PCM186x音頻ADC：高效音頻轉(zhuǎn)換的理想之選

在音頻技術(shù)領(lǐng)域，音頻模擬 - 數(shù)字轉(zhuǎn)換器（ADC）是至關(guān)重要的組件，它直接影響著音頻信號(hào)的轉(zhuǎn)換質(zhì)量和系統(tǒng)的整體性能。德州儀器（Texas Instruments）推出的PCM186x系列音頻ADC，以其豐富的功能和出色的性能，為音頻設(shè)計(jì)帶來(lái)了新的解決方案。本文將深入探討PCM186x系列的特點(diǎn)、應(yīng)用、詳細(xì)功能及重要參數(shù)，為電子工程師在音頻設(shè)計(jì)方面提供有價(jià)值的參考。

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1. 產(chǎn)品概述

PCM186x系列包含PCM1860、PCM1861、PCM1862、PCM1863、PCM1864和PCM1865等型號(hào)，是一系列高性能的4通道或2通道、192kHz音頻ADC。該系列產(chǎn)品采用了新的音頻功能集成方法，既能滿足歐洲生態(tài)設(shè)計(jì)法規(guī)的要求，又能以較低成本實(shí)現(xiàn)高性能的終端產(chǎn)品。其支持3.3V單電源供電，在小封裝中集成了可編程增益放大器（PGA），為實(shí)現(xiàn)更小、更智能的產(chǎn)品提供了可能。

2. 顯著特性

2.1 高信噪比（SNR）性能

不同型號(hào)的PCM186x具有不同的SNR值。例如，PCM1861/63/65的SNR可達(dá)110dB，而PCM1860/62/64的SNR為103dB。高SNR意味著能夠更好地還原音頻信號(hào)，減少噪聲干擾，為音頻質(zhì)量提供了有力保障。

2.2 靈活的采樣率和通道配置

ADC采樣率范圍為8kHz至192kHz，為不同的音頻應(yīng)用提供了廣泛的選擇。同時(shí)，該系列產(chǎn)品最多可提供四個(gè)獨(dú)立的ADC通道，支持單端2.1-V RMS滿量程（FS）輸入和差分4.2-V RMS FS輸入，能夠適應(yīng)各種不同的輸入信號(hào)類型。

2.3 多樣的控制方式

• 硬件（HW）控制：PCM1860和PCM1861采用硬件控制方式，通過(guò)引腳配置實(shí)現(xiàn)特定功能。
• 軟件（SW）控制：PCM1862/63/64/65支持軟件控制，可通過(guò)I2C或SPI接口進(jìn)行配置，方便工程師根據(jù)具體需求進(jìn)行靈活設(shè)置。此外，軟件控制的設(shè)備還支持最多四個(gè)數(shù)字麥克風(fēng)，進(jìn)一步拓展了產(chǎn)品的應(yīng)用范圍。

2.4 可編程增益放大器（PGA）

• 固定增益：PCM1860/61具有固定的增益選項(xiàng)，如0dB、12dB和32dB，適用于對(duì)增益要求較為固定的應(yīng)用場(chǎng)景。
• 軟件控制增益：PCM1862/63/64/65的PGA增益可通過(guò)軟件控制，范圍為 - 12dB至 + 32dB，為工程師提供了更精細(xì)的增益調(diào)節(jié)能力。

2.5 低功耗設(shè)計(jì)

在3.3V電源供電下，不同型號(hào)的功耗有所差異。PCM1860/61/62/63的功耗小于85mW，PCM1864/65的功耗小于145mW。此外，產(chǎn)品還集成了能量感知音頻內(nèi)容檢測(cè)器，可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)系統(tǒng)喚醒和睡眠功能，進(jìn)一步降低功耗。

2.6 集成高性能音頻PLL

PCM186x集成了高性能音頻PLL，能夠穩(wěn)定地生成內(nèi)部時(shí)鐘，為系統(tǒng)提供穩(wěn)定的時(shí)鐘信號(hào)，確保音頻處理的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性。

3. 應(yīng)用領(lǐng)域

3.1 家庭影院和電視

在家庭影院和電視系統(tǒng)中，PCM186x的高SNR性能和多通道配置能夠提供清晰、逼真的音頻效果。其靈活的輸入配置和可編程增益放大器可以適應(yīng)不同的音頻源和系統(tǒng)需求，為用戶帶來(lái)高品質(zhì)的音頻體驗(yàn)。

3.2 語(yǔ)音控制設(shè)備

隨著語(yǔ)音控制技術(shù)的發(fā)展，對(duì)音頻輸入的準(zhǔn)確性和靈敏度要求越來(lái)越高。PCM186x的高性能ADC和數(shù)字麥克風(fēng)支持功能，能夠準(zhǔn)確地捕捉語(yǔ)音信號(hào)，為語(yǔ)音控制設(shè)備提供可靠的音頻前端解決方案。

3.3 藍(lán)牙揚(yáng)聲器

在藍(lán)牙揚(yáng)聲器的設(shè)計(jì)中，PCM186x的低功耗設(shè)計(jì)和良好的音頻處理能力，能夠延長(zhǎng)電池續(xù)航時(shí)間，同時(shí)保證音頻的高質(zhì)量輸出。

3.4 麥克風(fēng)陣列處理器

對(duì)于麥克風(fēng)陣列處理器，PCM186x的多通道配置和高精度ADC能夠有效地處理多個(gè)麥克風(fēng)輸入的音頻信號(hào)，實(shí)現(xiàn)更精準(zhǔn)的音頻采集和處理。

4. 詳細(xì)功能解析

4.1 模擬前端

PCM186x的模擬前端具有高度的靈活性，能夠接受單端或差分輸入。在單端模式下，支持最高2.1VRMS的輸入；在差分模式下，支持最高4.2VRMS的輸入。MIX和MUX電路允許在單端和差分模式下對(duì)模擬輸入進(jìn)行混合和多路復(fù)用，為音頻信號(hào)的處理提供了更多的可能性。不過(guò)需要注意的是，在模擬輸入上需要使用直流阻斷電容器，以確保正確的直流偏置條件。

4.2 麥克風(fēng)支持

該系列產(chǎn)品支持模擬和數(shù)字麥克風(fēng)。對(duì)于模擬麥克風(fēng)，需要提供2.6V的麥克風(fēng)偏置電壓。數(shù)字麥克風(fēng)輸入使用GPIO引腳，2通道的PCM186x可支持兩個(gè)數(shù)字麥克風(fēng)，4通道的型號(hào)則可支持最多四個(gè)數(shù)字麥克風(fēng)。不同型號(hào)的數(shù)字麥克風(fēng)模式增益有所不同，如PCM1862和PCM1863的數(shù)字麥克風(fēng)模式增益可達(dá)18dB（僅混音器），而PCM1864和PCM1865可提供高達(dá)30dB的增益（混音器提供18dB，數(shù)字PGA提供12dB）。

4.3 輸入多路復(fù)用器和混音器

• 硬件控制設(shè)備（PCM1860和PCM1861）：通過(guò)MD2、MD5和MD6配置引腳，可支持較寬的增益范圍，滿足不同的應(yīng)用需求。
• 軟件控制設(shè)備（PCM1862/63/64/65）：提供了更高級(jí)的混音和多路復(fù)用功能?？赏ㄟ^(guò)寄存器選擇不同的輸入組合，實(shí)現(xiàn)單端和差分輸入的混合，還能對(duì)輸入的極性進(jìn)行反轉(zhuǎn)，為音頻設(shè)計(jì)帶來(lái)了更多的靈活性。

4.4 可編程增益放大器（PGA）

PCM186x的PGA采用了兩級(jí)增益調(diào)節(jié)方式，粗調(diào)在模擬域進(jìn)行，微調(diào)在數(shù)字域進(jìn)行。增益范圍為 - 12dB至 + 32dB，其中 - 12dB至 + 12dB的模擬增益以1dB為步長(zhǎng)，數(shù)字PGA的增益精度可達(dá)0.5dB。該系列產(chǎn)品還具備自動(dòng)增益映射功能，可根據(jù)目標(biāo)增益自動(dòng)分配模擬和數(shù)字增益，簡(jiǎn)化了增益設(shè)置過(guò)程。但需要注意的是，更改PGA增益時(shí)需要確保片上DSP處于時(shí)鐘運(yùn)行狀態(tài)。

4.5 自動(dòng)削波抑制

軟件控制的PCM186x設(shè)備具備自動(dòng)削波抑制功能。當(dāng)ADC檢測(cè)到信號(hào)削波時(shí)，會(huì)自動(dòng)以0.5dB的步長(zhǎng)降低增益，同時(shí)生成內(nèi)部中斷。用戶可以通過(guò)配置相關(guān)寄存器，設(shè)置自動(dòng)增益控制的參數(shù)，如開(kāi)始衰減的采樣次數(shù)、最大衰減值等，以確保系統(tǒng)在不同的音頻輸入情況下都能穩(wěn)定運(yùn)行。

4.6 零交叉檢測(cè)

PCM186x使用零交叉檢測(cè)器來(lái)改變?cè)鲆?，僅在輸入信號(hào)過(guò)零點(diǎn)時(shí)進(jìn)行增益調(diào)整，從而有效減少了拉鏈噪聲。該過(guò)程由系統(tǒng)自動(dòng)完成，無(wú)需用戶干預(yù)，但需要確保DSP處于運(yùn)行狀態(tài)。

4.7 數(shù)字輸入

• 立體聲PCM源：PCM186x可支持在GPIO引腳上接收立體聲PCM數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)與無(wú)線模塊等I2S源的數(shù)據(jù)混合。輸入數(shù)據(jù)的時(shí)鐘速率必須與主時(shí)鐘同步，并且可以通過(guò)寄存器單獨(dú)配置音頻格式。
• 數(shù)字PDM麥克風(fēng)：PCM1864和PCM1865最多可支持四個(gè)數(shù)字PDM麥克風(fēng)，PCM1862和PCM1863支持兩個(gè)數(shù)字麥克風(fēng)。這些麥克風(fēng)的時(shí)鐘頻率與工作采樣頻率相關(guān)，需要根據(jù)具體需求進(jìn)行配置。

4.8 時(shí)鐘系統(tǒng)

PCM186x的時(shí)鐘架構(gòu)非常靈活，可作為時(shí)鐘主設(shè)備或從設(shè)備。它可以從外部晶體或CMOS電平時(shí)鐘獲取主時(shí)鐘，并且集成了PLL，能夠從1MHz至50MHz的任何時(shí)鐘源生成音頻速率時(shí)鐘。不同型號(hào)在時(shí)鐘配置和選擇上有所不同，硬件控制設(shè)備（PCM1860和PCM1861）通過(guò)引腳配置時(shí)鐘模式和速率，軟件控制設(shè)備則可通過(guò)寄存器進(jìn)行更詳細(xì)的配置。

4.9 模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADCs）

• 主音頻ADC：不同型號(hào)的主音頻ADC的SNR有所差異，PCM1860/62/64為103dB，PCM1861/63/65為110dB，帶寬為40kHz，與專用的PGAs和輸入多路復(fù)用器緊密耦合，確保了音頻信號(hào)的高質(zhì)量轉(zhuǎn)換。
• 輔助ADC：主要用于信號(hào)電平檢測(cè)或直流電平變化檢測(cè)，具有低功耗的特點(diǎn)。在睡眠模式下，可用于喚醒系統(tǒng)；在控制感測(cè)模式下，可測(cè)量系統(tǒng)中的直流電壓，如電池電壓和控制電位器的電壓。

4.10 能量感知功能

能量感知功能是PCM186x的一大特色，旨在幫助終端設(shè)備系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)睡眠和喚醒，以滿足歐洲生態(tài)設(shè)計(jì)法規(guī)對(duì)低待機(jī)功耗的要求。該功能分為信號(hào)丟失標(biāo)志和信號(hào)恢復(fù)標(biāo)志兩部分，可通過(guò)寄存器設(shè)置相關(guān)閾值和時(shí)間參數(shù)，當(dāng)檢測(cè)到音頻信號(hào)的變化時(shí)，會(huì)觸發(fā)中斷通知微控制器，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)狀態(tài)的切換。

4.11 音頻處理

DSP1和DSP2是固定功能的處理器，用于執(zhí)行濾波、混音、信號(hào)檢測(cè)等功能。通過(guò)寄存器間接編程這些DSP的系數(shù)，可實(shí)現(xiàn)對(duì)音頻信號(hào)的精細(xì)處理，如數(shù)字抽取濾波器的選擇、數(shù)字PGA的增益控制、數(shù)字混音等功能。

4.12 淡入淡出功能

PCM186x具有淡入淡出功能，可避免設(shè)備在電源開(kāi)關(guān)、靜音或取消靜音時(shí)產(chǎn)生噗聲。該功能基于零交叉檢測(cè)，根據(jù)音頻輸入頻率的不同，淡入淡出所需的時(shí)間也會(huì)有所變化。如果在一定時(shí)間內(nèi)未檢測(cè)到零交叉點(diǎn)，系統(tǒng)會(huì)強(qiáng)制進(jìn)行淡入淡出操作。

4.13 可映射GPIO引腳

軟件控制的PCM186x設(shè)備的所有GPIO引腳都可進(jìn)行靈活配置，可設(shè)置為不同的功能，如輸入、輸出、帶有觸發(fā)檢測(cè)的輸入等。還可以對(duì)引腳的極性進(jìn)行反轉(zhuǎn)，方便與后續(xù)電路進(jìn)行連接和控制。

4.14 中斷控制器

硬件控制的PCM1860和PCM1861只有能量感知信號(hào)檢測(cè)作為默認(rèn)的中斷輸出，而軟件控制的設(shè)備則具有多個(gè)可映射到中斷輸出的信號(hào)源，包括能量感知、輔助ADC控制感測(cè)中斷、PGA削波后檢測(cè)、DIN觸發(fā)等。通過(guò)配置相關(guān)寄存器，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)中斷源的過(guò)濾、標(biāo)志的監(jiān)測(cè)和清除，以及中斷信號(hào)的極性和脈沖寬度的調(diào)整。

4.15 音頻格式選擇和時(shí)序細(xì)節(jié)

• 音頻格式選擇：硬件控制的PCM1860和PCM1861通過(guò)硬件引腳配置音頻格式，有左對(duì)齊數(shù)據(jù)（LJ）和I2S兩種選擇。軟件控制的設(shè)備則可通過(guò)寄存器進(jìn)行更豐富的音頻格式選擇，支持右對(duì)齊（RJ）和時(shí)分復(fù)用（TDM）數(shù)據(jù)格式。
• 串行音頻接口時(shí)序：不同的音頻格式對(duì)應(yīng)著不同的時(shí)序要求，在設(shè)計(jì)時(shí)需要根據(jù)具體的格式和工作模式進(jìn)行正確的配置，以確保音頻數(shù)據(jù)的正確傳輸。

4.16 設(shè)備功能模式

PCM186x具有多種功率模式，包括活動(dòng)模式、睡眠模式、空閑模式和待機(jī)模式。不同模式下，設(shè)備的功能和功耗有所不同，用戶可以根據(jù)實(shí)際需求選擇合適的模式。例如，在睡眠模式下，主ADC停止工作，但設(shè)備仍繼續(xù)進(jìn)行能量感知輸入電平檢測(cè)，以實(shí)現(xiàn)低功耗運(yùn)行。

4.17 編程

• 硬件控制配置：硬件控制的PCM186x設(shè)備需要在啟動(dòng)時(shí)配置一些基本功能，如控制接口類型、時(shí)鐘模式和速率、音頻數(shù)據(jù)格式、數(shù)字濾波器選擇和模擬輸入通道及PGA增益等。
• 軟件控制配置：軟件控制的設(shè)備通過(guò)I2C或SPI接口進(jìn)行配置和控制?？赏ㄟ^(guò)MD0和MD1引腳選擇控制協(xié)議，不同的引腳狀態(tài)對(duì)應(yīng)不同的控制模式。同時(shí)，還介紹了SPI和I2C接口的具體操作方法和數(shù)據(jù)格式。

5. 應(yīng)用與實(shí)現(xiàn)

5.1 應(yīng)用信息

在實(shí)際應(yīng)用中，需要根據(jù)具體的設(shè)計(jì)需求選擇合適的設(shè)備控制方法、電源供應(yīng)選項(xiàng)、主時(shí)鐘源和模擬輸入配置。例如，對(duì)于需要靈活配置的應(yīng)用，可選擇軟件控制的設(shè)備；對(duì)于對(duì)功耗要求較高的應(yīng)用，可選擇合適的電源供應(yīng)模式。

5.2 典型應(yīng)用

• 立體聲錄制應(yīng)用（硬件控制設(shè)備）：以PCM1860和PCM1861為例，在主模式下的立體聲錄制應(yīng)用中，通過(guò)硬件GPIO引腳進(jìn)行設(shè)備控制，采用XTAL作為主時(shí)鐘源，使用單端模擬輸入。詳細(xì)的設(shè)計(jì)步驟包括選擇合適的XTAL電容器、配置MD2、MD5、MD6引腳和MD0、MD1引腳等。
• 立體聲錄制應(yīng)用（軟件控制設(shè)備）：PCM1862/63/64/65在從PLL模式下的立體聲錄制應(yīng)用中，采用I2C進(jìn)行軟件控制，作為時(shí)鐘從設(shè)備，使用單端模擬輸入。設(shè)計(jì)時(shí)需要將MD0拉至GND以配置I2C，并設(shè)置I2C地址，同時(shí)確保BCK的配置滿足自動(dòng)PLL設(shè)置的要求。

6. 電源供應(yīng)建議

6.1 電源分布和要求

PCM186x使用AVDD、DVDD和IOVDD三個(gè)內(nèi)部電源軌，分別為模擬電路、數(shù)字時(shí)鐘電路和輸入/輸出數(shù)字電路供電。內(nèi)部集成了LDO，可將外部3.3V轉(zhuǎn)換為數(shù)字核心所需的1.8V電壓。在設(shè)計(jì)電源供應(yīng)時(shí)，需要注意各個(gè)引腳的功能和要求，合理配置電源和旁路電容，以確保設(shè)備的穩(wěn)定運(yùn)行。

6.2 1.8V支持

所有PCM186x設(shè)備都支持與1.8V I/O的外部設(shè)備進(jìn)行接口，通過(guò)將IOVDD和LDO驅(qū)動(dòng)為1.8V即可實(shí)現(xiàn)該功能。

6.3 電源上電順序

電源上電順序包括電源復(fù)位、等待模擬電壓參考穩(wěn)定、配置時(shí)鐘和音頻ADC內(nèi)容淡入等步驟。在實(shí)際應(yīng)用中，需要嚴(yán)格按照這個(gè)順序進(jìn)行操作，以確保設(shè)備正常啟動(dòng)。

6.4 最低功耗模式

為了實(shí)現(xiàn)最低的功耗和睡眠電流，軟件控制的PCM186x設(shè)備提供了不同的推薦寫序列。在待機(jī)模式、睡眠模式或能量感知模式下，可以根據(jù)具體需求選擇合適的配置，以降低功耗。

7. 布局建議

7.1 布局準(zhǔn)則

在設(shè)計(jì)印刷電路板（PCB）時(shí)，應(yīng)遵循最佳設(shè)計(jì)實(shí)踐，將模擬和數(shù)字部分分開(kāi)布局，避免數(shù)字噪聲對(duì)模擬信號(hào)的干擾。將去耦電容盡可能靠近電源引腳，并確保它們與設(shè)備在同一層，以獲得最佳的濾波效果。同時(shí)，在輸入走線之間放置接地層，以降低串?dāng)_。

7.2 接地和系統(tǒng)分區(qū)

建議使用同一平面作為模擬和數(shù)字接地，以避免潛在的電壓差異。PCM186x的引腳布局將模擬和數(shù)字部分分開(kāi)，在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)確保數(shù)字信號(hào)的回流電流遠(yuǎn)離AGND引腳和輸入信號(hào)，以提高系統(tǒng)的性能。

8. 寄存器映射

PCM186x的寄存器映射是配置軟件控制設(shè)備的主要方式，分為四個(gè)頁(yè)面：0、1、3和253。每個(gè)頁(yè)面包含不同的寄存器，用于配置設(shè)備的各種功能，如PGA增益、音頻格式、時(shí)鐘配置、中斷控制等。在使用時(shí)，需要根據(jù)具體的需求正確配置這些寄存器，以實(shí)現(xiàn)設(shè)備的預(yù)期功能。

總結(jié)

PCM186x系列音頻ADC以其高信噪比、靈活的配置選項(xiàng)、低功耗設(shè)計(jì)和豐富的功能，為音頻設(shè)計(jì)工程師提供了一個(gè)強(qiáng)大的工具。無(wú)論是家庭影院、語(yǔ)音控制設(shè)備還是藍(lán)牙揚(yáng)聲器等應(yīng)用領(lǐng)域，PCM186x都能滿足不同的音頻處理需求。在實(shí)際應(yīng)用中，工程師需要根據(jù)具體的設(shè)計(jì)要求，合理選擇設(shè)備型號(hào)、配置寄存器和進(jìn)行PCB布局，以充分發(fā)揮PCM186x的性能優(yōu)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量的音頻轉(zhuǎn)換和處理系統(tǒng)。你在使用PCM186x過(guò)程中遇到過(guò)哪些有趣的問(wèn)題或挑戰(zhàn)呢？歡迎在評(píng)論區(qū)分享你的經(jīng)驗(yàn)和見(jiàn)解。