详解AD1940/AD1941 28位多通道音频处理器

在音频处理领域，AD1940/AD1941这款28位单芯片多通道音频SigmaDSP™处理器凭借其卓越的性能和丰富的功能，成为众多工程师的首选。今天，我们就来深入了解一下这款处理器。

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一、产品概述

AD1940/AD1941是一款专为音频处理优化的28位DSP（56位双精度）处理器，能够实现均衡、多频段动态处理、延迟补偿、扬声器补偿和图像增强等功能。它可以有效弥补扬声器、放大器和聆听环境的现实限制，显著提升音频质量。

二、产品特性

2.1 强大的处理能力

• 16通道数字音频处理：支持高达192 kHz的采样率，满足多种音频应用需求。
• 28位×28位乘法器与56位累加器：采用全56位双精度模式处理，保证了良好的低电平信号性能，避免了极限循环或空闲音调的出现。

2.2 灵活的编程与控制

• 可编程RAM：程序RAM可在开机后加载自定义程序，参数RAM可存储1024个参数，通过控制端口进行更新。
• Safeload功能：可透明更新参数，避免输出信号出现咔嗒声。
• Target/Slew RAM：包含64个位置，可用于通道音量控制或其他参数更新，实现无咔嗒声的音量控制和动态参数更新。

2.3 丰富的数据接口

• 灵活的串行数据端口：支持I2S、左对齐、右对齐和TDM串行端口兼容模式，可与多种ADC、DAC等设备无缝连接。
• 8和16通道TDM输入/输出模式：满足不同音频通道的传输需求。

2.4 其他特性

• PLL时钟生成：可从64 × fs、256 × fs、384 × fs或512 × fs时钟生成MCLK，提供多种时钟选择。
• 低功耗模式：支持可编程低功耗模式，降低功耗。
• 快速启动：开机或复位后启动时间短。
• 48引脚LQFP封装：便于安装和使用。

三、应用领域

AD1940/AD1941广泛应用于各种音频系统，包括汽车音响系统、数字电视、家庭影院系统、多通道音频系统、迷你立体声组件、多媒体音频、数字扬声器分频器、乐器、飞机/客车座椅音响系统等。

四、技术参数

4.1 电气参数

参数	条件	数值
电源电压（VDD）		2.5 V
PLL电压（PLL_VDD）		2.5 V
输出电压（ODVDD）		5.0 V
INVDD电压		5.0 V
环境温度		25°C
主时钟输入	3.072 MHz，64 × fs模式
负载电容		50 pF
负载电流		±1 mA
输入电压，HI		2.4 V
输入电压，LO		0.8 V

4.2 数字I/O参数

参数	注释	最小值	最大值	单位
输入电压，HI（VIH）		2.1		V
输入电压，LO（VIL）			0.8	V
输入泄漏（IIH）			10	μA
输入泄漏（IIL）			10	μA
高电平输出电压（VOH）	ODVDD = 4.5 V，IOH = 1 mA	3.9		V
高电平输出电压（VOH）	ODVDD = 3.0 V，IOH = 1 mA	2.6		V
低电平输出电压（VOL）	ODVDD = 4.5 V，IOL = 1 mA		0.4	V
低电平输出电压（VOL）	ODVDD = 3.0 V，IOL = 1 mA		0.3	V
输入电容			5	pF

4.3 电源参数

参数	最小值	典型值	最大值	单位
电压	2.25	2.5	2.75	V
数字电流		92	155	mA
PLL电流		3.5	8	mA
数字电流，复位		4.5	13	mA
PLL电流，复位		3	8.5	mA
功耗，运行		238.8		mW
功耗，复位		10.8		mW

4.4 数字时序参数

数字时序参数涵盖了主时钟、串行数据端口、复位、SPI端口（AD1940）和I2C端口（AD1941）等方面的时序要求，具体参数可参考文档中的表格。

4.5 其他参数

• PLL锁定时间：典型值为3 ms，最大值为20 ms。
• 稳压器VSENSE输出电压：最小值为2.25 V，典型值为2.5 V，最大值为2.68 V。
• 温度范围：功能保证温度范围为–40°C至+105°C（环境），–40°C至+125°C（外壳）。
• 绝对最大额定值：包括电源电压、PLL电压、输出电压、输入电压、最大结温、存储温度范围和焊接温度等参数，使用时需注意避免超出这些范围。

五、引脚配置与功能

AD1940/AD1941采用48引脚LQFP封装，引脚包括电源引脚、时钟引脚、数据输入/输出引脚、控制引脚等。不同引脚具有不同的功能，例如：

• SDATA_INx：串行数据/TDM输入引脚，可选择不同的串行格式。
• LRCLK_IN和BCLK_IN：用于输入数据的左右时钟和位时钟。
• SDATA_OUTx：串行数据/TDM/数据捕获输出引脚，可输出数字音频信号。
• MCLK：主时钟输入引脚，通过PLL生成DSP核心的内部时钟。
• PLL_CTRL0、PLL_CTRL1、PLL_CTRL2：PLL模式控制引脚。
• CDATA（AD1940）：SPI控制端口的串行数据输入引脚。
• COUT（AD1940）：SPI端口的串行数据输出引脚。
• CCLK（AD1940）：SPI位时钟引脚。
• CLATCH（AD1940）：SPI数据锁存引脚。
• SCL（AD1941）：I2C时钟引脚。
• SDA（AD1941）：I2C串行数据引脚。

六、信号处理

6.1 概述

AD1940/AD1941可提供立体声或多通道播放系统中常用的所有信号处理功能，信号处理流程可通过ADI提供的软件进行图形化设置和实时控制。

6.2 数值格式

采用5.23数值格式，范围为–16.0至(+16.0 − 1 LSB)，输入和输出字长为24位，处理器使用四个额外的余量位，允许内部增益高达24 dB而不发生削波。

6.3 编程

开机时，默认程序将未处理的输入信号传递到输出，但输出默认静音。每个音频样本有1,536个指令周期，内部时钟速率为73.728 MHz（fs = 48 kHz）。可使用ADI提供的图形工具轻松编程，无需编写DSP代码。提供的库中包含多种信号处理块，如单/双精度双二阶滤波器、单声道和多通道动态处理器、混音器和分离器等。

七、控制端口

7.1 概述

AD1940使用4线SPI控制端口，AD1941使用2线I2C总线控制端口。可通过控制端口对所有内存和寄存器进行读写操作，支持单地址模式和突发模式。

7.2 AD1940 SPI端口

SPI端口采用4线接口，包括CLATCH、CCLK、CDATA和COUT信号。CLATCH信号在事务开始时变低，结束时变高；CCLK信号在低到高的转换时锁存CDATA；COUT数据在CCLK的下降沿移出，应在CCLK的上升沿时钟输入到接收设备。

7.3 AD1941 I2C端口

AD1941支持2线串行（I2C兼容）微处理器总线，作为I2C总线上的从设备，有四个可能的从地址。I2C端口使用尖峰滤波器，可通过I2C_FILT_ENB引脚启用或禁用。

八、RAM和寄存器

8.1 控制端口地址

控制端口地址涵盖了参数RAM、程序RAM、Target/Slew RAM、Safeload寄存器、数据捕获寄存器、DSP核心控制寄存器、RAM配置寄存器、串行输出控制寄存器和串行输入控制寄存器等。

8.2 RAM读写模式

不同的RAM具有不同的读写模式，例如参数RAM可直接读写或使用Safeload写入，Target/Slew RAM需通过Safeload寄存器写入。

8.3 参数RAM内容

参数RAM为28位宽，地址范围为0至1023，开机时初始化为全0。可通过直接读写或Safeload写入的方式更新参数。

8.4 推荐的程序/参数加载程序

在直接写入模式下写入大量数据时，应禁用处理器核心以防止音频输出出现杂音。根据程序是否使用Target/Slew RAM作为主系统音量控制，有不同的加载程序。

8.5 Target/Slew RAM

Target/Slew RAM包含64个RAM位置，可设置为四种模式之一从一个值自动斜升至所需的最终值。数据只能通过Safeload寄存器写入，核心控制寄存器中的静音Slew RAM位可同时将所有Slew RAM目标值设置为0。

8.6 Safeload寄存器

Safeload寄存器可用于更新参数RAM或Target/Slew RAM的值，确保在一个音频帧内完成参数更新，避免不稳定。

8.7 数据捕获寄存器

AD1940/AD1941的数据捕获功能可将信号处理流程中任何节点的数据发送到六个控制端口可读寄存器之一或串行输出引脚，用于监控和显示内部信号电平或压缩器/限幅器活动。

8.8 DSP核心控制寄存器

该寄存器控制AD1940/AD1941的DSP核心操作，包括核心关闭、Slew RAM静音、数据传输控制等功能。

8.9 RAM配置寄存器

AD1940/AD1941使用模RAM寻址方案，可通过编程RAM配置寄存器将数据存储器分为模和非模部分。

8.10 控制端口读写数据格式

控制端口的读写格式为字节导向，可方便地编程常见的微控制器芯片。支持单地址写入和突发模式写入。

九、串行数据输入/输出端口

AD1940/AD1941的串行数据输入/输出端口可设置为接受或传输2通道格式或8/16通道TDM流的数据，数据处理采用二进制补码、MSB优先格式。输入控制寄存器可控制时钟极性和数据输入模式，输出控制寄存器可控制时钟极性、频率、类型和数据格式。

十、初始化

10.1 上电序列

AD1940/AD1941具有内置的上电序列，可初始化所有内部RAM的内容。上电默认信号处理流程将八个输入信号复制到16个数字输出。

10.2 设置主时钟/PLL模式

MCLK输入通过PLL生成1536 × fs时钟以运行DSP核心，输入必须为64 × fs、256 × fs、384 × fs或512 × fs之一。时钟模式应在RESETB为低电平时更改，避免输出出现咔嗒声。

10.3 电压调节器

AD1940/AD1941包含一个板载电压调节器，可在2.5 V电源不可用但3.3 V或5 V可用的系统中使用，只需外部连接一个PNP晶体管、一个电容器和一个电阻器。

十一、总结

AD1940/AD1941以其强大的处理能力、灵活的编程与控制、丰富的数据接口等特性，为音频处理应用提供了全面的解决方案。在实际设计中，工程师需要根据具体需求合理配置参数，充分发挥其性能优势。同时，注意遵守电气参数和时序要求，确保系统的稳定性和可靠性。你在使用AD1940/AD1941过程中遇到过哪些问题呢？欢迎留言讨论。