la c h i e v et h ea b o v e f u n c t i o n sw e l l i ta l s oh a sv e r yh i g ha n t i - j a m m i n ga b i l i t ya n de l e c t r om a g n e t i cc o m p a t i b i l i t y i nt h i sp a p e r , t h ed v ds e r v ec o n t r o ls o f t w a r ew h i c hm a i n l yi n c l u d st h ec a l c u l a t i o no ff o c u s e r r o r ，t h em i s t a k ee x a m i n a t i o n , f o c u 8a c q u i r i n g ，l a y e rs w i t c h i n ga n ds i g n a lo u t p u t se t c ，i s d e v e l o p e d t h r o u g ht h ea n a l y z i n go fd v ds m o o t hc o n t r o la n do p t i m i z ec o n t r o la r i t h m e t i c ，t h e d v df o c u ssj e r v oc o n t r o lc o m p l e t e st h ef o c u sc o i l sa c c u r a t e l yc o n t r o l l i n g ，l a y e rs w i t c hc o n t r o l l i n g ， s i g n a l se n d rd e t e c t i n ga n df o c u sf a u l t sd e t e c t i n ga n do t h e rf u n c t i o n s t h es y s t e mc a l le x a c t l y c o n 6 0 lo p ut of o c u so nt h ei n f o r m a t i o nt r a c kw i t ho t h e rs e l v oc o n t r o ls o r w a r eu n d e r e x p e r i m e n t a lc o n d i t i o n t h i sb o a r di sa l r e a d yt h r o u g ht e s t i n gi nt h el a b o r a t o r y t h er e s u l ti n d i c a t e st h a ti th a se x c e l l e n t e l e c t r om a g n e t i cc o m p a t i b i l i t ya n ds i g n a l sc o n v e r s i o na b i l i t y f o c u ss e r v oc o n t r o ls o f t w a r eh a s a l s ob e e nt e s t e du n d e re x p e r i m e n t a lc o n d i t i o n i tc a nf o c u so nt h ei n f o r m a 6 0 nd o t se x a c t l yw i t h o t h e r $ e t v oc o n t r o l $ 0 f v c a r e s t h ed v ds o ci sb e i n go ni n t e g r a t e dt e s t i t sl e v e lh a sa l r e a d y a t t a i n e dt h ef o r e i g ne q u a lc h i p k e yw o r d s ：s e r v oc o n t r o l ；f o c u s ；a n o l o gt od i g i t a l ；s i g n a lp r o c e s s i n g i i 独创性说明 作者郑重声明：本硕士学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作 及取得研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文 中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得大连理工大学 或者其他单位的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究 所做的贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 作者签名：日期： 大连理工大学硕士研究生学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“大连理工大学硕士、博士学位论文版权使用 规定”，同意大连理工大学保留并向国家有关部门或机构送交学位论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连理工大学可以将本学位论文的全部或部分内 容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论 文。 作者签名： 导师签名 邋 改冷 年月日 大连理工大学硕士学位论文 引言 d v d 聚焦控制和信号处理电路板的设计”属于光学、电子、机械和计算机等技术于一 体的综合性领域【1 。本课题源于大连杰码集成电路设计有限公司的实际研发项目。 d v d 驱动和管理芯片s o c ( s y s t e mo nc h i p ) 是集播放与刻录于一体的控制芯片。当 前，以深亚微米技术为支撑的s o c 已经成为集成电路发展的一大趋势。由于信息处理技 术日益复杂，要求s o c 芯片具备强大的数据处理能力，嵌入式c p u 或d s p 的使用满足了 这一需求，已经成为s o c 的一个重要的标志。本论文研究的主题作为d v d 驱动和管理芯 片的一部分，主要完成信号的检测和转换，实现聚焦伺服控铝功能。在读取速度为1 6 倍 速的高速读取下能够精确的聚焦在信息碟片上。刻录速度为4 倍速，已达到现有国际d v d 控制芯片的水平。 在国内，对于d v d 的研究以前主要停留在d v d 机的维修和原理简介层面上。主要介 绍索尼、日立、先锋、现代和菲利普等d v d 控制机芯的各个组成芯片的功能和维修原 理，对于d v d 的研究和了解还停留在表面上。随着我国集成电路工业的高速发展。芯片 设计公司如雨后的初笋纷纷建立起来，每年都成倍增长。大量地人力和物力被投入到芯片 设计中，北京和上海准各建立几十条集成电路生产线。2 0 0 0 2 0 0 4 年间，对芯片设计总共 投入超过6 0 亿美元，相关销售收入年增长3 0 ，为同期世界之最。2 0 0 4 年间，中国芯片 产业的规模达到5 4 3 5 亿人民币，芯片设计公司从原来的几十家达到4 0 0 多家，但是由于 工艺技术水平低，自主创新能力弱，国内芯片产业几乎成了代工厂，缺乏自主产品和自主 品牌。 由于d v d 伺服控制芯片领域被国际i c 设计巨头如先锋、菲利普、日立和东芝等占 据，这些公司对中国d v d 产业收取大量的专利费，一直是国内碟机行业的心头之痛。 4 年9 月1 日起，时代华纳、日立、i b m 、松下、三菱、东芝和j v c 等七家企业( 简称 d v d 6 c ) 开始对d v d 音频及可刻录d v d 产品的核心专利实施全球许可。另外，7 家日美 公司也表示，在共同授予d v d 刻录机专利使用权的同时，从今年一月起开始征收专利 费。对于d v d 产业，利润越来越低，一个碟机的生产成本大约为3 2 美元，其中一半的费 用用于缴纳核心技术的专利费。只有打破国外d v d 企业的垄断地位，才能从根本上解决 我国d v d 产业的现状。虽然利润越来越低，但是针对d v d 行业的巨大市场，在d v d 产 业相关技术形成规模化生产后，利润还是可观的。我们应从技术层面上突破国外d v d 巨 头的技术垄断，才能从根本上解决受制于人的现状，才能真正在d v d 行业中立足。 鉴于微电子行业在我国重要的战略地位，中国科学院、中国工程院专门成立了包括师 昌绪、王淀佐、王越和王阳元等1 0 位院士组成的专家咨询组，在大量调查研究的基础 张善锋：d v d 聚焦控制和信号处理电路板的设计 上，专家建议，在我国“十五”期间要像当年搞“两弹一星”一样，集中国家有限的人力和财 力，开发有自主知识产权的新一代微电子核心工艺技术及产品。2 0 0 0 年6 月国务院公布了 鼓励软件企业和集成电路产业发展的若干政策( 业内称为1 8 号文) ，业内人士普遍认为 该文件大大地鼓舞了外资对中国芯片业的投资，同时也大大地鼓励了国内芯片设计业的发 展。截止到2 0 0 1 年1 2 月2 9 日，科技部先后批准了上海、西安、无锡、北京、成都、杭 州、深圳等7 个国家级芯片设计产业基地，从深圳、上海到北京，都有芯片生产线上马。 鉴于当前国内、国际的局势和国家政策的大力支持，对d v d 控制芯片核心技术的研 发已刻不容缓，本设计项目得到政府的大力支持，大连政府先后投资1 5 0 万资金。本项目 主要目的是研究与开发d v d 控制芯片。当前d v d 控制芯片主要包括数字解码芯片 ( m p e g - 2 ) 和伺服控制芯片( s e r v oc h i p s e t ) 这两个独立的芯片，目前这种设计集成度不是很 高，并且功耗较高。而由我们从事研究的d v d 控制芯片，将数字解码芯片、伺服控制芯 片组和其它外围控制芯片集成到一个芯片中，大大增强了芯片的集成度和稳定性，进一步 降低了芯片的生产成本，并为下一代蓝光d v d 的设计和发展打下良好的基础。 本设计对于国内d v d 行业的发展，打破国际d v d 巨头的垄断，有着很重要的意 义。但是要达到国际先进水平，中国还要经历相当长的一段时间。没有人怀疑中国未来 d v d 产业的发展空间，对于可刻录式d v d 家用电器，2 0 0 3 年销售量才4 0 0 万台，而 2 0 0 4 年达到1 2 0 0 万，2 0 0 5 年则达到2 0 0 0 万台。人们憧憬未来，只要我们不断努力，中 国在未来肯定会成为芯片产业的中心。 大连理工太学硕士学位论文 1 d v d 概述 1 1d v d 的起源 d v d 是继录像带( v i d e oh o m es y s t e m ) 、激光视盘( l a s e rd i s c ) ；f l l 视频高密光盘( v i d e o c o m p a c td i s c ) 的产物，v c d 的诞生虽然只有几年的历史，但随着电子数字技术的发展，为 了构成画质、伴音更优的家庭影院，d v d 不仅将取代v c d 的地位，并且进入更广阔的领 域。随着科学技术的发展，人们总是不满足于现有的产品水平，并为创造更优质、更廉 价、更高性价比的产品而不遗余力。从v h s 到l d ，又到v c d ，进而再开发d v d 就是遵 循了这一发展的有利证据，下面我们简要的回顾一下这几代产品的不断更新的历程。 d v d 的诞生之路是曲折而又坎坷的，许多大企业为了能占领更多的市场与技术主动 权，而展开了激烈的竞争。1 9 9 4 年1 2 月1 6 日，飞利浦公司和索尼公司公布了单面双层 1 2 e r a 高密度光盘h d c d ( h i g hd e n s i t yc o m p a c td i s c ) 的规范或多媒体光盘m 岫c d o 丙l 坩 m e d i ac o m p a c td i s c ) 的规范，使用6 3 5 n m 的激光器和数值孔径o 5 2 的激光头。采用的是单 面双层的存储结构，在第一信息记录层下面再刻出第二信息记录层，盘片的厚度同普通的 c d 一样都是1 2 m m ，两层的间隔为o 3 0 r a m - 0 3 5 r a m ，两层的信息轨道是独立的，通过将 读取激光束聚焦到不同的信息层上读取记录的信息，使得单面存储量提高到3 7 g b ，单面 双层结构总容量达7 4 g b ，采用m p e g - 2 压缩标准，数据传输速率是可变的，平均为 3 3 m b s ，可以播放2 1 3 5 分钟的广播级质量图像及其伴音，图像质量优于现有的各种视 频系统，这也是第一次提出d v d 技术规格。1 9 9 5 年1 月2 4 日，东芝时代华纳、松下、先 锋、日立、汤姆逊、美国音乐公司和米高梅影片公司等八大公司在洛杉矶共同宣布另一种 具有竞争性超密度数字视盘s d d v d ( s u p e rd e n s i t yd i g i t a l v i d e od i s c ) 的规格，简称 s d ( s u p e rd e n s i t y ，这一简写仍用在目前东芝公司的相关d v d 产品的型号中) 。使用6 5 0 n m 的激光器和数值孔径0 6 的激光头，一开始采用的是双层双面的存储结构，将两张厚度为 0 6 r n m 的信息盘片背靠背的粘接在一起，就像当时的l d 一样，由于聚焦距离的减半，使 得s d 播放机无法直接播放普通的c d ，这也是s d 与m m c d 相比的最大的弱点。后来， 东芝在同盟公司的帮助下，改进了光盘的结构，将两张盘的信息层背对背地粘接，中间夹 粘一半反射层和透明隔离层( 这是d v d - 9 的原型) 。为了解决聚焦距离的矛盾，采取了双聚 焦点物镜技术，可将一束激光聚焦在两个点，一个焦点在第一信息层或第二信息层，焦距 为0 6 m m ，另一个聚焦点在焦距1 , 2 r a m 处，这样便解决了与普通c d 兼容的问题。单面的 容量为5 g b ，双面的容量达到1 0 g b ，数据的传输速率可以变，平均为4 6 9 m b s 【2 j ，图像 与m m 一样出色。 张善锋：i ) v d 聚焦控制和信号处理电路板的设计 1 9 9 5 年2 月2 3 日，索尼公司声明，坚定不移地支持在1 9 9 4 年1 2 月1 6 日与飞利浦公 司所共同发表的技术标准和规格，这意味着与东芝公司联盟对立的局面已完全的确立， d v d 领域的竞争从此诞生。在美国大型的计算机公司o b m 、苹果、康伯、微软) 和好莱坞 电影公司的干预下，1 9 9 5 年9 月1 5 日两大阵营达成了统一d v d 标准的协议，索尼公司放 弃了自己的光盘结构，同意采用东芝公司独具匠心且较为先进的双盘对接的光盘结构，而 东芝公司则相应的在数据信号的调制、处理等部分技术向索尼妥协。两大阵营的妥协预示 着d v d 标准的统一。 1 2d v d 的光盘物理格式 d v d 盘片的外形和现行的c d 、v c d 十分相似，盘片的直径都是1 2 0 m m 、厚度是 1 2 r a m ，但是两者之间有着本质的区别。d v d 是一种有明亮光泽的银白色盘片，中央有一 圆孔，d v d 盘片内有一封装在塑料片中的铝箔，数据以紧密排列在螺旋线上的一系列小坑 的形式存储在铝箔上，这些小坑由玻璃母版压制而成，对于单面盘，盘的背面还可印刷盘 片内容或商标等，铝箔上记录的数据用聚焦良好的激光束读取。存储格式如图1 1 所示。 图1 1 d v d 数据存储格式 f i g 1 1s t r u c t u r e o f d v dd a t as t o r a g e 按照d v d 单，双面与单双层结构的组合，d v d 可以分为单面单层、单面双层、双面 单层和双面双层四种物理结构，各种规格的容量也各不相同，根据容量的不同可以将d v d 分成四种规格，分别是d v d 5 、d v d 一9 、d v d 1 0 与d v d 一1 8 ( 目前市场上d v d 1 0 和 d v d 1 8 在国内市场是很少见的) ，目前市场最常见的主要是d v d - 5 和d v d 一9 。 d v d 一5 是单面单层的结构，所以标准的资料记录量为4 7 g b ，目前市场以这样规格的 d v d 最多，因为这种技术成熟度十分高。d v d - 9 是单面双层结构，将信息记录层增加到 两层，中间有一反射层，通过改变激光头的聚焦位置便可以读取第二层的数据，没有必要 将盘片翻过来，但是由于双层结构的影响，磁盘的存储容量只能达到8 7 g b 。d v d 一1 0 是 大连理工大学硕士学位论文 双面单层结构，信息存储在盘的正反两面， 面双层的结构，但是其制作工艺非常复杂， 才会用这种工艺。 所以存储容量是d v d 一5 的两倍。d v d 一1 8 是双 很少在市场上应用，只是针对一些经典的唱片 因d v d 盘片记录的数据坑小而密、螺线间距短、记录层又多，敌存储量很大，不同 结构的张盘片一般可存放4 7 1 7 g b 的数据，这是目前v c d 盘片存储容量( 6 8 0 m b ) 的 7 2 5 倍。这种存储容量巨大的一张d 、，d 盘片可记录9 h 演播室质量的图像及多声道环绕 声数字信号，也可存储具有高度交互性的计算机数据，若只令其提供v c d 质量的声音， 则司。长达3 0 h 。实际上，它可作为任何数字信息的记录载体。用于存储二进码数据的槽纹 瓢凸起，在d v d 片上最小光点可短到0 4 0 4 4 p m 数据轨迹仅距0 7 4 p r o ，而v c d 则分 别为0 8 3 p r o 和1 _ 6 p m ；如图1 2 所示。读取d v d 盘片数据的激光束的波长为6 3 5 6 5 0 r i m 3 1 ，而v c d 激光器波长为7 8 0 r a n 。这些特点综合在一起，使得单片d v d 片有约7 倍于v c i ) 片的容量。 图1 2c d n c d 与d 、仍存储格式的比较 f i g 1 2t h es a v i n l n g f o r m a t c o m p a r i s o n o f c d n c da n d d v d 1 3d v d 国内外发展现状 d v d 国内发展状况： 国内清华大学光盘国家工程中心开发成功d v i ) 内部用的多维力矩器，同时提出了一 种新的利用t n 液晶盒电子切换的d v d c d 兼容光学头设计方案。 华中科技大学提出了采用双波长集成半导体激光器作为光源的d v d 激光头方案。该 方案将d v d 部分和c d 部分的光路合二为一。 e s s 公司6 x 系列单芯片解码方案，该方案市场占有率约三成以上。 c - c u b e 公司z i v a 系列单芯片解码方案，该方案市场占有率约二成左右。 z o r a n 公司系列单芯片解码方案，该方案市场占有率约二成左右。 d v d 国际发展状况： 张普锋：d v i ) 聚焦控制和信号处理电路板的设计 索尼公司推出的d v d 机芯就是典型的单激光头系统，它采用高度精密的光路结构设 计及系统控制，在光路结构的设计上采用高度精密的微米级立体圆柱镜头切割技术，实现 了用单镜头动态聚焦方式读取d v d 、超级v c d 和c d 等各种光盘，以取代双镜头，大大 降低了由双镜头转换引起的故障率。 韩国三星电机展示了依据蓝光光盘规格的可擦写光盘用的激光头。蓝光光盘的刻录播 放速度为2 倍速【4 】。 日本n e c 公司作了大量兼容激光头，以蓝紫激光作为光源的下一代光盘h dd v d 激 光头。 日立( m t a c m ) 机芯( h i t a c h i 光? l - + a l i 伺服或u m c 伺服) ，市场售价3 0 美元左 右。 松下( m a t s u s h l t a ) 机芯，市场售价3 5 美元左右。 三洋( s a n y o ) 机芯，市场售价3 0 美元左右。 1 4d v d 未来展望 在全球的光存储市场中，c d 、c d r o m 、d v d - r o m 、d v d - r w 和d v d + r w 等产 品被广泛采用，虽然当前d v d 在存储的密度及读写速度方面和c d v c d 相比，已经有了 长足的进步，但他们都采用的是红色激光波段进行数据的读取和刻写，使得光存储的密度 及读写速度提高的步伐还算不上太大。而新一代蓝光d v d 技术采用全新的蓝色激光波段 进行数据的读取和刻写，使得在相同物理结构的光盘的信息储存容量是原先d v d 的6 倍 之多，从而使高密度光储存的技术突破迈出了很大的步伐。 在国际上，d v d 的发展主要着眼于蓝光技术，由索尼、飞利浦、松下、日立、先锋、 夏普、韩国三星、l g 及法国汤姆逊9 家公司于2 0 0 2 年2 月1 9 日联合推出的蓝光光盘 ( b l u e - r a yd i s c ，b r d ) 成为新一代的光盘规格。而东芝和n e c 在2 0 0 3 年1 0 月6 日联合提 交的新一代光盘规格x - i dd v d ，( 开发代号为a o d ) 。由于吲r d ”和 a o d ”都是采用蓝紫光 技术，统称为蓝光d v d ”。 蓝紫色激光是被用作下一代大容量d v d 开发时的主要光源技术，特别是在开发多层 光盘部分。理论上，使用蓝紫色激光光源，能够在双层架构上实现4 5 g b ，以及在四层架 构上实现9 0 g b 的容量。b r d 格式就是应用短波长的蓝紫色激光技术，采用由覆盖层厚度 为o 1 m m ，整体厚度为1 2 m m 的光盘，波长仅为4 0 5 r i m 的蓝色激光和数值孔径为0 8 5 的 物镜配套而成的“0 1 r n m 薄覆盖层规格”圈。使碟片上的光迹间距可以缩小到o 3 2 p m ，最短 的记录光迹长度为0 1 3 8 z r n ，记录容量是现有d v d 的5 倍，可以储存2 h 的高清晰数字影 像信息，以及超过1 3 h 的标准电视视频信息。东芝和n e c 的a o d 格式的与现行的d v d 大连理工大学硕士学位论文 保持很好的兼容性。仍采用与现行d v d 一样的两层o 6 m m 底板粘合的构造，但激光束用 4 0 5 r i m 的蓝色光源，物镜的数值孔径为o 6 0 7 ，与现行的d v d 一样，光迹间距和最小 光点分别为0 3 7 5 m a 和0 2 2 a n 左右【6 】，比b r d 要求低些，单面单层的记录容量分别为 2 0 g b 和1 5 g b ，相比蓝光碟小些，不够放入一部现行格式的高清晰数字影像信息，但是使 用现行d v d 相同的物镜从而允许d v d 生产商利用现有生产线进行制造，因而其更具有成 本优势，同样相对于b r d 也具有很强的市场竞争力。 相对于红光d v d ”，无论在存储容量上，还是在用作高清晰数字音像记录设备和电脑 外存储器等方面，“蓝光d v d ”有着更为广阔的前景。但是任何高科技技术都会有它的弊 端，甚至有人认为，“蓝光d v d ”出现了偏离光盘发展的正轨。众所周知，普通用户对光盘 的保护和使用都是相当随便的，因为光盘有它的特点：即光盘表面有少量污渍或损伤不是 很大的情况下也可以照常使用，但是由于b r d 采用的是“0 1 m m 薄覆盖层规格”，其保护 层仅有0 1 m m ，因此其耐伤抗污性相对于传统的d v d 来说是相当脆弱的，虽然s o n y 推 出了蓝光光盘的保护用光盘盒，但是让用户适应一种另外的使用光盘的方式显然有些勉为 其难。 在产业化道路上，蓝光d v d 也存在激光器价格偏高，高清晰度节目软件还没有，软 件商们因怕盗版对高清晰度版本兴趣不是很大等不利因素。另外，因不愿意过早的结束 d v d 产业的辉煌期，在七大电影制片商支持下，美国华纳公司又推出了一种仍采用红光光 盘的物理格式，编码解码采用高压缩比技术的新型d v d ，渴望间接提高存储容量。要使 “蓝光d v d ”真正成为家庭激光放映设备，还要看市场的接受程度。相对于d v d 来说， “蓝光d v d ”存储容量的提高也是有限的，并非是一种革命性的技术变革。特别是在中国市 场，高清晰度电视远未普及，对于普通电视，现在的d v d 已经足够，对于精度更高的光 盘，普通电视的解析度跟不上，效果无法体现，这种情况下光盘容量的增加充其量只是增 加了普通电视节目内容。 1 5 本论文选题和主要研究内容 本论文的课题背景来源于大连杰码集成电路有限公司的实际研发项目。 作为整个d v d 驱动和管理芯片的一部分，伺服控制的硬件主要包括s c p 控制器和外 围的信号处理电路。本文主要从事信号转换电路板的设计、制作和测试，完成对检测信 号、数字信号和刻录信号的a d 、d a 的转换功能，为d v d 的伺服控制提供了误差检测 信号和电机驱动信号。本文还从事了聚焦伺服控制的研究，主要包括了计算光敏二极管检 测的误差信号、控制系统的错误检测、聚焦的控制算法、聚焦获得控制、层面切换控制、 聚焦的启动信号输入和驱动信号的输出等软件，在其它伺服控制软件的协同工作下，经测 张善锋：d v d 聚焦控制和信号处理电路板的设计 试能够使激光读取头精确的聚焦在信息轨迹上，良好的完成了所需的功能。整个系统目前 正处于整合测试阶段，不久的将来拥有自主知识产权的d v d 控制芯片将会面世，打破国 外公司在d v d 产品上的技术垄断。 本论文的主要工作包括： ( 1 ) 介绍了d v d 光盘的起源、光盘的物理格式、国内外的发展状况以及d v d 控制技 术的未来展望。 ( 2 ) 以索尼激光读取头为例介绍了激光读取头的种类和组成，详细阐述了激光读取头 的光路原理和电路原理，还介绍了激光读取头与外围信号处理板的连接信号。 ( 3 ) 分析整个信号处理电路板的设计原理，并详细的分析了芯片的选择，设计的原 理、制作的方法和测试的过程，完成了整个电路板的设计和测试工作。 ( 4 ) 分析聚焦伺服控制器( s c p ) 的工作原理和组成，由于本设计采用的是d v d 独特 的控制软件，并介绍了控制的软件的控制指令。 ( 5 ) 详细分析了整个聚焦伺服控制的组成部分和各部分的功能，完成了整个伺服控制 系统的软件设计，通过软件的测试良好的完成了所要求的功能。 ( 6 ) 总结和展望。 大连理工大学硕士学位论文 d d 激光读取头的基本原理 2 1 激光头的种类 激光读取头( 哪i c a lp i c k - u p ) 的作用顾名思义，就是用来读取碟片上的信息，当激光会 聚于碟片信号面上，编码的压缩信号采用m e p c - 2 的编码标准刻录在碟片的信号坑上，激 光经坑和平面的反射量是不同的。当激光焦点落在碟片平面上的时候，几乎全部都反射； 当激光焦点落在碟片信息坑上的时候，大部分被吸收。这样，在播放的过程中，入射光的 功率是恒定的，但是反射光的功率是随时间作脉冲式变化的，这些反射光射入至光电器件 中的光电二极管上，进行光电转换产生电流，根据光电二极管的特性，产生的电流也是脉 冲式的，再通过电流电压转换器，产生电压信号，也是脉冲式的，脉冲的宽度与碟片上的 信息坑的长度是对应的，这样信息坑的大小可以用电压波形来表示。 目前d v d 播放机的光头的种类可以分为单激光器方式和双激光器方式两种川，而这两 种又可细分为几种： ( 1 ) 单激光器方式 只有一个激光发射器，只能发射6 5 0 h m 的激光，故无法兼容c d _ r 。具体又有以下几 两种方式： 双透镜方式，采用两个焦距不同的透镜，分别用于d v d 和c d 系统，透镜必须采用 机械方式进行切换。 双焦点透镜方式，全息技术，在透镜上做环状切割。 快门方式( 孔径控制方式) 。 ( 2 ) 双激光器方式 由于采用了两个激光器，能发射两种不同波长，故能读取c d r ，有两种方式： 双激光头方式，各有两套激光器和透镜系统，分别用于c d 和d v d 。 双激光器单光路方式，各有分别适用于d v d 和c d 的专用激光器，光路和透镜系统 则利用棱镜等实现公用。 2 2 激光头的组件 d v d 光头组件由d v d 激光头、主轴盘、主轴电机、滑行位置检铡开关、进给电机、 齿轮、心座、齿条和滑动杆等组成。主铀电机用于使碟片转动，进给电机用于驱动激光头 在滑行导轨上滑动，心座用于固定各个配件。齿轮和齿条在激光头滑行中起传递进给电机 驱动力的作用。 张善锋：d v d 聚焦控制和信号处理电路板的设计 激光头由光拾取单元( 激光二极管、检控光电二极管、光栅板、分束器、助i c 、准宣 透镜、物镜) 、聚焦线圈、寻迹线圈、磁铁、轴盖、滑行基座、滑行齿轮、扁平插座等组 成。激光二极管作为激光光源，检控光电= 极管作为a k 电路的传感头。聚焦线圈组件用 于执行聚焦伺服的动作，以致激光焦点始终聚焦在碟片信息面上，寻迹线圈组件执行寻迹 伺服动作，以致激光焦点始终落在信息轨线的正中心。 2 3 激光头的光路分析 激光头种类繁多，读取不同的格式的光盘的激光读取头内部结构也各不相同，不同公 司生产的激光头也都有自己公司独特的结构。它主要是由d v d 激光二极管、光栅、光束 分离元件、光电检测集成电路( p d i c ) 、准直透镜及物镜等组成【8 】。如图2 1 所示： 图2 1 d v d 激光头光路图 f i g 2 1d v d - o p ul 域c i r c u i t ( 1 】d v d 激光二极管 d v d 激光二极管所发出的激光的波长为6 4 0 n m 6 6 0 n m n ，激光光源相比普通光源具 有高度单色性，光束高度集中、方向性强、高亮度等特点。激光源是由激光器产生的，目 前，激光器可以分为气体激光器( 主要有氦氖激光器和氨激光器) 和半导体激光器两类，半 导体激光器相比气体激光器具有体积小、成本低、结构简单、易于集成、电光转换效率高 ( 可以达1 0 ) 、功耗低，输入功率为1 0 0m w 左右、可靠性高和寿命长等特点。 光斑直径必须小于碟片的信迹之间的距离，焦深范围必须小于信迹间距的2 倍。否 则，即使寻迹伺服控制再好，光斑始终落在信息中心，由于光斑的边缘离相邻轨迹太近， 就会出现几帧同时读取的现象，使画面周围有影坏现象。若光斑微小偏离，就可能导致图 像模糊。相反，光斑直径越小，就不可能出现几条信迹同时读的现象，图像的分辨率也就 大连理工大学硕士学位论文 越高。所以c d v c d 激光头不可以读取d v d 碟片的信息，但是d v d 激光头可以兼容读 取c d n c d 格式的碟片。 ( 2 ) 光栅 光栅是三光束激光头持有的配置，它的作用是把单光束激光分成三光束激光，一个主 光束和两个辅助光束，主光束也叫0 级光束，辅助光束也n 土i 级光束。主光束的作用主要 是读出碟片信息，产生r f 波形和产生聚焦误差信号。而辅助光束主要用于产生寻迹误差 信号。对于d v d 光头来说，辅助光束偏离为o 3 z m 左右。 光栅是利用多缝衍射原理使光发生色散的光学器件。它是一块刻有大量相互平行、等 宽、等距狭缝的玻璃片。单位长度内狭缝越多，光栅的色散率越大；一块光栅的总狭缝越 多，则衍射条纹就越细，分辨率就越高。从光强分布来看，光能主要集中于主光束，大约 占6 4 ，其次是辅助光束，大约占3 0 ，其余小部分由士2 、士3 、士4 级所占有，可以 忽略不计，因此，从能量的角度来讲，主要是三束光。 ( 3 ) 光束分离元件 如图2 1 所示，激光束经光栅、光束分离元件、准直透镜、物镜射入到碟片信息面， 再从碟片信息面反射回来，经物镜、准直透镜、光束分离元件而折射到光电检测集成电路 上。在这个过程中，光束分离元件所起的作用是避免射出光束与返回光束因共用光路而发 生相互干涉并实现分离的。实现分离有两种方式，1 4 波片与分束器相结合方式和半透镜 方式。 半透镜方式利用在会聚光束中使平行板型的半透镜倾斜放置，使从光栅射入半透镜的 激光束反射，从准直透镜返回的激光束透射，从而实现光束分离。由于半透镜倾斜放置会 产生像散，故还可取代柱面透镜，使光路精简。 半透镜也叫偏振棱镜，它是根据双折射原理而制成的。常用的偏振棱镜有尼科耳棱镜 和格兰棱镜。尼科耳棱镜是将长度约为宽度3 倍的透明的冰洲石晶体沿一定方向锯开后磨 光，再用加拿大树胶粘合制成。从光栅射入的激光束被加拿大树胶的表面全反射从准直 透镜返回的激光束由于相位改变了1 8 0 ，在尼科耳棱镜中只能发生透射，而进入光电检测 电路。 ( 4 ) 准直透镜 准直透镜的作用是使从光束分离元件射出来的激光束成为平行光束。准直透镜是一个 平凸透镜，它也是一种会聚透镜产生平行光的条件是入射光应从它的焦点发出，或入射 光线的反向延长线汇交于它的焦点上，这样，半透镜与淮直透镜之间的距离就要求小于焦 距f 且相对位置恰当，才能保持出射光线是平行光。产生的平行光束为光束会聚于信息 点上作准备。 张善锋：d v d 聚焦控制和信号处理电路板的设计 ( 5 ) 勿镜 物镜的作用是把平行光束会聚于碟片的信息面上。所用的物镜是双凸透镜，要求物镜 光心o 到碟片信息面的距离刚好等于物镜的焦距。 对于单面双层或双面双层的d v d 碟片，采取自动调聚( 即改变物镜与碟片之间距离) 和 读内层信息时调整激光功率的方法来加以解决的。在正常读碟的情况下，碟片上所读信迹 与物镜主铀的相同位置是一样的。 当正确聚焦时，激光焦点正好落在碟片的信迹面上，此时的聚焦光斑在信迹面上的图 形是一个圆，其大小是最小的，读碟时分辨率最高。 当聚焦不准时，要么物镜太靠近碟片要么物镜离碟片太远，激光焦点都没有落在轨 迹面上，都会出现散焦现象，此时，激光束散射到碟片信迹面上所形成的图形是一个椭 圆，这时读碟的能力非常差，甚至不能读碟。 2 4 激光头的电路分析 各种d v d 激光头的内部电路各有特点，但作用基本上都是相同的。基本上都包括光 电检测电路( p h o t od i d oi n s p e c tc h u i l ) ：聚焦伺服、寻迹伺服和倾斜伺服执行机构；激光二 级管( l a s e rd i d o ) ；扁平接头的作用是将光头与伺服电路连接起来。下面以索尼的激光头来 介绍电路结构。 ( 1 ) 光电检测电路 光电检测电路( p d i c ) 采用8 个光敏二极管a 、b 、c 、d 、e 、f 、g 和h 检测反射回来 的光束。其中光敏二级光a 、b 、c 、d 用来产生信息r f 信号和聚焦伺服误差信号，光敏 二极管e 、f 、g 、h 用来产生寻迹伺服误差信号【l o 】。它们的排列情况如图2 , 2 所示： 圈圜圉 图2 , 2 光敏二极管的排列方式 f i g 2 , 2 t h e a l i g n n n t o f p h o t o d i o d e 当脉冲式的激光束射入到p d i c 的光敏管上时，就会发生光电效应，根据光敏二级管 的特性，亮电流和暗电流是相差很大的，亮电流为1 弘a 左右，而暗电流在l o 弘的数量 级上。光敏二极管的电流随所入射的光强的增大而增大，这样，光敏二极管在电路中所通 过的电流也就会发生脉冲式的变化，实现了光转换成电的过程。激光头有电流型激光头和 大连理工大学硕士学位论文 电压型激光头，索尼的激光头是一种电流型激光头，在扁平接头输出1 5 m 1 2 0 m h z ， 3 m a 的电流信号给伺服电路【1 l 】。在电压型激光头中，p d i c 中还有电流电压转换电路 ( r y e ) ，通过此电路可以把电流信号转换成电压信号，且信号的幅度得到放大。p d i c 输出 的a 、b 、c 、d 、e 、f 、g 、h 电压信号大约为2 3 v 4 7 v 左右，其中含有2 5 v 的参考 电压，其余的为有用信号，信号的频率为1 0 1 0 0 m i - i z 。除了这些电压信号外，p d i c 还 为伺服电路提供射频信号r f ，信号内编码了光盘上的信息。 ( 2 ) 执行机构 激光头的执行机构包括聚焦线圈和寻迹线圈，它们都是套在物镜上的，聚焦线圈和寻 迹线圈通电就会产生磁场，磁场与磁铁就有相互作用力。磁铁对聚焦线圈作用的结果是使 物镜作垂直上下移动，以使激光焦点准确的落在碟片信息面上，从而准确的读取信息。聚 焦线圈是由两对线圈组成，其作用是完成聚焦的功能。如图2 3 所示。z 方向是物镜在聚焦 线圈的作用下的垂直上下移动的方向；x 方向是物镜在寻迹线圈的作用下的水平左右移动 的方向：口旋转方向是物镜在倾斜线圈( 与聚焦线圈共用) 作用下的倾斜方向。 4 5 扁平插头的管脚的p i n l 、p i i l 2 、p i n 4 、p i n 5 、p i n 6 用作控制伺服线圈电压输入信号 端。聚焦伺服的执行机构包括两对线圈( c o i l l a 、c o i l l b 和c o i l 2 a 、e o i l 2 b ) ，当在p i n 2 输 入参考电压，在p i n 6 加一正向电压，在p i