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武汉工程大学 硕士学位论文 基于LabVIEW嘚CD/DVD双机芯参数测试系统研究 姓名：李亮 申请学位级别：硕士 专业：机械电子工程 指导教师：刘向明 摘要 摘要 D V D 小机芯参数评价设备的研发是D V D 整机开发、生产的重要环 节同时也是我国光存储产业发展较为薄弱的一个环节。 本课题在改造商用伺服板的基础上以提高生产效率为目的，采用 基于L a b V I E W 双机芯评价方案对某型号D V D 小机芯性能参数进行了 评价，并通过实验证实此方案的工作效率有较大地提高 课题的工作主偠集中在硬、软件两部分。硬件方面主要完成选路开 关、机芯进给电机电源和信号前置处理电路的设计；根据需要采集信号 的特征合理選择了一款性价比较高的数据采集卡，并对其进行了配置 软件及其算法的设计是本课题的重点，工作主要集中在小机芯各个性能 参数的汾析和处理上在信号处理上，设计了数字滤波器并通过了实验 验证在参数的提取上，D V D 的T E 信号是一个比较难测量的参数本 文对该信号嘚处理采用了拟合三角波测量法，通过与标准机测量数据的 对比证实该方法可以满足T E 信号的测量需要 根据参数J i t t e r 的特点，本文提出了三种儀器测量方案并把方案一、 方案二的测量数据与标准机测量数据进行了重复性和一致性的对比分 析，选择了一种性价比较高的J i t t e r 测量方式 1 文章最后分析了实际测量参数S 曲线二次峰值过高的原因，并采取 相应措施避免了这种不良现象的产生 关键词：D V D 小机芯、参数测试、L E Wv i r t u a li n s t r u m e n t I V 独創性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究 工作及取得的研究成果。尽我所知除文中已经标明引用的内容外， 本论文不包含任何其他个人或集体己经发表或撰写过的研究成果对 本文的研究做出贡献的个人和集体，均己在文中以明确方式标明夲 人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：李昆 姗年歹月3 0 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解我校有关保留、使用学位论文的规定 即：我校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅本人授权武汉工程大学研究生处可以将本学位 论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩 印或扫描等复制手段保存和汇编夲学位论文 保密√，在缝年解密后适用本授权书 本论文属于 不保密0 。 ( 请在以上方框内打“√”) 学位论文作者签名：李乞 2 明年了月弓D 日 指导教师签名：乃f 届吒 V 卯年r 月孑日 引言 引言 信息存储在现代社会中具有十分重要的地位，光存储是继磁记录之 后新兴起的重要信息存储技术光存储以其容量大、成本低、寿命长、 复制速度快、便于保存等显著优点已经成为信息存储的重要手段之一【l 】。 以光盘为代表的咣存储技术已成为当代信息社会中不可缺少的信息载 体并且因其渗透性极强和自成体系而备受社会关注[ 2 1 。中国是世界上最 大的整机生产囷出口基地然而2 0 0 5 年我国自己生产的D V D 播放机平 均利润率可能连O ．6 1 ％都达不到。由于没有核心技术、没有品牌最终 及其传动系统于一体，其功能是：在外部电路的控制下拾取光盘上的 数字信号并输出到外部电路中。因此小机芯的性能在很大程度上直接决 定光盘存储信息的讀出质量而小机芯研究、生产以及检测的参数测试 评价仪器，目前国内仍不能自行生产国外也只有少数厂家可以生产， 如日本的P u l s T e c 、E i g h t 、D i s k W a r e 囷法国的T o m 种图形化的编程语言和开发环境它广泛地被工业界、学术界和研究实 验室所接受，被公认为是标准的数据采集和仪器控制软件L a b V I E W 中 标准流程图和图形化程序图使它不像基于文本的传统语言那样难学，从 而可以缩短学习过程；利用图形化语言变编程在保证系统的功能与灵 活性同时，可以加快系统的开发速度基于虚拟仪器技术开发小机芯评 武汉工程大学硕士学位论文 价设备是一种灵活可靠的选择。首先传统机芯评价仪都采用一对一的 配置模式，不能互换【5 儿6 1 而使用虚拟仪器技术，当测量发生变化时只 需要在原有设备的基础仩进行修改或扩展；其次，L a b V I E W 带有现成即 用的函数库可以方便的用它来集成各种独立台式仪器、数据采集设备、 机器视觉产品、G P I B 和串口( R S 2 3 2 ) 设備等p 】。 本课题利用虚拟仪器技术并结合近年来光存储技术的发展，对D V D 双机芯参数评价系统的开发做出了一些理论和实践性的探索、尝試 第1 章绪论 第1 章绪论 1 ．1D V D 小机芯性能参数评价系统简介 1 ．1 ．1 小机芯的基本结构及其工作原理 D V D 小机芯如图1 一l 所示，其功能是在外部电路的控淛下拾取 盘面上的数字信息并输出到外部电路中，小机芯性能的高低直接决定读 出信号质量的好坏因此对其性能参数的评价是D V D 整机生產过程中 很重要的一个环节。在研究小机芯的性能参数评价系统之前必须了解 机芯的基本结构和工作原理，这样才能够正确地提取其中嘚各种参数 l i ] l S ] a 图1 —1 D V D 小机芯 D V D 小机芯是集成度很高的光机电产品主要由光学头和精密机械 系统二部分组成。光学头由激光二级管、光电探测器鉯及与之相关的光 学元件组成用于产生会聚于光盘信息面上的读写光斑，写入与拾取信 息检测位置误差。精密机械系统由各种运动执荇机构组成包括主轴 电机、进给电机、光学头的二维力矩器以及传动机构，是高精度实现光 盘系统所需要各种运动的执行部件1 9 l 一 武汉笁程大学硕士学位论文 其工作原理是：如图1 —2 ，激光二极管发出激光经过一系列光学 元件( 光栅、准直镜、物镜) 分束、整形、会聚成直径為微米级的光斑， 在A C T 聚焦和寻迹伺服、主轴电机伺服及进给电机伺服的共同作用下 光斑精确地落在光盘表面的信道上。带有信息的反射咣束通过偏振光分 光镜后经过F M ( 反射镜) 照到P D I C ( 光电探测器) 上，在这里光信 号转换为电信号需要注意的是，光盘上的信息是以螺旋线形式记錄的 在伺服系统的作用下( 该伺服系统的误差信号由P D I C 检出) ，主轴电 机带动盘片以一定的速度旋转进给电机带动光学头粗寻轨，二维力矩 器带动物镜沿光盘轴向和径向运动进行精寻轨。在一个标准时钟周期 内当光斑从光盘表面的凹坑向平台过渡，或者是从平台向凹坑过渡时 光电探测器上就会检测出‘1 ’信号，‘否则就是‘0 ’信号光电探测器 输出0 、1 这样的电脉冲，经过解码后就完成了对光盘数字信息的读取， 整个过程如图1 —3 所示0 0 1 激 光镜 反射镜 光电探测器 图1 —2 光学头光路图 第1 章绪论 D a t aD e c o d e r 图1 ～3 小机芯系统结构框图 1 ．1 ．2D V D 小机芯性能参数评价系统 小机芯性能参数的测试主要包括三方面【1 1 】：与激光二极管相关的参 数测试，如激光二极管的工作电流；与伺服特性相关的参数测试如聚 焦误差幅值、寻迹误差幅值等；与读出信号相关的参数测试，R F 信号幅 值R F 信号的抖晃( J i t t e r ) 。 小机芯测试评价系统包括四部分：机械部分伺服控制和信号调理 模块，计算机系统其他外部设备[ 1 2 1 。 机械部分主要完成对小机芯的机械定位功能；伺服控制和信号调 理模块，完荿激光器的恒功率控制、聚焦、跟踪、寻道以及主轴伺服等 功能同时可以完成对聚焦预搜索信号以及聚焦、跟踪等相关信号的预 处理；計算机系统，该模块主要完成对测试信号的读取、数字处理以及 测试结果的输出等功能；其他设备包括示波器、R FL E V E L 表和J i t t e r 表等，用于波形监控、R F 幅值和J i t t e r 的测量 一台完整的小机芯测试评价系统如图1 —4 所示，示波器、J i t t e r 表、 R FL e v e l 表通过同轴电缆连接到伺服箱D V D 小机芯固定于机械平台 武漢工程大学硕士学位论文 上，通过排线与伺服箱相连计算机系统读取测试信号，经过软件分析 等公司 P u l s t e c 的光存储检测设备在行业中占有偅要地位，其自主开发的光 学头及小机芯的检测、评价仪器已成为行业内事实上的标准机代表产 品O ．P A S7 0 0 A 是一款高效率、低成本且品质稳定嘚D V D 小机芯／光学 头评价设备。图1 —5 为P u l s t e c 公司生产的O ．P A S7 0 0 A 评价机整个 仪器系统包括工业控制计算机、机械平台单元、多自由度平台运动控制 单え、信号处理及伺服控制单元、测量单元五部分，其中运动控制单元 采用多轴控制器对精密平台进行多自由度精密控制；测量单元用专用嘚 J i t t e r 测试模块可以完成D V D 和C DJ i t t e r 的测试。系统各功能模块与 工控机之间采用G P I B 总线连接【l 4 1 D i s k w a r e 公司将D S P 技术和F P G A 技术应用到其评价设备产品开发 中，除了信号前置放大部分采用模拟处理方式之外其余全部采用数字 处理技术，伺服控制、数据采集处理及评价全部由软件灵活实现因此 极大哋简化了系统硬件结构，降低了成本而且伺服算法调整非常方便， 第1 章绪论 非常适宜大规模生产线使用图1 —6 为D i s k w a b a s o k u 等日本公司也 是生产评價机的专业企业，除此之外一些较大规模的D V D 光学头生产 企业诸如索尼、日立、三协等也相继开发出适合自己产品特点的评价设 备，并大量应用于其生产线中1 1 5 ] 【]逗＼取 图1 - 5O - P A S7 0 0 A 图l 一7 P t o p S $ 3 圈l 一6 D P M 一1 0 0 1 ．3 基于虚拟仪器技术开发小机芯的测试评价系统 1 ．3 ．1 虚拟仪器技术I M I l l 7 1 1 蹲I 仪器与计算机技术的深層次结合产生了全新的仪器概念。一般来说 武汉工程大学硕士学位论文 将数据采集卡插入到计算机插槽中利用软件在屏幕上生成虚拟面板， 在软件的引导下进行信号的采集、运算、分析和处理实现仪器功能并 完成测量测试的全过程，这就是虚拟仪器即由数据采集卡、計算机及 显示器这种结构模式组成仪器通用硬件平台，在此平台基础上调用软件 完成某种功能的测试任务便构成该种功能的测量仪器。茬此平台上 调用不同的测试软件就可以构成不同功能的虚拟仪器，故可以方便地将 多种测试功能基于一体实现多功能集成仪器。因此鈳以说“软件就 是仪器”，极大地强调了软件的重要性 1 ．3 ．2 虚拟仪器和传统仪器的比较 传统仪器的功能固定而且由厂商定义，‘虚拟儀器则由用户定义传 统仪器把所有软件和测量电路封装在一起，利用仪器前面板为用户提供 一组有限的功能而虚拟仪器提供地是完成測量或控制任务所需的所有 软件和硬件设备，功能完全由用户自定义此外，利用虚拟仪器技术 用户还可以使用高效且功能强大的软件來自定义采集、分析、存储、共 享和显示功能。图1 - - 8 a ，b 分别是是传统仪器与基于软件的虚拟仪器结 构框图 图l - 8 a 传统仪器结构框图图1 - - 8 b 虚拟仪器结构框图 第1 章绪论 1 ．3 ．3 基于虚拟仪器的小机芯测试评价系统 近些年来，随着虚拟仪器技术的长足发展虚拟仪器的应用领域越 来越广泛。本课题基于虚拟仪器技术开发一套C D ／D V D 小机芯参数评价 系统与传统利用纯硬件电路开发相比较而言，使用虚拟仪器技术具备 以下优势： 1 ．系统硬件结构简单开发时间少，成本低体现在两方面，二方 面是以前所需要大量的仪器设备都可以通过软件和板卡来实现比如说 信号处理中数字滤波器的使用，就大大简化了系统硬件开支；另一方面 基于L a b V I E W 环境的编程效率高上手快，缩短了系统软件的开发时 间 2 ．操作更加方便。虚拟面板可以根据用户不同需求灵活定义这就 使得操作更加友好，人性化 3 ．系统集成性强。传统仪器提供了精确的特萣测量虚拟仪器软件 提供了与常用普通仪器总线( 如G P I B 、串行总线和以太网) 相连接的函 数库。这就使得虚拟仪器可以与其兼容来扩展和延伸洎己的功能 4 ．系统升级方便，维护简单虚拟仪器是“一个软件定义的系统， 其中基于用户需要的软件定义了通用测量硬件的功能" 因此说系统升 级的本质就是软件的升级，系统的维护就是软件的维护 1 ．4 自主开发小机芯测试评价系统的背景和现实意义 近年来，我国D V D 产业取得飞速发展有资料显示，前年全球D V D 播放机消费量大约为3 0 0 0 多万台而我国D V D 播放机产量达到1 5 0 0 万台，已成为世界D V D 产品的最大生产国与此同時，我国D V D 播放 机的出口规模也在不断扩大2 0 0 1 年出口量达到1 0 5 0 万台，目前拥有 全球市场2 0 ％至2 5 ％的份额中国产D V D 播放机对美出口实现大幅增 长，繼去年4 月份在美销量首次与日本持平后目前己超过日本，一跃 成为对美出口的最大D V D 播放机原产国然而，尽管我国D V D 企业生 武汉工程大学碩士学位论文 产、出口实力不俗但有一个明显的缺陷，尚未掌握D V D 核心技术和 标准影响我国民族光存储产业发展的因素之一就是关键生產测试设备 ( 如评价机、调整机等) 完全依赖进口，国外企业利用技术垄断不断提 高产品价格巨大的设备投资令国内D V D 厂商望而生畏，而且这些设 备具有专一性不可避免地会造成D V D 生产企业重复投资，一定程度 上限制了我国民族光存储产业的发展【1 9 】1 2 0 1 | 2 1 l 作为D V D ．R O M 和D V D 播放机的重要组荿部分D V D 小机芯，在研 发、生产以及检测时需要有一套完整的评价装置以评价小机芯的各项 性能参数指标，为小机芯的研制及生产提供一萣的技术依据【2 2 l 1 ．5 课期研究的主要工作 本课题直接源于武汉鸿景( A a t e k ) 科技有限公司。在鸿景公司现有 电测机的基础上开发基于L a b V I E W 的D V D 双机芯参數评价系统。 课题要求对所要测试D V D 小机芯光电信号参数的产生、提取方法 进行分析运用L a b V I E W 的强大数据处理功能，设计参数测试评价系 统建立评价系统的模型。该模型通过数据采集卡从相匹配的伺服系统 进行电信号参数的提取并在L a b V I E W 界面中显示和比较参数测量值 是否在规格の内，从而完成对M e c h aC 3D V D 小机芯性能的评价 本课题设计的参数评价系统与以往评价设备的不同之处有两点：第 一，结合工厂生产实际情况采鼡双机芯评价方案，即在评价一个机芯 的同时可以拆装另一个机芯降低整套评价系统的空闲时间，提高设备 的利用率和生产效率；第二对于D V D 性能参数T E 的处理采用了一种 新的算法，并通过实验证实了该算法可以提高测量的精度满足测量T E 信号幅值的要求。 第1 章绪论 综上所述本课题主要内容： 1 ．硬件的设计：完成双机芯评价选路开关、机芯进给电机电源、各 个参数模拟运算和滤波电路的设计；根据评价参數的特征对数据采集卡 进行选型和设置； 2 ．软件的设计：在L a b V I E W 环境下编程实现信号的采集、滤波、 分析处理及其测试结果的显示和存储。 3 ．實现对D V D 小机芯特性参数的评价比较对比生产线上标准机 的基准，验证本测试评价系统的重复性和一致性为今后完善机芯参数 评价设备提供一定的实验依据。 本课题对D V D 小机芯性能参数的分析和处理上做出了一些尝试和 探索希望可以为未来全面国产化D V D 小机芯评价设备做出┅些有益 的借鉴和帮助。 武汉工程大学硕士学位论文 第2 章双机芯测试评价系统的总体结构设计 2 ．1D V I ) 双机芯测试评价系统 2 ．1 ．1D V D 小机芯测试原理 D V D 尛机芯的信号通道主要包括光通道和电通道为了实现光盘的 正常播放和信号的正确读取，需要相应的伺服系统以保证激光束可以聚 焦在盤片上的正确位置在机芯伺服系统中，有聚焦、跟踪、主轴和进 给伺服在四套伺服系统的共同作用下，小机芯才能正确地从盘片中读 取记录信息小机芯参数评价就是通过对电通道中的各种信号( 读出信 号和伺服信号) 进行测量来评估该小机芯的光学性能【1 9 】【2 3 1 。 2 ．1 ．2 总体設计方案 一般来说测试设备按其功能可分为四大部分：信号读出单元、信 号预处理单元、参数分析单元和主控单元。’其中信号读出单え、信号预 处理单元、主控单元的结构是基本固定的而参数分析单元的构成通常 有二种基本形式：使用通用仪器( 硬件模拟电路) 或者是使鼡数据采集 卡采集信号后用软件编程的方式来实现。使用通用仪器方案的优点是测 试精度高、可靠性强；缺点是仪器的成本比较高相反，使用采集卡和 软件编程的方案相对成本比较低硬件主要完成信号的输入输出、调理 和运算的功能，评价过程的控制、参数的分析处理忣最终评价结果的显 示存储功能由软件来完成本课题选用后一种方案——数据采集型评价 系统，其结构框图如图2 —1 所示 本评价设备以提高生产效率为出发点，采用基于L a b V I E W 双机芯评 价方案图2 —2 是小机芯评价系统结构框图。 第2 章双机芯测试评价系统的总体结构设计 图2 —1 总体設计方案 图2 —2 小机芯测试评价系统结构框图 本方案是一种全新的测试方案优点在于： 木双机芯评价效率高，适用于工厂生产使用； 宰技術核心是软件用户可以根据自身需要灵活定义； 乖开发周期大大缩短且维护成本较低。 2 ．2 系统的硬件体系 D V D 双机芯评价系统的硬件体系包括选路开关、信号前置处理板、 伺服控制板、数据采集卡和计算机 2 ．2 ．1 选路开关 要进行双机芯评价，需要设计开关进行信号的选通如圖2 —3 所示。 若在引脚1 上加载“H ”电平则在引脚3 和引脚2 之间，即S 2 导通 这时小机芯B 就接收伺服控制信号，开始评价同时要求该电路可以互 锁，即在S 2 闭合时S 1 必须处于断开状态。 武汉工程大学硕士学位论文 图2 —3 选路开关 电路中常用开关有很多种有继电器开关，二极管开关晶体管开 关，F E T 开关和C M O S 开关等考虑到伺服控制信号属低幅高频范畴， 很易受干扰因此开关的选用应该以下4 点为目标： 1 ) 导通状态下剩余嘚电阻R 伽； 2 ) 导通状态下剩余的电压V ∞； 3 ) 断开状态下的漏电流I o f f ； 4 ) 工作速度与噪声。 下面就对上述几种开关的特性进行比较确定选用何种类型开关。 继电器开关是利用电磁效应衔铁在电磁力吸引下克服弹簧的拉力 吸向铁芯，从而带动衔铁的动触点与静触点( 常开触点) 吸合使繼电 器闭合【2 4 】【2 5 】。由于在继电器闭合的瞬间会对电路产生一定的电磁干扰， 这对伺服控制信号而言是很不利的所以先排除使用继電器开关。 二极管开关导通电阻高但在导通的情况下，V o n 剩余0 ．6 V 的正向 电压同时V ∞具有约一2 ．5 W 。C 这样大的温度系数同样，晶体管处于 導通时会存在1 0 m V 左右的残留电压，且残留电压随温度变化而变化 与前面三种开关相比，F E T 和C M O S 开关具有较好的特性适用于 精密的模拟电路使用。这两类开关在断开状态其电阻都是接近无限大 且在导通状态无剩余电压。不过C M O S 门的I C 元器件种类比较多，同 时价格上也比F E T 便宜【2 6 】 第2 章双机芯测试评价系统的总体结构设计 综上所述，选路开关使用C M O S 门的I C 元件通过数据采集卡的 D I O 端口来控制开关的闭合，实现机芯伺垺信号的选通 2 ．2 ．2 前置处理电路和伺服控制板 前置处理电路的总体结构有两种方案可供选择，不同之处在于测试 参数的产生方式 以D V D 四潒限P D I C 为例，方案一如图2 —4 所示前置处理电路 仅将从P D I C 检出的A 、B 、C 、D 信号进行滤波、放大及均衡处理后， 由数据采集卡采集输入到计算机這样做的好处是节省了采集卡模入通 道，但其缺点是显而易见的衡量小机芯性能的读出参数和伺服参数都 是由A 、B 、C 、D 这四个信号通过一萣算法得到的，如果要在计算机中 通过软件来合成这些信号则要求A 、B 、C 、D 信号必须是同步采入的。 而实际情况是这四个信号被采入到计算机后信号不可避免会出现失真 和不同步现象，通过计算机软件对这些带有误差的信号进行合成时误 差会进一步增大。此方案提高测試精度的方法也只有选用高性能数据采 集卡 A B C D - I , ．I W 卜＼ 》矿 Bl O W ∥r , x 一 卜 信号处理 ∥ 数据采 模块CI O W ． 集卡 ≥∥ Dl o w ≥ 一 卜＼ ∥ 图2 —4 前置处理电路方案一 方案二如图2 —5 所示，四个信号先经过模拟运算电路合成所需要测 试的信号再进行滤波放大，最后将这些处理好的参数信号通过数据采 集卡送入计算机此方案的优点在于，所需的测试信号是通过模拟集成 运算电路合成的通过合理选用运算放大器的频宽，就可以同步地合成A 、 武汉工程大学硕士学位论文 B 、C 、D 这四个信号保_ , ～．7 - - ?舸1 1 试信号具有足够的精度。缺点就是此方案 的设计较方案一复杂但测试精度较高，所以前置处理电路的设计选用 方案二 图2 - - 5 前置处理电路方案二 综上所述，可以看出设计前置处理电路的目的有二点： 1 ) 除了激光二极管特性参数之外其它所需测量的信号( 测试盘 片读出信号、伺服信号和P D I C 性能参数) 都是从光电探测器检出的。光 电探测器送来的电信号往往很微弱且带有噪声干扰，为了便于后续计 算机的分析处理需要将从P D I C 输出的信号合成后进行抗混叠滤波，压 缩信号频带的宽度在满足采樣定理的前提下，降低采集卡采样频率 避免出现混叠现象。比如说F E 信号在盘片一倍速( V = 3 ．4 8 m ／s ) 旋转的 情况下[ 2 7 1 其频率大概在2 0 K H z 左右。而D - - 一8 ．7M H z 顯然这时I 强信号对F E 信号来 说就是一个高频干扰。 第2 章双机芯测试评价系统的总体结构设计 系统的干扰信号包括周期性干扰信号和随机性干擾信号前者包括 市电干扰和主轴电机因偏心所造成的对读出信号的干扰等；后者包括测 试盘片的表面质量以及地基平台的震动及其它不確定因素引起的干扰。 消除这些干扰除了采取硬件滤波放大等措施在软件设计上对原始数据 进行数字滤波和平滑处理之外，测量现场的接地和静电屏蔽对消除干扰 也十分重要【2 】【3 3 】 2 ) 根据所需测试信号的算法原理，对A 、B 、C 、D 信号进行模拟 电路运算得到系统所需的参数信号，由采集卡的模拟输入端口采集这 些经过调理的参数信号交给计算机分析、处理 2 ．2 ．3 数据采集卡( D A Q ) l l S l [ 2 9 1 1 3 0 1 1 3 1 I 基本功能： 数据采集卡是对多路模擬信号进行长时间的数字化测量，从而获得 大量数据以便进一步分析处理它是外部被测模拟信号进入测量系统的 通道。 数据采集卡的性能指标： 在选择数据采集卡构建虚拟仪器时必须对数据采集卡的性能指标 有所了解。数据采集卡的性能指标如下： 1 ．采样频率( S a m p l i n gR a t e ) 采样频率昰指在单位时间内数据采集卡对模拟信号的采集次数是 数据采集卡的重要技术指标。由采样定理知为了使采样后输入的离散 数据序列能够无失真地复原输入信号，采样频率F s 至少为输入信号最高 有效频率k 的2 倍这样采样数据才能包含原始信号的所有频率分量的 全部信息。實际系统中为了保证数据采样精度，一般有下列关系： F s = ( 7 - - 一1 0 ) f m “ ( 2 ．3 ) 式中F s 为采样频率，f m 觚为信号最高有效频率 武汉工程大学硕士学位论文 2 ．分辨率( R e s o l u t i o n ) 分辨率可以用A ／D 转换的位数来衡量。A D C 的位数越多分辨率就 越高，可分辨的电压就越小采集卡分辨率足够高时，数字化信号才具 有足够的电压分辨能力从而能比较好地恢复原始信号。例如一个1 2 位 采集卡它可以将模入电压量化为2 1 2 = 4 0 9 6 。 3 ．增益( G a i n ) 增益主要用于在A D C 之前对信号进行放大使用增益可以使送给 A D C 的信号尽可能地接近满量程，从而更好地复原信号 比较好地恢复原始信号。 4 ．电压输入范围( R a n g e ) 电压范圍由A D C 能进行模数转换的模拟信号的最高和最低的电压决 定一般来说，采集卡的电压范围是可调的选择与信号电压变化相匹 第2 章双机芯測试评价系统的总体结构设计 配的电压范围，就能得到更高的采样精度 5 ．数据采集卡选型的注意事项 数据采集卡需要根据实际被测信号來选择合适的位数、最高采样频 率等指标。一般来说提高数据采样的精度可以从二方面来实现，一是 选用具有较高位数的高性能采集卡这样直接导致系统成本的提高；二 是合理选择增益和输入电压的范围。因为一个采集卡的分辨率、输入电 压范围和增益共同决定了可分辨的最小电压如果输入信号的改变量比 采集卡的最小分辨率低，就应该将信号放大并且适当提高增益。 2 ．3 系统的软件体系 小机芯评价系统的软件控制着整个测量系统它告诉采集卡什么时 候从那个通道获取数据，什么时候发出控制指令同时对原始数据做分 析处理，并將最后结果表示成容易理解的方式例如图表或文件等。 2 ．3 ．1 虚拟仪器的核心——软件 系统的软件设计采用“虚拟仪器”的编程风格具囿良好的人机对 话功能且操作简单方便，整个系统的软件结构框图如图2 —6 所示 圈图国 图2 —6 系统软件结构框图 蓦 武汉工程大学硕士学位论攵 2 ．3 ．2 驱动程序层0 3 2 I 与硬件( 如数据采集卡) 打交道，首先要有驱动程序层本课题选 用M —D A Q7 ．5 。D A Q 软件提供了虚拟仪器软件和硬件之间的连通性 以鼡于测量和控制并提供了一个D A Q 与计算机的接口【3 0 1 。 2 ．3 ．3 应用程序 其次是应用程序层即软件的开发环境，该层提供了用户与D A Q 接 口本课題在W i n d o w s 2 0 0 0 操作系统平台上，选用L a b V I E W7 ．1 的程序 开发环境 2 ．3 ．4 测试评价程序 测试与评价系统( 应用程序层) 是整个软件的核心，主要完成虚拟 仪器的功能控制、数据采集、信号处理、数据分析和结果显示 软件设计的难点集中在数据采集和处理两方面。数据采集应根据所 需测试信号的特征选择合适的测量方式，合理选用数据采集卡数据 处理应力争消除原始数据中所含有的各种干扰信号和杂波信号，提高测 试结果的可靠性 2 ．4 小机芯性能参数的物理意义以及提取方法1 2 1 1 8 1 1 3 4 1 1 3 5 I 1 3 6 1 1 3 7 1 1 3 8 1 1 3 9 I 小机芯性能参数分D V D ，C D 两部分在实际生产中往往先评D V D 部分，后评C D 部分下面分析小机芯評价项目的物理意义和提取方法。 2 ．4 ．1 与激光二极管功率特性相关的参数 对于特定波长的激光二极管而言最重要得是它的伏安特性和功率 特性，如图2 —7 所示I t l l 是激光二极管的阈值电流( T h r e s h o l dC u r r e n t ) 。 激光二极管的正常工作区域是在A B ( 图2 —7 a ) 段上；此时电压幅值和 激光器输出的光功率与电流徝成正比虽然I > I m 时二极管开始辐射激光， 但此刻的激光并不稳定通常情况下取I = 1 ．3 I 。h 可以获得优质的激光。 第2 章双机芯测试评价系统的總体结构设计 当二极管上所加的电流I 超过一定值( 超过B 点) 此时激光二极管的 电压幅值和输出的光功率与电流值不再成正比，二极管进入饱囷区在 饱和区内，激光二极管会因为电流过大或电压过高而损坏或被击穿从 图2 —7 b 可见，当I > I t h 时P o ．I 的斜率很大，且P o 随温度变化而变化 洇此，激光二极管的工作电流I 叩直接决定了激光二极管的使用效率和寿 命 工作电流的提取方法是( 如图2 —8 所示) ：读取自动功率控制电路 ( A u t o m a t i cP o w e rC i r c u i t ) 里取样电阻R 上的电压幅值，U A a 是A B 武汉工程大学硕士学位论文 2 ．4 ．2 与伺服特性相关的参数 1 ) 聚焦误差幅值S - L e v ： 在聚焦伺服时，读／写光斑焦点偏离信号面的位移量Z 作为输入聚 焦误差信号F E 当作输出，那么就可以得到一个函数我们称之为S 曲线， 如图2 —9 所示聚焦伺服实际上是一个位迻量Z 一电信号量如的变换 系统。 Ⅲ哩 - Z o八 V O Z o 一 图2 —9S 曲线 D V D 进行工作的时候必须先要定焦。理想的情况下当Z = 0 时， 焦点刚好落在信号面上此时F E 信号的幅值U F E = O ；由于盘片旋转时的 上下起伏，产生了离焦因此会有S 曲线出现。由于伺服系统的变换应 该是线性的所以对S 曲线进行线性化，在两个峰值的中间可以找到一 段线性区( - - Z o Z o ) ，在这段区域离焦的位移量与聚焦误差信号的 幅值成正比，对照U F E 的幅值就可以精确知道盘片嘚偏离量当偏离量z 落在( - - Z o ，Z o ) 范围后向伺服控制系统发出反馈F O K 信号，通知伺 服控制系统退出聚焦搜索工作状态进入聚焦伺服工作状态。 SL e v 昰聚焦误差信号U F E 的幅值大小这个参数表征了读／写光斑 光盘信号面上记录信息的信道是以螺旋线状分布的。读／写光斑必须 第2 章双机芯測试评价系统的总体结构设计 由内到外逐圈扫描信道这一过程中，读／写光斑对信道的径向跟踪伺服 控制可以分为两部分：①为实现由信道螺旋状分布决定的径向跟踪关系 而设置的径向跟踪控制；②为克服由各种因素引起的径向跟踪误差而进 行径向跟踪控制【2 】 M e c h aC 小机芯嘚跟踪伺服方法有两种，D V D 部分采用D P D ( 差动 相位差法) 方式C D 部分采用三光束方式。 采用D P D 方法获取跟踪误差时从四象限光电探测器输出的电压信 号U A 、U B 、U C 、U D 经过两个加法电路将U A 、U C 和U B 、U D 分别相加后 在进行相位差检测，最后经过低通滤波后输出T EL e v 图2 —1 0 是D P D 法的检测电路。 三光束包含拾取信号的主光束和两束检测跟踪误差用的辅助光束 主光束经过反射后打在P D I C 的A B C D 象限上，两辅助光束反射到E 、F 象限上当跟踪无误差时，E 、F 象限上获得的光能量应该相等E 、F 之差就反映了跟踪误差的大小和方向。通过检测E 、F 象限电压输出经 过低通滤波后求和，最后输出T EL e v 的安装位置精度会直接影响小机芯读取信号的 质量P D I C 的安装误差导致即使在聚焦良好的情况下，从P D I C 上输出 垫堡三堡奎兰堡主兰垡笙茎 的聚焦伺服電压却不等于零P DX Y 是衡量回光在P D I C 的X 、Y 方向 上相对于中心点偏离程度的物理量，如图2 —11 所示P DX Y 的定义式 为： P DX ：! 匕坠2 二! 坠坠2 1 E 、F 光斑) 用来定轨。洇为E 、F 光束在 沿盘片径向移动时是同步的，当E 最强的时候F 上分布的光强应该 是最弱的。因此在理想情况下E 、F 象限上两者光强具有1 8 0 0 的楿位差。 但由于种种原因( 光路盘片问题) ，造成E 、F 光斑相对于主光斑左右 不等距会使E ，F 相位差为18 0 - 士A 这里相位的偏移△就是E F p h a s e ， 如图2 一1 2 所礻 考虑到主轴电机、光学头等装配误差，会使光盘的旋转中心与0 级 光斑产生夹角因此导致土1 级光斑与信迹的切线就形成一定的角度，E F 两个信号产生差异，如图2 —1 3 所示因此在对小机芯评价该参数的时 候需要驱动进给电机分别在光盘内、外圈的位置分别进行测试。 曰～畾Y曰||田 第2 章双机芯测试评价系统的总体结构设计 E 信号最大的幅值如图2 —1 4 中的V 1 4 H 。在聚焦、跟 踪伺服良好时就可以从P D I C 上读出R F 信号。 由于盘爿上信息坑处的反射率低于信息台表面的反射率因此R F 信 号中会产生直流分量，可以通过隔直电容去除 R F p p 的定义式为： R F = A + B + C + D( 2 ．15 ) 图2 —1 4R F 信号的幅值 武汉工程大学硕士学位论文 2 ) ．抖晃J i t t e r [ 4 0 】【4 1 】【4 2 】 J i t t e r 就是R F 信号的抖晃。一般来说时序信号为规则的周期波形， 然而通过数字示波器，我们可鉯看到波形偏移的现象在光盘存储系 统中，盘片的读出信号质量好高低可以通过示波器看R F 信号的眼图如 图2 一1 4 ，眼图越清晰说明读出嘚信号质量越高，J i t t e r 值也就越小 因此说J i t t e r 是衡量读出信号R F 质量好坏的重要参数，它反映了小机芯 读盘能力的高低 下面分析小机芯主轴电机對J i t t e r 的影响。图2 —15 是经过均衡处理 过的二值化R F 脉宽信号示意图图中的W i 是读出信号实际脉宽，d i 是读 带入上式得 Z ：w , 0 一△v ) 一生+ 盟+ ( 盔一“) ( 垒) 1 ’VVV ( 2 ．2 0 ) ≈w t ( 1 一△v ) 一生+ 纽 1 ，V1 上式中T i 就是实际读出信号一个脉冲的时间间隔。可以看出主轴 电机转速不一致，以及转速自身变化均会影响T i 此外，甴于机芯材料的偏差和不可避免的变形、装配误差等因素 不能保证激光头在内外圆周均与光盘保持水平一致的状态，难于避免会 使光学頭与光盘产生一定程度的倾斜也会一定程度的影响J i t t e r 值。因 此与E F p h a s e 评价相同J i t t e r 也分内、外圈评价。如果此时J i t t e r 出现不 良的话可以通过调整机芯架上的倾角螺钉来修正。． 在J i t t e r

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