Oude harde schijf Moderne harde schijf Zicht op de actuator of spreekspoel

Dit systeem had talrijke beperkingen:
• mechanische toleranties: bij slijtage kwam een motorpositie niet meer precies overeen met een spoor
• motortoleranties: een stappenmotor heeft slechts een beperkt aantal stappen per omwenteling, waardoor de schijf ook maar een beperkt aantal sporen kan hebben. Met zgn. microstepping kon men dit euvel beperken.
• traagheid: een stappenmotor kan slechts een beperkt aantal stappen per seconde zetten
• geen feedback: als door slijtage de kop niet precies op de spoor zit, kan dit niet door de motor gecorrigeerd worden (die werkt immers met vaste stappen).

De eerste foto toont een oudere harde schijf (klik op de foto voor een uitvergroting): de steppenmotor zit links vooraan en drijft de koppenhouder aan door middel van een complexe, thermisch gecompenseerde overbrenging.

Bij een spreekspoel wordt een gelijkspanning gebruikt om de kop te bewegen: positief en de arm beweegt naar buiten, negatief en de arm beweegt naar binnen. De grootte van de spanning bepaalt de bewegingssnelheid. Door de spanning te verlagen (of zelfs door kortstondig een spanningspuls met de omgekeerde polariteit te geven) kan men de kop afremmen zodat het mooi tot rust komt boven het juiste spoor.

Omdat bij dit systeem geen positiebepaling ingebouwd is (de spreekspoel beweegt vloeiend en niet in stappen zoals bij de stappenmotor) moet er een systeem gevonden worden om de kop precies boven de juiste spoort te positioneren (maar daarover meer later). Bij spreekspoelaandrijving vervalt de complexe thermische compensatie van de overbrenging, maar zijn er andere electronische schakelingen bijgekomen.

Kop van een oude harde schijf

Dit probleem werd opgelost door de kop boven de schijfoppervlakte te laten vliegen. Door de ceramische kophouder een welbepaalde vorm te geven kon men de kop boven de draaiende schijf laten zweven. De intense luchtverplaatsing dat door de draaiende schijf wordt veroorzaakt zorgt ervoor dat de kop juist boven de schijfoppervlakte zweeft.

Als je goed naar de foto's kijkt zal je merken dat de kophouder ingesneden is. Lucht stroomt door deze sleuf en tilt de kop op. Er zit zelfs een ingebouwde correctiemechanisme in: als de kop te hoog zou vliegen, dan lekt er meer lucht langs de zijkanten. Als de kop te laag zou vliegen, dan wordt de lucht meer samengedrukt en duwt dan de kop sterker naar boven.

Door middel van een veer wordt de kop met een kracht van meer dan 250 gram tegen de plaat gedrukt! De luchtverplaatsing is in staat deze druk volledig tegen te werken, al is de kophouder slechts een milimeter groot.

Om het verschil in luchtsnelheid (en dus opwaartse lift) te compenseren wordt de as van het koppenmechanisme wat scheef gemonteerd, zodat de veer harder op de kop duwt aan de buitenkant en minder aan de binnenkant.

Door een asymmetrische constructie van de kop te gebruiken kon men perpendiculair opnemen (in de diepte). De zones zitten nu vertikaal in plaats van horizontaal en hebben dezelfde minimale oppervlakte. Door perpendiculair op te nemen kan men de capaciteit opvoeren, zonder dat de magnetische zones te klein worden. De drager is nu een speciale magnetisch geleidende laag. De "retourleiding" gebeurt via een brede deel van de kop en dit heeft een wiswerking op de magnetische laag (vanwege de codering: zie lager). Deze delen zullen direct ook beschreven worden door het smalle deel van de kop: het "wissen" via het brede deel is geen minpunt.

Al snel kwam men tot de conclusie dat één kop niet ideaal was voor zowel opname als weergave. Hifi decks hadden ook aparte koppen voor opname en weergave. De kop van een harde schijf bestaat dus uit twee systemen: de originele kop met wikkeling voor de opname, en een magneto-resistief element voor de weergave. Een magneto-resistieve kop heeft als voordeel dat het een signaal aflevert dan minder onderhevig aan ruis omdat de kleinere kop het signaal beter kan opvangen. Dankzij natuurkundige fenomenen (kwantum mechanika) is een magnetoresistieve kop in staat een veel sterker signaal te leveren dan een electro-magnetische kop. Terwijl een electromagnetische kop een spanning aflevert, veranderd de weerstand van een magneto-resistieve kop naargelang de magnetisatie. De resistieve kop zit afgeschermd tussen de electromagnetische kop een een afschermplaatje.

Volgende problemen kunnen optreden als men dat wel zou doen:
• te snelle overgangen: een snelle opeenvolging van positieve en negatieve magnetisatie kan ertoe leiden dat ze elkaar "wissen" (intersymbol interference noemen wij techniekers dit, maar als gewone sterveling kan u deze benaming vergeten).
• synchronisation loss: als er te weinig overgangen van + en - magnetisatie zijn, dan verliest de controller de juiste klokpositie: waren dat 10 of 11 nullen?
• DC-component: als er teveel nullen of eentjes elkaar opvolgen, dan ontstaat er een gelijkspanningscomponent in de versterker, waardoor die minder goed gaat werken.

NRZI - Non Return Zero Indication

In plaats van voor ieder 1-bit een positieve signaal op te nemen en voor ieder 0-bit een negatieve signaal op te nemen, gaat men enkel de polariteit omwisselen bij een 1-bit. Uit de figuur ziet je duidelijk dat het aantal polariteitswisselingen lager is. Als het aantal omwisselingen lager is, dan kan de de opnamedichtheid verhogen, maar zover zijn we nog niet. Je merkt dat bij een aantal opeenvolgende 1 de frekwentie niet verlaagt wordt, en bij een te hoog aantal nullen de synchronisatie met de klok verloren dreigt te lopen.

EFM - Eight to Fourteen Modulation

De 8 bits van ieder woord worden uitgebreid tot 14 bits, waarbij rekening wordt gehouden met het feit dat er nooit meer dan (bijvoorbeeld) 10 nullen elkaar opvolgen (zodat de controller de klokinformatie nog kan gebruiken). Maar er mogen ook nooit twee eentjes achter elkaar staan (zodat de frekwentie niet te hoog wordt).

Bij harde schijven heeft men beide benamingen NRZI en EFM gecombineerd tot één begrip: RLL (run length limited). RLL wordt meestal gevolgd door twee cijfers, bijvoorbeeld RLL 2,7: na een 1 (polariteitswissel) mogen er minimaal 2 en maximaal 7 nullen volgen. Met minder dan twee nullen volgen de overgangen elkaar te snel op (intersymbol interference), met meer dan 7 nullen loop je de kans dat je de klok kwijt bent.

Keramische kophouder Oude, magnetische kop

Men kan niet de signaalsterkte gebruiken om de juiste positie op het spoor te bepalen omdat deze informatie onbetrouwbaar is. De sporen worden tegen elkaar geschreven, waardoor je eigenlijk nooit een onbeschreven zone hebt. Een zwakker signaal wordt veroorzaakt door een verontreiniging, niet door de kop die naast het spoor zit!

De gebruike methode wordt ook toegepast bij het V2000- en video-8 systeem: namelijk de overspraak van naburige sporen. De precieze methode varieert van fabrikant tot fabrikant en is een produktiegeheim, maar dit zijn de grote lijnen:

• Een klokfrekwentie dat lichtjes afwijkt voor iedere spoor. In het vorig hoofdstuk zag je dat de bits geschreven worden met een zekere kloksnelheid. Men kan deze frekwentie lichtjes laten wijzigen van spoor tot spoor. Eigenlijk heeft men genoeg met 4 frekwenties: laten we 10, 11, 12 en 13MHz gebruiken (waarden zijn louter ter verduidelijking). Deze drie frekwenties volgen elkaar op: één spoor wordt opgeschreven met een klokfrekwentie van 10MHz, de volgende met klokfrekwentie van 11MHz, de derde met frekwentie van 13MHz, en de vierde met 12MHz.
• Bij verkeerde tracking is er overspraak. Als de kop niet precies op de juiste spoor zit, dan zal het informatie van de naburige spoor ook oppikken. Zit de kop op een spoor met frekwentie 10MHz, dan is de overspraak ofwel 12MHz ("niet ver genoeg") ofwel 11MHz ("te ver"). Het mengprodukt is ofwel 1 ofwel 2MHz. Door te vergelijken welk mengprodukt het sterkst aanwezig is, kan men de kop nauwkeurig bijsturen. Doorgaans zal men de frekwenties zodanig kiezen dat de mengprodukten geen veelvouden van elkaar zijn zodat het systeem ongevoelig is voor harmonische vervormingen. Een dropout (vermindering van het magnetisme door verontreinigingen) zal ook de nabijgelegen sporen aantasten, waardoor de relatieve signaalsterkte nagenoeg constant blijft.