Lecteur de disque compact

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Contexte

Un disque compact, également connu simplement sous le nom de CD, est un support de stockage optique avec des données numériques enregistrées sur sa surface. Un lecteur de disque compact est un appareil qui lit les données enregistrées au moyen d'un faisceau optique et reproduit avec précision les informations originales (musique, images ou données). Parce que le lecteur lit les informations par des moyens optiques, il n'y a pas d'usure physique sur le disque. La technologie de base utilisée dans tous les lecteurs de disques compacts est essentiellement la même, que le lecteur soit conçu pour des applications audio, vidéo ou informatiques. Cet article se concentrera sur les lecteurs conçus pour les applications audio (en particulier, l'audio domestique).

L'histoire du système de disques compacts remonte au début des années 1970, lorsque des progrès rapides dans les technologies de l'électronique numérique, de l'optique laser et de l'intégration à grande échelle (LSI) ont eu lieu. De nombreuses entreprises ont commencé à explorer la possibilité de stocker des signaux audio sous forme optique en utilisant des moyens numériques plutôt qu'analogiques. Une méthode pratique de modulation des signaux audio a été trouvée en utilisant des théories publiées en 1948 par un scientifique nommé Claude E. Shannon. Cette méthode, connue sous le nom de Pulse Code Modulation (PCM), échantillonne les signaux audio pendant un court intervalle de temps, puis convertit les échantillons en valeurs numériques pour le stockage au format numérique.

Le stockage de l'audio au format numérique (appelé codage audio) nécessite de grandes quantités de données. Par exemple, le stockage d'une seconde d'informations audio nécessite un million de bits de données. Les disques optiques capables de stocker des milliards de bits de données dans une très petite zone se sont révélés idéaux pour de telles applications. Un disque optique peut stocker jusqu'à un million de bits de données sur une zone aussi petite qu'une tête d'épingle. Une fois que les technologies d'enregistrement et de stockage de l'audio numérique ont été trouvées, les fabricants ont commencé à chercher des moyens de lire et de traiter les données stockées dans une si petite zone. Des expériences avec des dispositifs laser (un laser émet un faisceau de lumière très étroit capable de se focaliser sur une très petite zone) se sont avérées très fructueuses. Le développement des techniques LSI signifiait que l'énorme quantité de données stockées sur le disque pouvait être traitée assez rapidement pour fournir une musique continue. Le décor était maintenant planté pour le développement d'un système complet de disques compacts.

Bien que de nombreuses entreprises aient participé aux premières recherches et expérimentations sur les différentes technologies impliquées dans un système de disque compact, deux entreprises, Sony du Japon et Philips des Pays-Bas, ont réussi à fusionner ces technologies en un système complet. Les deux sociétés ont collaboré pour développer des normes spécifiques pour le système de disques compacts, et un consortium de 35 fabricants a accepté d'adopter ces normes en 1981. Les premiers lecteurs de disques compacts ont été introduits sur les marchés européen et japonais à la fin de 1982 et aux États-Unis en début 1983.

Matières premières

Un lecteur de disque compact est un appareil électronique très sophistiqué. L'extérieur simple contient des mécanismes intérieurs complexes pour lire et traiter les signaux audio en une musique très claire et nette. Les divers composants comprennent une armoire, un ensemble de lecture optique et des cartes de circuits imprimés (PCB), qui contiennent des micropuces qui dirigent les processus électroniques du système.

L'armoire qui abrite le labyrinthe de composants est généralement en aluminium léger renforcé. Le laser est un petit tube de verre rempli de gaz et d'une petite alimentation pour générer un faisceau laser, tandis que la photodiode - une partie semi-conductrice que la lumière réfléchie par le disque compact en un signal électrique - est généralement en silicium ou en germanium. . Les lentilles et les miroirs du capteur optique sont en verre ou en plastique hautement poli. Cet ensemble est logé dans son propre boîtier en plastique. La majorité des composants électroniques (résistances, transistors et condensateurs) sont contenus sur des micropuces fixées aux PCB. Le matériau de base de ces composants est généralement du silicium. Le matériel qui relie les divers sous-ensembles se compose d'une variété d'écrous, de vis, de rondelles, de poulies, de moteurs, d'engrenages, de courroies et de câbles en métal et en plastique.

Conception

Un disque compact est un disque en plastique polycarbonate de 4,75 pouces de diamètre (12,065 centimètres) contenant environ 74 minutes d'informations audio. Toutes les informations sur le disque ne sont pas de la musique; une partie est utilisée à des fins de détection d'erreurs, de synchronisation et d'affichage. Les informations sur un CD sont encodées sur une piste en spirale sous forme d'indentations appelées terres et fosses qui représentent des hauts et des bas binaires. Ce sont ces empreintes que le laser du lecteur de CD « lit ».

Conceptuellement, la conception d'un lecteur de CD ressemble à celle d'un lecteur de phonographe (disque). Comme un disque, le disque compact tourne sur une platine et le son est lu par un appareil de lecture. Cependant, contrairement à un tourne-disque, le moteur ne fait pas tourner le plateau tournant à une vitesse constante mais l'ajuste en fonction de la distance du capteur par rapport au centre du plateau tournant. De plus, le dispositif de lecture d'un lecteur de CD n'est pas un stylet mécanique (une aiguille) mais un faisceau laser optique qui n'entre pas en contact physique avec le disque compact. Ce laser focalise son faisceau sur la piste du disque qui contient les méplats et les creux, et le détecteur du lecteur de CD (la photodiode) détecte la différence entre la lumière réfléchie par les méplats et celle réfléchie par les creux. La photodiode transforme cette lumière réfléchie en un signal électrique. Relayé sur la carte électronique, ce signal est ensuite reconverti en son.

Il y a essentiellement trois sous-ensembles dans un lecteur de disque compact :l'ensemble de mécanisme de lecteur de disque; l'ensemble de lecture optique ; et l'ensemble de carte de circuit électronique, qui coordonne les autres systèmes à l'intérieur du lecteur et qui comprend le mécanisme d'asservissement et les circuits de décodage de données. En envoyant des signaux au mécanisme d'asservissement, la carte de circuit imprimé ajuste la vitesse du moteur, la mise au point et le suivi du capteur optique ; gère le flux de données vers les circuits de décodage ; et fournit des informations d'affichage en réponse aux divers boutons du panneau de commande.

Le mécanisme de lecteur de disque se compose d'un axe qui maintient le CD et d'un moteur qui le fait tourner. Le moteur, appelé moteur de broche, est monté sous le plateau de chargement de disque en plastique ou le plateau tournant. Un moteur séparé monté sur le châssis (la base ou le cadre du lecteur de CD) déplace le plateau de chargement dans et hors du lecteur ; cela se fait au moyen d'un engrenage qui est attaché au moteur et qui actionne également un engrenage plus gros pour soulever et abaisser une pince pour maintenir le disque en place.

Le capteur optique se compose d'un laser, d'une photodiode et de diverses lentilles et miroirs. L'ensemble du sous-ensemble glisse d'avant en arrière sur des rails et est contrôlé par le mécanisme d'asservissement qui reçoit les signaux de direction de la carte de circuit imprimé. Le capteur optique est généralement situé sous la pince qui positionne le disque, tandis que le moteur qui déplace l'ensemble est monté sur le châssis à proximité des rails. Le mécanisme fonctionne en dirigeant un faisceau laser à travers des lentilles et des miroirs sur la face inférieure du disque compact. Les lentilles et les miroirs maintiennent le faisceau correctement focalisé. Si le faisceau atteint un creux sur le disque, aucune lumière n'est réfléchie et la photodiode reste désengagée. Si le faisceau frappe une terre, la lumière est réfléchie à travers les lentilles et se reflète sur la photodiode, qui génère alors un signal électrique. Ce signal est transféré à l'ensemble de carte de circuit électronique, où il est converti par le système de décodage de données en signaux audio pour la lecture.

L'ensemble de carte de circuit électronique se compose de cartes de circuit imprimé qui contiennent les circuits du mécanisme d'asservissement, qui actionne le système de lecture optique, le décodage des données et le système de contrôle. Il existe de nombreuses puces de circuits intégrés, microprocesseurs et composants intégrés à grande échelle sur l'assemblage de la carte.

Un ensemble clé dans un lecteur de disque compact est l'ensemble de lecture optique. Il est situé sur des rails afin qu'il puisse se déplacer d'avant en arrière sous le disque compact. Il fonctionne en dirigeant un faisceau laser vers le CD ; si le laser frappe un terrain, la lumière réfléchie se rend ensuite à la photodiode, qui génère un signal électrique. À son tour, le signal se déplace vers le circuit imprimé du lecteur de CD, qui convertit le signal en musique.

Le processus de fabrication

Dans l'environnement de fabrication d'aujourd'hui, il n'y a pas de méthode unique de fabrication et d'assemblage. Les produits sont de plus en plus fabriqués sous forme de sous-ensembles et regroupés sous forme de sous-ensembles plus grands ou en tant que produit final. La robotique et les lignes de conduites informatiques permettent d'installer pratiquement n'importe quelle pièce dans n'importe quel état du sous-ensemble à n'importe quel moment du processus. La séquence peut être modifiée en quelques minutes pour permettre des modifications ou des points de contrôle de qualité. Le processus de fabrication détaillé ici suit donc une approche similaire au processus de fabrication réel utilisé dans l'industrie. Le processus est d'abord décrit en termes de différents sous-ensembles, puis la description détaille comment les différents sous-ensembles sont réunis pour former le produit final.

Sous-ensemble capteur optique

• 1 Achetés auprès d'entrepreneurs externes, le laser et la photodiode sont installés sous la pince à disque. Les différentes lentilles et miroirs de l'ensemble doivent être correctement espacés et alignés afin qu'ils puissent focaliser et diriger la lumière si nécessaire. L'ensemble est alors logé dans un boîtier plastique. Le boîtier est fabriqué par l'un des procédés habituels de formage du plastique tels que l'extrusion ou le moulage par injection, tandis que les lentilles et les miroirs (généralement du silicium) sont découpés dans la forme appropriée puis finement polis avec des abrasifs. La photodiode semi-conductrice est fabriquée en préparant et en polissant une substance telle que le silicium ou le germanium, puis en ajoutant des impuretés pour créer des couches. Des contacts électriques sont alors ajoutés. Une fois les composants optiques en place, les engrenages et la courroie qui aideront à positionner le capteur optique sont mis en place.

Sous-ensemble de lecteur de disque

• 2 Ensuite, le moteur qui déplacera le capteur optique est connecté aux engrenages et à la courroie et placé sur le châssis. Le plateau de chargement est maintenant centré et le moteur de broche qui fera tourner le disque est installé. Une fois que la pince à laquelle le capteur optique a été fixé est positionnée à côté du plateau de chargement, le plateau, la pince et le moteur du capteur sont installés dans le tiroir de chargement, qui est placé dans le boîtier du lecteur CD.

Sous-ensemble carte électronique

• 3 Les derniers à être assemblés sont les composants électroniques. Conçues par des ingénieurs à l'aide de packages de conception assistée par ordinateur (CAO), les cartes de circuits imprimés se composent d'une base recouverte de cuivre sur laquelle un motif est transféré (masquage) par sérigraphie ou une méthode similaire. Après avoir été recouvertes d'un matériau photosensible, les zones à motifs sont gravées chimiquement pour créer une carte multicouche - les couches comprennent les différents transistors et condensateurs qui composent les circuits. Les minuscules micropuces (généralement en silicium) qui sont montées sur la carte sont fabriquées de la même manière, sauf à une échelle beaucoup plus petite. Selon le fabricant, le lecteur de CD peut avoir une grande carte de circuit imprimé ou plusieurs cartes plus petites. Après avoir été attachés au panneau ou aux panneaux, les circuits sont attachés au panneau de commande avant du lecteur de CD, à l'ensemble de commutateurs et enfin à l'alimentation.

Assemblage final

• 4 Une fois les différents sous-ensembles prêts, ils sont connectés et interfacés entre eux pour terminer l'assemblage final. La plupart des travaux effectués à ce stade sont effectués par des travailleurs humains. Le lecteur CD est maintenant testé et envoyé pour emballage.

Contrôle qualité

Comme indiqué précédemment, un lecteur de disque compact est un appareil très sophistiqué, et des mesures de contrôle de qualité strictes sont adoptées du stade initial au stade final de la fabrication pour assurer le bon fonctionnement du lecteur conformément aux normes de l'industrie.

Étant donné que de nombreux composants d'un lecteur de disques compacts sont fabriqués par des fournisseurs spécialisés, le fabricant du lecteur doit dépendre de ces fournisseurs pour produire des pièces de qualité. Certains des éléments les plus cruciaux sont ceux de l'ensemble de lecture optique. Les lentilles et les miroirs utilisés dans le capteur laser, par exemple, sont en verre de haute qualité, et le contact humain doit être évité pendant le processus de fabrication pour garder leurs surfaces propres et sans bavures. De même, les composants du circuit électronique doivent être fabriqués dans un environnement de "salle blanche" (contenant des filtres à air spéciaux ainsi que des exigences vestimentaires), car même une seule particule de poussière peut provoquer un dysfonctionnement des circuits. Les circuits imprimés et les puces sont testés à plusieurs niveaux par des machines de diagnostic pour identifier les défauts dans les circuits.

En ce qui concerne le contrôle qualité par le fabricant du lecteur, l'ensemble du lecteur de disque est inspecté pour un alignement correct du moteur, de la broche, du plateau de chargement et des divers engrenages. De plus, le capteur optique est vérifié pour un alignement correct des lentilles et du faisceau laser. Une fois que les sous-ensembles sont attachés ensemble dans l'armoire, toutes les connexions de câblage sont inspectées pour un bon contact électrique et une interface correcte avec les autres composants. Les inspections visuelles pour vérifier les courroies, les poulies et les engrenages font partie intégrante du processus de contrôle de la qualité. L'inspection finale consiste à lire un disque de test qui génère des signaux et des modèles spéciaux, permettant aux travailleurs de détecter les défauts du système. De plus, les divers commutateurs et boutons du panneau avant sont vérifiés pour s'assurer qu'ils remplissent les fonctions indiquées et affichent les informations appropriées sur le panneau.

Le futur

La technologie du système CD a parcouru un long chemin au cours des dernières années et de nouvelles applications pour les systèmes de disques compacts sont découvertes chaque jour. Le marché a déjà vu l'introduction des CD-ROM, des CD-Vidéos et des CD-Interactifs. Le dernier produit à attirer l'attention des consommateurs est le Photo-CD de Kodak, qui peut afficher des photographies sur des écrans de télévision et d'ordinateur. Ces images peuvent être modifiées ou recadrées par l'utilisateur, tout comme les images clipart.

Les systèmes de CD audio verront l'introduction de nombreuses nouvelles fonctionnalités dans les années à venir. Les lecteurs dotés de fonctions avancées de contrôle à distance sont maintenant en phase de développement. Le boîtier d'un lecteur CD comprend un couvercle supérieur ou "capot" et un panneau de commande avant. Le disque compact repose sur un plateau de chargement qui glisse dans et hors du lecteur. Ces fonctions permettront à l'utilisateur d'afficher des informations sur la télécommande elle-même, telles que les titres des chansons, les noms des artistes et les paroles réelles des chansons. Disques compacts capables de à la fois l'enregistrement et la lecture, comme une cassette, sont également en cours. Les vastes capacités de stockage du CD se prêtent également à de nombreuses applications multimédias étendues, et il est tout à fait possible que les disques compacts deviennent le support commun d'échange de données pour tous applications audio, vidéo et informatiques.