采樣率為192kHz的24位AD轉(zhuǎn)換器CS5361原理及應(yīng)用

關(guān)鍵詞：AD轉(zhuǎn)換器；CS5361；采樣

１ ＣＳ５３６１的主要特性

ＣＳ５３６１是ＣＲＹＳＴＡＬ公司推出的１１４ｄＢ、１９２ｋＨｚ數(shù)據(jù)輸出率的２４位Δ－Σ結(jié)構(gòu)音頻ＡＤ轉(zhuǎn)換器，其主要特性如下：

●采用多位Δ－Σ結(jié)構(gòu)；

●具有２４位轉(zhuǎn)換精度；

●１１４ ｄＢ動(dòng)態(tài)范圍；

●總諧波失真＋噪聲優(yōu)于－１０５ ｄＢ；

●系統(tǒng)采樣率高達(dá)１９２ｋＨｚ；

●功耗小于１５０ｍＷ?

●內(nèi)部帶有高通濾波電路或直流失調(diào)電壓標(biāo)定電路；

●內(nèi)帶線(xiàn)性相移數(shù)字抗混濾波器；

●支持５Ｖ到２．５Ｖ邏輯電平；

●采用差動(dòng)輸入結(jié)構(gòu)；

●具有溢出檢測(cè)功能；

●采用２４腳ＳＯＩＣ或ＴＳＳＯＰ封裝形式。

ＣＳ５３６１是供數(shù)字音頻系統(tǒng)使用的完整的模數(shù)轉(zhuǎn)換器，可完成采樣、模數(shù)轉(zhuǎn)換、抗混濾波等功能，并最終產(chǎn)生以串行模式輸出的、對(duì)應(yīng)于左右兩個(gè)輸入通道信號(hào)的２４位采樣數(shù)據(jù)，而且其最高數(shù)據(jù)輸出率可高達(dá)１９２ｋＨｚ。

ＣＳ５３６１芯片采用具有優(yōu)良噪聲抑制能力的差動(dòng)輸入結(jié)構(gòu)，并采用５階多位Δ－Σ調(diào)制器，同時(shí)帶有數(shù)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。

２　ＣＳ５３６１的引腳排列及功能

ＣＳ５３６１采用２４腳ＳＯＩＣ或ＴＳＳＯＰ封裝，引腳排列圖如圖１所示。芯片內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖如圖２所示。各引腳的功能如下：

ＲＳＴ：低功耗模式選擇端，低電平有效；

Ｍ／ Ｓ：主、從模式選擇引腳，該腳為低電平時(shí)，芯片為從工作模式；

ＬＲＣＫ：該端可用于決定當(dāng)前串行數(shù)據(jù)屬于左通道還是右通道；

ＳＣＬＫ：串行移位時(shí)鐘端口；

ＭＣＬＫ：調(diào)制器和數(shù)字濾波器的時(shí)鐘源；

ＶＤ：芯片數(shù)字電源；

ＧＮＤ：地參考，必須與模擬地相連；

ＶＬ：數(shù)字輸入輸出部分電源；

ＳＤＯＵＴ：串行數(shù)據(jù)信號(hào)輸出端；

ＭＤＩＶ：時(shí)鐘分頻端，該腳為高電平時(shí)，主時(shí)鐘被２分頻；

ＨＰＦ：高通濾波器允許端，該腳為低電平時(shí)，高通濾波器工作；

Ｉ２Ｓ／ＬＪ：數(shù)據(jù)輸出格式選擇端，該腳為高電平時(shí)，輸出格式為Ｉ２Ｓ，否則為左對(duì)齊輸出格式；

Ｍ０、Ｍ１：操作模式選擇端；

ＯＶＦＬ：左右通道溢出指示腳；

ＡＩＮＬ＋，ＡＩＮＬ－，ＡＩＮＲ＋，ＡＩＮＲ－：分別為左右通道模擬信號(hào)的＋、－輸入端；

ＶＡ：＋５Ｖ模擬電源輸入端；

ＶＱ：內(nèi)部靜態(tài)參考電壓，使用時(shí)應(yīng)連接濾波器；

ＲＥＦＧＮＤ：內(nèi)部采樣電路參考地；

ＦＩＬＴ＋：內(nèi)部采樣電路參考電壓。

３　基本工作原理

ＣＳ５３６１轉(zhuǎn)換器工作時(shí)，應(yīng)根據(jù)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(shù)，下面分別介紹這些參數(shù)的意義及設(shè)置方式。

３．１ 操作模式及采樣率范圍選擇

ＣＳ５３６１轉(zhuǎn)換器的Ｍ１、Ｍ０引腳狀態(tài)可用于決定芯片的操作模式，通過(guò)設(shè)置適當(dāng)?shù)牟僮髂Ｊ剑墒梗茫樱担常叮钡妮敵霾蓸勇剩ǎ疲樱┰冢玻耄龋剑保梗玻耄龋g進(jìn)行選擇。每種操作模式對(duì)應(yīng)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(duì)應(yīng)表

對(duì)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(shí)，ＣＳ５３６１的數(shù)字濾波器的通帶為０～０．４７ＦＳ，阻帶大于０．５８ＦＳ，阻帶衰減優(yōu)于９５ｄＢ，濾波器群延時(shí)為１２／ＦＳ（Ｓ）；工作在倍速模式時(shí)，ＣＳ５３６１的數(shù)字濾波器的通帶為０～０．４５ＦＳ，阻帶大于０．６８ＦＳ，阻帶衰減優(yōu)于９２ｄＢ，濾波器群延時(shí)為９／ＦＳ（Ｓ）；工作在四速模式時(shí)，ＣＳ５３６１的數(shù)字濾波器的通帶為０～０．２４ＦＳ，阻帶大于０．７８ＦＳ，阻帶衰減優(yōu)于９７ｄＢ，濾波器群延時(shí)為５／ＦＳ（Ｓ），因此，應(yīng)根據(jù)實(shí)際需要適當(dāng)選擇ＣＳ５３６１的操作模式。

３．２ 系統(tǒng)時(shí)鐘ＭＣＬＫ和ＭＤＩＶ狀態(tài)

當(dāng)ＣＳ５３６１的操作模式確定后，系統(tǒng)時(shí)鐘和ＭＤＩＶ的狀態(tài)將決定具體的輸出采樣率（ＦＳ）、左右通道時(shí)鐘ＬＲＣＫ和串行移數(shù)時(shí)鐘頻率（ＳＣＬＫ）。

對(duì)于單速模式，其采樣率范圍為２～４８ｋＨｚ，因此，當(dāng)ＭＤＩＶ為０時(shí)， ＭＣＬＫ的范圍應(yīng)為５１２ｋＨｚ～１２２８８ｋＨｚ；而當(dāng)ＭＤＩＶ為１時(shí)， ＭＣＬＫ的范圍應(yīng)為１０２４ｋＨｚ～２４５７６ｋＨｚ；

對(duì)于倍速模式，采樣率范圍為４８～９６ｋＨｚ，故在ＭＤＩＶ為０時(shí)， ＭＣＬＫ的范圍應(yīng)為６１４４ｋＨｚ～１２２８８ｋＨｚ；為１時(shí)ＭＣＬＫ的范圍應(yīng)為１２２８８ｋＨｚ～２４５７６ｋＨｚ；

對(duì)于四速模式，由于其采樣率范圍為９６～１９２ｋＨｚ?因此，當(dāng)ＭＤＩＶ為０時(shí)，ＭＣＬＫ的范圍應(yīng)為６１４４ ｋＨｚ～１２２８８ｋＨｚ；而當(dāng)ＭＤＩＶ為１時(shí)， ＭＣＬＫ的范圍則應(yīng)為１２２８８ｋＨｚ～２４５７６ｋＨｚ。

３．３ 主從模式設(shè)置

通過(guò)設(shè)置芯片的第２腳為高電平可使ＣＳ５３６１進(jìn)入主模式，反之進(jìn)入從模式。主從模式的區(qū)別在于進(jìn)入主模式時(shí)，ＬＲＣＫ、ＳＣＬＫ為輸出信號(hào)?而在從模式時(shí)，ＬＲＣＫ、ＳＣＬＫ為輸入信號(hào)，并應(yīng)保證ＬＲＣＫ、ＳＣＬＫ與ＭＣＬＫ同步，同時(shí)應(yīng)使ＬＲＣＫ＝ＦＳ、ＳＣＬＫ＝６４ＦＳ，否則將影響器件性能的發(fā)揮。設(shè)計(jì)主從模式的目的在于，多片ＡＤＣ同步工作時(shí)，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(lái)自于主模式的ＡＤＣ，這樣可保證多片ＡＤＣ的同步工作。

３．４ 高通濾波器和直流偏移標(biāo)定

由于ＣＳ５３６１轉(zhuǎn)換器內(nèi)部集成有數(shù)字高通濾波器。因此，可通過(guò)控制該芯片ＨＰＦ引腳的狀態(tài)來(lái)控制高通濾波器的工作狀況，具體的方法是：當(dāng)ＨＰＦ為０時(shí)，內(nèi)部高通濾波器將連續(xù)記錄通道內(nèi)的低頻信號(hào)，并從抽樣濾波器中濾除低于轉(zhuǎn)折頻率的低頻信號(hào)，從而實(shí)現(xiàn)高通濾波功能。此時(shí)高通濾波器的轉(zhuǎn)折頻率為１Ｈｚ，高通濾波器的建立時(shí)間為１０５／ＦＳ（ｓ）；而當(dāng)ＨＰＦ為１時(shí)，高通濾波器記錄的低頻信號(hào)被凍結(jié)，并連續(xù)地從抽樣濾波器中被扣除，從而實(shí)現(xiàn)直流偏移校正功能。與ＣＳ５３６１相連的模擬通道在工作時(shí)，可能會(huì)產(chǎn)生小的直流偏移，從而影響ＣＳ５３６１性能的發(fā)揮。因此，可以利用ＣＳ５３６１內(nèi)部集成的數(shù)字高通濾波器將直流偏移校正掉，現(xiàn)將其工作過(guò)程說(shuō)明如下：

（１） 開(kāi)通高通濾波器，等待至少１０５／ＦＳ秒的時(shí)間以建立高通濾波功能；

（２） 高通濾波器建立后，禁止高通濾波器工作，凍結(jié)直流偏移值，此時(shí)芯片的輸出即為去掉直流偏移后的數(shù)據(jù)。

應(yīng)當(dāng)說(shuō)明的是：在此過(guò)程中，應(yīng)始終保持ＣＳ５３６１處在正常工作狀態(tài)。如果ＣＳ５３６１進(jìn)入低功耗模式，那么高通濾波器中凍結(jié)的直流偏移值將被復(fù)位，此時(shí)若想實(shí)現(xiàn)直流偏移校正功能，則必須重復(fù)上述過(guò)程。

圖3

３．５ 數(shù)據(jù)輸出格式控制

ＣＳ５３６１的數(shù)據(jù)輸出格式有左對(duì)齊格式和Ｉ２Ｓ格式。通過(guò)控制Ｉ２Ｓ／ＬＪ腳的狀態(tài)可以選擇數(shù)據(jù)的輸出格式。

當(dāng)Ｉ２Ｓ／ＬＪ為０時(shí)，數(shù)據(jù)輸出格式為左對(duì)齊格式；當(dāng)Ｉ２Ｓ／ＬＪ為１時(shí)，數(shù)據(jù)輸出格式為Ｉ２Ｓ格式。兩種格式的時(shí)序圖如圖３所示。

４　應(yīng)用

同其它高精度ＡＤ轉(zhuǎn)換器一樣，ＣＳ５３６１在實(shí)際應(yīng)用時(shí)，也應(yīng)特別注意地線(xiàn)和電源線(xiàn)的布線(xiàn)。設(shè)計(jì)時(shí)必須為ＶＡ和ＶＬ提供干凈的電源，當(dāng)用ＶＤ給ＣＳ５３６１內(nèi)部的數(shù)字濾波器供電時(shí)，可以通過(guò)一個(gè)電阻從ＶＡ上獲取，也可以直接與系統(tǒng)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(shù)字電路供電。電源退耦電容必須盡可能靠近ＣＳ５３６１，而且應(yīng)使小容量的電容更靠近ＡＤＣ。所有信號(hào)，特別是時(shí)鐘信號(hào)必須遠(yuǎn)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(shù)字信號(hào)干擾，ＡＤＣ的數(shù)字輸出應(yīng)該只驅(qū)動(dòng)ＣＭＯＳ輸入端。圖４是ＣＳ５３６１的典型應(yīng)用電路連接圖。

由于ＡＤＣ只以有限頻率采樣模擬信號(hào)，因此，高于一定頻率的信號(hào)可能會(huì)引起假頻信號(hào)。另外，由于ＡＤＣ的輸入阻抗有限，因此，在輸入端還應(yīng)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(tǒng)上電后，必須經(jīng)過(guò)一段時(shí)間，參考電壓才能穩(wěn)定，因此，必須等待一段時(shí)間后才能得到準(zhǔn)確的測(cè)量結(jié)果。另外在實(shí)際使用ＣＳ５３６１時(shí)，還有以下幾點(diǎn)需要注意：

（１）ＣＳ５３６１內(nèi)部的數(shù)字濾波器為線(xiàn)性相移濾波器，因此應(yīng)根據(jù)這一特點(diǎn)對(duì)不同頻率信號(hào)的相位作出校正；

（２）ＣＳ５３６１在開(kāi)始工作時(shí)，由于要等待濾波器穩(wěn)定，因此在濾波器穩(wěn)定前可輸出２０００個(gè)左右的無(wú)效數(shù)據(jù)，無(wú)效數(shù)據(jù)的具體個(gè)數(shù)與操作模式有關(guān)，此點(diǎn)應(yīng)注意；

（３）ＣＳ５３６１從ＭＣＬＫ穩(wěn)定到第一個(gè)數(shù)據(jù)出現(xiàn)，有一定的延時(shí)，延時(shí)大小與操作模式有關(guān)；

（４）ＣＳ５３６１轉(zhuǎn)換器的四速模式和倍速模式時(shí)的信號(hào)帶寬幾乎完全一樣，所不同的是四速模式時(shí)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(mǎn)足采樣率要求的前提下，應(yīng)盡量采用低速操作模式，實(shí)際使用發(fā)現(xiàn)：ＣＳ５３６１在低速模式時(shí)的性能優(yōu)于高速模式。

（５）利用ＣＳ５３６１的高通濾波器進(jìn)行直流偏移校正時(shí)，它只是去除了做直流標(biāo)定前通道所產(chǎn)生的直流偏移，而對(duì)于在采樣進(jìn)行中產(chǎn)生的偏移，此功能不起作用。

（６）ＣＳ５３６１的數(shù)據(jù)接口時(shí)序在左對(duì)齊格式和Ｉ２Ｓ格式時(shí)有很大的差別，這一點(diǎn)在使用時(shí)應(yīng)引起足夠的重視。

（７）ＣＳ５３６１通常以２的補(bǔ)碼格式交替連續(xù)輸出兩個(gè)通道的２４位采樣數(shù)據(jù)，其信號(hào)滿(mǎn)偏電壓有效值為２Ｖ，這一點(diǎn)對(duì)格式變換十分有用。

（８）ＣＳ５３６１的兩個(gè)通道數(shù)據(jù)雖然是交替分時(shí)輸出，但同一組數(shù)據(jù)的采樣時(shí)刻卻是同步的，它們分別代表同一時(shí)刻的兩個(gè)通道模擬信號(hào)的值。