1 概述
 
    近年來，采用高分辨率的∑-Δ型數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器頗為流行。它的個突出優(yōu)點(diǎn)是在1片混合信號CMOS大規(guī)模集成電路上實(shí)現(xiàn)了過采樣與數(shù)字信號處理技術(shù)的結(jié)合。這一技術(shù)的顯著優(yōu)點(diǎn)：高高分辨率，其分辨率高達(dá)24位。目前，∑-Δ型的DAC可實(shí)現(xiàn)24位的數(shù)模轉(zhuǎn)換，但是20位以上的DAC都是為音頻系統(tǒng)服務(wù)的，如Analog公司的AD18系列、Burr-Brown和TI公司的PCM17系列、Crystal公司的CS4930等。這些半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的高24位的DAC都是音頻DAC芯片。這些芯片必須滿足音頻的采樣頻率、數(shù)據(jù)輸入格式、聲道選擇等條件。這些條件的限制使得高分辨率的音頻DAC只能應(yīng)用于音頻系統(tǒng)中，如果需要高的通用DAC作為軟換器（例如：我們設(shè)計的高速高分辨率模數(shù)轉(zhuǎn)換系統(tǒng)需要24位DAC作為校準(zhǔn)的基準(zhǔn)），只能在現(xiàn)有音頻DAC基礎(chǔ)上進(jìn)行改造。通過外圍電路擴(kuò)展和程序設(shè)計，可實(shí)現(xiàn)通用DAC的時鐘信號的改造、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換模式的改造、采用頻率的改造等，滿足通用DAC系統(tǒng)的要求。

    本文以Burr-Brown公司推出的PCM1748為例，說明音頻DAC器件的改造方案。PCM1748是CMOS立體聲集成電路。它采用TI公司的增強(qiáng)型多級∑-Δ結(jié)構(gòu)和噪聲整形技術(shù)，執(zhí)著16～24位的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)音頻數(shù)據(jù)以及三線串行控制端口操作，采樣率可達(dá)100kHz。
 
    2 音頻DAC的工作原理
 
    高分痃率音頻DAC大都采用多級幅度量化高階∑-Δ調(diào)制器結(jié)構(gòu)中。這樣，在實(shí)際應(yīng)用中可以提高音頻動態(tài)范圍，減小時時鐘抖動的敏感度，降低由此引發(fā)的失真；內(nèi)置過采樣的數(shù)字濾波器具有2種可供選擇滾降特性：慢滾降和陡滾降。對于PCM1748，其內(nèi)部是采用8級副度量化和4級噪聲整形技術(shù)。8級調(diào)制器結(jié)構(gòu)具有更的穩(wěn)定性和抗抖動能力。過采樣調(diào)制器和內(nèi)插濾波器的采樣率是64fs。是PCM1748的結(jié)構(gòu)圖。

    BCK：音頻數(shù)據(jù)位時鐘；
    DATA：音頻數(shù)據(jù)輸入；
    LRCK：左右聲道音頻數(shù)據(jù)的鎖存；
    以上3個引腳都是數(shù)字邏輯，耐壓能力5V。
    ML：模式控制鎖存輸入；
    MC：模式控制數(shù)據(jù)輸入；
    SCK：系統(tǒng)時鐘輸入；

    ZEROL、ZEROR：左右聲道零標(biāo)志位；
    VDD、DGND：數(shù)字電源；
    VCC、AGND：模擬電源；
    VOUTL：VOUTR：左右聲道模擬輸出；
    VCOM：公共端。

    PCM1748在正常供電電源下，是通過串行接口來送入數(shù)據(jù)和進(jìn)行控制的。它的串行接口包括音頻三線同步串行接口和控制三線異步串行接口。

    音頻串行接口包括LRCK、BCK、DATA。其中，BCK是串行音頻位時鐘。它的功能是將DATA上現(xiàn)有的數(shù)據(jù)通過此時鐘作用送入音頻接口的移位寄存器內(nèi)，并且注意串行數(shù)據(jù)是在BCK的上升沿送入音頻接口的。LRCK是串行音頻接口在左/右聲道數(shù)據(jù)字鎖存時鐘。它的功能是將數(shù)據(jù)鎖存到接口內(nèi)部的移位寄存器中。這里應(yīng)當(dāng)注意，無論BCK還是LRCK都應(yīng)當(dāng)與系統(tǒng)時鐘SCK同步，因而LRCK和BCK應(yīng)從系統(tǒng)時鐘SCK獲取。同時，LRCK與采樣頻率fs一致。BCK可選擇為32、48或64倍的采樣頻率。PCM1748支持工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的音頻數(shù)據(jù)格式，包括標(biāo)準(zhǔn)格式、I2S格式和左對齊格式。格式選擇是通過控制寄存器來設(shè)置。所有格式都需要二進(jìn)制補(bǔ)碼，高位在前的音頻數(shù)據(jù)，如所示左對齊格式及其操作時序。
 
    PCM1748具有用戶可編程的模式控制。這些可控模式是通過串行控制口送入控制字來設(shè)置的。具體的可控模式功能有：軟靜噪、過采樣率、DAC操作控制、音頻數(shù)據(jù)格式、輸出相位選擇等。相應(yīng)的寄存器認(rèn)狀態(tài)和控制寄存器地址、定義，可參考說明書。

    控制串行接口是通過對片上的模式寄存器進(jìn)行編寫來實(shí)現(xiàn)控制功能的。其中MD是串行數(shù)據(jù)輸入，用來寫模式寄存器；MC是串行位時鐘，用來將數(shù)據(jù)控制口；ML是控制口的鎖存時鐘，是將控制字鎖存到寄存器中。所有的串行控制口的寫操作都是采用16位數(shù)據(jù)字，如所示。其中位為0；IDX[6～0]是標(biāo)志位，它為寫操作提供寄存器索引或地址，低7位D[7～0]是寫放到該地址的寄存器數(shù)據(jù)值。表明這一寫入時序。
通過串行口的正確控制及特定音頻數(shù)據(jù)的輸入，在音頻特定采樣頻率及時鐘控制下，再輔以必要的外圍電源和輸出電路，PCM1748就可以正常地進(jìn)行音頻數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換了。

    3 將音頻DAC改造為通用
 
    在保證音頻DAC正常工作的前提下，將其改造成為通用型DAC的設(shè)計，要是要突破音頻信號的數(shù)據(jù)格式和采樣頻率的限制，使其適應(yīng)通用數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器的使用。為實(shí)現(xiàn)這一功能，我們采用TI公司的TMS320F206（簡稱F206）作為控制的器件，需要從以下幾方面進(jìn)行設(shè)計。
 
    （1）電源的設(shè)計
 
    音頻DAC正常工作的電源包括模擬電源和數(shù)字電源。模擬電源VCC采用+5V供電，提供DAC模擬和輸出濾波器的電源；數(shù)字電源VDD采用3.3V供電，提供數(shù)字濾波器和串行接口的電源。為減少電源數(shù)量，采用美信公司的DC-DC轉(zhuǎn)換芯片MAX1748將+5V轉(zhuǎn)換為3.3V，同時，系統(tǒng)中濾波和輸出電路的運(yùn)放需要-5V的電源，也可通過MAX735將+5V轉(zhuǎn)換而得，如所示。

    （2）時鐘信號的設(shè)計
 
    對于時鐘的設(shè)計主要包括音頻串行時鐘的設(shè)計和控制串行時鐘的設(shè)計2部分（見）。
音頻串行時鐘主要是BCK、LRCK、還有系統(tǒng)主時鐘SCK。這里L(fēng)RCK等于采樣頻率fs，BCK采用64fs。為設(shè)計簡單，我們利用F206的CLKOUT1（20MHz）作為SCK，提供系統(tǒng)時鐘，利用分頻器件74HC393的256分頻作為LRCK，4分頻作為BCK。這樣采樣頻率確定為20MHz/256=78.125kHz。通過不同的分頻比可以確定不同的采樣頻率。
 
    控制串行接口的時鐘ML、MC可直接由F206的同步串口時鐘CLKX和FSX提供。由于BCK和MC都是利用F206的同步串口時鐘線CLKX， 為區(qū)分音頻串行接口的數(shù)據(jù)和控制串行數(shù)據(jù)，BCK-CLKX和MC-CLKX采用模擬開關(guān)74HC251控制。需要送控制字時，將MC與CLKX接通；需要送數(shù)據(jù)時，將BCK與CLKX接通，并且通過8255擴(kuò)展的I/O口進(jìn)行74HC393和74HC251的觸發(fā)和切換。
 
    （3）數(shù)據(jù)的寫入
 
    音頻串行口的數(shù)據(jù)輸入DATA與F206的同步串行口DX相連，也就是數(shù)據(jù)由同步串口提供。F206采用連續(xù)模式下外部時鐘方式。74HC393的4分頻輸出連至PCM1748的BCK和F206的CLKX。這里F206應(yīng)設(shè)置同步串口寄存器SSPCR，采用CLKX外部時鐘源。由于F206在CLKX上升沿發(fā)送數(shù)據(jù)，為保證數(shù)據(jù)的可靠傳輸，應(yīng)設(shè)置SSPST改變CLKX極性，下降沿發(fā)送數(shù)據(jù)。這里，我們采用的是24位左對齊的數(shù)據(jù)格式。F206檢測到LRCK的下降沿一定時間后開始傳送數(shù)據(jù)，每次傳送2個字。根據(jù)左對齊的方式只截取高24位作為需要的24位數(shù)據(jù)。這里需要說明的是，24位數(shù)據(jù)采用的是二的補(bǔ)碼格式?？刂拼锌诘臄?shù)據(jù)直接利用F206的同步串口——突發(fā)模式內(nèi)部時鐘方式進(jìn)行所需控制字的傳送。MC與DX相連即可。
 
    （4）輸出調(diào)理電路設(shè)計
 
    ∑-Δ型DAC采用噪聲整形技術(shù)來提高信號帶寬范圍內(nèi)的信噪比。與此同時，在信號帶寬范圍外高于需耐奎斯特頻率（fs/2）的噪聲增大。這就是將噪聲均勻分布到了直流，直至Kfs/2范圍內(nèi)，其中K為過采樣率。為提高轉(zhuǎn)換器性能，信號帶寬外的噪聲必須通過低通濾波器濾除。其是通過片上和片外的低通濾波器實(shí)現(xiàn)的。
 
    PCM1748有左右2個聲道，可以通過設(shè)置控制寄存器來選擇輸出的聲道。這里，只利用1路輸出VOUTL，此輸出須經(jīng)外部低通濾波和電壓轉(zhuǎn)換送到高速高模數(shù)轉(zhuǎn)換器系統(tǒng)中，作為基準(zhǔn)信號。
 
    片外低通濾波器的截至頻率為fs/2。在此方案設(shè)計中為78.125kHz/2=39.0625kHz。采用雙電源供電的二階巴特沃斯濾波器，利用多級反饋以減少頻率和溫度變化時對元件變化的敏感度，同時高質(zhì)量的運(yùn)算放大器也是保證DAC轉(zhuǎn)換所需要的。片外的低通濾波電路如所示。
 
    音頻器件的輸出都在某一中心值上下范圍內(nèi)。PCM1748是以50%VCC=2.5V為中心值，滿量程為62%VCC=3.1V，也就是說輸出的模擬信號是在0.95～4.05V范圍內(nèi)。為將輸出轉(zhuǎn)換到需要的0～2.5V范圍內(nèi)，需采用電壓變換電路，如所示。
 
    計算關(guān)系如下：
    取R1=200Ω，則R2=526Ω，R3=160Ω。這里運(yùn)放采用美信公司的MAX4431。它是低噪聲低失真的寬帶運(yùn)算放大器。
 
    通過以上幾個方面的設(shè)計，音頻系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)通用DAC轉(zhuǎn)換，其轉(zhuǎn)換關(guān)系如表1所列。而且可通過程序?qū)?的補(bǔ)碼的格式轉(zhuǎn)換成一般二進(jìn)制，或者直接利用2的補(bǔ)碼進(jìn)行計算。

表1 改造后DAC輸入-輸出關(guān)系
 

    4 程序設(shè)計
 
    針對實(shí)際需要，可以設(shè)置不同的控制寄存器值，例如：改變數(shù)據(jù)格式、輸出通道的選擇等。這里給出系統(tǒng)和程序的工作流程圖，如所示。
在設(shè)計程序時，要注意幾點(diǎn)問題。在對音頻器件的控制串行口進(jìn)行操作時，時鐘信號MC應(yīng)通過數(shù)字開關(guān)切換到與CLKX相連；F206的同步串口采用突發(fā)內(nèi)部時鐘方式，這是通過設(shè)置SSPCR來控制的。在音頻串行控制口操作時，BCK應(yīng)切換到與CLKX相連；F206同步串口采用連續(xù)外部時鐘方式，并且在CLKX下降沿發(fā)送數(shù)據(jù)，通過改變SSPCR和SSPST來實(shí)現(xiàn)。實(shí)驗(yàn)程序見本刊網(wǎng)絡(luò)補(bǔ)充版（https://www.dpj.com.cn）。
 
    5 總結(jié)
    通過實(shí)際應(yīng)用改造，音頻器件不僅可以應(yīng)用于視音頻場合，也可將音頻DAC器件用于一般的數(shù)模轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，從而實(shí)現(xiàn)高的數(shù)模轉(zhuǎn)換。