帶有USB接口的16位立體聲數(shù)模轉(zhuǎn)換器PCM2702
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摘要： PCM2702是Burr-Brown公司新近推出的一種帶有USB接口的16位立體聲數(shù)模轉(zhuǎn)換器芯片。文中簡要分析了該芯片的性能特點(diǎn)和工作原理,最后給出了PCM2702的典型應(yīng)用電路。
關(guān)鍵詞：PCM2702 USB接口 立體聲 數(shù)模轉(zhuǎn)換
1 引言
PCM2702是一塊單片數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片。它有兩個(gè)數(shù)模轉(zhuǎn)換輸出通道和一個(gè)一體化的USB接口控制器。該接口符合USB1.0標(biāo)準(zhǔn)。PCM2702采用最新開發(fā)研制的SPAct TM（采樣期內(nèi)自適應(yīng)控制跟蹤）系統(tǒng)。該系統(tǒng)能夠從USB接口的音頻數(shù)據(jù)中分離出一個(gè)穩(wěn)定的、偏差較小的時(shí)鐘信號(hào)以協(xié)調(diào)PLL和DAC工作。
PCM2702主要由三部分組成：一個(gè)是Burr-Brown公司研制的增強(qiáng)型多層次δ-σ調(diào)制器,一個(gè)是8×重復(fù)采樣數(shù)字插值濾波器,還有一個(gè)模擬輸出低通濾波器。
PCM2702可以接收48kHz、44kHz和32kHz采樣速率的16位立體聲或單聲道音頻數(shù)據(jù),芯片內(nèi)部集成有數(shù)字電位器的軟件靜音功能,通過USB的音頻等級(jí)需求可以控制電位器和靜音功能。
2 性能特點(diǎn)
2.1 管腳排列及功能
圖1所示為PCM2702的引腳排列,表1為引腳功能說明。
表1 引腳功能說明
| 管腳 | 名稱 | 類型 | 功能描述 |
| 1 | XTI | IN | 晶體振蕩器輸入 |
| 2 | VDDC | - | 時(shí)鐘產(chǎn)生器電源（3.3V） |
| 3 | DGNDC | - | 時(shí)鐘產(chǎn)生器數(shù)字地 |
| 4 | VDD | - | 數(shù)字電源（3.3V） |
| 5 | DGND | - | 數(shù)字地 |
| 6 | D+ | IN/OUT | USB差分輸入/輸出正極 |
| 7 | D- | IN/OUT | USB差分輸入/輸出負(fù)極 |
| 8 | VBUS | IN | USB總線電源（該管腳絕對(duì)不消耗USB總線電源） |
| 9 | DGNDU | - | USB收發(fā)器的數(shù)字地 |
| 10 | PLYBCK | OUT | 回放指示標(biāo)志,低電平有效（低電平：回放;高電平：等待） |
| 11 | SSPND | OUT | 暫停指示標(biāo)志,低電平有效（低電平：暫停;高電平,工作） |
| 12 | ZERO | OUT | 低電平為正常;高電平為0 |
| 13 | TEST3 | IN | 測試管腳3,和數(shù)字地相連 |
| 14 | TEST2 | IN | 測試管腳2,和數(shù)字地相連 |
| 15 | TEST1 | IN | 測試管腳1,和數(shù)字地相連 |
| 16 | TEST0 | IN | 測試管腳0,和數(shù)字地相連 |
| 17 | VCCR | - | 右通道模擬電源+5V |
| 18 | AGNDR | - | 右通道模擬地 |
| 19 | VOUTR | OUT | 右通道模擬輸出 |
| 20 | AGND | - | 模擬地 |
| 21 | VCOM | - | 數(shù)模轉(zhuǎn)換器（DAC）直流共模電壓 |
| 22 | VCC | - | 模擬電源+5V |
| 23 | VOUTL | OUT | 左通道模擬輸出 |
| 24 | AGNDL | - | 左通道模擬地 |
| 25 | VCCL | - | 左通道模擬電源+5V |
| 26 | AGNDP | - | 鎖相環(huán)電路模擬地 |
| 27 | VCCP | - | 鎖相環(huán)模擬電源+5V |
| 28 | XTO | OUT | 晶體振蕩器輸出 |
2.2 性能特點(diǎn)
PCM2702的主要特點(diǎn)如下：
●具有一體化的USB接口。該USB接口完全符合USB1.0標(biāo)準(zhǔn),其全速數(shù)據(jù)傳輸率可達(dá)12Mb/s,且具有同步傳送適配模式,并自帶供電裝置。
●可接收16位立體聲和單聲道USB音頻數(shù)據(jù)流。
●模擬性能（Vcc=5V）
動(dòng)態(tài)范圍為100dB;
信噪比：150dB（典型值）;
THD+N：0.002%;
滿刻度輸出為3.1Vp。
●具有8×重復(fù)采樣數(shù)字濾波器。
●采樣速率（fs）可選用32kHz、44.1kHz或48kHz。
●內(nèi)部集成有獨(dú)立的12MHz時(shí)鐘發(fā)生器。
●具有多媒體功能。
●采用雙電源供電。其中模擬部分為+5V;數(shù)字部分為+3.3V。
●采用SSOP-28封裝形式。
2.3 電氣參數(shù)
表2所列為PCM2702的性能參數(shù)。表中的參數(shù)除特殊說明外,均在下列條件下測試：
表2 PCM2702的性能參數(shù)
| 參數(shù) | 條件 | PCM2702 | 單位 | ||||
| 最小值 | 典型值 | 最大值 | |||||
| 分辨率 | 16 | bits | |||||
| 主機(jī)接口 | 支持USB1.0版體,全速 | ||||||
| 數(shù)字信號(hào) | 音頻數(shù)據(jù)模式 | USB步輸出 | |||||
| 數(shù)據(jù)位長度 | 16 | ||||||
| 數(shù)據(jù)通道 | 1,2 | ||||||
| 采樣速率（fs) | 32,44.1,48 | ||||||
| 輸入邏輯電平 | V1H（1） | 2.0 | VDC | ||||
| V1L（1） | 0.8 | VDC | |||||
| V1H（2） | 0.7VDD | VDC | |||||
| V1L（2） | 0.7VDD | VDC | |||||
| 輸入邏輯電流 | I1H（1） | VIN=VDD | +65 | +100 | μA | ||
| I1L（1） | VIN=0V | ±10 | μA | ||||
| I1H（2） | VIN=VDD | ±10 | μA | ||||
| I1H（2） | VIN=0V | ±10 | μA | ||||
| 輸出邏輯電平 | VOH（3） | I0H=-1mA | 2.8 | VDC | |||
| VOL（3） | I0L=+1mA | 0.5 | VDC | ||||
| 動(dòng)態(tài)性能 | THD+N(VOUT=0dB) | 0.002 | 0.005 | % | |||
| THD+N（VOUT=-60dB） | 1.2 | % | |||||
| 動(dòng)態(tài)范圍 | EIAJ A-Weighted | 96 | 100 | dB | |||
| 信噪比 | EIAJ A-Weighted | 100 | 105 | dB | |||
| 通道隔離 | 98 | 103 | dB | ||||
| DC精度 | 增益誤差 | ±1.0 | ±3.0 | %FSR | |||
| 通道間的增益失配 | ±1.0 | ±3.0 | %FSR | ||||
| 兩極的零點(diǎn)誤差 | VOUT=0.5Vcc | ±30 | ±60 | mV | |||
| 模擬輸出 | 輸出電壓 | 滿刻度（-0dB） | 62%Vcc | Vp-p | |||
| 中心電壓 | 50%Vcc | VDC | |||||
| 負(fù)載阻抗 | 5 | kΩ | |||||
TA=25℃,Vcc=VCCL=VCCR=VCCP=5.0V,VDD=VDDC=3.3V,fs=44.0MHz,信號(hào)頻率1kHz,16位數(shù)據(jù)。管腳8、13、14、15、16分別為VBUS、TEST3、TEST2、TEST1和TEST0;管腳10、11、12、28分別是PLYBCK、SSPND、ZERO和XTO。
參數(shù)中的動(dòng)態(tài)性能限決于標(biāo)準(zhǔn)主機(jī)的信號(hào)質(zhì)量,并隨系統(tǒng)不同面不同,動(dòng)態(tài)性能的各項(xiàng)參數(shù)是用一臺(tái)Shibasoku#725 THD測量儀測得的。該儀器的特點(diǎn)是帶有400Hz的高通濾濾器、30kHz的低通濾波器、通用模式且具有20kHz的帶寬限制。通過交流耦合器的模擬輸出端負(fù)載為5kΩ或更大。
3 工作原理
圖2所示是PCM2702的組成框圖,各部分工作原理如下：
3.1 USB接口
該USB接口符合串行共用總線修訂版1.0版標(biāo)準(zhǔn)。
控制信號(hào)和音頻數(shù)據(jù)信號(hào)均通過D+（6腳）和D-（7腳）送入PCM2702中心。所有數(shù)據(jù)都以全速輸入或輸出。USB總電源VBUS（8腳）和USB數(shù)字地DGNDU（9腳）均與USB總線相連,由于VBUS僅用來分離芯片與USB總線的連接,所以VBUS不消耗USB總線電源功率。表3是USB接口的有關(guān)信息。
表3 USB接口信息
| USB版本 | 1.0 |
| 0×00（元件決定了接口標(biāo)準(zhǔn)） | |
| 0×00（沒有具體說明） | |
| 0×00（沒有具體說明） | |
| 終端O的最大數(shù)據(jù)長度 | 8位 |
| 0×08BB | |
| 芯片識(shí)別號(hào) | 0×2702 |
| 版本 | 1.0 |
3.2 元件結(jié)構(gòu)
圖3是USB音頻功能邏輯框圖,PCM2702有兩個(gè)接口,每一個(gè)接口都由一些可供選擇的設(shè)置組成。接口#0有一個(gè)備選設(shè)置,備選設(shè)置#0是一標(biāo)準(zhǔn)的音頻控制接品,該接口有一個(gè)端口。PCM2702有一下列三個(gè)端口,輸入端口（IT）、輸出端口）OT）和功能單元（FU）。輸入端口定義為“USB”數(shù)據(jù)流（端口類型0×0101）,輸入端口可以接2個(gè)通道的音頻流,這2個(gè)通道分別可作為音頻流的左右聲道的壓縮數(shù)據(jù)傳輸通道。輸出端口為“揚(yáng)聲器”端口（端口類型0×0301。）
功能控制單元支持音量控制和靜音控制功能。內(nèi)建的數(shù)字音量控制電位器可根據(jù)音頻級(jí)別的具體要求以步進(jìn)量為1.0dB在0.0dB～64.0dB之間進(jìn)行調(diào)節(jié)。每個(gè)聲道可獨(dú)立設(shè)置,同時(shí)也支持主音量控制,內(nèi)建的數(shù)字靜音控制器也可以根據(jù)音頻等級(jí)的具體要求進(jìn)行操作,以支持主靜音控制,但不支持單獨(dú)的聲道進(jìn)行調(diào)節(jié)控制。
接口#1有3個(gè)可選擇的設(shè)置：#0備選設(shè)置是零帶寬設(shè)置;#1設(shè)置是16位立體聲設(shè)置,它是一個(gè)可操作性設(shè)置;#2設(shè)置是16位單聲道設(shè)置,也是一個(gè)可操作性設(shè)置。PCM2702有兩個(gè)終端,即：控制終端（EP#0）和同步音頻數(shù)據(jù)流終端（EP#2）?？刂平K端是默認(rèn)終端,常用來根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)USB需求和USB音頻等級(jí)的具體需求對(duì)PCM2702的所有功能進(jìn)行控制。同步音頻數(shù)據(jù)流終端是音頻吸收終端,它接收來自PCM的音頻數(shù)據(jù)流和接收重配的傳輸模式。
3.3 時(shí)鐘和重置電路
PCM2702需要一個(gè)12MHz（±500ppm）的時(shí)鐘來協(xié)調(diào)USB和音頻功能控制部分的工作。該時(shí)鐘信號(hào)可由內(nèi)部集成的12MHz晶振提供,也可以及XTI（腳1）輸入12MHz內(nèi)部時(shí)鐘信號(hào)（如圖4所示）,12MHx晶體諧振器與一個(gè)1MΩ電阻和兩個(gè)小電容一起連至XTI和XTO,電容值的大小取決于具體的晶體諧振器的負(fù)載。如果使用內(nèi)部時(shí)鐘則應(yīng)從XTI輸入,而且XTO必須懸空,XTI腳時(shí)鐘信號(hào)的邏輯電平為+3.3V,而不是5V。圖5是外部12MHz時(shí)鐘連接電路。
PCM2702包含一個(gè)內(nèi)部電源接通恢復(fù)電路。當(dāng)VDD電平大于2.0V時(shí),該電路將自動(dòng)恢復(fù)起始數(shù)字邏輯電平,整個(gè)過程大約需要350μs。為確保接電時(shí)序的正常工作,VDD電壓必須在10ms內(nèi)升至2.0V。
3.4 接口時(shí)序
● 電源接通,連接和回放時(shí)序
當(dāng)電路完成起始電平的恢復(fù)并在USB總線接通后,PCM2702設(shè)置準(zhǔn)備完畢。當(dāng)建立和USB總線的連接后,PCM2702準(zhǔn)備接收USB音頻數(shù)據(jù)。在等待音頻數(shù)據(jù)送來時(shí),模擬輸出設(shè)置為雙零點(diǎn)零標(biāo)志,ZERO（腳12）為高電平。
當(dāng)接收到音頻數(shù)據(jù)后,PCM2702將第一批數(shù)據(jù)包（含1ms的音頻數(shù)據(jù)）存貯到一個(gè)內(nèi)部存貯器中,當(dāng)檢測到頭幀后,PCM2702開始回放。
●播放停止和分離時(shí)序
當(dāng)主機(jī)完成或停止音頻回放時(shí),PCM將在最后傳輸?shù)囊纛l數(shù)據(jù)接收后停止播放,PCM2702的播放停止和分離時(shí)序如圖6所示。
3.5 PLYBCK、SSPND和ZERO標(biāo)志
PLYBCK、SSPND和ZERO標(biāo)志定義如下：
PLYBCK：當(dāng)PCM音頻輸入數(shù)據(jù)正在播放時(shí),PLYBCK（腳10）為低電平效;
SSPND：USB接口處于掛起狀態(tài)時(shí),SSPND（腳11）低電平有效。
ZERO：如果PCM音頻輸入數(shù)據(jù)持續(xù)102個(gè)采樣周期為0,則進(jìn)入ZERO狀態(tài)。ZERO（腳12）為高電平有效。
4 應(yīng)用
PCM2702可用于標(biāo)準(zhǔn)的獨(dú)立USB音頻揚(yáng)聲器、CRT/LCD一體化USB音頻場聲器,USB音頻放大器等各種USB音頻設(shè)備中。圖7為種PCM2702的典型應(yīng)用電路。
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