探索PCM1840：高性能音頻ADC的卓越之選

在音頻處理領(lǐng)域，一款高性能的音頻模擬 - 數(shù)字轉(zhuǎn)換器（ADC）對于實現(xiàn)高質(zhì)量的音頻采集和處理至關(guān)重要。今天，我們就來深入了解一下德州儀器（Texas Instruments）推出的PCM1840，這是一款四通道、32位、192kHz的高性能音頻ADC，它在多方面展現(xiàn)出了卓越的性能，為音頻系統(tǒng)設(shè)計帶來了新的可能。

文件下載：pcm1840.pdf

一、PCM1840的關(guān)鍵特性

1. 多通道高性能設(shè)計

PCM1840支持多達(dá)四個模擬通道的同時采樣，可處理來自模擬麥克風(fēng)或線路輸入的信號，滿量程信號為2 - V RMS。這使得它非常適合需要多通道音頻采集的應(yīng)用，如智能音箱、視頻會議系統(tǒng)等。

2. 出色的ADC性能

其動態(tài)范圍表現(xiàn)優(yōu)異，開啟動態(tài)范圍增強器（DRE）時可達(dá)123 - dB，關(guān)閉時為113 - dB，總諧波失真加噪聲（THD + N）低至 - 98 dB。此外，它支持8 kHz至192 kHz的采樣率，能夠滿足不同應(yīng)用場景對音頻質(zhì)量的要求。

3. 靈活的音頻接口

該器件支持時分復(fù)用（TDM）、I2S或左對齊（LJ）音頻格式，可通過硬件引腳電平進(jìn)行選擇。同時，它還支持音頻總線接口的主模式和從模式選擇，為系統(tǒng)設(shè)計提供了更大的靈活性。

4. 集成多種功能

PCM1840集成了麥克風(fēng)偏置電壓、鎖相環(huán)（PLL）、直流去除高通濾波器（HPF）等功能，并且可以通過單電源3.3 V供電，降低了系統(tǒng)的復(fù)雜度和成本。

二、PCM1840的應(yīng)用場景

1. 智能音箱

在智能音箱中，PCM1840的多通道采集能力和高動態(tài)范圍可以確保準(zhǔn)確地捕捉用戶的語音指令，即使在嘈雜的環(huán)境中也能實現(xiàn)清晰的語音識別。

2. 音視頻設(shè)備

如DVD記錄器和播放器、AV接收器等，PCM1840能夠提供高質(zhì)量的音頻轉(zhuǎn)換，提升音視頻播放的效果。

3. 視頻會議系統(tǒng)

在視頻會議中，它可以同時采集多個麥克風(fēng)的音頻信號，保證會議語音的清晰和流暢。

4. IP網(wǎng)絡(luò)攝像機

對于IP網(wǎng)絡(luò)攝像機，PCM1840可以實現(xiàn)音頻的同步采集，為監(jiān)控場景提供更全面的信息。

三、PCM1840的詳細(xì)技術(shù)解析

1. 硬件控制

PCM1840通過簡單的硬件引腳控制來選擇特定的操作模式和音頻接口。MSZ、MD0、MD1、FMT0和FMT1引腳可以通過上拉或下拉電阻以及數(shù)字設(shè)備的GPIO進(jìn)行控制，方便工程師根據(jù)實際需求進(jìn)行配置。

2. 音頻串行接口

TDM接口

在TDM模式下，F(xiàn)SYNC的上升沿啟動數(shù)據(jù)傳輸，數(shù)據(jù)按順序依次發(fā)送。為了保證音頻總線的正常運行，每幀的位時鐘數(shù)必須大于或等于有效輸出通道數(shù)乘以輸出通道數(shù)據(jù)的32位字長。

I2S接口

標(biāo)準(zhǔn)的I2S協(xié)議定義了左右兩個通道，數(shù)據(jù)在BCLK的下降沿傳輸。同樣，每幀的位時鐘數(shù)和FSYNC脈沖寬度需要滿足一定的要求。

LJ接口

LJ協(xié)議也適用于左右兩個通道，數(shù)據(jù)在FSYNC的上升沿或下降沿開始傳輸，并且對每幀的位時鐘數(shù)和FSYNC脈沖寬度有相應(yīng)的要求。

3. 鎖相環(huán)（PLL）和時鐘生成

PCM1840使用集成的低抖動PLL來生成內(nèi)部時鐘。在從模式下，它可以根據(jù)不同的輸出數(shù)據(jù)采樣率和BCLK與FSYNC的比率自動配置時鐘分頻器；在主模式下，它使用MD1引腳作為參考輸入時鐘源，支持256 × fS或512 × fS的系統(tǒng)時鐘頻率。

4. 輸入通道配置

該器件有四對模擬輸入引腳（INxP和INxM），可用于同時記錄多達(dá)四個通道的音頻信號。輸入信號需要進(jìn)行交流耦合，并且為了獲得最佳的失真性能，建議使用低電壓系數(shù)的電容。

5. 參考電壓和麥克風(fēng)偏置

PCM1840內(nèi)部生成低噪聲的參考電壓，通過VREF引腳輸出，需要使用至少1 - μF的電容進(jìn)行外部濾波。同時，它集成了低噪聲的麥克風(fēng)偏置引腳，輸出電壓為2.75 V，可用于為麥克風(fēng)提供偏置。

6. 信號鏈處理

前端DRE增益放大器

前端的DRE增益放大器具有極低的噪聲和123 - dB的動態(tài)范圍，與低噪聲、低失真的多位ΔΣ ADC配合使用，能夠?qū)崿F(xiàn)高保真的音頻錄制。

數(shù)字高通濾波器（HPF）

為了去除記錄數(shù)據(jù)中的直流偏移和低頻噪聲，PCM1840支持固定的HPF，其 - 3 - dB截止頻率為0.00025 × fS。

可配置數(shù)字抽取濾波器

在從模式下，用戶可以通過MD0引腳選擇線性相位濾波器或低延遲濾波器，以滿足不同應(yīng)用對頻率響應(yīng)、群延遲和相位線性度的要求。

7. 動態(tài)范圍增強器（DRE）

DRE是一種數(shù)字輔助算法，可自動調(diào)整內(nèi)部放大器的增益，從而提高整個通道的性能。它可以在非常安靜的環(huán)境中實現(xiàn)遠(yuǎn)場高保真音頻錄制，在嘈雜環(huán)境中實現(xiàn)低失真錄制。但需要注意的是，DRE僅在從模式下可用，并且會增加設(shè)備的功耗，對于輸出采樣率大于48 kHz的情況不支持。

四、PCM1840的應(yīng)用與實現(xiàn)

1. 典型應(yīng)用示例

以使用四個模擬MEMS麥克風(fēng)進(jìn)行同時錄制的應(yīng)用為例，PCM1840可以通過TDM音頻數(shù)據(jù)從接口實現(xiàn)音頻數(shù)據(jù)的無縫傳輸。在設(shè)計過程中，需要注意輸入交流耦合電容的選擇，以獲得最佳的失真性能。

2. 設(shè)計步驟

上電

先給IOVDD和AVDD電源供電，同時將SHDNZ引腳電壓保持為低，使設(shè)備進(jìn)入硬件關(guān)機模式。

進(jìn)入活動模式

將MSZ、FMT0和FMT1引腳電壓設(shè)置為低，配置設(shè)備為4通道TDM從模式。當(dāng)IOVDD和AVDD電源穩(wěn)定后，釋放SHDNZ引腳，并提供所需的FSYNC和BCLK信號。此時，設(shè)備開始將錄制的數(shù)據(jù)通過TDM音頻串行數(shù)據(jù)總線發(fā)送到主機處理器。

進(jìn)入硬件關(guān)機模式

在任何時候，將SHDNZ引腳置低即可使設(shè)備進(jìn)入硬件關(guān)機模式；再次需要使用時，按照上述步驟重新進(jìn)入活動模式。

五、電源供應(yīng)和布局建議

1. 電源供應(yīng)

IOVDD和AVDD電源的上電順序可以任意，但在IOVDD電源電壓穩(wěn)定到支持的工作電壓范圍之前，應(yīng)將SHDNZ引腳保持為低。所有電源穩(wěn)定后，將SHDNZ引腳置高以初始化設(shè)備。同時，要確保電源的斜坡速率小于1 V/μs，并且電源關(guān)閉和開啟事件之間的等待時間至少為100 ms。

2. 布局指南

散熱

將散熱墊連接到地面，并使用過孔圖案將其與接地平面連接，以幫助設(shè)備散熱。

電容放置

電源的去耦電容應(yīng)靠近設(shè)備引腳放置，VREF引腳的濾波電容也應(yīng)靠近該引腳，以獲得最佳性能。

信號布線

模擬差分音頻信號應(yīng)在PCB上進(jìn)行差分布線，以提高抗噪能力。避免數(shù)字和模擬信號交叉，防止串?dāng)_。

麥克風(fēng)偏置

直接連接MICBIAS引腳，避免在為多個麥克風(fēng)布線偏置或電源走線時出現(xiàn)公共阻抗，以減少麥克風(fēng)之間的耦合。

六、總結(jié)

PCM1840憑借其多通道高性能、靈活的音頻接口、集成多種功能等特點，成為了音頻系統(tǒng)設(shè)計中一款非常有競爭力的ADC產(chǎn)品。無論是在消費電子、專業(yè)音頻還是工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域，它都能夠為工程師提供高質(zhì)量的音頻采集解決方案。在實際應(yīng)用中，工程師需要根據(jù)具體的需求和場景，合理配置PCM1840的各項參數(shù)，并遵循電源供應(yīng)和布局建議，以充分發(fā)揮其性能優(yōu)勢。你在使用類似的音頻ADC時遇到過哪些問題呢？歡迎在評論區(qū)分享你的經(jīng)驗和見解。