利用WM8741的音頻解碼器設計方案

概述：介紹高性能音頻數模轉換器件WM8741的基本特性。設計一種基于WM8741及數字音頻接收器件CS8416的音頻解碼電路，并給出CS8416與WM8741的接口設計。該解碼器由數字音頻接收、數模轉換以及模擬信號調理等模塊組成，最高支持字長為24位、頻率為192 kHz的數字音頻信號輸入。

1 引言
音頻解碼器廣泛應用于日常生活中。不同應用場合對音頻解碼器性能的要求差異很大。而影響音質的因素有多種，如音頻編碼格式、傳輸方式、編解碼器件的性能等。數模轉換是解碼電路的關鍵部分，其性能高低直接影響聲音回放質量。為了獲得高質量的模擬聲音信號，這里設計一種基于高性能立體聲數模轉換器WM8741的音頻解碼器設計方案，該系統支持高達24位、192 kHz的數字音頻信號解碼，還支持其他多種速率的標準數字音頻信號的輸入。

2 WM8741簡介
WM8741是Wolfson微電子公司生產的一款針對高端音頻應用的高性能立體聲數模轉換器，可應用于專業音頻系統、家庭影院、A／V接收設備、CD／DVD播放器等。其內部具有抖動數字內插值濾波器、精細分辨率音量控制和數字去加重功能、1個多比特∑-△調制器以及帶有差動電壓輸出的開關電容多位電路級。特有的可編程配置的高級數字濾波器允許用戶靈活選擇群延時、相位延遲、脈沖響應等。音頻輸入接口支持I2S、Left-justifted、Right-justified和DSD格式。當以PCM信號輸入時，器件能夠接收字長度16～32位，采樣轉換速率32～192 kHz。該器件具有硬件和軟件兩種控制方式，并通過外部引腳進行切換選擇。軟件控制模式下，外部CPU通過2線或3線方式訪問其內部所有寄存器并設置參數。WM8741的信噪比達128 dB(單聲道)，動態范圍達125 dB，通道分離度達130 dB，電源抑制比可達-80 dB(100 mVpp，l kHz)。轉換后的模擬電壓采用差動方式輸出。WM8741的數字部分的供電電壓為3．0～3．6 V，額定工作電壓為3．3 V；模擬部分的工作電壓為4．5～5．5 V．額定工作電壓為5．0 V。該器件采用28引腳SSOP封裝。

3 解碼器硬件設計
3．1 硬件組成
圖1是該解碼器硬件結構框圖，其中數字音頻接收器采用Cirrus Logic公司的高速數字音頻接收器CS8416，該器件支持包括S／PDIF在內的多種音頻輸入，取樣頻率范圍為32～192 kHz。CS8416通過I2S接口與WM8741相連接。I2S總線只處理音頻數據，其他控制信號必須單獨傳輸。CS8416的工作原理：接收器把接收到的S／PDIF格式的數字音頻數據進行解碼轉換，同時重建音頻數據中的時鐘并提供給后續WM8741，音頻數據則通過I2S總線接口發送給WM8741。WM8741按照設定的參數完成數模轉換后，再以差分形式輸出左右通道的模擬音頻信號，并經低通濾波器濾除高頻諧波噪聲，最終得到高質量模擬電壓信號。如果輸出接口為RCA，還需將差分信號轉換為單端信號。

3．2 數字音頻信號接收模塊
CS8416是數字音頻信號接收電路的核心。在軟件控制方式下，MCU通過SPI或I2C接口沒置參數。該方式還可靈活更改內部配置。在無MCU時則通過硬件控制方式改變其特定引腳電平實現控制。由于本系統中無MCU，因此采用硬件控制方式。在SDOUT引腳上用一只47 kΩ電阻下拉至地即可，且引腳AUDIO、RCBL、U、C等不能懸空，必須通過一只47 kΩ電阻上拉至高電平或下拉至低電平，以便系統復位后，CS8416通過檢測這些引腳電平決定其工作狀態。表1為該系統設計的控制引腳的配置。

CS8416具有多個可選的音頻輸入接口。該系統設計是將CS8416的引腳RXSEL1接高電平，引腳RXSEL0接地，選擇引腳RXP3作為音頻數據輸入接口。音頻時鐘重建通過片上的鎖相環(PLL)實現，該鎖相環不需要過多地改變外部元件即可在很大范圍內鎖定輸入音頻數據中的取樣頻率Fs。但外接電阻電容組成的濾波電路也會影響其頻率變化范圍。為了獲得一個低抖動的重建時鐘，外接濾波器的電阻電容值如圖2所示。

3．3 數模轉換模塊
WM874l的I2S輸入接口與CS8416的輸出連接時中間加入100 Ω電阻進行緩沖，如圖2所示。WM874l設定硬件控制模式，即通過特定引腳的上拉或下拉狀態決定其工作狀態，且所有上拉或下拉的電阻均為10 kΩ。該系統設計的WM8741控制引腳設置如表2所示。