探索PCM1680：24位音频数模转换器的卓越性能与应用

在音频设备的设计领域，数模转换器（DAC）的性能直接影响着音频的质量。今天，我们将深入探讨德州仪器（TI）推出的PCM1680，这是一款24位、192kHz采样的增强型多级Δ-Σ音频数模转换器，它在音频处理方面展现出了卓越的性能。

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一、PCM1680的特性亮点

1. 高精度与高性能

PCM1680具备24位的分辨率，为音频信号的转换提供了高精度的保障。其模拟性能表现出色，动态范围典型值达到105dB，信噪比（SNR）同样为105dB，总谐波失真加噪声（THD+N）典型值仅为0.002%，满量程输出典型值为3.9VPP。这些参数确保了音频信号在转换过程中的高质量还原。

2. 灵活的采样与滤波

它支持4x/8x过采样插值滤波器，阻带衰减达到 -50dB，通带纹波为 ±0.04dB，能够有效滤除噪声和干扰。采样频率范围为5kHz至200kHz，系统时钟支持128 fS、192 fS、256 fS、384 fS、512 (f_{S}) 、768 fS和1152 fS，并具备自动检测功能。

3. 丰富的用户可编程功能

PCM1680提供了灵活的音频数据格式，支持右对齐、 (I^{2} S^{TM}) 和左对齐等多种格式，以及16位、18位、20位和24位的音频数据。同时，它还具备数字衰减功能，可选择不同的衰减模式，如0dB至 -63dB（0.5dB/步）和0dB至 -100dB（1dB/步），还有软静音、数字去加重和数字滤波器滚降（锐或慢）等功能。

4. 单电源操作与兼容性

该转换器采用单电源操作，模拟和数字电源均为5V，封装为SSOP - 28（150mil），并且与PCM1780引脚兼容，方便工程师进行升级和替换。

二、应用领域广泛

PCM1680的高性能使其在多个音频应用领域得到广泛应用，包括集成A/V接收器、DVD电影和音频播放器、HDTV接收器、汽车音频系统、高端PC的DVD附加卡、数字音频工作站以及其他多声道音频系统等。

三、技术细节剖析

1. 绝对最大额定值与推荐工作条件

在使用PCM1680时，需要注意其绝对最大额定值，如电源电压范围为 -0.3至6.5V，输入电压和电流也有相应的限制。推荐工作条件下，模拟和数字电源电压为4.75至5.25V，数字输入逻辑家族为TTL，采样时钟频率和系统时钟频率也有明确的范围。

2. 电气特性

在 (T{A}=+25^{circ} C) 、 (V{C C}=V{D D}=5 ~V) 、 (f{S}=48 kHz) 、系统时钟 = 512 (f_{S}) 和24位数据的条件下，PCM1680的各项电气特性表现良好。例如，其分辨率为24位，音频数据接口格式多样，动态性能方面，THD+N在不同采样频率下有不同的表现，动态范围和信噪比也能满足高质量音频的需求。

3. 终端功能

PCM1680的各个引脚都有明确的功能，如AGND1和AGND2为模拟地，BCK为串行音频数据的移位时钟输入，DATA1 - DATA4为串行音频数据输入等。这些引脚的合理使用是实现音频转换功能的关键。

4. 系统时钟输入

PCM1680需要一个系统时钟来操作数字插值滤波器和多级ΔΣ调制器，系统时钟通过SCK（引脚5）输入。不同的采样频率对应着不同的系统时钟频率，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TI的PLL170x多时钟发生器。

5. 上电复位功能

该转换器具备上电复位功能，当系统时钟激活且 (V{CC}>3 ~V) （典型值为2.2V至3.7V）时，上电复位功能启用。初始化序列需要3072个系统时钟，复位期间模拟输出被强制为公共电压（ (V{COM}) ），复位完成后，内部寄存器在 (1 / f_{S}) 周期内初始化，PCM1680开始提供与输入数据对应的模拟输出。

6. 音频串行接口

PCM1680的音频串行接口由6线同步串行端口组成，包括LRCK、BCK和DATA1 - DATA4。BCK用于时钟串行数据，LRCK用于锁存串行数据，两者都必须与系统时钟同步，理想情况下应从系统时钟输入SCK派生。

7. 音频数据格式与定时

PCM1680支持行业标准的音频数据格式，如右对齐、 (I^{2} S^{TM}) 和左对齐，数据格式通过控制寄存器9中的格式位FMT[2:0]选择。默认数据格式为24位左对齐，所有格式都要求二进制补码、MSB优先的音频数据。

8. 过采样率控制

PCM1680根据系统时钟频率自动控制Δ - Σ DAC的过采样率，不同的系统时钟频率对应不同的过采样率，如1152 - (f{S}) 、768 - (f{S}) 或512 - (f{S}) 系统时钟对应64x过采样，384 - (f{S}) 或256 - (f{S}) 系统时钟对应32x过采样，192 - (f{S}) 或128 - (f_{S}) 系统时钟对应16x过采样。

9. 零标志

PCM1680有两个零标志引脚ZERO1（引脚1）和ZERO2（引脚28），通过控制寄存器13中的零标志组合位AZRO[1:0]选择零标志组合。当指定通道的输入数据在1024个采样周期内保持逻辑0电平时，ZERO1和ZERO2置为逻辑1，否则置为逻辑0。

10. 模式控制

PCM1680的许多可编程功能可以通过SPI或I2C接口进行软件控制，通过MSEL（引脚14）选择接口模式。SPI控制接口是一个3线同步串行端口，用于对片上模式寄存器进行编程。

四、总结与思考

PCM1680以其高精度、高性能和丰富的功能，为音频设备的设计提供了一个优秀的解决方案。在实际应用中，工程师需要根据具体的需求和设计要求，合理选择系统时钟频率、音频数据格式和过采样率等参数，以充分发挥PCM1680的性能。同时，在使用过程中要注意各个引脚的功能和电气特性，确保设备的正常运行。

你在设计音频设备时，是否会考虑使用PCM1680呢？你认为它在哪些方面还可以进一步优化？欢迎在评论区分享你的看法。