基于PCM1794的純音頻解碼器的設計與實現

張志永　孔惠敏　朱濤　夏清華

摘 要：設計并實現了一個基于PCM1794的音頻解碼器。純音頻解碼器是一種用于Hi-FI聽音的支持USB音頻輸入的設備。主要作用是把讀取的數字音頻信號轉換成模擬音頻信號輸出，供功率放大后重放。設計以PCM1794DAC數模轉換器為核心，介紹了電源模塊、DAC數模轉換模塊、I/V轉換模塊、功率放大模塊的設計原理。該設計較高的輸出信噪比和較小的失真效果明顯的提高了音質。

關鍵詞：PCM1794；數模轉換；信噪比

中圖分類號：TN764 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2018）32-0087-03

Abstract： An audio decoder based on PCM1794 is designed and implemented. A pure audio decoder is a device that supports USB audio input for Hi-Fi listening. The main function is to read the digital audio signal into analog audio signal output for power amplification and playback. The design takes PCM1794DAC digital-to-analog converter as the core， and introduces the design principles of power module， DAC digital-to-analog module， I/V conversion module and power amplifier module. The design has higher output signal-to-noise ratio （SNR） and less distortion， which can obviously improve the sound quality.

Keywords： PCM1794； digital-to-analog conversion； signal-to-noise ratio

隨著人們對音質要求的不斷提高，一般的設備由于傳輸途徑、和解碼器的素質等諸多因素的影響，并不能滿足人們的需求。為了得到高品質的聲音信號，本設計以高品質數模轉換芯片PCM1794為核心，設計了一種基于USB輸入的高品質純音頻解碼器，相比于一般設備大大提高了輸出信噪比，且減小了失真情況，滿足了人們對音質的高要求。

1 PCM1794簡介

PCM1794器件是一款單片CMOS集成電路，由立體聲數模轉換器（DAC）和采用小型28引腳SSOP封裝的支持電路組成。數據轉換器采用德州儀器（TI）的高級分段DAC架構，擁有出色的動態性能和增強的時鐘抖動耐受性。PCM1794A器件提供均衡電流輸出，允許用戶從外部優化模擬性能，最高支持200kHz的采樣速率。

2 解碼器硬件設計

2.1 硬件設計

圖1是該音頻解碼器硬件結構框圖，該系統由四個部分組成：電源模塊、DAC轉換模塊、I/V轉換模塊、功率放大模塊。為了保證音頻解碼器和帶有USB接口輸出的數字音頻設備的兼容性，需要采用Amanero集成模塊接收USB輸出信號。數據接收模塊解碼出IIS信號給PCM1794進行DAC解碼，將數字信號轉換成模擬信號。然后將解碼出的模擬電流信號輸出至NE5532進行I/V轉換，從而將模擬電流信號轉換為模擬電壓信號。再將模擬電壓信號通過OPA1602進行功率放大。最后通過音頻接口輸出。

2.2 電源模塊

電源部分主要由環形變壓器、整流橋、三端穩壓管、濾波電容構成。接入220V交流電后經過環形變壓器（實物圖如圖2所示）轉換為正負12√2V的交流電。然后經過整流橋進行整流，將交流信號變為直流信號。為了給DAC模塊、I/V模塊和功率放大模塊供電，輸出的直流電壓信號先通過濾波電容進行濾波，然后通過三端穩壓管（7812、7912、7805、LM1117-3.3）進行穩壓輸出。電源模塊電路如圖3所示。

2.3 PCM1794 DAC轉換模塊設計

PCM1794 是一個支持24BIT的芯片，支持雙并聯單聲道模式，此外低中高三頻均衡，靜態和動態效果突出。為了充分發揮出PCM1794的高品質特性，本設計中經Amanero集成模塊（實物圖如圖4所示）處理后的音頻信號由LRCK、BCK、DATA引腳引入，MUTE、FMT、MONO等引腳負責功能的選擇以及控制，然后經8倍過采樣濾波后由DAC片段調節器負責解碼后輸出，IOUTL-、IOUTL+、IOUTR-、IOUTR+分別指的是左聲道、右聲道正負信號。經分析后繪制 PCM1794DAC轉換模塊電路如圖5所示。

PCM1794支持行業標準音頻數據格式，本設計中將格式位FMT0和FMT1都接入低電平以選擇IIS數據格式。圖5中Amanero集成模塊左邊的四個網絡標號MCLK、FSCLK、CLK、DATA分別與PCM1794的SCK、LRCK、BCK、DATA引腳相連，將接收的音頻數據送入PCM1794。PCM1794對接收到的音頻數據進行DA解碼，將數字音頻信號轉化為模擬電流信號輸出，此過程為解碼過程。PCM1794內部時鐘檢測電路自動確定系統時鐘SCK與采樣時鐘LRCK關系，自動選擇采樣頻率。PCM1794容許SCK相位延遲和抖動，但設計時應保證二者同步。部分引腳設置如表1所示。

2.4 I/V轉換模塊

因PCM1794 輸出的差分模擬信號中夾帶高次諧波，因此要經過低通濾波電路消除高頻噪音，才能獲得純凈的模擬信號。所以本設計采用RC一階低通濾波器，其中為避免電阻熱噪聲的干擾，設計時需要使R的取值盡可能小。為了提高輸出信噪比、減小失真，同時考慮到性價比等諸多因素本設計使用的是NE5532型運放，將PCM1794輸出的電流信號轉換為差分電壓信號。對于數模轉換電路，要求 DAC轉換電路的后面采用多階濾波器以實現防混疊的作用。I/V轉換模塊電路如圖6所示。

2.5 功率放大模塊

經I/V轉換電路后得到VOUTL、VOUTR，這時的電壓很微弱，無法直接驅動聲音播放設備，一般要經過信號調理并放大輸出再去驅動音頻播放設備。本設計中采用TPA6120將NE5532輸出的差分電壓信號轉換為單端電壓信號輸出。由于TPA6120A2是電流反饋型放大器，因此在選擇反饋電阻時務必小心，反饋中不應使用電容器路徑，因為它們會在高頻率下形成短路。較高的阻抗負載往往會使得設備更不穩定，解決這個問題的一種方法是增加反饋電阻的阻值，但較高的反饋電阻會給系統增加更多噪聲，建議反饋電阻不應超過10kΩ。雖然反饋電阻的阻值越小，噪聲就越少，但考慮到電阻過小會使得電路產生自激振蕩，所以本設計采用的是TPA6120的反饋電阻的典型值1kΩ。功率放大模塊不僅對功率進行了放大，還使得輸出驅動能力變強。功率放大模塊電路如圖7所示。

2.6 設計中需注意問題

設計電源模塊時要充分考慮電源信號的穩定性，設計合適的電源信號處理電路。I/V模塊和功率放大模塊中需注意反饋回路應盡可能短。同時選取芯片時需仔細考慮相應芯片的信噪比和底噪等諸多因素。電路中電阻的選擇也需要注意熱噪聲和雜散電容的影響。因考慮到濾波電路的電阻、電容位置會影響時鐘信號質量，所以電容擺放位置要慎重考慮，不要兩面放置，而且附近應避免放置過孔。在繪制PCB電路時考慮布局合理性，不將數字元件和模擬元件放在一起。

3 結束語

利用PCM1794解碼芯片完成的音頻解碼器的制作中，整個過程可以概括為分析芯片的使用、繪制電路原理圖、購買元器件、制作PCB板的以及實物的焊接和調試。此音頻解碼器可用作手機或者筆記本等支持USB輸出的設備的外置聲卡來使用，因其輸出信噪比相對較高、失真較小，比一般聲卡直接出來的聲音更干凈更好聽。

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