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)計帶來了新的解決方案。本文將深入探討PCM186x系列的特點、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)計方面提供有價值的參考。

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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，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)計法規(guī)的要求，又能以較低成本實現(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，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，該系列產(chǎn)品最多可提供四個獨立的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，通過引腳配置實現(xiàn)特定功能。
• 軟件（SW）控制：PCM1862/63/64/65支持軟件控制，可通過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，如0dB、12dB和32dB，適用于對增益要求較為固定的應(yīng)用場景。
• 軟件控制增益：PCM1862/63/64/65的PGA增益可通過軟件控制，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

在3.3V電源供電下，不同型號的功耗有所差異。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)容檢測器，可實現(xiàn)自動系統(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)部時鐘，為系統(tǒng)提供穩(wěn)定的時鐘信號，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，為用戶帶來高品質(zhì)的音頻體驗。

3.2 語音控制設(shè)備

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

3.3 藍(lán)牙揚聲器

在藍(lán)牙揚聲器的設(shè)計中，PCM186x的低功耗設(shè)計和良好的音頻處理能力，能夠延長電池續(xù)航時間，同時保證音頻的高質(zhì)量輸出。

3.4 麥克風(fēng)陣列處理器

對于麥克風(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麥克風(fēng)輸入的音頻信號，實現(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模擬輸入進(jìn)行混合和多路復(fù)用，為音頻信號的處理提供了更多的可能性。不過需要注意的是，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可支持兩個數(shù)字麥克風(fēng)，4通道的型號則可支持最多四個數(shù)字麥克風(fēng)。不同型號的數(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）：提供了更高級的混音和多路復(fù)用功能?？赏ㄟ^寄存器選擇不同的輸入組合，實現(xiàn)單端和差分輸入的混合，還能對輸入的極性進(jìn)行反轉(zhuǎn)，為音頻設(shè)計帶來了更多的靈活性。

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，數(shù)字PGA的增益精度可達(dá)0.5dB。該系列產(chǎn)品還具備自動增益映射功能，可根據(jù)目標(biāo)增益自動分配模擬和數(shù)字增益，簡化了增益設(shè)置過程。但需要注意的是，更改PGA增益時需要確保片上DSP處于時鐘運行狀態(tài)。

4.5 自動削波抑制

軟件控制的PCM186x設(shè)備具備自動削波抑制功能。當(dāng)ADC檢測到信號削波時，會自動以0.5dB的步長降低增益，同時生成內(nèi)部中斷。用戶可以通過配置相關(guān)寄存器，設(shè)置自動增益控制的參數(shù)，如開始衰減的采樣次數(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)定運行。

4.6 零交叉檢測

PCM186x使用零交叉檢測器來改變增益，僅在輸入信號過零點時進(jìn)行增益調(diào)整，從而有效減少了拉鏈噪聲。該過程由系統(tǒng)自動完成，無需用戶干預(yù)，但需要確保DSP處于運行狀態(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)，實現(xiàn)與無線模塊等I2S源的數(shù)據(jù)混合。輸入數(shù)據(jù)的時鐘速率必須與主時鐘同步，并且可以通過寄存器單獨配置音頻格式。
• 數(shù)字PDM麥克風(fēng)：PCM1864和PCM1865最多可支持四個數(shù)字PDM麥克風(fēng)，PCM1862和PCM1863支持兩個數(shù)字麥克風(fēng)。這些麥克風(fēng)的時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 時鐘系統(tǒng)

PCM186x的時鐘架構(gòu)非常靈活，可作為時鐘主設(shè)備或從設(shè)備。它可以從外部晶體或CMOS電平時鐘獲取主時鐘，并且集成了PLL，能夠從1MHz至50MHz的任何時鐘源生成音頻速率時鐘。不同型號在時鐘配置和選擇上有所不同，硬件控制設(shè)備（PCM1860和PCM1861）通過引腳配置時鐘模式和速率，軟件控制設(shè)備則可通過寄存器進(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，確保了音頻信號的高質(zhì)量轉(zhuǎn)換。
• 輔助ADC：主要用于信號電平檢測或直流電平變化檢測，具有低功耗的特點。在睡眠模式下，可用于喚醒系統(tǒng)；在控制感測模式下，可測量系統(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)實現(xiàn)自動睡眠和喚醒，以滿足歐洲生態(tài)設(shè)計法規(guī)對低待機功耗的要求。該功能分為信號丟失標(biāo)志和信號恢復(fù)標(biāo)志兩部分，可通過寄存器設(shè)置相關(guān)閾值和時間參數(shù)，當(dāng)檢測到音頻信號的變化時，會觸發(fā)中斷通知微控制器，實現(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、信號檢測等功能。通過寄存器間接編程這些DSP的系數(shù)，可實現(xiàn)對音頻信號的精細(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)備在電源開關(guān)、靜音或取消靜音時產(chǎn)生噗聲。該功能基于零交叉檢測，根據(jù)音頻輸入頻率的不同，淡入淡出所需的時間也會有所變化。如果在一定時間內(nèi)未檢測到零交叉點，系統(tǒng)會強制進(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)檢測的輸入等。還可以對引腳的極性進(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只有能量感知信號檢測作為默認(rèn)的中斷輸出，而軟件控制的設(shè)備則具有多個可映射到中斷輸出的信號源，包括能量感知、輔助ADC控制感測中斷、PGA削波后檢測、DIN觸發(fā)等。通過配置相關(guān)寄存器，可以實現(xiàn)對中斷源的過濾、標(biāo)志的監(jiān)測和清除，以及中斷信號的極性和脈沖寬度的調(diào)整。

4.15 音頻格式選擇和時序細(xì)節(jié)

• 音頻格式選擇：硬件控制的PCM1860和PCM1861通過硬件引腳配置音頻格式，有左對齊數(shù)據(jù)（LJ）和I2S兩種選擇。軟件控制的設(shè)備則可通過寄存器進(jìn)行更豐富的音頻格式選擇，支持右對齊（RJ）和時分復(fù)用（TDM）數(shù)據(jù)格式。
• 串行音頻接口時序：不同的音頻格式對應(yīng)著不同的時序要求，在設(shè)計時需要根據(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，包括活動模式、睡眠模式、空閑模式和待機模式。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，以實現(xiàn)低功耗運行。

4.17 編程

• 硬件控制配置：硬件控制的PCM186x設(shè)備需要在啟動時配置一些基本功能，如控制接口類型、時鐘模式和速率、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I2C或SPI接口進(jìn)行配置和控制?？赏ㄟ^MD0和MD1引腳選擇控制協(xié)議，不同的引腳狀態(tài)對應(yīng)不同的控制模式。同時，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)用與實現(xiàn)

5.1 應(yīng)用信息

在實際應(yīng)用中，需要根據(jù)具體的設(shè)計需求選擇合適的設(shè)備控制方法、電源供應(yīng)選項、主時鐘源和模擬輸入配置。例如，對于需要靈活配置的應(yīng)用，可選擇軟件控制的設(shè)備；對于對功耗要求較高的應(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，通過硬件GPIO引腳進(jìn)行設(shè)備控制，采用XTAL作為主時鐘源，使用單端模擬輸入。詳細(xì)的設(shè)計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，作為時鐘從設(shè)備，使用單端模擬輸入。設(shè)計時需要將MD0拉至GND以配置I2C，并設(shè)置I2C地址，同時確保BCK的配置滿足自動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三個內(nèi)部電源軌，分別為模擬電路、數(shù)字時鐘電路和輸入/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)計電源供應(yīng)時，需要注意各個引腳的功能和要求，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，通過將IOVDD和LDO驅(qū)動為1.8V即可實現(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、配置時鐘和音頻ADC內(nèi)容淡入等步驟。在實際應(yīng)用中，需要嚴(yán)格按照這個順序進(jìn)行操作，以確保設(shè)備正常啟動。

6.4 最低功耗模式

為了實現(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)計印刷電路板（PCB）時，應(yīng)遵循最佳設(shè)計實踐，將模擬和數(shù)字部分分開布局，避免數(shù)字噪聲對模擬信號的干擾。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，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，在設(shè)計時應(yīng)確保數(shù)字信號的回流電流遠(yuǎn)離AGND引腳和輸入信號，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，分為四個頁面：0、1、3和253。每個頁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、時鐘配置、中斷控制等。在使用時，需要根據(jù)具體的需求正確配置這些寄存器，以實現(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、低功耗設(shè)計和豐富的功能，為音頻設(shè)計工程師提供了一個強大的工具。無論是家庭影院、語音控制設(shè)備還是藍(lán)牙揚聲器等應(yīng)用領(lǐng)域，PCM186x都能滿足不同的音頻處理需求。在實際應(yīng)用中，工程師需要根據(jù)具體的設(shè)計要求，合理選擇設(shè)備型號、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，實現(xiàn)高質(zhì)量的音頻轉(zhuǎn)換和處理系統(tǒng)。你在使用PCM186x過程中遇到過哪些有趣的問題或挑戰(zhàn)呢？歡迎在評論區(qū)分享你的經(jīng)驗和見解。