采樣率為192kHz的24位AD轉換器CS5361原理及應用

采樣率為192kHz的24位AD轉換器CS5361原理及應用

摘要：CS5361是CRYSTAL公司推出的192kHz采樣率、多位（24位）音頻Δ－ΣA/D轉換器，它具有雙通道輸入、采樣率高、動態范圍大等特點，非常適合于高端音響或其它領域的應用。文中介紹了CS5361的主要特點、工作原理，并給出了它的典型應用實例。
　　關鍵詞：AD轉換器；CS5361；采樣
　　
　�。保茫樱担常叮钡闹饕�特性
　　
　�。茫樱担常叮笔牵茫遥伲樱裕粒坦�司推出的１１４ｄＢ、１９２ｋＨｚ數據輸出率的２４位Δ－Σ結構音頻ＡＤ轉換器，其主要特性如下：
　　
　　●采用多位Δ－Σ結構；
　　
　　●具有２４位轉換精度；
　　
　　●１１４ｄＢ動態范圍；
　　
　　●總諧波失真＋噪聲優于－１０５ｄＢ；
　　
　　●系統采樣率高達１９２ｋＨｚ；
　　
　　●功耗小于１５０ｍＷ?
　　
　　●內部帶有高通濾波電路或直流失調電壓標定電路；
　　
　　●內帶線性相移數字抗混濾波器；
　　
　　●支持５Ｖ到２．５Ｖ邏輯電平；
　　
　　●采用差動輸入結構；
　　
　　●具有溢出檢測功能；
　　
　　●采用２４腳ＳＯＩＣ或ＴＳＳＯＰ封裝形式。
　　
　�。茫樱担常叮笔枪�數字音頻系統使用的完整的模數轉換器，可完成采樣、模數轉換、抗混濾波等功能，并最終產生以串行模式輸出的、對應于左右兩個輸入通道信號的２４位采樣數據，而且其最高數據輸出率可高達１９２ｋＨｚ。
　　
　�。茫樱担常叮毙酒�采用具有優良噪聲抑制能力的差動輸入結構，并采用５階多位Δ－Σ調制器，同時帶有數字濾波器和抽樣器，從而避免了需要外部抗混濾波器的麻煩。
　　
　�。玻茫樱担常叮钡囊�腳排列及功能
　　
　�。茫樱担常叮辈捎茫玻茨_ＳＯＩＣ或ＴＳＳＯＰ封裝，引腳排列圖如圖１所示。芯片內部結構圖如圖２所示。各引腳的功能如下：
　　
　�。遥樱裕旱凸�耗模式選擇端，低電平有效；
　　
　�。停�Ｓ：主、從模式選擇引腳，該腳為低電平時，芯片為從工作模式；
　　
　�。蹋遥茫耍涸摱丝捎糜跊Q定當前串行數據屬于左通道還是右通道；
　　
　�。樱茫蹋耍捍�行移位時鐘端口；
　　
　�。停茫蹋耍赫{制器和數字濾波器的時鐘源；
　　
　�。郑模盒酒瑪底蛛娫�；
　　
　�。牵危模旱貐⒖�，必須與模擬地相連；
　　
　�。郑蹋簲底州斎胼敵霾糠蛛娫�；
　　
　�。樱模希眨裕捍�行數據信號輸出端；
　　
　�。停模桑郑簳r鐘分頻端，該腳為高電平時，主時鐘被２分頻；
　　
　�。龋校疲焊咄�濾波器允許端，該腳為低電平時，高通濾波器工作；
　　
　�。桑玻樱�ＬＪ：數據輸出格式選擇端，該腳為高電平時，輸出格式為Ｉ２Ｓ，否則為左對齊輸出格式；
　　
　�。停�、Ｍ１：操作模式選擇端；
　　
　�。希郑疲蹋鹤笥彝ǖ酪绯鲋甘灸_；
　　
　�。粒桑危蹋�，ＡＩＮＬ－，ＡＩＮＲ＋，ＡＩＮＲ－：分別為左右通道模擬信號的＋、－輸入端；
　　
　�。郑粒海�５Ｖ模擬電源輸入端；
　　
　�。郑眩簝炔快o態參考電壓，使用時應連接濾波器；
　　
　�。遥牛疲牵危模簝炔坎蓸与娐穮⒖嫉�；
　　
　�。疲桑蹋裕�：內部采樣電路參考電壓。
　　
　�。郴�本工作原理
　　
　�。茫樱担常叮鞭D換器工作時，應根據工作的具體需要確定工作模式、操作模式、輸出格式、高通濾波模式等工作參數，下面分別介紹這些參數的意義及設置方式。
　　
　�。常�１操作模式及采樣率范圍選擇
　　
　�。茫樱担常叮鞭D換器的Ｍ１、Ｍ０引腳狀態可用于決定芯片的操作模式，通過設置適當的操作模式，可使ＣＳ５３６１的輸出采樣率（ＦＳ）在２ｋＨｚ到１９２ｋＨｚ之間進行選擇。每種操作模式對應的采樣率范圍如表１所列。
　　
　　表1工作模式與輸出采樣率范圍對應表
　　
　　M1M0操作模式輸出采樣率范圍（kHz）00單速模式2～4801倍速模式48～9610四速模式96～19211保留---
　　對于每種操作模式，芯片的性能可能略有差異，例如，工作在單速模式時，ＣＳ５３６１的數字濾波器的通帶為０～０．４７ＦＳ，阻帶大于０．５８ＦＳ，阻帶衰減優于９５ｄＢ，濾波器群延時為１２／ＦＳ（Ｓ）；工作在倍速模式時，ＣＳ５３６１的數字濾波器的通帶為０～０．４５ＦＳ，阻帶大于０．６８ＦＳ，阻帶衰減優于９２ｄＢ，濾波器群延時為９／ＦＳ（Ｓ）；工作在四速模式時，ＣＳ５３６１的數字濾波器的通帶為０～０．２４ＦＳ，阻帶大于０．７８ＦＳ，阻帶衰減優于９７ｄＢ，濾波器群延時為５／ＦＳ（Ｓ），因此，應根據實際需要適當選擇ＣＳ５３６１的操作模式。
　　
　�。常�２系統時鐘ＭＣＬＫ和ＭＤＩＶ狀態
　　
　　當ＣＳ５３６１的操作模式確定后，系統時鐘和ＭＤＩＶ的狀態將決定具體的輸出采樣率（ＦＳ）、左右通道時鐘ＬＲＣＫ和串行移數時鐘頻率（ＳＣＬＫ）。
　　
　　對于單速模式，其采樣率范圍為２～４８ｋＨｚ，因此，當ＭＤＩＶ為０時，ＭＣＬＫ的范圍應為５１２ｋＨｚ～１２２８８ｋＨｚ；而當ＭＤＩＶ為１時，ＭＣＬＫ的范圍應為１０２４ｋＨｚ～２４５７６ｋＨｚ；
　　
　　對于倍速模式，采樣率范圍為４８～９６ｋＨｚ，故在ＭＤＩＶ為０時，ＭＣＬＫ的范圍應為６１４４ｋＨｚ～１２２８８ｋＨｚ；為１時ＭＣＬＫ的范圍應為１２２８８ｋＨｚ～２４５７６ｋＨｚ；
　　
　　對于四速模式，由于其采樣率范圍為９６～１９２ｋＨｚ?因此，當ＭＤＩＶ為０時，ＭＣＬＫ的范圍應為６１４４ｋＨｚ～１２２８８ｋＨｚ；而當ＭＤＩＶ為１時，ＭＣＬＫ的范圍則應為１２２８８ｋＨｚ～２４５７６ｋＨｚ。
　　
　�。常�３主從模式設置
　　
　　通過設置芯片的第２腳為高電平可使ＣＳ５３６１進入主模式，反之進入從模式。主從模式的區別在于進入主模式時，ＬＲＣＫ、ＳＣＬＫ為輸出信號?而在從模式時，ＬＲＣＫ、ＳＣＬＫ為輸入信號，并應保證ＬＲＣＫ、ＳＣＬＫ與ＭＣＬＫ同步，同時應使ＬＲＣＫ＝ＦＳ、ＳＣＬＫ＝６４ＦＳ，否則將影響器件性能的發揮。設計主從模式的目的在于，多片ＡＤＣ同步工作時，可以使其中的一片工作于主模式，其它工作于從模式，從模式ＡＤＣ的ＬＲＣＫ、ＳＣＬＫ來自于主模式的ＡＤＣ，這樣可保證多片ＡＤＣ的同步工作。
　　
　�。常�４高通濾波器和直流偏移標定
　　
　　由于ＣＳ５３６１轉換器內部集成有數字高通濾波器。因此，可通過控制該芯片ＨＰＦ引腳的狀態來控制高通濾波器的工作狀況，具體的方法是：當ＨＰＦ為０時，內部高通濾波器將連續記錄通道內的低頻信號，并從抽樣濾波器中濾除低于轉折頻率的低頻信號，從而實現高通濾波功能。此時高通濾波器的轉折頻率為１Ｈｚ，高通濾波器的建立時間為１０５／ＦＳ（ｓ）；而當ＨＰＦ為１時，高通濾波器記錄的低頻信號被凍結，并連續地從抽樣濾波器中被扣除，從而實現直流偏移校正功能。與ＣＳ５３６１相連的模擬通道在工作時，可能會產生小的直流偏移，從而影響ＣＳ５３６１性能的發揮。因此，可以利用ＣＳ５３６１內部集成的數字高通濾波器將直流偏移校正掉，現將其工作過程說明如下：
　　
　�。ǎ保╅_通高通濾波器，等待至少１０５／ＦＳ秒的時間以建立高通濾波功能；
　　
　�。ǎ玻└咄�濾波器建立后，禁止高通濾波器工作，凍結直流偏移值，此時芯片的輸出即為去掉直流偏移后的數據。
　　
　　應當說明的是：在此過程中，應始終保持ＣＳ５３６１處在正常工作狀態。如果ＣＳ５３６１進入低功耗模式，那么高通濾波器中凍結的直流偏移值將被復位，此時若想實現直流偏移校正功能，則必須重復上述過程。
　　
　　圖3
　　
　�。常�５數據輸出格式控制
　　
　�。茫樱担常叮钡臄祿�輸出格式有左對齊格式和Ｉ２Ｓ格式。通過控制Ｉ２Ｓ／ＬＪ腳的狀態可以選擇數據的輸出格式。
　　
　　當Ｉ２Ｓ／ＬＪ為０時，數據輸出格式為左對齊格式；當Ｉ２Ｓ／ＬＪ為１時，數據輸出格式為Ｉ２Ｓ格式。兩種格式的時序圖如圖３所示。
　　
　�。磻�用
　　
　　同其它高精度ＡＤ轉換器一樣，ＣＳ５３６１在實際應用時，也應特別注意地線和電源線的布線。設計時必須為ＶＡ和ＶＬ提供干凈的電源，當用ＶＤ給ＣＳ５３６１內部的數字濾波器供電時，可以通過一個電阻從ＶＡ上獲取，也可以直接與系統的邏輯電源相連。而如果ＶＤ從ＶＡ上獲取，則必須保證ＶＤ不再給其它數字電路供電。電源退耦電容必須盡可能靠近ＣＳ５３６１，而且應使小容量的電容更靠近ＡＤＣ。所有信號，特別是時鐘信號必須遠離ＦＩＬＴ＋和ＶＱ引腳，接在ＦＩＬＴ＋和ＶＱ上的退耦電容必須放在與ＲＥＦＧＮＤ最近的位置。為了減小數字信號干擾，ＡＤＣ的數字輸出應該只驅動ＣＭＯＳ輸入端。圖４是ＣＳ５３６１的典型應用電路連接圖。
　　
　　由于ＡＤＣ只以有限頻率采樣模擬信號，因此，高于一定頻率的信號可能會引起假頻信號。另外，由于ＡＤＣ的輸入阻抗有限，因此，在輸入端還應加一定帶寬的阻抗匹配電路，以改善ＡＤＣ的性能。
　　
　　由于ＡＤＣ參考電壓的源阻抗以及外部濾波電容的影響，系統上電后，必須經過一段時間，參考電壓才能穩定，因此，必須等待一段時間后才能得到準確的測量結果。另外在實際使用ＣＳ５３６１時，還有以下幾點需要注意：
　　
　�。ǎ保�ＣＳ５３６１內部的數字濾波器為線性相移濾波器，因此應根據這一特點對不同頻率信號的相位作出校正；
　　
　�。ǎ玻�ＣＳ５３６１在開始工作時，由于要等待濾波器穩定，因此在濾波器穩定前可輸出２０００個左右的無效數據，無效數據的具體個數與操作模式有關，此點應注意；
　　
　�。ǎ常�ＣＳ５３６１從ＭＣＬＫ穩定到第一個數據出現，有一定的延時，延時大小與操作模式有關；
　　
　�。ǎ矗�ＣＳ５３６１轉換器的四速模式和倍速模式時的信號帶寬幾乎完全一樣，所不同的是四速模式時的輸出采樣率更高一些，濾波器的通頻帶也更寬一些，因此在滿足采樣率要求的前提下，應盡量采用低速操作模式，實際使用發現：ＣＳ５３６１在低速模式時的性能優于高速模式。
　　
　�。ǎ担├�用ＣＳ５３６１的高通濾波器進行直流偏移校正時，它只是去除了做直流標定前通道所產生的直流偏移，而對于在采樣進行中產生的偏移，此功能不起作用。
　　
　�。ǎ叮�ＣＳ５３６１的數據接口時序在左對齊格式和Ｉ２Ｓ格式時有很大的差別，這一點在使用時應引起足夠的重視。
　　
　�。ǎ罚�ＣＳ５３６１通常以２的補碼格式交替連續輸出兩個通道的２４位采樣數據，其信號滿偏電壓有效值為２Ｖ，這一點對格式變換十分有用。
　　
　�。ǎ福�ＣＳ５３６１的兩個通道數據雖然是交替分時輸出，但同一組數據的采樣時刻卻是同步的，它們分別代表同一時刻的兩個通道模擬信號的值。

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