探索PCM1840：高性能音频ADC的卓越之选

在音频处理领域，一款高性能的音频模拟 - 数字转换器（ADC）对于实现高质量的音频采集和处理至关重要。今天，我们就来深入了解一下德州仪器（Texas Instruments）推出的PCM1840，这是一款四通道、32位、192kHz的高性能音频ADC，它在多方面展现出了卓越的性能，为音频系统设计带来了新的可能。

文件下载：pcm1840.pdf

一、PCM1840的关键特性

1. 多通道高性能设计

PCM1840支持多达四个模拟通道的同时采样，可处理来自模拟麦克风或线路输入的信号，满量程信号为2 - V RMS。这使得它非常适合需要多通道音频采集的应用，如智能音箱、视频会议系统等。

2. 出色的ADC性能

其动态范围表现优异，开启动态范围增强器（DRE）时可达123 - dB，关闭时为113 - dB，总谐波失真加噪声（THD + N）低至 - 98 dB。此外，它支持8 kHz至192 kHz的采样率，能够满足不同应用场景对音频质量的要求。

3. 灵活的音频接口

该器件支持时分复用（TDM）、I2S或左对齐（LJ）音频格式，可通过硬件引脚电平进行选择。同时，它还支持音频总线接口的主模式和从模式选择，为系统设计提供了更大的灵活性。

4. 集成多种功能

PCM1840集成了麦克风偏置电压、锁相环（PLL）、直流去除高通滤波器（HPF）等功能，并且可以通过单电源3.3 V供电，降低了系统的复杂度和成本。

二、PCM1840的应用场景

1. 智能音箱

在智能音箱中，PCM1840的多通道采集能力和高动态范围可以确保准确地捕捉用户的语音指令，即使在嘈杂的环境中也能实现清晰的语音识别。

2. 音视频设备

如DVD记录器和播放器、AV接收器等，PCM1840能够提供高质量的音频转换，提升音视频播放的效果。

3. 视频会议系统

在视频会议中，它可以同时采集多个麦克风的音频信号，保证会议语音的清晰和流畅。

4. IP网络摄像机

对于IP网络摄像机，PCM1840可以实现音频的同步采集，为监控场景提供更全面的信息。

三、PCM1840的详细技术解析

1. 硬件控制

PCM1840通过简单的硬件引脚控制来选择特定的操作模式和音频接口。MSZ、MD0、MD1、FMT0和FMT1引脚可以通过上拉或下拉电阻以及数字设备的GPIO进行控制，方便工程师根据实际需求进行配置。

2. 音频串行接口

TDM接口

在TDM模式下，FSYNC的上升沿启动数据传输，数据按顺序依次发送。为了保证音频总线的正常运行，每帧的位时钟数必须大于或等于有效输出通道数乘以输出通道数据的32位字长。

I2S接口

标准的I2S协议定义了左右两个通道，数据在BCLK的下降沿传输。同样，每帧的位时钟数和FSYNC脉冲宽度需要满足一定的要求。

LJ接口

LJ协议也适用于左右两个通道，数据在FSYNC的上升沿或下降沿开始传输，并且对每帧的位时钟数和FSYNC脉冲宽度有相应的要求。

3. 锁相环（PLL）和时钟生成

PCM1840使用集成的低抖动PLL来生成内部时钟。在从模式下，它可以根据不同的输出数据采样率和BCLK与FSYNC的比率自动配置时钟分频器；在主模式下，它使用MD1引脚作为参考输入时钟源，支持256 × fS或512 × fS的系统时钟频率。

4. 输入通道配置

该器件有四对模拟输入引脚（INxP和INxM），可用于同时记录多达四个通道的音频信号。输入信号需要进行交流耦合，并且为了获得最佳的失真性能，建议使用低电压系数的电容。

5. 参考电压和麦克风偏置

PCM1840内部生成低噪声的参考电压，通过VREF引脚输出，需要使用至少1 - µF的电容进行外部滤波。同时，它集成了低噪声的麦克风偏置引脚，输出电压为2.75 V，可用于为麦克风提供偏置。

6. 信号链处理

前端DRE增益放大器

前端的DRE增益放大器具有极低的噪声和123 - dB的动态范围，与低噪声、低失真的多位ΔΣ ADC配合使用，能够实现高保真的音频录制。

数字高通滤波器（HPF）

为了去除记录数据中的直流偏移和低频噪声，PCM1840支持固定的HPF，其 - 3 - dB截止频率为0.00025 × fS。

可配置数字抽取滤波器

在从模式下，用户可以通过MD0引脚选择线性相位滤波器或低延迟滤波器，以满足不同应用对频率响应、群延迟和相位线性度的要求。

7. 动态范围增强器（DRE）

DRE是一种数字辅助算法，可自动调整内部放大器的增益，从而提高整个通道的性能。它可以在非常安静的环境中实现远场高保真音频录制，在嘈杂环境中实现低失真录制。但需要注意的是，DRE仅在从模式下可用，并且会增加设备的功耗，对于输出采样率大于48 kHz的情况不支持。

四、PCM1840的应用与实现

1. 典型应用示例

以使用四个模拟MEMS麦克风进行同时录制的应用为例，PCM1840可以通过TDM音频数据从接口实现音频数据的无缝传输。在设计过程中，需要注意输入交流耦合电容的选择，以获得最佳的失真性能。

2. 设计步骤

上电

先给IOVDD和AVDD电源供电，同时将SHDNZ引脚电压保持为低，使设备进入硬件关机模式。

进入活动模式

将MSZ、FMT0和FMT1引脚电压设置为低，配置设备为4通道TDM从模式。当IOVDD和AVDD电源稳定后，释放SHDNZ引脚，并提供所需的FSYNC和BCLK信号。此时，设备开始将录制的数据通过TDM音频串行数据总线发送到主机处理器。

进入硬件关机模式

在任何时候，将SHDNZ引脚置低即可使设备进入硬件关机模式；再次需要使用时，按照上述步骤重新进入活动模式。

五、电源供应和布局建议

1. 电源供应

IOVDD和AVDD电源的上电顺序可以任意，但在IOVDD电源电压稳定到支持的工作电压范围之前，应将SHDNZ引脚保持为低。所有电源稳定后，将SHDNZ引脚置高以初始化设备。同时，要确保电源的斜坡速率小于1 V/µs，并且电源关闭和开启事件之间的等待时间至少为100 ms。

2. 布局指南

散热

将散热垫连接到地面，并使用过孔图案将其与接地平面连接，以帮助设备散热。

电容放置

电源的去耦电容应靠近设备引脚放置，VREF引脚的滤波电容也应靠近该引脚，以获得最佳性能。

信号布线

模拟差分音频信号应在PCB上进行差分布线，以提高抗噪能力。避免数字和模拟信号交叉，防止串扰。

麦克风偏置

直接连接MICBIAS引脚，避免在为多个麦克风布线偏置或电源走线时出现公共阻抗，以减少麦克风之间的耦合。

六、总结

PCM1840凭借其多通道高性能、灵活的音频接口、集成多种功能等特点，成为了音频系统设计中一款非常有竞争力的ADC产品。无论是在消费电子、专业音频还是工业应用领域，它都能够为工程师提供高质量的音频采集解决方案。在实际应用中，工程师需要根据具体的需求和场景，合理配置PCM1840的各项参数，并遵循电源供应和布局建议，以充分发挥其性能优势。你在使用类似的音频ADC时遇到过哪些问题呢？欢迎在评论区分享你的经验和见解。