光盘驱动器的基本结构及原理

CD-ROM是光盘中的一种，直径为12cm，存储容量可达650MB-740MB，存贮量可达6
亿个数据字符以上，如果单纯存放文字，一张光盘相当于15万张16开的纸。

而光盘驱动器已成为计算机系统必备的外部存储设备之一。

8.1 光盘驱动器的基本结构及原理
8.1.1 光盘驱动器的结构
光驱由机械器件、电子器件和光学器件三部分组成。

其结构包括光盘头、激光器、光电检测器、光学器件和伺服控制系统等。

如图8-1所示。

1．光盘头
光盘头是光盘的读出系统，它发射出来的激光束照射到光盘的凹凸反光面上，被反光层反射后，经光电检测器将反射回的激光束转换为电信号，再经电子线路处理后得到信号编码，编码经译码后便得到读出的数据。

光盘头得到从光盘表面反射回的激光束信号，还可判断出聚焦误差、光道跟踪误差，这些误差信号使聚焦伺服系统和径向光道跟踪伺服系统动作，将激光束调整到最佳位置。

光盘头的结构原理如图8-2所示。

2．激光器
激光器由激光二极管和聚焦透镜等组成。

砷化镓半导体激光器可发射出波长为0.78祄、输出功率为0.5mW的激光束。

3．光电检测器
光电检测二极管将从光盘表面反射回的激光束转换为电信号，由电信号强弱的变化，便可检测出该信号是来自光盘的凹区、凸区还是两区交界处，并得到聚焦误差、光道跟踪误差及速度误差等，从而由伺服控制系统进行实时调整。

4．光学器件
如图8-3所示，包括光栅、激光束分离器、放大镜等，准直透镜将激光束变成圆柱形光束。

激光束分离器(半反镜)使反射回的激光束射向光电检测二极管，物镜由音圈电机带动下上下移动和沿盘片的径向微量移动，使激光束焦点始终落在光盘的光道上。

5．伺服控制系统
在光盘驱动器中，有三个基本伺服控制系统：聚焦伺服系统、径向光道跟踪伺服系统和光盘转速控制系统。

(1)聚焦伺服系统的目的是进行自动聚焦。

聚焦误差检出方式一般采用非点收差法，非点收差法就是根据光盘反射面位置的变化，反射光的聚焦位置移动，通过圆柱面透镜对投影光形状进行变化，用4分割PD差动检出，如图8-4所示。

利用该误差信号去控制光学头中的音圈电机，音圈电机带动物镜上下移动，使激光束焦点(直径约1祄)始终落在光盘的信息面上。

聚焦误差检出信号=(A+C)-(B+D)/(A+B+C+D)
(2)径向光道跟踪伺服系统的目的是使激光束始终落在光盘的光道上。

由于光盘上光道很密(每英寸16000条)，若光学头的激光束径向移动读另一光道信息时，有可能会使激光束移动到两光道之间，而未对准光道。

径向光道跟踪伺服系统采用了与聚焦伺服系统同一个音圈电机，此电机不但可以上下移动，还可以沿光盘径向微量移动。

所以物镜也可作径向微量移动，以使得激光束始终落在光盘的光道上。

如图8-6所示。

寻道误差检出信号=(A+B)-(C+D)/(A+B+C+D)
(3)光盘转速控制系统的目的是用来控制光盘的转速。

光盘转速的快慢是通过单位时间读出的编码多少来得知的，当读出的编码比标定的多时，表示转速快了，反之转速慢了。

因而，可用这信号去控制光盘驱动马达的转速，使其保持在要求的速度上。

为了获得较高的数据传输率，光驱多采用CAV和PCAV的数据读取技术和一光多道技术。

CAV(恒定角速度)技术采用始终恒定的马达速度读取光盘数据，使其外圈的数据传输率大大提高。

高倍速光驱的标称值如52X，是指CAV技术所能达到的最大数据传输率为52
倍速，即7800Kbit/s。

CAV(部分恒定角速度)技术则是早期低速(12速以下)光驱采用的CLV(恒定线速度，即保持单位时间读出的编码不变)技术和CAV技术的结合，读取内圈数据时用CLV方式，此时转速很快。

而当马达的速度达到一定速度向外圈读取时，则采用CAV方式达到最大的读取速度，保持内外圈数据读取的稳定。

24X以上的光驱都普遍采用CAV和PCAV的数据读取方式。

“一光多道”技术是激光束可以同时阅读光盘上的多条光道，因此，它比普通的单束技术读取信息范围大。

而且，它所增加的数据传输率在整个光盘上都是恒定的。

8.1.2 CD-ROM光盘结构和盘中数据的存放方式
1．CD-ROM光盘结构
CD-ROM光盘的直径为4.75in(12cm)，中心装卡孔为15毫米，厚度为l.2mm，重量约为14～18g。

其结构见图8-7。

标有字符一面为盘片的最上层，其实是一层涂了漆的保护层；第二层是铝膜反射层，可反射激光束；第三层是聚碳酸脂透明基片。

光盘制作时，是将数据从模片上转移到塑料基片上。

将光学等级的塑料所制成的熔化树脂注入在一个高精度的注塑模具空腔内，模具的一面是模片。

这一过程只需要几秒钟，其产品是一个其中一面有预刻槽和数据点的塑料盘，预刻槽用来对光道进行径向定位。

然后塑料盘载有数据的一面用溅镀法镀上一层极薄纯铝(在真空中利用辉光放电将氩气离子撞击铝表面, 铝原子被弹出而堆积在基板表面形成薄膜)，形成反光层。

最后是在铝表面再加上一层坚固的漆膜。

这一层漆保护铝膜不会被划伤，不会氧化，并可作为标签印刷的工作表面。

2．CD-ROM盘中数据的存放方式
1）光道
CD-ROM盘上的光道也是用来存储信息的，光道是用凸坑、凹坑及凸坑和凹坑形成的坑边，对激光束的反射率不同来区别“1”和“0”信息。

CD-ROM的光道是一个完整的螺旋形(为等距螺旋线)，如图8-8所示，螺旋线开始于
CD-ROM的中心，光盘的光道上不分内外圈，其各处的存储密度相同(等密度存储方式)。

CD-ROM上径向道密度比磁盘大得多，每英寸有16000条，即径向道密度为16000TPI，螺旋线圈与圈之间的距离为1.6μm，螺线宽度为0.6μm，螺线上代表信息的凹槽深度仅为0.12μm。

CD-ROM上的螺旋线总长度可达5km。

2）扇区
CD-ROM上的扇区要复杂得多，CD-ROM是在CD-DA(数字音频光盘)基础上发展起来的，数据存放的物理格式类似于CD-DA。

CD-ROM定义了三种物理扇区方式，即扇区方式0(Sector Mode 0)、扇区方式1(Sector Mode 1)、扇区方式2(Sector Mode 2)，三种扇区方式的结构如表8-1、表8-2、表8-3所示。

从表中可以看出CD-ROM中每扇区有2352个字节，每个扇区有12个同步字节，4个扇区头字节。

在4个扇区头字节中，1个字节用于存放扇区方式识别码，另3个字节用于表示扇
区地址，格式为：分(0-59或更大)：秒(0-59)：扇区号(0-74)。

CD-ROM中的光道为螺线形，采用“分+秒+扇区号”格式。

在CD-ROM中，每秒读出75(0到74)个扇区数据的原因是CD-ROM采用CD-DA技术，在CD-DA中，对音频信号的采样频率为44.1KHz，采样值用16位二进制表示，于是音频信号的数据率为：44.1?(16位，即2个字节)?(左右声道各采样一个)=176.4KB/s 而一个扇区含有2352个字节，因此：176.4?000／2352=75个扇区
在扇区方式0中，除12个同步字节和4个扇区头字节内容不恒为零外，剩余的2336个用户字节的内容全为零。

显然，该方式不是用于存放用户数据，在CD-ROM中，用作导人区和导出区。

在扇区方式1中，安排了4个字节的错误检测码(EDC)和276个字节的错误控制码(ECC)，此外还有8个字节未定义(即保留8个字节)，只有2048个用户字节。

由于扇区方式1具有很强的检错和纠错能力，因此方式1适用于保存误码率很低的信息，如计算机程序、用户数据等。

扇区方式2与扇区方式0的结构相似，但其中的2336个字节用户可以用于存放用户数据，但由于没有安排检错和纠错码，适用于存放误码率要求不高的信息，如声音、图像等。

3）CD-ROM存储容量的计算方法
对于60分钟的标准CD-ROM，可以算出CD-ROM总扇区数：
总扇区数=60(分钟)?0(每分钟60秒)?5(每秒读出75个扇区)=270000个扇区
如存放计算机软件等重要数据来说，采用扇区方式1，则CD-ROM的总容量为：270000?048/1024/1024=527MB
如存放声音、图像等多媒体信号，可以采用方式2，则CD-ROM的总容量为：
270000?336/1024/1024=601MB
标准CD-ROM外沿有5mm区域未使用，如果在该区域也录有数据，则CD-ROM可达74分钟。

不过这一区域处于CD-ROM外沿，录人数据较困难，也不易保持清洁，因此一般不用。

对于74分钟的CD-ROM，扇区总数=74?0?5=333000
如存放计算机软件等重要数据来说，采用扇区方式1，则CD-ROM的总容量为：333000?048/1024/1024=650MB
如存放声音、图像等多媒体信号，可以采用方式2，则CD-ROM的总容量为：333000?336/1024/1024=742MB
因此说CD-ROM的容量为527MB到742MB，但CD-ROM上的信息不一定达到这个数，即CD-ROM盘未必是满的。

8.1.3 光盘驱动器读盘原理
从激光器发出的激光束经透镜准直和聚焦后，射向光盘铝反射层。

当激光束照射到光盘的凹槽边界时，反射光束强弱发生变化，这时读出的为“1”数据信息，反之，当激光照射到槽底或凸面的平坦部分时，反射光强度没有变化，认为读出的是“0”数据信息。

反射光导入光电检测二极管，由光电检测二极管根据反射光的强弱不同转换为用1、0表示的电信号。

从而得到光盘中存储的编码信息，编码信息再经译码后，便可得到其所存的信息状态。

图8-9给出了读盘过程中光束路径的变化。

8.1.4 光盘刻录机
光盘刻录机CD-R(CD-Recordable)指的是一种允许对CD进行一次性刻写的特殊存储技术；而CD-RW(CD-ReWritable)指的是另外一种允许对CD进行多次重复擦写的特殊存储技术。

CD-R的工作原理是：CD-R盘片上涂抹一些用激光就可以改变其反光特性的特殊材料。

目前，市场上常见的材料有三种，它们由于颜色的不同而相对应的盘片被分别称为金盘、蓝盘、
绿盘。

它采用一次写入技术，刻录数据时，利用高功率的激光束射到CD-R盘片，使盘片上的介质层发生化学变化，模拟出二进制数据0和1的差别，把数据正确地存储在光盘上。

CD-R可以被几乎所有CD-ROM读出和使用。

CD-RW盘片中的特殊介质会产生结晶和非结晶两种状态，通过激光束的照射，介质层可以在这两种状态中相互转换，达到多次重写入的目的。

更准确地说CD-RW叫做可擦写的光盘刻录机。

它利用较高瓦数的激光在空白的光碟片上刻出可供读的反光点。

不过，可擦写是以降低反光信号为代价的，它的反光率只有20％左右，比一般盘片的反光率70％要小得多，所以，只能在特定的机器(如刻录机)上读。

8.2 光盘子系统常见故障分析与处理
光盘驱动器故障有硬故障和软故障两类。

常见的硬故障有接口故障、光学器件故障、机械器件故障、控制电路故障等。

引起软故障的原因大多是由驱动程序不匹配或中断设置不正确造成冲突等。

8.2.1 光盘子系统常见故障分析
1．开机检测不到光驱或者检测失败
可能的原因：光驱损坏或光驱IDE接口插接不良；数据线损坏；跳线错误。

2．光驱已检测到，但不能用，并提示“Invalid drive specification”
可能是光驱软件没有安装在硬盘上，或因误操作而将其删掉了；可能是Config.sys和Autoexec.bat中没有配置装入驱动软件的相应语句。

3．进出盒故障
进出盒故障可能出现的原因：进出盒仓电机插针接触不良或电机烧毁；皮带老化；驱动电路损坏；进出盒机械结构中的传动机构损坏。

4．进给系统故障
故障现象：出入盒正常，但放人光盘后光驱作几次加速读盘动作(也可以从声音上判断出来)，但仍读不出信息。

如激光头在零道附近，则放入CD光盘，只能放前两分钟的音乐。

可能出现的原因：进给电机插针接触不良或者电机烧毁；驱动电路损坏；激光头小车运动受阻。

5．激光头故障
故障现象：挑盘(有的盘能读，有的不能读)或者读盘能力差。

可能出现的原因：光驱长时间使用或常用于看VCD或听CD，使激光头透镜变脏或激光头老化。

6．激光电信号通道故障
激光电信号通路故障指的是激光头与电路板之间的连接线，是一条扁平硬直的塑料导线，它是激光头与其他电路信息交换的通道。

此外产生的故障较多，但维修却很简单，只要把这一条导线换一条就可以了。

7．主轴系统故障
可能是主轴电机或驱动电路损坏，连接线接触不良。

损坏后如放入光盘，指示灯闪动几下，但盘片不转。

8.2.2 光盘子系统常见故障处理
1．光驱挑盘的解决方法
光驱对一些光盘能顺利地读出来，而对另一些光盘却读不出来。

光驱方面的原因有：激光发射功率减少。

如激光二极管老化；激光头及物镜上积尘过多。

这些现象均能影响激光信号的正常读取。

光驱机械部件磨损、损坏、位移及晃动过大等，致使光盘无法正常运行或激光不能正常聚焦到光盘上等。

纠错系统纠错能力有限，对于过多的误码不能全部校正。

光盘方面的原因有如下几种：
(1)光盘划伤，盘片上信息被破坏，某些光盘背面铝涂层光洁度不够好等。

(2)使用了非正品光盘。

光驱挑盘的解决方法：一是用光头清洁盘清洁激光头物镜；二是人工清洁激光头物镜，可用棉花蘸无水酒精轻擦物镜；三是加大激光二极管的发射功率，即打开光驱，找到调节激光发射强弱的可调电阻，轻轻调整其阻值，直至光驱能读出盘为止。

四是更换激光头组件或激光二极管。

2．光驱找不到
启动Windows 98后，在“我的电脑”中却无光驱盘符。

到“控制面板”中添加新硬件，重新启动后不能检测到新硬件。

若用手工添加CD-ROM，重新启动系统，在“我的电脑”中仍无光驱盘符，光驱“丢失”。

其原因是光驱与系统连接及系统设置匹配有问题。

在安装光驱时，不仅要注意硬件连接、跳线及驱动程序安装的正确，还应确保系统CMOS设置无误。

在STANDARD CMOS SETUP项中光驱类型设置通常为AUTO。

选择“Integrated Peripherals”项，且确保其中的“On Chip IDE First Channel”及“On Chip IDE Second Channel”项皆为“ENABLED”。

3．在DOS下不能辨认光驱
保证AUTOEXEC.BAT及CONFIG.SYS文件中使用的CD-ROM设备驱动程序。

8.2 光盘子系统常见故障分析与处理
光盘驱动器故障有硬故障和软故障两类。

常见的硬故障有接口故障、光学器件故障、机械器件故障、控制电路故障等。

引起软故障的原因大多是由驱动程序不匹配或中断设置不正确造成冲突等。

8.2.1 光盘子系统常见故障分析
1．开机检测不到光驱或者检测失败
可能的原因：光驱损坏或光驱IDE接口插接不良；数据线损坏；跳线错误。

2．光驱已检测到，但不能用，并提示“Invalid drive specification”
可能是光驱软件没有安装在硬盘上，或因误操作而将其删掉了；可能是Config.sys和Autoexec.bat中没有配置装入驱动软件的相应语句。

3．进出盒故障
进出盒故障可能出现的原因：进出盒仓电机插针接触不良或电机烧毁；皮带老化；驱动电路损坏；进出盒机械结构中的传动机构损坏。

4．进给系统故障
故障现象：出入盒正常，但放人光盘后光驱作几次加速读盘动作(也可以从声音上判断出来)，但仍读不出信息。

如激光头在零道附近，则放入CD光盘，只能放前两分钟的音乐。

可能出现的原因：进给电机插针接触不良或者电机烧毁；驱动电路损坏；激光头小车运动受阻。

5．激光头故障
故障现象：挑盘(有的盘能读，有的不能读)或者读盘能力差。

可能出现的原因：光驱长时间使用或常用于看VCD或听CD，使激光头透镜变脏或激光头老化。

6．激光电信号通道故障
激光电信号通路故障指的是激光头与电路板之间的连接线，是一条扁平硬直的塑料导线，它是激光头与其他电路信息交换的通道。

此外产生的故障较多，但维修却很简单，只要把这一条导线换一条就可以了。

7．主轴系统故障
可能是主轴电机或驱动电路损坏，连接线接触不良。

损坏后如放入光盘，指示灯闪动几下，但盘片不转。

8.2.2 光盘子系统常见故障处理
1．光驱挑盘的解决方法
光驱对一些光盘能顺利地读出来，而对另一些光盘却读不出来。

光驱方面的原因有：激光发射功率减少。

如激光二极管老化；激光头及物镜上积尘过多。

这些现象均能影响激光信号的正常读取。

光驱机械部件磨损、损坏、位移及晃动过大等，致使光盘无法正常运行或激光不能正常聚焦到光盘上等。

纠错系统纠错能力有限，对于过多的误码不能全部校正。

光盘方面的原因有如下几种：
(1)光盘划伤，盘片上信息被破坏，某些光盘背面铝涂层光洁度不够好等。

(2)使用了非正品光盘。

光驱挑盘的解决方法：一是用光头清洁盘清洁激光头物镜；二是人工清洁激光头物镜，可用棉花蘸无水酒精轻擦物镜；三是加大激光二极管的发射功率，即打开光驱，找到调节激光发射强弱的可调电阻，轻轻调整其阻值，直至光驱能读出盘为止。

四是更换激光头组件或激光二极管。

2．光驱找不到
启动Windows 98后，在“我的电脑”中却无光驱盘符。

到“控制面板”中添加新硬件，重新启动后不能检测到新硬件。

若用手工添加CD-ROM，重新启动系统，在“我的电脑”中仍无光驱盘符，光驱“丢失”。

其原因是光驱与系统连接及系统设置匹配有问题。

在安装光驱时，不仅要注意硬件连接、跳线及驱动程序安装的正确，还应确保系统CMOS设置无误。

在STANDARD CMOS SETUP项中光驱类型设置通常为AUTO。

选择“Integrated Peripherals”项，且确保其中的“On Chip IDE First Channel”及“On Chip IDE Second Channel”项皆为“ENABLED”。

3．在DOS下不能辨认光驱
保证AUTOEXEC.BAT及CONFIG.SYS文件中使用的CD-ROM设备驱动程序。

8.3 光盘驱动器及盘片的保养
8.3.1 光盘驱动器的维护
1．注意防震
一定要轻拿轻放，防止跌落、碰撞。

2．注意防尘
3．不要随意拆洗光驱
4．操作时要轻
5．不用时一定要及时将盘片从光驱内取出
6．不要使用质量差的光盘
7．不要经常用光驱长时间地播放VCD影碟
8．在读盘时，不要弹出光驱的仓门
二、光盘的维护
(1)光盘用完后应立即放入光盘盒内。

(2)在放置或取出光盘时，手只能接触盘片的内外沿，不能触摸数据区。

(3)保持清洁。

如果光盘较脏，只要用水或中性清洁剂喷洒(不能用有机溶剂)，然后用柔软的绒布沿径向方向从内到外轻轻擦拭。

(4)避免强光直射光盘。

(5)避免光盘从高处跌落。

(6)光盘应入盒竖放保存。

(7)如果光盘划伤了，可用20摄氏度的温水将光盘洗干净，使用纯度较高的凡士林涂在光盘上面，用柔软的布擦掉凡士林，较轻的划伤便可以修补。

8.4 光盘刻录技术
下面以Easy CD Creator Deluxe为刻录工具简要说明刻录步骤：
1．数据音乐CD混合制作
一般步骤是：先在Data CD Layout表中指定要刻录的数据文件，然后在Audio CD Layout任务列表中指定要刻录的音乐文件。

选择File菜单中的“CD Layout Properties”命令，并在Data Settings表中将F ile System选择框设置为“ISO9660”，并且同时将CD Extra选择框选中，确认“OK”后就可以开始刻录了。

2．多媒体CD制作
这里还需要一款CD-RW即写即用软件，大多数CD刻录机都会随机赠送，以Adaptec Direct CD为例，具体操作时只要把需要处理的多媒体文件直接下拉到CD-RW盘符上即可。

建议最好在正式刻录前将这个多媒体文件生成独立的可执行文件。

3．可引导光盘制作
现在大多数的PC都支持CD-ROM引导。

尤其在电脑出现故障不能引导时，如果有一片能够引导的、装有各种检测工具、磁盘工具、病毒扫描软件的光盘会大大方便诊断和维护工作。

制作步骤是：先制作一张可引导的系统软盘。

在刻录CD-RW时，选择File菜单中的CD Layout Properties命令，然后在Data Settings表中将File System选择框设置为“IS09660”，并且将Bootable选择框选中。

CD Creator将读取系统软盘的内容并在光盘上生成引导文件。

然后按照录制普通CD-ROM的方法把其他需要的软件或数据文件录制到CD中即可。

4．家庭图像集锦制作。

把相片保存到CD上有两种方法，一种是采用专门用来保存照片的Picture CD格式；另一种方法是利用VCD2.0的格式，把相片以静画的方式存储在光盘中，可以在任一台VCD2.0播放机上观看。

第一步拍摄照片或扫描已有的照片，成为电脑图像文件。

文件格式可用BMP、JPG等通用格式。

第二步利用图象处理软件可对照片进行各种数字特技处理。

如果相集要分类，还需要制作若干目录图象以作为播放时的菜单。

启动Video Pack 4.0，将每张或每组照片定义为一个Play List，并且按照所希望的结构，定义好VCD2.0格式中的逻辑关系和菜单结构，然后把它刻录到CD-R。

5．MP3音乐大碟制作
利用MP3技术可在一张光盘上存储100多首CD音质的歌曲，能连续播放500多分钟。

第一步是转录，先将CD盘上的音乐拷贝到硬盘，再转化成WAV文件。

第二步是利用MP3压缩软件L3ENC，依次将这些WAV文件再进一步压缩转换为MP3文件，将压缩得到的MP3文件下拉刻录到CD-ROM盘符即可。