基于PCM1794的純音頻解碼器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

張志永　孔惠敏　朱濤　夏清華

摘 要：設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一個(gè)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(shè)備。主要作用是把讀取的數(shù)字音頻信號(hào)轉(zhuǎn)換成模擬音頻信號(hào)輸出，供功率放大后重放。設(shè)計(jì)以PCM1794DAC數(shù)模轉(zhuǎn)換器為核心，介紹了電源模塊、DAC數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊、I/V轉(zhuǎn)換模塊、功率放大模塊的設(shè)計(jì)原理。該設(shè)計(jì)較高的輸出信噪比和較小的失真效果明顯的提高了音質(zhì)。

關(guān)鍵詞：PCM1794；數(shù)模轉(zhuǎn)換；信噪比

中圖分類號(hào)：TN764 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：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(duì)音質(zhì)要求的不斷提高，一般的設(shè)備由于傳輸途徑、和解碼器的素質(zhì)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(zhì)的聲音信號(hào)，本設(shè)計(jì)以高品質(zhì)數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片PCM1794為核心，設(shè)計(jì)了一種基于USB輸入的高品質(zhì)純音頻解碼器，相比于一般設(shè)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(duì)音質(zhì)的高要求。

1 PCM1794簡(jiǎn)介

PCM1794器件是一款單片CMOS集成電路，由立體聲數(shù)模轉(zhuǎn)換器（DAC）和采用小型28引腳SSOP封裝的支持電路組成。數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器采用德州儀器（TI）的高級(jí)分段DAC架構(gòu)，擁有出色的動(dòng)態(tài)性能和增強(qiáng)的時(shí)鐘抖動(dòng)耐受性。PCM1794A器件提供均衡電流輸出，允許用戶從外部?jī)?yōu)化模擬性能，最高支持200kHz的采樣速率。

2 解碼器硬件設(shè)計(jì)

2.1 硬件設(shè)計(jì)

圖1是該音頻解碼器硬件結(jié)構(gòu)框圖，該系統(tǒng)由四個(gè)部分組成：電源模塊、DAC轉(zhuǎn)換模塊、I/V轉(zhuǎn)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(shù)字音頻設(shè)備的兼容性，需要采用Amanero集成模塊接收USB輸出信號(hào)。數(shù)據(jù)接收模塊解碼出IIS信號(hào)給PCM1794進(jìn)行DAC解碼，將數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換成模擬信號(hào)。然后將解碼出的模擬電流信號(hào)輸出至NE5532進(jìn)行I/V轉(zhuǎn)換，從而將模擬電流信號(hào)轉(zhuǎn)換為模擬電壓信號(hào)。再將模擬電壓信號(hào)通過OPA1602進(jìn)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(huán)形變壓器、整流橋、三端穩(wěn)壓管、濾波電容構(gòu)成。接入220V交流電后經(jīng)過環(huán)形變壓器（實(shí)物圖如圖2所示）轉(zhuǎn)換為正負(fù)12√2V的交流電。然后經(jīng)過整流橋進(jìn)行整流，將交流信號(hào)變?yōu)橹绷餍盘?hào)。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(hào)先通過濾波電容進(jìn)行濾波，然后通過三端穩(wěn)壓管（7812、7912、7805、LM1117-3.3）進(jìn)行穩(wěn)壓輸出。電源模塊電路如圖3所示。

2.3 PCM1794 DAC轉(zhuǎn)換模塊設(shè)計(jì)

PCM1794 是一個(gè)支持24BIT的芯片，支持雙并聯(lián)單聲道模式，此外低中高三頻均衡，靜態(tài)和動(dòng)態(tài)效果突出。為了充分發(fā)揮出PCM1794的高品質(zhì)特性，本設(shè)計(jì)中經(jīng)Amanero集成模塊（實(shí)物圖如圖4所示）處理后的音頻信號(hào)由LRCK、BCK、DATA引腳引入，MUTE、FMT、MONO等引腳負(fù)責(zé)功能的選擇以及控制，然后經(jīng)8倍過采樣濾波后由DAC片段調(diào)節(jié)器負(fù)責(zé)解碼后輸出，IOUTL-、IOUTL+、IOUTR-、IOUTR+分別指的是左聲道、右聲道正負(fù)信號(hào)。經(jīng)分析后繪制 PCM1794DAC轉(zhuǎn)換模塊電路如圖5所示。

PCM1794支持行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)音頻數(shù)據(jù)格式，本設(shè)計(jì)中將格式位FMT0和FMT1都接入低電平以選擇IIS數(shù)據(jù)格式。圖5中Amanero集成模塊左邊的四個(gè)網(wǎng)絡(luò)標(biāo)號(hào)MCLK、FSCLK、CLK、DATA分別與PCM1794的SCK、LRCK、BCK、DATA引腳相連，將接收的音頻數(shù)據(jù)送入PCM1794。PCM1794對(duì)接收到的音頻數(shù)據(jù)進(jìn)行DA解碼，將數(shù)字音頻信號(hào)轉(zhuǎn)化為模擬電流信號(hào)輸出，此過程為解碼過程。PCM1794內(nèi)部時(shí)鐘檢測(cè)電路自動(dòng)確定系統(tǒng)時(shí)鐘SCK與采樣時(shí)鐘LRCK關(guān)系，自動(dòng)選擇采樣頻率。PCM1794容許SCK相位延遲和抖動(dòng)，但設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)保證二者同步。部分引腳設(shè)置如表1所示。

2.4 I/V轉(zhuǎn)換模塊

因PCM1794 輸出的差分模擬信號(hào)中夾帶高次諧波，因此要經(jīng)過低通濾波電路消除高頻噪音，才能獲得純凈的模擬信號(hào)。所以本設(shè)計(jì)采用RC一階低通濾波器，其中為避免電阻熱噪聲的干擾，設(shè)計(jì)時(shí)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(shí)考慮到性價(jià)比等諸多因素本設(shè)計(jì)使用的是NE5532型運(yùn)放，將PCM1794輸出的電流信號(hào)轉(zhuǎn)換為差分電壓信號(hào)。對(duì)于數(shù)模轉(zhuǎn)換電路，要求 DAC轉(zhuǎn)換電路的后面采用多階濾波器以實(shí)現(xiàn)防混疊的作用。I/V轉(zhuǎn)換模塊電路如圖6所示。

2.5 功率放大模塊

經(jīng)I/V轉(zhuǎn)換電路后得到VOUTL、VOUTR，這時(shí)的電壓很微弱，無法直接驅(qū)動(dòng)聲音播放設(shè)備，一般要經(jīng)過信號(hào)調(diào)理并放大輸出再去驅(qū)動(dòng)音頻播放設(shè)備。本設(shè)計(jì)中采用TPA6120將NE5532輸出的差分電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為單端電壓信號(hào)輸出。由于TPA6120A2是電流反饋型放大器，因此在選擇反饋電阻時(shí)務(wù)必小心，反饋中不應(yīng)使用電容器路徑，因?yàn)樗鼈儠?huì)在高頻率下形成短路。較高的阻抗負(fù)載往往會(huì)使得設(shè)備更不穩(wěn)定，解決這個(gè)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(huì)給系統(tǒng)增加更多噪聲，建議反饋電阻不應(yīng)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(huì)使得電路產(chǎn)生自激振蕩，所以本設(shè)計(jì)采用的是TPA6120的反饋電阻的典型值1kΩ。功率放大模塊不僅對(duì)功率進(jìn)行了放大，還使得輸出驅(qū)動(dòng)能力變強(qiáng)。功率放大模塊電路如圖7所示。

2.6 設(shè)計(jì)中需注意問題

設(shè)計(jì)電源模塊時(shí)要充分考慮電源信號(hào)的穩(wěn)定性，設(shè)計(jì)合適的電源信號(hào)處理電路。I/V模塊和功率放大模塊中需注意反饋回路應(yīng)盡可能短。同時(shí)選取芯片時(shí)需仔細(xì)考慮相應(yīng)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(huì)影響時(shí)鐘信號(hào)質(zhì)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(yīng)避免放置過孔。在繪制PCB電路時(shí)考慮布局合理性，不將數(shù)字元件和模擬元件放在一起。

3 結(jié)束語

利用PCM1794解碼芯片完成的音頻解碼器的制作中，整個(gè)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(shí)物的焊接和調(diào)試。此音頻解碼器可用作手機(jī)或者筆記本等支持USB輸出的設(shè)備的外置聲卡來使用，因其輸出信噪比相對(duì)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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