基于PCM1794的纯音频解码器的设计与实现

张志永　孔惠敏　朱涛　夏清华

摘 要：设计并实现了一个基于PCM1794的音频解码器。纯音频解码器是一种用于Hi-FI听音的支持USB音频输入的设备。主要作用是把读取的数字音频信号转换成模拟音频信号输出，供功率放大后重放。设计以PCM1794DAC数模转换器为核心，介绍了电源模块、DAC数模转换模块、I/V转换模块、功率放大模块的设计原理。该设计较高的输出信噪比和较小的失真效果明显的提高了音质。

关键词：PCM1794；数模转换；信噪比

中图分类号：TN764 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2018）32-0087-03

Abstract： An audio decoder based on PCM1794 is designed and implemented. A pure audio decoder is a device that supports USB audio input for Hi-Fi listening. The main function is to read the digital audio signal into analog audio signal output for power amplification and playback. The design takes PCM1794DAC digital-to-analog converter as the core， and introduces the design principles of power module， DAC digital-to-analog module， I/V conversion module and power amplifier module. The design has higher output signal-to-noise ratio （SNR） and less distortion， which can obviously improve the sound quality.

Keywords： PCM1794； digital-to-analog conversion； signal-to-noise ratio

隨着人们对音质要求的不断提高，一般的设备由于传输途径、和解码器的素质等诸多因素的影响，并不能满足人们的需求。为了得到高品质的声音信号，本设计以高品质数模转换芯片PCM1794为核心，设计了一种基于USB输入的高品质纯音频解码器，相比于一般设备大大提高了输出信噪比，且减小了失真情况，满足了人们对音质的高要求。

1 PCM1794简介

PCM1794器件是一款单片CMOS集成电路，由立体声数模转换器（DAC）和采用小型28引脚SSOP封装的支持电路组成。数据转换器采用德州仪器（TI）的高级分段DAC架构，拥有出色的动态性能和增强的时钟抖动耐受性。PCM1794A器件提供均衡电流输出，允许用户从外部优化模拟性能，最高支持200kHz的采样速率。

2 解码器硬件设计

2.1 硬件设计

图1是该音频解码器硬件结构框图，该系统由四个部分组成：电源模块、DAC转换模块、I/V转换模块、功率放大模块。为了保证音频解码器和带有USB接口输出的数字音频设备的兼容性，需要采用Amanero集成模块接收USB输出信号。数据接收模块解码出IIS信号给PCM1794进行DAC解码，将数字信号转换成模拟信号。然后将解码出的模拟电流信号输出至NE5532进行I/V转换，从而将模拟电流信号转换为模拟电压信号。再将模拟电压信号通过OPA1602进行功率放大。最后通过音频接口输出。

2.2 电源模块

电源部分主要由环形变压器、整流桥、三端稳压管、滤波电容构成。接入220V交流电后经过环形变压器（实物图如图2所示）转换为正负12√2V的交流电。然后经过整流桥进行整流，将交流信号变为直流信号。为了给DAC模块、I/V模块和功率放大模块供电，输出的直流电压信号先通过滤波电容进行滤波，然后通过三端稳压管（7812、7912、7805、LM1117-3.3）进行稳压输出。电源模块电路如图3所示。

2.3 PCM1794 DAC转换模块设计

PCM1794 是一个支持24BIT的芯片，支持双并联单声道模式，此外低中高三频均衡，静态和动态效果突出。为了充分发挥出PCM1794的高品质特性，本设计中经Amanero集成模块（实物图如图4所示）处理后的音频信号由LRCK、BCK、DATA引脚引入，MUTE、FMT、MONO等引脚负责功能的选择以及控制，然后经8倍过采样滤波后由DAC片段调节器负责解码后输出，IOUTL-、IOUTL+、IOUTR-、IOUTR+分别指的是左声道、右声道正负信号。经分析后绘制 PCM1794DAC转换模块电路如图5所示。

PCM1794支持行业标准音频数据格式，本设计中将格式位FMT0和FMT1都接入低电平以选择IIS数据格式。图5中Amanero集成模块左边的四个网络标号MCLK、FSCLK、CLK、DATA分别与PCM1794的SCK、LRCK、BCK、DATA引脚相连，将接收的音频数据送入PCM1794。PCM1794对接收到的音频数据进行DA解码，将数字音频信号转化为模拟电流信号输出，此过程为解码过程。PCM1794内部时钟检测电路自动确定系统时钟SCK与采样时钟LRCK关系，自动选择采样频率。PCM1794容许SCK相位延迟和抖动，但设计时应保证二者同步。部分引脚设置如表1所示。

2.4 I/V转换模块

因PCM1794 输出的差分模拟信号中夹带高次谐波，因此要经过低通滤波电路消除高频噪音，才能获得纯净的模拟信号。所以本设计采用RC一阶低通滤波器，其中为避免电阻热噪声的干扰，设计时需要使R的取值尽可能小。为了提高输出信噪比、减小失真，同时考虑到性价比等诸多因素本设计使用的是NE5532型运放，将PCM1794输出的电流信号转换为差分电压信号。对于数模转换电路，要求 DAC转换电路的后面采用多阶滤波器以实现防混叠的作用。I/V转换模块电路如图6所示。

2.5 功率放大模块

经I/V转换电路后得到VOUTL、VOUTR，这时的电压很微弱，无法直接驱动声音播放设备，一般要经过信号调理并放大输出再去驱动音频播放设备。本设计中采用TPA6120将NE5532输出的差分电压信号转换为单端电压信号输出。由于TPA6120A2是电流反馈型放大器，因此在选择反馈电阻时务必小心，反馈中不应使用电容器路径，因为它们会在高频率下形成短路。较高的阻抗负载往往会使得设备更不稳定，解决这个问题的一种方法是增加反馈电阻的阻值，但较高的反馈电阻会给系统增加更多噪声，建议反馈电阻不应超过10kΩ。虽然反馈电阻的阻值越小，噪声就越少，但考虑到电阻过小会使得电路产生自激振荡，所以本设计采用的是TPA6120的反馈电阻的典型值1kΩ。功率放大模块不仅对功率进行了放大，还使得输出驱动能力变强。功率放大模块电路如图7所示。

2.6 设计中需注意问题

设计电源模块时要充分考虑电源信号的稳定性，设计合适的电源信号处理电路。I/V模块和功率放大模块中需注意反馈回路应尽可能短。同时选取芯片时需仔细考虑相应芯片的信噪比和底噪等诸多因素。电路中电阻的选择也需要注意热噪声和杂散电容的影响。因考虑到滤波电路的电阻、电容位置会影响时钟信号质量，所以电容摆放位置要慎重考虑，不要两面放置，而且附近应避免放置过孔。在绘制PCB电路时考虑布局合理性，不将数字元件和模拟元件放在一起。

3 结束语

利用PCM1794解码芯片完成的音频解码器的制作中，整个过程可以概括为分析芯片的使用、绘制电路原理图、购买元器件、制作PCB板的以及实物的焊接和调试。此音频解码器可用作手机或者笔记本等支持USB输出的设备的外置声卡来使用，因其输出信噪比相对较高、失真较小，比一般声卡直接出来的声音更干净更好听。

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