DSD1793：24位、192kHz采样音频立体声数模转换器的深度解析

在音频处理领域，数模转换器（DAC）的性能对音频质量起着至关重要的作用。今天我们要深入探讨的是德州仪器（Texas Instruments）的DSD1793，一款24位、192kHz采样的先进分段音频立体声数模转换器。

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一、DSD1793的核心特性

1. 数据格式支持

DSD1793支持DSD和PCM两种格式，这使得它在兼容性上表现出色。它能够接受16 - 24位的音频数据，PCM数据格式涵盖标准、I2S和左对齐格式，同时还提供DSD格式接口，为不同的音频应用场景提供了丰富的选择。

2. 卓越的模拟性能

• 动态范围：高达113dB，能够清晰地还原音频信号中的细微变化，让听众感受到更加丰富的音频细节。
• THD + N：低至0.001%，有效减少了谐波失真和噪声，保证了音频的纯净度。
• 满量程输出：在后置放大器处可达2.1V rms，提供了足够的信号强度。
• 差分电压输出：满量程时为3.2V p - p，能够满足不同音频系统的需求。

3. 强大的数字滤波器

采用8倍过采样数字滤波器，具有出色的阻带衰减（ - 82dB）和极小的通带波纹（±0.002dB），能够有效滤除噪声，提高音频的质量。

4. 灵活的时钟和采样频率

采样频率范围为10kHz至200kHz，系统时钟支持128、192、256、384、512或768 fs，并具备自动检测功能，方便与不同的音频系统进行匹配。

5. 用户可编程功能

通过I2C兼容的串行端口，用户可以对数字衰减（0dB至 - 120dB，0.5dB/步）、数字去加重、数字滤波器滚降（尖锐或缓慢）、软静音等功能进行编程控制，满足个性化的音频处理需求。

二、电气特性分析

1. 绝对最大额定值

在使用DSD1793时，需要注意其绝对最大额定值，如电源电压（VCCF、VCCL、VCCC、VCCR为 - 0.3V至6.5V，VDD为 - 0.3V至4V）、数字输入电压等参数。超出这些额定值可能会导致器件永久性损坏，因此在设计电路时必须严格遵守。

2. 电气性能参数

• 数字输入/输出：逻辑电平与TTL兼容，输入输出电压和电流都有明确的规定，确保了与其他数字电路的良好兼容性。
• 动态性能：在PCM和DSD模式下，DSD1793都表现出了优秀的动态性能，如不同采样频率下的THD + N、动态范围、信噪比和声道分离度等指标都非常出色。
• 模拟输出：增益误差、增益失配、双极性零误差等参数都在合理范围内，差分输出电压和双极性零电压也有明确的定义，为音频系统的设计提供了可靠的依据。

3. 电源要求

DSD1793采用双电源供电，5V模拟电源和3.3V数字电源，不同采样频率下的电源电流也有所不同。在设计电源电路时，需要根据实际的采样频率来选择合适的电源，以确保器件的正常工作。

三、功能模块详解

1. 系统时钟和复位功能

• 系统时钟输入：DSD1793需要一个系统时钟来驱动数字插值滤波器和先进分段DAC调制器，系统时钟通过SCK输入（引脚5），并具备自动检测功能。常见音频采样率对应的系统时钟频率在文档中有详细的表格列出，方便工程师进行设计。
• 电源复位功能：当VDD > 2V时，电源复位功能启用，初始化序列需要1024个系统时钟。复位后，DSD1793将设置为默认复位状态。

2. 音频数据接口

• 音频串行接口：采用3线串行端口（PLRCK、PBCK和PDATA），PBCK作为串行音频位时钟，PLRCK作为串行音频左右字时钟。DSD1793要求PLRCK和系统时钟同步，但不要求特定的相位关系。
• PCM音频数据格式和时序：支持多种PCM音频数据格式，通过控制寄存器18中的格式位进行选择，默认数据格式为24位I2S。所有格式都要求二进制补码、MSB优先的音频数据。
• 外部数字滤波器接口和时序：支持与外部数字滤波器（如DF1704、DF1706、PMD200等）的接口，通过控制寄存器20中的DFTH位进行选择。在外部DF模式下，部分引脚的功能会发生变化。
• DSD格式接口和时序：支持DSD格式接口操作，通过控制寄存器20中的DSD位进行激活。DSD格式接口采用3线同步串行端口（DBCK、DSDL和DSDR），在DSD模式下，PLRCK和PBCK必须连接到GND。

3. 功能描述

• 零检测功能：当DSD1793检测到特定的零条件时，会将ZEROL和ZEROR引脚设置为高电平，方便工程师进行音频信号的监测。
• 串行控制接口（I2C）：作为从设备支持I2C串行总线和标准及快速模式的数据传输协议，具有7位从地址，最多可以在同一总线上连接四个DSD1793。
• 噪声抑制：采用系统时钟（SCK）进行噪声抑制，但在某些特定条件下可能会出现误判，如SCK周期过长、噪声尖峰出现在特定位置等情况。

4. 模式控制寄存器

DSD1793包含多个用户可编程的模式控制寄存器，通过串行控制接口进行编程。这些寄存器可以控制数字衰减、输入音频数据格式、采样率选择、去加重控制、软静音控制等功能，为工程师提供了丰富的音频处理选项。

四、应用电路设计

1. 模拟输出

• 输出电平与LPF：DAC差分电压输出在0dB（满量程）时为3.2V p - p，LPF的电压输出可以通过公式 (V{OUT }=3.2 V p - p timesleft(R{f} / R{i}right)) 进行计算，其中 (R{f}) 为LPF中的反馈电阻， (R_{i}) 为输入电阻。
• 运算放大器选择：推荐使用OPA2134或5532类型的运算放大器，以获得指定的音频性能。运算放大器的动态性能（如增益带宽、建立时间和压摆率）对LPF部分的音频动态性能起着关键作用。

2. 外部数字滤波器接口应用

在某些应用中，使用外部数字滤波器可以提供更好的阻带衰减。DSD1793支持与多种外部数字滤波器的接口，通过编程控制寄存器20中的DFTH位来选择外部数字滤波器模式。在该模式下，部分引脚的功能会发生变化，需要注意接口的时序和数据格式。

3. DSD格式接口应用

DSD模式用于直接连接DSD解码器，如超级音频CD（SACD）应用。通过编程控制寄存器20中的DSD位来激活DSD模式，该模式提供了低通滤波功能，通过DMF[1:0]选择模拟FIR滤波器的性能。在DSD模式下，需要注意位时钟和系统时钟的要求，以及接口的时序。

五、PCB布局和电路设计注意事项

1. PCB布局

• 分区隔离：推荐使用接地平面，将模拟和数字部分进行隔离，DSD1793的数字I/O引脚应朝向接地平面的分割处，以确保与数字音频接口和控制信号的短而直接的连接。
• 电源分离：数字和模拟部分应使用单独的电源，以防止数字电源上的开关噪声干扰模拟电源，从而影响D/A转换器的动态性能。在使用公共5V电源时，需要在模拟和数字5V电源连接之间放置电感（RF扼流圈、铁氧体磁珠）。

2. 旁路和去耦电容

各种尺寸的去耦电容都可以使用，但应尽量靠近DSD1793的相应引脚，以减少周围电路的噪声拾取。对于较大的值，推荐使用专为高保真音频应用设计的铝电解电容；对于较小的值，可以使用金属膜或单片陶瓷电容。

3. 后置LPF设计

通过合理选择后置LPF电路中的运算放大器和电阻，可以实现DSD1793的出色性能。为了获得0.001% THD + N和113dB信噪比的音频性能，需要考虑运算放大器的THD + N和输入噪声性能。建议使用二阶或三阶后置LPF，其截止频率取决于具体的应用。

六、总结

DSD1793是一款功能强大、性能卓越的音频立体声数模转换器，具有丰富的功能和出色的电气性能。在音频处理、A/V接收器、SACD播放器、DVD播放器等领域都有广泛的应用前景。在设计使用DSD1793的电路时，需要充分了解其各项特性和参数，注意PCB布局和电路设计的细节，以确保器件的性能得到充分发挥。你在使用DSD1793或者其他音频DAC时，遇到过哪些有趣的问题呢？欢迎在评论区分享你的经验。