DSD1608：8通道增强型多格式Delta - Sigma数模转换器的技术剖析与应用指南

引言

在音频处理领域，数模转换器（DAC）的性能对音频质量起着关键作用。Texas Instruments的DSD1608作为一款8通道、增强型多格式的Delta - Sigma数模转换器，支持DSD和PCM两种音频数据格式，为音频系统设计带来了更多的灵活性和高性能表现。本文将详细介绍DSD1608的特性、电气参数、接口功能以及应用信息，帮助电子工程师更好地理解和应用这款产品。

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产品特性概述

多格式支持

DSD1608支持DSD和PCM两种音频数据格式，同时还支持TDMCA格式，能够适应不同的音频系统需求。对于PCM格式，它可以接受16、18、20和24位的音频数据，满足了不同精度的音频处理要求。

出色的模拟性能

在 (V{CC}=5V) 的条件下，DSD1608展现出了优秀的模拟性能。其动态范围典型值达到108dB，信噪比（SNR）典型值也为108dB，总谐波失真加噪声（THD + N）典型值仅为0.0012%，全量程输出典型值为 (4V{pp}) 。这些参数保证了高质量的音频输出。

数字滤波器功能

• PCM格式滤波器：包含8倍过采样数字滤波器，阻带衰减达到 - 60dB，通带波纹为 ± 0.02dB，能够有效滤除不必要的信号，提高音频质量。
• DSD格式滤波器：配备数字DSD滤波器，有三种可选的频率响应曲线，通带在 - 3dB时分别为50kHz、70kHz和60kHz。

灵活的工作模式

• 采样频率：PCM模式下采样频率范围为10kHz至200kHz，DSD模式下为 (64×44.1kHz) 。
• 系统时钟：支持128 (f{S}) 、192 (f{S}) 、256 (f{S}) 、384 (f{S}) 、512 (f{S}) 和768 (f{S}) 多种系统时钟频率。
• 数据格式：PCM模式支持标准、I2S和左对齐三种数据格式，DSD模式支持直接流数字（DSD）格式。

用户可编程功能

通过4线串行控制端口，用户可以对DSD1608进行多种可编程设置，包括数字衰减、数字去加重、数字滤波器滚降（锐或慢）、软静音以及三个零标志等功能。

双电源供电

采用5V模拟电源和3.3V数字电源供电，这种双电源设计有助于降低数字电路对模拟电路的干扰，提高音频性能。

封装形式

DSD1608采用52引脚的TQFP封装，方便进行PCB布局和焊接。

电气特性详解

分辨率和数据格式

• 分辨率：达到24位，能够提供高精度的音频转换。
• PCM模式数据格式：支持标准、I2S和左对齐三种接口格式，音频数据位长可在16、18、20和24位之间选择，数据采用MSB优先、2的补码形式。采样频率范围为10kHz至200kHz，系统时钟频率有多种可选。
• DSD模式数据格式：支持直接流数字（DSD）接口格式，音频数据位长为1位，采样频率为 (64×44.1kHz) ，系统时钟频率也有多种选择。

数字输入/输出特性

• 逻辑电平：输入逻辑电平与TTL兼容，输出逻辑电平满足一定的高低电平要求。
• 输入输出电流：在不同的输入电压条件下，输入输出电流有相应的规定，以保证芯片的正常工作。

动态性能

• PCM模式：在不同的采样频率下，THD + N、动态范围、信噪比和通道分离度等参数表现良好。例如，在 (f_{S}=44.1kHz) 时，THD + N典型值为0.0012%，动态范围和信噪比典型值均为108dB。
• DSD模式：在 (f_{S}=64×44.1kHz) 时，THD + N典型值为0.0012%，动态范围和信噪比典型值也为108dB。

直流精度

包括增益误差、通道间增益失配和双极零误差等参数，保证了音频输出的准确性。

模拟输出特性

输出电压中心电压为 (V{CC}) 的50%，满量程输出为 (V{CC}) 的80%，负载阻抗为4kΩ，能够驱动一定的负载。

数字滤波器性能

• 8倍插值滤波器：有锐滚降和慢滚降两种类型，分别具有不同的通带和阻带特性以及延迟时间。
• 去加重滤波器：在PCM模式下，去加重误差在特定采样频率下为 ± 0.1dB。
• DSD滤波器：三种DSD滤波器在 - 3dB通带和100kHz阻带衰减方面有不同的表现。
• 内部模拟滤波器：在不同频率下有相应的频率响应特性。

电源要求

• 电压范围：VDD电压范围为3V至3.6V，典型值为3.3V；VCC电压范围为4.5V至5.5V，典型值为5V。
• 电源电流和功耗：在不同的采样频率和工作模式下，电源电流和功耗有所不同。

温度范围

工作温度范围为 - 25°C至85°C，热阻为70°C/W。

引脚分配与功能

DSD1608的引脚分配明确，不同的引脚具有不同的功能，包括模拟地（AGND）、数字地（DGND）、音频数据输入输出（DSD、PDATA）、时钟输入（DBCK、DSCK、PBCK、PLRCK、PSCK）、模式控制（MC、MDI、MDO、MS）、复位（RST）、电源（VCC、VDD）和输出（VOUT）等引脚。每个引脚的功能和电气特性在数据手册中有详细说明，工程师在设计电路时需要根据这些信息进行正确的连接。

典型性能曲线分析

数据手册中给出了多种典型性能曲线，包括数字滤波器在PCM模式和DSD模式下的频率响应曲线、去加重曲线、模拟动态性能随电源电压和温度变化的曲线等。这些曲线可以帮助工程师更好地了解DSD1608在不同条件下的性能表现，从而进行合理的电路设计和参数调整。

系统时钟与复位功能

系统时钟输入

DSD1608需要系统时钟来驱动数字插值滤波器、数字DSD滤波器和多级Delta - Sigma调制器。在PCM模式下，系统时钟输入到PSCK引脚；在DSD模式下，根据CKCE位的设置，系统时钟可以输入到DSCK或PSCK引脚。不同的音频采样频率对应着不同的系统时钟频率，工程师需要根据实际需求选择合适的时钟源。为了获得最佳性能，建议使用低相位抖动和噪声的时钟源，如Texas Instruments的PLL1700多时钟发生器。

电源上电和外部复位功能

• 电源上电复位：当 (V_{DD}>2V) 时，电源上电复位功能启用，初始化序列需要1024个系统时钟周期，之后DSD1608进入复位默认状态。
• 外部复位：通过RST引脚可以进行外部复位操作，将RST引脚置为逻辑0至少20ns，然后再置为逻辑1，初始化序列同样需要1024个系统时钟周期。

音频串行接口

PCM模式音频接口

PCM模式下的音频接口是一个3线串行端口，包括PLRCK、PBCK和PDATA1 - PDATA4引脚。PBCK是串行音频位时钟，用于将PDATA上的串行数据时钟输入到音频接口串行移位寄存器；PLRCK是串行音频左右字时钟，用于将串行数据锁存到串行音频接口内部寄存器。PLRCK需要与系统时钟同步，但不需要特定的相位关系。如果PLRCK与系统时钟的关系变化超过 ± 6个PBCK周期，内部操作将在1/ (f{S}) 内初始化，模拟输出将被强制为 (0.5V{CC}) ，直到重新同步完成。

DSD模式音频接口

DSD模式下的音频接口是一个2线串行端口，DBCK是串行音频位时钟，用于将DSD1 - DSD8上的直接流数字音频数据时钟输入到DSD1608。DBCK必须与系统时钟同步，但也不需要特定的相位关系，其工作频率为采样频率 (f{S}) ，DSD模式的 (f{S}) 标称值为 (64×44.1kHz) 。

音频数据格式与时序

PCM模式数据格式

PCM模式支持标准、I2S和左对齐三种音频数据格式，通过控制寄存器10中的FMT[2:0]位进行选择。默认数据格式为24位标准格式，所有格式都要求二进制2的补码、MSB优先的音频数据。数据手册中给出了详细的时序图，工程师在设计时需要根据这些时序要求进行数据传输。

DSD模式数据格式

DSD模式支持DSD音频数据格式，同样有相应的时序要求，确保数据的正确传输。

串行控制接口

串行控制接口是一个4线串行端口，与串行音频接口和系统时钟完全异步工作，用于访问片上模式寄存器。该接口包括MDI、MDO、MC和MS引脚，MDI用于编程模式寄存器，MDO用于读取模式寄存器的值，MC是串行位时钟，MS是控制端口的片选信号。所有的读写操作都使用16位数据字，通过特定的时序进行寄存器的读写操作。

模式控制寄存器

用户可编程模式控制

DSD1608提供了多种用户可编程功能，通过控制寄存器进行设置。这些功能包括数字衰减控制、软静音控制、DAC操作控制、音频数据格式控制、时钟选择控制、衰减率选择、数字滤波器滚降控制、去加重功能控制、过采样率控制、输出相位选择、零标志极性选择、DSD模式控制、系统复位、DSD滤波器选择、零标志状态读取和设备ID设置等。

寄存器映射和定义

数据手册中详细列出了模式控制寄存器的映射和定义，每个寄存器都有特定的功能和位定义。例如，ATxy位用于设置数字衰减电平，MUTx位用于控制软静音功能，DACx位用于控制DAC的操作等。工程师需要根据实际需求对这些寄存器进行正确的设置。

模拟输出与零标志

模拟输出

DSD1608有8个独立的输出通道（ (V{OUT}1) 至 (V{OUT}8) ），为不平衡输出，每个通道典型情况下能够驱动 (4V{pp}) 到10kΩ的交流耦合负载。内部输出放大器偏置到直流共模（或双极零）电压 (V{CC}/2) ，并包含一个RC连续时间滤波器，用于减少由于Delta - Sigma D/A转换器的噪声整形特性在DAC输出端出现的带外噪声能量。但对于许多应用来说，这个滤波器不足以将带外噪声衰减到可接受的水平，因此需要外部低通滤波器来提供足够的带外噪声抑制。

零标志

DSD1608包含用于检测音频数据输入引脚全零数据条件的电路，并通过输出引脚指示检测结果。在PCM模式下，如果某个通道或通道组合的数据在1024个采样周期（或PLRCK时钟周期）内保持为0，则该通道或组合存在零检测条件；在DSD模式下，零检测不可用。零标志引脚（ZERO1、ZERO2和ZERO38）可以用于操作外部静音电路，或作为微控制器、音频信号处理器或其他数字控制电路的状态指示器。零标志输出的有效极性可以通过控制寄存器12中的ZREV位进行反转，复位默认值为高电平有效。

应用信息

连接图与电源处理

数据手册中给出了基本的连接图，包括必要的电源旁路和去耦组件。建议在xSCK、PLRCK、xBCK、PDATAX和DSDx输入引脚使用22Ω至100Ω的串联电阻，这些电阻与PCB杂散电容和器件输入电容形成低通滤波器，可减少高频噪声发射，抑制时钟和数据线上的毛刺和振铃。DSD1608需要5V的模拟电源和3.3V的数字电源，为了获得最佳性能，3.3V数字电源应通过线性稳压器从5V电源派生而来，如Texas Instruments的REG1117 - 3.3。同时，要进行适当的电源旁路，使用10µF的钽或铝电解电容和0.1µF的陶瓷电容（表面贴装应用推荐X7R类型）。

D/A输出滤波器电路

为了达到SACD标准推荐的频率响应，并减少Delta - Sigma调制器产生的带外噪声，DSD1608需要一个三阶或二阶模拟低通滤波器。推荐的外部低通滤波器电路是一个使用Sallen - Key电路结构的三阶Butterworth滤波器，其滤波器响应和截止频率由SACD标准推荐的频率响应决定。该滤波器可用于PCM或DSD模式。

TDMCA格式

• TDMCA模式概述：DSD1608支持时分复用命令和音频数据（TDMCA）格式，以减少主机控制串行接口。该格式不仅适用于TI DSP的McBSP，还适用于任何可编程设备，能够传输音频数据和命令数据。TDMCA帧由命令字段、扩展命令字段和一些音频数据字段组成，音频数据在IN设备（如DAC）和/或OUT设备（如ADC）之间传输。
• TDMCA模式确定：DSD1608通过接收脉冲宽度为两个PBCK时钟的PLRCK来识别TDMCA模式，在连续两个TDMCA帧后进入TDMCA模式。进入该模式后，可在下一个TDMCA帧中发出任何TDMCA命令。如果不需要TDMCA模式操作，PLRCK必须是占空比为50%的方波。
• TDMCA终端信号：TDMCA需要六个信号，其中四个用于命令和音频数据接口，两个用于菊花链。主机接口信号MS、MC和MDO分别变为DCI、DCO和PDO，MDO信号为三态输出，可直接连接到其他PDO终端。
• 设备ID确定：TDMCA模式支持多芯片实现，每个设备通过菊花链获得自己的设备ID。通过将DCO连接到下一个设备的DCI，设备可以自动获取设备ID。实际上有两个完全独立且等效的菊花链，即IN链和OUT链。
• TDMCA帧结构：TDMCA帧通常由命令字段、扩展命令（EMD）字段和音频数据字段组成，所有字段长度为32位，但LS字节无意义，每个字段的MSB首先传输。命令字段总是作为帧的第一个数据包传输，如果命令字段的EMD标志为高，则传输EMD字段，传输EMD数据包后不再传输音频数据。
• TDMCA寄存器要求：TDMCA模式需要设备ID和音频通道信息，寄存器9指示音频通道，寄存器17指示设备ID，寄存器17仅在TDMCA模式下使用。
• TDMCA模式操作：在TDMCA操作中，DCO指定下一个音频通道的所有者，当一个设备获取自己的音频通道数据时，DCO在最后一个音频通道周期内变为高电平。如果某些设备由于缺乏活动音频通道而被跳过，每个跳过的设备必须通知下一个设备，DCO将通过下一个DCI传递。

结语

DSD1608作为一款功能强大的8通道数模转换器，在音频处理领域具有广泛的应用前景。其支持多种音频数据格式、出色的模拟性能、丰富的用户可编程功能以及对TDMCA格式的支持，为电子工程师设计高性能音频系统提供了有力的工具。然而，在实际应用中，工程师需要仔细考虑系统时钟、电源处理、滤波器设计和接口时序等方面的问题，以充分发挥DSD1608的性能优势。通过对本文所介绍内容的深入理解和合理应用，相信工程师们能够设计出更加优秀的音频产品。你在使用DSD1608的过程中遇到过哪些问题呢？或者你对它的哪些特性最感兴趣？欢迎在评论区交流分享。