探索DSD1791：高性能24位音頻數(shù)模轉(zhuǎn)換器的技術(shù)奧秘

在音頻技術(shù)的不斷發(fā)展中，數(shù)模轉(zhuǎn)換器（DAC）作為連接數(shù)字音頻世界和模擬音頻世界的橋梁，其性能的優(yōu)劣直接影響著音頻的質(zhì)量。今天，我們就來深入了解一款來自德州儀器（Texas Instruments）的高性能音頻數(shù)模轉(zhuǎn)換器——DSD1791。

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一、DSD1791簡(jiǎn)介

DSD1791是一款采用28引腳SSOP封裝的單片CMOS集成電路，集成了立體聲數(shù)模轉(zhuǎn)換器和支持電路。它采用了德州儀器先進(jìn)的分段DAC架構(gòu)，不僅能實(shí)現(xiàn)出色的動(dòng)態(tài)性能，還能有效提高對(duì)時(shí)鐘抖動(dòng)的耐受性。該芯片支持DSD和PCM兩種音頻數(shù)據(jù)格式，方便與音頻DSP和解碼芯片進(jìn)行接口，最高支持200kHz的采樣率。

二、主要特性

2.1 音頻性能卓越

• 分辨率：具備24位分辨率，能夠提供高精度的音頻轉(zhuǎn)換，還原更豐富的音頻細(xì)節(jié)。
• 動(dòng)態(tài)范圍：高達(dá)113dB，能夠清晰地呈現(xiàn)音頻中的微弱信號(hào)和強(qiáng)烈信號(hào)，使音頻的層次感更加豐富。
• 總諧波失真加噪聲（THD+N）：低至0.001%，有效減少音頻信號(hào)中的失真和噪聲，保證音頻的純凈度。
• 滿量程輸出：在后置放大器處可達(dá)2.1V RMS，提供足夠的輸出功率。
• 差分電壓輸出：達(dá)到3.2Vp-p，能夠滿足不同音頻系統(tǒng)的需求。

2.2 靈活的數(shù)字濾波

• 8倍過采樣數(shù)字濾波器：具有出色的濾波性能，阻帶衰減可達(dá) -82dB，通帶波紋僅為±0.002dB，能夠有效濾除音頻信號(hào)中的雜波。
• 用戶可編程模式：支持?jǐn)?shù)字衰減（0dB至 -120dB，0.5dB/步）、數(shù)字去加重、數(shù)字濾波器滾降（尖銳或緩慢）、軟靜音以及為每個(gè)輸出提供零標(biāo)志等功能，用戶可以根據(jù)實(shí)際需求進(jìn)行靈活配置。

2.3 多格式支持

• 數(shù)據(jù)格式：支持標(biāo)準(zhǔn)、I2S和左對(duì)齊等PCM音頻數(shù)據(jù)格式，同時(shí)也支持DSD格式接口，滿足不同音頻源的需求。
• 采樣頻率：采樣頻率范圍為10kHz至200kHz，系統(tǒng)時(shí)鐘支持128、192、256、384、512或768 fs，并具備自動(dòng)檢測(cè)功能。

2.4 電源與封裝優(yōu)勢(shì)

• 雙電源操作：采用5V模擬電源和3.3V數(shù)字電源，5V耐壓數(shù)字輸入，提高了芯片的穩(wěn)定性和兼容性。
• 小巧封裝：采用28引腳SSOP封裝，體積小巧，適合各種緊湊的音頻設(shè)備設(shè)計(jì)。

三、應(yīng)用領(lǐng)域

DSD1791的高性能和靈活性使其在多個(gè)音頻應(yīng)用領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，包括但不限于：

• A/V接收器：為家庭影院系統(tǒng)提供高質(zhì)量的音頻轉(zhuǎn)換，提升觀影體驗(yàn)。
• SACD播放器：準(zhǔn)確還原SACD中的高分辨率音頻，展現(xiàn)音樂的原汁原味。
• DVD播放器：改善DVD音頻的播放質(zhì)量，使音頻更加清晰、逼真。
• HDTV接收器：為高清電視提供優(yōu)質(zhì)的音頻輸出，實(shí)現(xiàn)音畫同步。
• 汽車音頻系統(tǒng)：適應(yīng)汽車復(fù)雜的電磁環(huán)境，提供穩(wěn)定、高品質(zhì)的音頻。
• 數(shù)字多軌錄音機(jī)：滿足專業(yè)音頻錄制的需求，保證音頻的準(zhǔn)確性和完整性。

四、電氣特性

4.1 數(shù)據(jù)格式

• PCM模式：支持16位、20位和24位可選的音頻數(shù)據(jù)位長(zhǎng)，采用MSB優(yōu)先、2s補(bǔ)碼的音頻數(shù)據(jù)格式，采樣頻率范圍為10kHz至200kHz，系統(tǒng)時(shí)鐘頻率支持128、192、256、384、512或768 fS。
• DSD模式：音頻數(shù)據(jù)接口格式為DSD（直接流數(shù)字），音頻數(shù)據(jù)位長(zhǎng)為1位，采樣頻率為2.8224MHz，系統(tǒng)時(shí)鐘頻率范圍為2.8224MHz至11.2896MHz。

4.2 動(dòng)態(tài)性能

• PCM模式：不同采樣頻率下的THD+N表現(xiàn)優(yōu)秀，如在44.1kHz采樣頻率下為0.001%，在96kHz采樣頻率下為0.0015%，在192kHz采樣頻率下為0.003%。動(dòng)態(tài)范圍和信噪比在不同采樣頻率下也能保持在較高水平，通道分離度良好。
• DSD模式：在特定條件下，THD+N為0.001%，動(dòng)態(tài)范圍和信噪比均為113dB。

4.3 模擬輸出

• 增益誤差：為 -8 ± 3%至8%的滿量程范圍。
• 增益失配：通道間的增益失配為 -3 ± 0.5%至3%的滿量程范圍。
• 雙極零誤差：在雙極零處為 -2 ± 0.5%至2%的滿量程范圍。
• 差分輸出電壓：滿量程時(shí)為3.2Vp-p，雙極零電壓為1.4V，負(fù)載阻抗為1.7kΩ。

4.4 數(shù)字濾波器性能

• 去加重誤差：控制在±0.1dB以內(nèi)。
• 濾波器特性：提供尖銳滾降和緩慢滾降兩種模式，不同模式下的通帶、阻帶、波紋和衰減等特性各有不同，用戶可根據(jù)實(shí)際需求選擇。

4.5 電源要求

• VDD：電壓范圍為3V至3.6V，典型值為3.3V。
• VCC：電壓范圍為4.5V至5.5V，典型值為5V。
• 供電電流：不同采樣頻率下的供電電流不同，如在44.1kHz采樣頻率下，IDD為6.5至8mA，ICC為14至16mA。

五、引腳分配與功能

DSD1791的引腳分配清晰，每個(gè)引腳都有明確的功能：

• 模擬地引腳：AGNDC、AGNDF、AGNDL、AGNDR分別為內(nèi)部偏置和電流DAC、DACFF、L通道I/V、R通道I/V的模擬地。
• 數(shù)字地引腳：DGND為數(shù)字地。
• 時(shí)鐘和數(shù)據(jù)輸入引腳：包括DBCK（DSD模式位時(shí)鐘輸入）、PBCK（PCM模式位時(shí)鐘輸入）、PDATA（PCM模式串行音頻數(shù)據(jù)輸入）、PLRCK（PCM模式左右時(shí)鐘輸入）、SCK（系統(tǒng)時(shí)鐘輸入）等。
• 模式控制引腳：MC（模式控制時(shí)鐘輸入）、MDI（模式控制數(shù)據(jù)輸入/輸出）、MS（模式控制芯片選擇輸入）。
• 復(fù)位引腳：RST用于復(fù)位芯片。
• 電源引腳：VCCC、VCCF、VCCL、VCCR為模擬電源，VDD為數(shù)字電源。
• 模擬輸出引腳：VOUTL+、VOUTL -、VOUTR+、VOUTR - 分別為L(zhǎng)通道和R通道的模擬電壓輸出。
• 零標(biāo)志引腳：ZEROL和ZEROR分別為L(zhǎng)通道和R通道的零標(biāo)志輸出。

六、系統(tǒng)時(shí)鐘與復(fù)位功能

6.1 系統(tǒng)時(shí)鐘輸入

DSD1791需要一個(gè)系統(tǒng)時(shí)鐘來操作數(shù)字插值濾波器和先進(jìn)分段DAC調(diào)制器。系統(tǒng)時(shí)鐘通過SCK輸入（引腳5），芯片具有系統(tǒng)時(shí)鐘檢測(cè)電路，可自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)時(shí)鐘的頻率。不同音頻采樣率對(duì)應(yīng)不同的系統(tǒng)時(shí)鐘頻率，為了獲得最佳性能，建議使用低相位抖動(dòng)和噪聲的時(shí)鐘源，德州儀器的PLL1700系列多時(shí)鐘發(fā)生器是一個(gè)不錯(cuò)的選擇。

6.2 上電和外部復(fù)位功能

• 上電復(fù)位：當(dāng)VDD > 2V時(shí)，上電復(fù)位功能啟用，初始化序列需要1024個(gè)系統(tǒng)時(shí)鐘周期，之后芯片將設(shè)置為默認(rèn)復(fù)位狀態(tài)。
• 外部復(fù)位：通過RST輸入（引腳6），外部控制器或主復(fù)位電路可以強(qiáng)制芯片初始化到默認(rèn)復(fù)位狀態(tài)。RST引腳需要至少保持20ns的邏輯0狀態(tài)，然后設(shè)置為邏輯1狀態(tài)，開始初始化序列，同樣需要1024個(gè)系統(tǒng)時(shí)鐘周期。

七、音頻數(shù)據(jù)接口

7.1 音頻串行接口

音頻接口端口是一個(gè)3線串行端口，包括PLRCK、PBCK和PDATA。PBCK是串行音頻位時(shí)鐘，用于將PDATA上的串行數(shù)據(jù)時(shí)鐘輸入到音頻接口的串行移位寄存器中，數(shù)據(jù)在PBCK的上升沿時(shí)鐘輸入。PLRCK是串行音頻左右字時(shí)鐘，芯片要求PLRCK與系統(tǒng)時(shí)鐘同步，但不要求特定的相位關(guān)系。

7.2 PCM音頻數(shù)據(jù)格式和時(shí)序

DSD1791支持行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的音頻數(shù)據(jù)格式，包括標(biāo)準(zhǔn)右對(duì)齊、I2S和左對(duì)齊。數(shù)據(jù)格式通過控制寄存器18中的格式位FMT[2:0]進(jìn)行選擇，默認(rèn)數(shù)據(jù)格式為24位I2S。所有格式都要求二進(jìn)制2s補(bǔ)碼、MSB優(yōu)先的音頻數(shù)據(jù)。

7.3 外部數(shù)字濾波器接口和時(shí)序

芯片支持與3線或4線同步串行端口的外部數(shù)字濾波器接口，可使用德州儀器的DF1704和DF1706、Pacific Microsonics的PMD200或可編程數(shù)字信號(hào)處理器等外部濾波器。通過控制寄存器20的DFTH位選擇外部數(shù)字濾波器接口，可繞過芯片內(nèi)部的數(shù)字濾波器。

7.4 直接流數(shù)字（DSD）格式接口和時(shí)序

DSD1791支持DSD格式接口操作，包括使用內(nèi)部模擬FIR濾波器進(jìn)行帶外噪聲濾波。DSD格式接口由3線同步串行端口組成，包括DBCK、DSDL和DSDR。在DSD模式下，PLRCK和PBCK應(yīng)連接到GND，通過設(shè)置控制寄存器20的DSD位激活DSD模式。

7.5 TDMCA接口

芯片支持時(shí)分復(fù)用命令和音頻（TDMCA）數(shù)據(jù)格式，可通過單個(gè)串行接口實(shí)現(xiàn)對(duì)多個(gè)外部設(shè)備的控制和通信。

八、功能描述

8.1 零檢測(cè)

DSD1791具有零檢測(cè)功能，當(dāng)檢測(cè)到特定的零條件時(shí)，會(huì)將ZEROL和ZEROR引腳設(shè)置為高電平。不同模式下的零檢測(cè)條件不同，如PCM模式下要求DATA連續(xù)1024個(gè)LRCK為低電平，DSD模式下有兩種檢測(cè)條件。

8.2 串行控制接口（SPI）

串行控制接口是一個(gè)3線同步串行端口，與串行音頻接口和系統(tǒng)時(shí)鐘異步操作，用于對(duì)片上模式寄存器進(jìn)行編程和讀取?？刂平涌诎∕DI、MC和MS，通過16位數(shù)據(jù)字進(jìn)行讀寫操作，最高有效位為讀寫位（R/$overline{W}$），中間7位為寄存器索引，最低有效8位為要寫入或讀取的數(shù)據(jù)。

九、總結(jié)

DSD1791作為一款高性能的24位音頻數(shù)模轉(zhuǎn)換器，憑借其卓越的音頻性能、靈活的數(shù)字濾波、多格式支持以及豐富的功能特性，在音頻領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。無論是家庭影院、汽車音響還是專業(yè)音頻錄制設(shè)備，DSD1791都能為用戶帶來高品質(zhì)的音頻體驗(yàn)。電子工程師在設(shè)計(jì)音頻系統(tǒng)時(shí)，可以充分考慮DSD1791的優(yōu)勢(shì)，結(jié)合實(shí)際需求進(jìn)行合理應(yīng)用。你在使用類似音頻數(shù)模轉(zhuǎn)換器時(shí)遇到過哪些問題呢？歡迎在評(píng)論區(qū)分享你的經(jīng)驗(yàn)和見解。