PCM186x音频ADC：高效音频转换的理想之选

在音频技术领域，音频模拟 - 数字转换器（ADC）是至关重要的组件，它直接影响着音频信号的转换质量和系统的整体性能。德州仪器（Texas Instruments）推出的PCM186x系列音频ADC，以其丰富的功能和出色的性能，为音频设计带来了新的解决方案。本文将深入探讨PCM186x系列的特点、应用、详细功能及重要参数，为电子工程师在音频设计方面提供有价值的参考。

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1. 产品概述

PCM186x系列包含PCM1860、PCM1861、PCM1862、PCM1863、PCM1864和PCM1865等型号，是一系列高性能的4通道或2通道、192kHz音频ADC。该系列产品采用了新的音频功能集成方法，既能满足欧洲生态设计法规的要求，又能以较低成本实现高性能的终端产品。其支持3.3V单电源供电，在小封装中集成了可编程增益放大器（PGA），为实现更小、更智能的产品提供了可能。

2. 显著特性

2.1 高信噪比（SNR）性能

不同型号的PCM186x具有不同的SNR值。例如，PCM1861/63/65的SNR可达110dB，而PCM1860/62/64的SNR为103dB。高SNR意味着能够更好地还原音频信号，减少噪声干扰，为音频质量提供了有力保障。

2.2 灵活的采样率和通道配置

ADC采样率范围为8kHz至192kHz，为不同的音频应用提供了广泛的选择。同时，该系列产品最多可提供四个独立的ADC通道，支持单端2.1-V RMS满量程（FS）输入和差分4.2-V RMS FS输入，能够适应各种不同的输入信号类型。

2.3 多样的控制方式

• 硬件（HW）控制：PCM1860和PCM1861采用硬件控制方式，通过引脚配置实现特定功能。
• 软件（SW）控制：PCM1862/63/64/65支持软件控制，可通过I²C或SPI接口进行配置，方便工程师根据具体需求进行灵活设置。此外，软件控制的设备还支持最多四个数字麦克风，进一步拓展了产品的应用范围。

2.4 可编程增益放大器（PGA）

• 固定增益：PCM1860/61具有固定的增益选项，如0dB、12dB和32dB，适用于对增益要求较为固定的应用场景。
• 软件控制增益：PCM1862/63/64/65的PGA增益可通过软件控制，范围为 - 12dB至 + 32dB，为工程师提供了更精细的增益调节能力。

2.5 低功耗设计

在3.3V电源供电下，不同型号的功耗有所差异。PCM1860/61/62/63的功耗小于85mW，PCM1864/65的功耗小于145mW。此外，产品还集成了能量感知音频内容检测器，可实现自动系统唤醒和睡眠功能，进一步降低功耗。

2.6 集成高性能音频PLL

PCM186x集成了高性能音频PLL，能够稳定地生成内部时钟，为系统提供稳定的时钟信号，确保音频处理的准确性和稳定性。

3. 应用领域

3.1 家庭影院和电视

在家庭影院和电视系统中，PCM186x的高SNR性能和多通道配置能够提供清晰、逼真的音频效果。其灵活的输入配置和可编程增益放大器可以适应不同的音频源和系统需求，为用户带来高品质的音频体验。

3.2 语音控制设备

随着语音控制技术的发展，对音频输入的准确性和灵敏度要求越来越高。PCM186x的高性能ADC和数字麦克风支持功能，能够准确地捕捉语音信号，为语音控制设备提供可靠的音频前端解决方案。

3.3 蓝牙扬声器

在蓝牙扬声器的设计中，PCM186x的低功耗设计和良好的音频处理能力，能够延长电池续航时间，同时保证音频的高质量输出。

3.4 麦克风阵列处理器

对于麦克风阵列处理器，PCM186x的多通道配置和高精度ADC能够有效地处理多个麦克风输入的音频信号，实现更精准的音频采集和处理。

4. 详细功能解析

4.1 模拟前端

PCM186x的模拟前端具有高度的灵活性，能够接受单端或差分输入。在单端模式下，支持最高2.1VRMS的输入；在差分模式下，支持最高4.2VRMS的输入。MIX和MUX电路允许在单端和差分模式下对模拟输入进行混合和多路复用，为音频信号的处理提供了更多的可能性。不过需要注意的是，在模拟输入上需要使用直流阻断电容器，以确保正确的直流偏置条件。

4.2 麦克风支持

该系列产品支持模拟和数字麦克风。对于模拟麦克风，需要提供2.6V的麦克风偏置电压。数字麦克风输入使用GPIO引脚，2通道的PCM186x可支持两个数字麦克风，4通道的型号则可支持最多四个数字麦克风。不同型号的数字麦克风模式增益有所不同，如PCM1862和PCM1863的数字麦克风模式增益可达18dB（仅混音器），而PCM1864和PCM1865可提供高达30dB的增益（混音器提供18dB，数字PGA提供12dB）。

4.3 输入多路复用器和混音器

• 硬件控制设备（PCM1860和PCM1861）：通过MD2、MD5和MD6配置引脚，可支持较宽的增益范围，满足不同的应用需求。
• 软件控制设备（PCM1862/63/64/65）：提供了更高级的混音和多路复用功能。可通过寄存器选择不同的输入组合，实现单端和差分输入的混合，还能对输入的极性进行反转，为音频设计带来了更多的灵活性。

4.4 可编程增益放大器（PGA）

PCM186x的PGA采用了两级增益调节方式，粗调在模拟域进行，微调在数字域进行。增益范围为 - 12dB至 + 32dB，其中 - 12dB至 + 12dB的模拟增益以1dB为步长，数字PGA的增益精度可达0.5dB。该系列产品还具备自动增益映射功能，可根据目标增益自动分配模拟和数字增益，简化了增益设置过程。但需要注意的是，更改PGA增益时需要确保片上DSP处于时钟运行状态。

4.5 自动削波抑制

软件控制的PCM186x设备具备自动削波抑制功能。当ADC检测到信号削波时，会自动以0.5dB的步长降低增益，同时生成内部中断。用户可以通过配置相关寄存器，设置自动增益控制的参数，如开始衰减的采样次数、最大衰减值等，以确保系统在不同的音频输入情况下都能稳定运行。

4.6 零交叉检测

PCM186x使用零交叉检测器来改变增益，仅在输入信号过零点时进行增益调整，从而有效减少了拉链噪声。该过程由系统自动完成，无需用户干预，但需要确保DSP处于运行状态。

4.7 数字输入

• 立体声PCM源：PCM186x可支持在GPIO引脚上接收立体声PCM数据，实现与无线模块等I²S源的数据混合。输入数据的时钟速率必须与主时钟同步，并且可以通过寄存器单独配置音频格式。
• 数字PDM麦克风：PCM1864和PCM1865最多可支持四个数字PDM麦克风，PCM1862和PCM1863支持两个数字麦克风。这些麦克风的时钟频率与工作采样频率相关，需要根据具体需求进行配置。

4.8 时钟系统

PCM186x的时钟架构非常灵活，可作为时钟主设备或从设备。它可以从外部晶体或CMOS电平时钟获取主时钟，并且集成了PLL，能够从1MHz至50MHz的任何时钟源生成音频速率时钟。不同型号在时钟配置和选择上有所不同，硬件控制设备（PCM1860和PCM1861）通过引脚配置时钟模式和速率，软件控制设备则可通过寄存器进行更详细的配置。

4.9 模数转换器（ADCs）

• 主音频ADC：不同型号的主音频ADC的SNR有所差异，PCM1860/62/64为103dB，PCM1861/63/65为110dB，带宽为40kHz，与专用的PGAs和输入多路复用器紧密耦合，确保了音频信号的高质量转换。
• 辅助ADC：主要用于信号电平检测或直流电平变化检测，具有低功耗的特点。在睡眠模式下，可用于唤醒系统；在控制感测模式下，可测量系统中的直流电压，如电池电压和控制电位器的电压。

4.10 能量感知功能

能量感知功能是PCM186x的一大特色，旨在帮助终端设备系统实现自动睡眠和唤醒，以满足欧洲生态设计法规对低待机功耗的要求。该功能分为信号丢失标志和信号恢复标志两部分，可通过寄存器设置相关阈值和时间参数，当检测到音频信号的变化时，会触发中断通知微控制器，实现系统状态的切换。

4.11 音频处理

DSP1和DSP2是固定功能的处理器，用于执行滤波、混音、信号检测等功能。通过寄存器间接编程这些DSP的系数，可实现对音频信号的精细处理，如数字抽取滤波器的选择、数字PGA的增益控制、数字混音等功能。

4.12 淡入淡出功能

PCM186x具有淡入淡出功能，可避免设备在电源开关、静音或取消静音时产生噗声。该功能基于零交叉检测，根据音频输入频率的不同，淡入淡出所需的时间也会有所变化。如果在一定时间内未检测到零交叉点，系统会强制进行淡入淡出操作。

4.13 可映射GPIO引脚

软件控制的PCM186x设备的所有GPIO引脚都可进行灵活配置，可设置为不同的功能，如输入、输出、带有触发检测的输入等。还可以对引脚的极性进行反转，方便与后续电路进行连接和控制。

4.14 中断控制器

硬件控制的PCM1860和PCM1861只有能量感知信号检测作为默认的中断输出，而软件控制的设备则具有多个可映射到中断输出的信号源，包括能量感知、辅助ADC控制感测中断、PGA削波后检测、DIN触发等。通过配置相关寄存器，可以实现对中断源的过滤、标志的监测和清除，以及中断信号的极性和脉冲宽度的调整。

4.15 音频格式选择和时序细节

• 音频格式选择：硬件控制的PCM1860和PCM1861通过硬件引脚配置音频格式，有左对齐数据（LJ）和I²S两种选择。软件控制的设备则可通过寄存器进行更丰富的音频格式选择，支持右对齐（RJ）和时分复用（TDM）数据格式。
• 串行音频接口时序：不同的音频格式对应着不同的时序要求，在设计时需要根据具体的格式和工作模式进行正确的配置，以确保音频数据的正确传输。

4.16 设备功能模式

PCM186x具有多种功率模式，包括活动模式、睡眠模式、空闲模式和待机模式。不同模式下，设备的功能和功耗有所不同，用户可以根据实际需求选择合适的模式。例如，在睡眠模式下，主ADC停止工作，但设备仍继续进行能量感知输入电平检测，以实现低功耗运行。

4.17 编程

• 硬件控制配置：硬件控制的PCM186x设备需要在启动时配置一些基本功能，如控制接口类型、时钟模式和速率、音频数据格式、数字滤波器选择和模拟输入通道及PGA增益等。
• 软件控制配置：软件控制的设备通过I²C或SPI接口进行配置和控制。可通过MD0和MD1引脚选择控制协议，不同的引脚状态对应不同的控制模式。同时，还介绍了SPI和I²C接口的具体操作方法和数据格式。

5. 应用与实现

5.1 应用信息

在实际应用中，需要根据具体的设计需求选择合适的设备控制方法、电源供应选项、主时钟源和模拟输入配置。例如，对于需要灵活配置的应用，可选择软件控制的设备；对于对功耗要求较高的应用，可选择合适的电源供应模式。

5.2 典型应用

• 立体声录制应用（硬件控制设备）：以PCM1860和PCM1861为例，在主模式下的立体声录制应用中，通过硬件GPIO引脚进行设备控制，采用XTAL作为主时钟源，使用单端模拟输入。详细的设计步骤包括选择合适的XTAL电容器、配置MD2、MD5、MD6引脚和MD0、MD1引脚等。
• 立体声录制应用（软件控制设备）：PCM1862/63/64/65在从PLL模式下的立体声录制应用中，采用I²C进行软件控制，作为时钟从设备，使用单端模拟输入。设计时需要将MD0拉至GND以配置I²C，并设置I²C地址，同时确保BCK的配置满足自动PLL设置的要求。

6. 电源供应建议

6.1 电源分布和要求

PCM186x使用AVDD、DVDD和IOVDD三个内部电源轨，分别为模拟电路、数字时钟电路和输入/输出数字电路供电。内部集成了LDO，可将外部3.3V转换为数字核心所需的1.8V电压。在设计电源供应时，需要注意各个引脚的功能和要求，合理配置电源和旁路电容，以确保设备的稳定运行。

6.2 1.8V支持

所有PCM186x设备都支持与1.8V I/O的外部设备进行接口，通过将IOVDD和LDO驱动为1.8V即可实现该功能。

6.3 电源上电顺序

电源上电顺序包括电源复位、等待模拟电压参考稳定、配置时钟和音频ADC内容淡入等步骤。在实际应用中，需要严格按照这个顺序进行操作，以确保设备正常启动。

6.4 最低功耗模式

为了实现最低的功耗和睡眠电流，软件控制的PCM186x设备提供了不同的推荐写序列。在待机模式、睡眠模式或能量感知模式下，可以根据具体需求选择合适的配置，以降低功耗。

7. 布局建议

7.1 布局准则

在设计印刷电路板（PCB）时，应遵循最佳设计实践，将模拟和数字部分分开布局，避免数字噪声对模拟信号的干扰。将去耦电容尽可能靠近电源引脚，并确保它们与设备在同一层，以获得最佳的滤波效果。同时，在输入走线之间放置接地层，以降低串扰。

7.2 接地和系统分区

建议使用同一平面作为模拟和数字接地，以避免潜在的电压差异。PCM186x的引脚布局将模拟和数字部分分开，在设计时应确保数字信号的回流电流远离AGND引脚和输入信号，以提高系统的性能。

8. 寄存器映射

PCM186x的寄存器映射是配置软件控制设备的主要方式，分为四个页面：0、1、3和253。每个页面包含不同的寄存器，用于配置设备的各种功能，如PGA增益、音频格式、时钟配置、中断控制等。在使用时，需要根据具体的需求正确配置这些寄存器，以实现设备的预期功能。

总结

PCM186x系列音频ADC以其高信噪比、灵活的配置选项、低功耗设计和丰富的功能，为音频设计工程师提供了一个强大的工具。无论是家庭影院、语音控制设备还是蓝牙扬声器等应用领域，PCM186x都能满足不同的音频处理需求。在实际应用中，工程师需要根据具体的设计要求，合理选择设备型号、配置寄存器和进行PCB布局，以充分发挥PCM186x的性能优势，实现高质量的音频转换和处理系统。你在使用PCM186x过程中遇到过哪些有趣的问题或挑战呢？欢迎在评论区分享你的经验和见解。