德州儀器PCM186x音頻ADC：高性能與靈活性的完美結(jié)合

在音頻處理領(lǐng)域，一款優(yōu)秀的音頻ADC（模擬 - 數(shù)字轉(zhuǎn)換器）對(duì)于實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量的音頻采集和處理至關(guān)重要。德州儀器（TI）的PCM186x系列音頻ADC就是這樣一款備受關(guān)注的產(chǎn)品。今天，我們就來(lái)深入探討一下PCM186x系列的特點(diǎn)、功能、應(yīng)用以及設(shè)計(jì)要點(diǎn)。

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一、產(chǎn)品概述

PCM186x系列包括PCM1860、PCM1861、PCM1862、PCM1863、PCM1864和PCM1865等型號(hào)，它們采用了全新的音頻功能集成方法，既滿足了歐洲生態(tài)設(shè)計(jì)立法的要求，又能以較低的成本實(shí)現(xiàn)高性能的終端產(chǎn)品。該系列支持3.3V單電源供電，在小封裝中集成了可編程增益放大器（PGA），這使得實(shí)現(xiàn)更小、更智能的產(chǎn)品成為可能。

二、核心特性

2.1 高SNR性能

不同型號(hào)具有不同的信噪比（SNR）性能，PCM1861/63/65的SNR高達(dá)110dB，而PCM1860/62/64也能達(dá)到103dB。高SNR意味著在音頻采集過(guò)程中能夠更準(zhǔn)確地還原原始音頻信號(hào)，減少噪聲干擾，對(duì)于對(duì)音質(zhì)要求較高的應(yīng)用場(chǎng)景，如專(zhuān)業(yè)音頻錄制、高品質(zhì)音響系統(tǒng)等，具有重要意義。

2.2 靈活的采樣率和輸入通道

ADC采樣率范圍從8kHz到192kHz，能夠適應(yīng)不同的音頻應(yīng)用需求。同時(shí)，最多可提供四個(gè)獨(dú)立的ADC通道，支持單端和差分輸入。單端輸入的滿量程為2.1V RMS，差分輸入則可達(dá)4.2V RMS，這種靈活性使得PCM186x可以與各種音頻源進(jìn)行適配。

2.3 多樣的控制方式

PCM1860和PCM1861采用硬件（HW）控制方式，而PCM1862/63/64/65則支持軟件（SW）控制，可通過(guò)I2C或SPI接口進(jìn)行配置。軟件控制的型號(hào)還支持最多四個(gè)數(shù)字麥克風(fēng)，為音頻輸入提供了更多的選擇。

2.4 可編程增益放大器

PCM186x的PGA具有靈活的增益調(diào)節(jié)功能。對(duì)于硬件控制的PCM1860/61，提供了0dB、12dB和32dB的固定增益選項(xiàng)；而軟件控制的PCM1862/63/64/65則支持從 - 12dB到 + 32dB的可編程增益，增益調(diào)節(jié)步長(zhǎng)為0.5dB，能夠根據(jù)不同的音頻輸入信號(hào)強(qiáng)度進(jìn)行精確調(diào)整。

2.5 集成高性能音頻PLL

內(nèi)部集成的PLL可以從任何1MHz到50MHz的時(shí)鐘源生成實(shí)際的音頻速率時(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。

2.6 低功耗設(shè)計(jì)

在3.3V電源下，不同型號(hào)的功耗有所不同。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。

三、功能模塊解析

3.1 模擬前端

PCM186x的模擬前端具有很高的靈活性，支持差分和單端輸入。在單端模式下，輸入電平可從毫伏級(jí)的麥克風(fēng)輸入到2.1V RMS的線路輸入；在差分模式下，輸入電平可高達(dá)4.2V RMS。MIX和MUX電路允許在單端和差分模式下對(duì)模擬輸入進(jìn)行混合和復(fù)用，不過(guò)只有軟件控制的型號(hào)才具備混合功能。在設(shè)計(jì)時(shí)，需要注意在模擬輸入上使用直流阻隔電容，以確保正確的直流偏置條件。

3.2 麥克風(fēng)支持

該系列支持模擬和數(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；對(duì)于數(shù)字麥克風(fēng)，軟件控制的型號(hào)可支持最多四個(gè)數(shù)字麥克風(fēng)。不同型號(hào)在數(shù)字麥克風(fēng)模式下的增益有所不同，PCM1862和PCM1863在混音器中可提供高達(dá)18dB的增益，而PCM1864和PCM1865則可提供高達(dá)30dB的增益（18dB來(lái)自混音器，12dB來(lái)自數(shù)字PGA）。

3.3 時(shí)鐘系統(tǒng)

PCM186x的時(shí)鐘架構(gòu)非常靈活，既可以作為時(shí)鐘主設(shè)備，也可以作為時(shí)鐘從設(shè)備。它可以從外部晶體或CMOS電平時(shí)鐘獲取主時(shí)鐘，并且集成的PLL能夠根據(jù)不同的時(shí)鐘源生成所需的音頻時(shí)鐘。在不同的時(shí)鐘模式下，需要根據(jù)具體的應(yīng)用需求進(jìn)行合理的配置，例如在硬件控制的PCM1860和PCM1861中，可通過(guò)MD0和MD1選擇主從模式和時(shí)鐘比率；在軟件控制的型號(hào)中，則可通過(guò)寄存器進(jìn)行更精細(xì)的配置。

3.4 模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADCs）

3.4.1 主音頻ADC

主音頻ADC的SNR性能因型號(hào)而異，PCM1860/62/64為103dB，PCM1861/63/65為110dB，帶寬為40kHz。這些ADC與專(zhuān)用的PGAs和輸入多路復(fù)用器緊密耦合，能夠提供高質(zhì)量的音頻轉(zhuǎn)換。

3.4.2 輔助ADC

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，可用于監(jiān)測(cè)模擬輸入；在控制檢測(cè)模式下，可用于測(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。輔助ADC的采樣率與主ADC的音頻采樣時(shí)鐘相關(guān)，在睡眠模式下可切換到片上振蕩器時(shí)鐘。

3.5 音頻處理功能

3.5.1 DSP處理

DSP1和DSP2是固定功能的處理器，用于執(zhí)行多種濾波、混合、信號(hào)檢測(cè)和管理功能。通過(guò)間接編程的方式，可以將濾波器和混音器的系數(shù)寫(xiě)入到DSP中。例如，在數(shù)字抽取濾波器中，提供了經(jīng)典FIR響應(yīng)和低延遲IIR響應(yīng)兩種選擇，可根據(jù)具體的應(yīng)用需求進(jìn)行切換。

3.5.2 數(shù)字混音功能

該功能允許在ADC之后進(jìn)行混音，以及實(shí)現(xiàn)ADC與輸入I2S信號(hào)的混合。在輸出信號(hào)到I2S DAC或放大器之前，可以進(jìn)行音量控制。增益范圍從 - 120dB到 + 18dB，并且可以通過(guò)對(duì)正增益系數(shù)進(jìn)行補(bǔ)碼運(yùn)算來(lái)實(shí)現(xiàn)相位反轉(zhuǎn)。

3.6 中斷控制器

硬件控制的PCM1860和PCM1861的INT引腳默認(rèn)用于能量感知信號(hào)檢測(cè)；而軟件控制的型號(hào)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控制檢測(cè)中斷、PGA削波后檢測(cè)和DIN切換等。通過(guò)中斷控制器的相關(guān)寄存器，可以對(duì)中斷源進(jìn)行過(guò)濾、監(jiān)測(cè)和清除，還可以改變中斷信號(hào)的極性和脈沖寬度。

3.7 音頻格式選擇

PCM1860和PCM1861通過(guò)硬件引腳配置選擇音頻格式，可選左對(duì)齊數(shù)據(jù)（LJ）或I2S；軟件控制的型號(hào)則通過(guò)寄存器進(jìn)行格式選擇，支持右對(duì)齊（RJ）和時(shí)分復(fù)用（TDM）數(shù)據(jù)，為多通道音頻處理提供了更多的選擇。

四、應(yīng)用場(chǎng)景

4.1 家庭影院和電視

在家庭影院和電視系統(tǒng)中，PCM186x可以用于音頻采集和處理，高SNR性能和靈活的輸入通道能夠滿足多聲道音頻的需求，為用戶帶來(lái)高品質(zhì)的音頻體驗(yàn)。

4.2 語(yǔ)音控制設(shè)備

對(duì)于語(yǔ)音控制設(shè)備，如智能音箱、語(yǔ)音助手等，PCM186x的低功耗設(shè)計(jì)和對(duì)數(shù)字麥克風(fēng)的支持，使得設(shè)備能夠在長(zhǎng)時(shí)間待機(jī)的情況下保持對(duì)語(yǔ)音信號(hào)的監(jiān)測(cè)，并且能夠準(zhǔn)確地采集和處理語(yǔ)音指令。

4.3 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。其靈活的時(shí)鐘系統(tǒng)和音頻格式選擇，能夠適應(yīng)不同藍(lán)牙模塊的時(shí)鐘要求和音頻格式，確保音頻傳輸?shù)姆€(wěn)定性和質(zhì)量。

4.4 麥克風(fēng)陣列處理器

在麥克風(fēng)陣列處理器中，PCM186x的多通道功能和高性能ADC可以同時(shí)采集多個(gè)麥克風(fēng)的音頻信號(hào)，為后續(xù)的音頻處理和分析提供準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)。

五、設(shè)計(jì)要點(diǎn)

5.1 電源設(shè)計(jì)

PCM186x使用AVDD（3.3V模擬電源）、DVDD（3.3V數(shù)字電源）和IOVDD（3.3V或1.8V輸入輸出電源）三個(gè)內(nèi)部電源軌。在設(shè)計(jì)時(shí)，需要注意電源的分配和去耦，將去耦電容盡可能靠近電源引腳放置，以減少電源噪聲對(duì)芯片性能的影響。此外，還可以通過(guò)旁路內(nèi)部LDO來(lái)降低功耗，但需要注意TDM模式下的BCK頻率限制。

5.2 時(shí)鐘設(shè)計(jì)

選擇合適的時(shí)鐘源對(duì)于PCM186x的性能至關(guān)重要。對(duì)于最高性能的應(yīng)用，建議在主模式下使用穩(wěn)定的SCK源，如CMOS SCK或外部晶體。在使用PLL時(shí)，需要根據(jù)具體的時(shí)鐘源和采樣率要求進(jìn)行合理的配置，確保PLL的輸入和輸出滿足相關(guān)條件。

5.3 PCB布局

在PCB布局方面，應(yīng)采用最佳的設(shè)計(jì)實(shí)踐，將模擬和數(shù)字部分分開(kāi)，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，并與芯片在同一層，避免在去耦電容和芯片之間使用過(guò)孔。同時(shí)，在輸入走線之間放置接地平面，以降低串?dāng)_。

5.4 寄存器配置

對(duì)于軟件控制的PCM186x型號(hào)，寄存器配置是實(shí)現(xiàn)各種功能的關(guān)鍵。需要根據(jù)具體的應(yīng)用需求，對(duì)時(shí)鐘模式、增益設(shè)置、音頻格式、中斷控制等寄存器進(jìn)行正確的配置。在配置過(guò)程中，要注意寄存器的讀寫(xiě)操作時(shí)序和數(shù)據(jù)格式。

六、總結(jié)

德州儀器的PCM186x系列音頻ADC以其高性能、靈活性和低功耗等特點(diǎn)，為音頻處理領(lǐng)域提供了優(yōu)秀的解決方案。無(wú)論是在家庭影院、語(yǔ)音控制設(shè)備還是其他音頻應(yīng)用中，PCM186x都能夠發(fā)揮出其優(yōu)勢(shì)。在設(shè)計(jì)過(guò)程中，我們需要充分了解其各項(xiàng)特性和功能，合理進(jìn)行電源設(shè)計(jì)、時(shí)鐘設(shè)計(jì)、PCB布局和寄存器配置，以確保系統(tǒng)的性能和穩(wěn)定性。希望本文能夠?yàn)?a href="http://www.makelele.cn/v/tag/125/" target="_blank">電子工程師在使用PCM186x系列音頻ADC時(shí)提供一些有用的參考和指導(dǎo)。如果你在設(shè)計(jì)過(guò)程中遇到任何問(wèn)題，歡迎在評(píng)論區(qū)留言討論。