深入剖析PCM186x系列音頻ADC：特性、應(yīng)用與設(shè)計(jì)要點(diǎn)

作為一名電子工程師，在音頻處理領(lǐng)域不斷探索的過程中，我發(fā)現(xiàn)了德州儀器（Texas Instruments）的PCM186x系列音頻ADC，這一系列產(chǎn)品在音頻功能集成方面有著獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，能夠滿足多種應(yīng)用場(chǎng)景的需求。今天，我就和大家詳細(xì)分享一下PCM186x系列音頻ADC的相關(guān)知識(shí)。

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一、PCM186x系列概述

PCM186x系列包括PCM1860、PCM1861、PCM1862、PCM1863、PCM1864和PCM1865等型號(hào)。該系列產(chǎn)品采用了全新的音頻功能集成方法，不僅有助于符合歐洲生態(tài)設(shè)計(jì)法規(guī)，還能以較低的成本實(shí)現(xiàn)高性能的終端產(chǎn)品。它支持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。

二、產(chǎn)品特性

2.1 高信噪比性能

不同型號(hào)的PCM186x具有不同的信噪比（SNR）表現(xiàn)。其中，PCM1861/63/65的SNR可達(dá)110dB，而PCM1860/62/64的SNR為103dB。這種高信噪比性能能夠有效減少音頻信號(hào)中的噪聲干擾，為用戶帶來更純凈的音頻體驗(yàn)。

2.2 寬采樣率范圍

ADC采樣率（(f_{S})）范圍為8kHz至192kHz，能夠適應(yīng)多種音頻應(yīng)用的需求，無論是低采樣率的語音通信，還是高采樣率的音樂錄制，PCM186x都能輕松應(yīng)對(duì)。

2.3 多通道選擇

該系列產(chǎn)品最多可提供四個(gè)獨(dú)立的ADC通道，支持單端和差分輸入。單端輸入的滿量程（FS）為2.1 (V{RMS})，差分輸入的FS為4.2 (V{RMS})，為不同的音頻輸入配置提供了靈活性。

2.4 靈活的控制方式

PCM1860和PCM1861采用硬件（HW）控制方式，而PCM1862、PCM1863、PCM1864和PCM1865則支持軟件（SW）控制，可通過(I^{2} C)或SPI進(jìn)行操作。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)，為音頻采集提供了更多的選擇。

2.5 可編程增益放大器

PCM186x具有兩級(jí)可編程增益放大器（PGA），模擬域進(jìn)行粗增益調(diào)整，數(shù)字域進(jìn)行細(xì)增益調(diào)整。PCM1860/61的固定增益為0dB、12dB和32dB，而PCM1862/63/64/65的軟件控制增益范圍為 - 12dB至 + 32dB。這種靈活的增益調(diào)整功能能夠適應(yīng)不同強(qiáng)度的音頻輸入信號(hào)。

2.6 集成高性能音頻PLL

集成的音頻PLL可以從位時(shí)鐘輸入生成片上主時(shí)鐘，并與系統(tǒng)的其他部分共享，為音頻系統(tǒng)的時(shí)鐘同步提供了便利。

2.7 低功耗設(shè)計(jì)

在3.3V電源供電下，PCM1860/61/62/63的功耗小于85mW，PCM1864/65的功耗小于145mW。此外，還具備Energysense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。

2.8 其他特性

PCM186x還支持主或從音頻接口、自動(dòng)PGA削波抑制控制，并且所有設(shè)備的PCB封裝尺寸兼容，方便工程師進(jìn)行設(shè)計(jì)和替換。

三、應(yīng)用場(chǎng)景

3.1 家庭影院和電視

在家庭影院和電視系統(tǒng)中，PCM186x能夠提供高質(zhì)量的音頻采集和處理功能，確保音頻信號(hào)的清晰和準(zhǔn)確。其高信噪比和寬采樣率范圍能夠滿足各種音頻格式的需求，為用戶帶來沉浸式的音頻體驗(yàn)。

3.2 語音控制設(shè)備

對(duì)于語音控制設(shè)備，PCM186x的多通道支持和靈活的增益調(diào)整功能能夠有效地采集和處理語音信號(hào)，提高語音識(shí)別的準(zhǔn)確性。同時(shí)，低功耗設(shè)計(jì)也符合語音控制設(shè)備長(zhǎng)時(shí)間待機(jī)的需求。

3.3 藍(lán)牙音箱

在藍(lán)牙音箱中，PCM186x可以與藍(lán)牙模塊配合，實(shí)現(xiàn)音頻信號(hào)的采集和處理。其支持的數(shù)字音頻輸出格式豐富，能夠與各種音頻放大器和DAC進(jìn)行接口，為藍(lán)牙音箱提供高品質(zhì)的音頻輸出。

3.4 麥克風(fēng)陣列處理器

PCM186x的多通道能力和數(shù)字麥克風(fēng)支持使其非常適合用于麥克風(fēng)陣列處理器。它可以同時(shí)處理多個(gè)麥克風(fēng)的音頻信號(hào)，實(shí)現(xiàn)音頻的波束形成和降噪等功能，提高音頻采集的質(zhì)量。

四、功能模塊詳解

4.1 模擬前端

PCM186x的模擬前端具有靈活性，支持單端和差分輸入。在單端模式下，輸入電平范圍從幾毫伏的麥克風(fēng)輸入到2.1 (V_{RMS})的線路輸入，無需外部電阻分壓器。前端的MIX、MUX和PGA還支持差分、偽差分和單端輸入，能夠有效抑制干擾，是需要干擾抑制的產(chǎn)品的理想接口。

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)。模擬信號(hào)處理與線路電平信號(hào)類似，但需要麥克風(fēng)偏置。數(shù)字麥克風(fēng)輸入使用GPIO引腳，2通道ADC型號(hào)最多支持兩個(gè)數(shù)字麥克風(fēng)，4通道型號(hào)最多支持四個(gè)數(shù)字麥克風(fēng)。此外，還可以通過寄存器啟用內(nèi)部調(diào)節(jié)器和片上接地端接電阻，為麥克風(fēng)提供偏置電壓。

4.3 輸入多路復(fù)用器和混音器

PCM1860和PCM1861的硬件控制設(shè)備可以通過MD2、MD5和MD6配置引腳支持寬增益范圍。而PCM1862、PCM1863、PCM1864和PCM1865的軟件控制設(shè)備則在前端提供了混音和多路復(fù)用功能，通過寄存器可以選擇不同的輸入通道和極性，實(shí)現(xiàn)音頻信號(hào)的混合和處理。

4.4 可編程增益放大器

PCM186x的PGA是混合模擬和數(shù)字可編程增益放大器，集成了查找表，能夠自動(dòng)平衡模擬和數(shù)字增益。在改變?cè)鲆鏁r(shí)，采用零交叉檢測(cè)技術(shù)，減少拉鏈噪聲。同時(shí)，該系列產(chǎn)品還具備自動(dòng)削波抑制控制功能，能夠在ADC削波時(shí)自動(dòng)降低增益，并通過內(nèi)部中斷通知系統(tǒng)微控制器。

4.5 時(shí)鐘系統(tǒng)

PCM186x的時(shí)鐘架構(gòu)非常靈活，支持外部CMOS時(shí)鐘或外部晶體作為時(shí)鐘源。內(nèi)部集成的PLL可以從1MHz至50MHz的任何時(shí)鐘源生成音頻速率時(shí)鐘。硬件控制設(shè)備能夠在從模式下檢測(cè)MCK的缺失并自動(dòng)生成MCK信號(hào)，而軟件控制設(shè)備則可以根據(jù)輸入時(shí)鐘速率編程PLL以生成音頻時(shí)鐘。

4.6 模數(shù)轉(zhuǎn)換器

主音頻ADC的SNR在不同型號(hào)中有所不同，PCM1860/62/64為103dB，PCM1861/63/65為110dB，帶寬為40kHz，與專用的PGA和輸入多路復(fù)用器緊密耦合。此外，還具備一個(gè)低功耗的輔助ADC，用于睡眠模式下的信號(hào)檢測(cè)和系統(tǒng)的直流電壓測(cè)量。

4.7 音頻處理

兩個(gè)固定功能的DSP（DSP1和DSP2）用于執(zhí)行濾波、混音、信號(hào)檢測(cè)和管理等功能。通過間接編程寄存器可以對(duì)DSP系數(shù)進(jìn)行編程，實(shí)現(xiàn)不同的音頻處理效果。

4.8 其他功能

PCM186x還具備淡入淡出功能，避免音頻信號(hào)的突然變化產(chǎn)生的噪聲；GPIO引腳可配置為各種功能，并可反轉(zhuǎn)極性；中斷控制器能夠?qū)⒉煌氖录成涞紾PIO或中斷引腳，通知系統(tǒng)微控制器。

五、設(shè)計(jì)要點(diǎn)

5.1 電源供應(yīng)

PCM186x使用三個(gè)內(nèi)部電源軌：AVDD為模擬電路提供3.3V干凈電源，DVDD用于3.3V數(shù)字時(shí)鐘電路，IOVDD用于驅(qū)動(dòng)輸入/輸出數(shù)字電路。內(nèi)部集成的LDO可以將外部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)，需要注意電源的穩(wěn)定性和濾波，以確保設(shè)備的性能。

5.2 布局設(shè)計(jì)

在PCB布局時(shí)，應(yīng)盡量將模擬和數(shù)字部分分開，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放置，并在同一層上，以獲得最佳效果。同時(shí)，在輸入走線之間放置接地平面，以降低串?dāng)_。

5.3 時(shí)鐘配置

根據(jù)系統(tǒng)的需求，選擇合適的時(shí)鐘源和時(shí)鐘模式。在主模式下，應(yīng)確保提供穩(wěn)定的外部MCLK；在從模式下，需要注意時(shí)鐘的同步和檢測(cè)。如果使用非音頻標(biāo)準(zhǔn)的時(shí)鐘源，可能需要手動(dòng)配置PLL。

5.4 寄存器配置

PCM186x的軟件控制設(shè)備通過寄存器進(jìn)行配置和控制。在配置寄存器時(shí)，需要仔細(xì)閱讀數(shù)據(jù)手冊(cè)，了解每個(gè)寄存器的功能和使用方法，確保設(shè)備的正常運(yùn)行。

六、總結(jié)

PCM186x系列音頻ADC以其高信噪比、寬采樣率范圍、靈活的控制方式和低功耗設(shè)計(jì)等優(yōu)點(diǎn)，為音頻處理領(lǐng)域提供了一種優(yōu)秀的解決方案。無論是家庭影院、語音控制設(shè)備還是藍(lán)牙音箱等應(yīng)用場(chǎng)景，PCM186x都能夠滿足需求。作為電子工程師，在設(shè)計(jì)音頻系統(tǒng)時(shí)，我們可以充分利用PCM186x的各種特性，實(shí)現(xiàn)高性能、低功耗的音頻產(chǎn)品。同時(shí)，在設(shè)計(jì)過程中，要注意電源供應(yīng)、布局設(shè)計(jì)、時(shí)鐘配置和寄存器配置等要點(diǎn)，確保產(chǎn)品的穩(wěn)定性和可靠性。希望通過本文的分享，能夠幫助大家更好地了解和應(yīng)用PCM186x系列音頻ADC。大家在實(shí)際應(yīng)用過程中遇到任何問題，歡迎一起交流探討。