利用WM8741的音頻解碼器設(shè)計方案

一、引言

音頻解碼器在現(xiàn)代生活中應(yīng)用廣泛，無論是專業(yè)音頻系統(tǒng)、家庭影院，還是A/V接收設(shè)備、CD/DVD播放器，都離不開高質(zhì)量的音頻解碼器。音頻解碼器的性能直接影響聲音回放的質(zhì)量，因此設(shè)計一個高性能的音頻解碼器至關(guān)重要。本文將詳細(xì)介紹一種基于高性能立體聲數(shù)模轉(zhuǎn)換器WM8741的音頻解碼器設(shè)計方案。

二、WM8741概述

WM8741是Wolfson微電子公司生產(chǎn)的一款針對高端音頻應(yīng)用的高性能立體聲數(shù)模轉(zhuǎn)換器（DAC）。該器件支持高達(dá)24位、192kHz的數(shù)字音頻信號解碼，還支持其他多種速率的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字音頻信號的輸入。WM8741內(nèi)部具有抖動數(shù)字內(nèi)插值濾波器、精細(xì)分辨率音量控制和數(shù)字去加重功能、1個多比特Σ-Δ調(diào)制器以及帶有差動電壓輸出的開關(guān)電容多位電路級。其特有的可編程配置的高級數(shù)字濾波器允許用戶靈活選擇群延時、相位延遲、脈沖響應(yīng)等。

WM8741的音頻輸入接口支持I2S、Left-justifted、Right-justified和DSD格式。當(dāng)以PCM信號輸入時，器件能夠接收字長度16～32位，采樣轉(zhuǎn)換速率32～192kHz。該器件具有硬件和軟件兩種控制方式，并通過外部引腳進(jìn)行切換選擇。在軟件控制模式下，外部CPU通過2線或3線方式訪問其內(nèi)部所有寄存器并設(shè)置參數(shù)。

WM8741的信噪比達(dá)128dB（單聲道），動態(tài)范圍達(dá)125dB，通道分離度達(dá)130dB，電源抑制比可達(dá)-80dB（100mVpp，1kHz）。轉(zhuǎn)換后的模擬電壓采用差動方式輸出。WM8741的數(shù)字部分的供電電壓為3.0～3.6V，額定工作電壓為3.3V；模擬部分的工作電壓為4.5～5.5V，額定工作電壓為5.0V。該器件采用28引腳SSOP封裝。

三、主控芯片型號及作用

在本音頻解碼器設(shè)計方案中，主要使用了WM8741作為數(shù)模轉(zhuǎn)換器（DAC），同時配合了CirrusLogic公司的高速數(shù)字音頻接收器CS8416。下面詳細(xì)介紹這兩個芯片的型號及其在設(shè)計中的作用。

1. WM8741

型號：WM8741

作用：

WM8741作為本方案的核心數(shù)模轉(zhuǎn)換器，負(fù)責(zé)將接收到的數(shù)字音頻信號轉(zhuǎn)換為高質(zhì)量的模擬音頻信號。其高性能的立體聲數(shù)模轉(zhuǎn)換能力保證了聲音的高保真回放。WM8741支持多種音頻輸入格式，包括PCM、I2S、Left-justifted、Right-justified和DSD等，能夠適應(yīng)不同的音頻輸入需求。

WM8741內(nèi)部的高級數(shù)字濾波器允許用戶靈活配置，從而優(yōu)化音頻信號的群延時、相位延遲和脈沖響應(yīng)等參數(shù)，進(jìn)一步提高音頻質(zhì)量。同時，WM8741還具有精細(xì)分辨率的音量控制和數(shù)字去加重功能，能夠進(jìn)一步改善音頻信號的動態(tài)范圍和信噪比。

WM8741的差動電壓輸出方式能夠減少輸出信號的干擾，提高信號的穩(wěn)定性和純凈度。此外，WM8741還具有高容忍度時鐘抖動的能力，能夠確保在時鐘抖動較大的情況下仍然能夠輸出高質(zhì)量的模擬音頻信號。

2. CS8416

型號：CS8416

作用：

CS8416是CirrusLogic公司生產(chǎn)的高速數(shù)字音頻接收器，負(fù)責(zé)接收和解碼數(shù)字音頻數(shù)據(jù)。該器件支持包括S/PDIF在內(nèi)的多種音頻輸入格式，取樣頻率范圍為32～192kHz。CS8416通過I2S接口與WM8741相連接，將解碼后的音頻數(shù)據(jù)發(fā)送給WM8741進(jìn)行數(shù)模轉(zhuǎn)換。

CS8416內(nèi)部具有鎖相環(huán)（PLL）電路，能夠重建音頻數(shù)據(jù)中的時鐘，并提供給后續(xù)WM8741使用。這確保了音頻數(shù)據(jù)的同步性和穩(wěn)定性。同時，CS8416還支持多種音頻輸入接口的選擇，通過配置相應(yīng)的引腳可以實現(xiàn)不同的音頻輸入模式。

在硬件設(shè)計方面，CS8416的引腳配置靈活，可以通過外部電阻和電容等元件進(jìn)行濾波和調(diào)節(jié)，以優(yōu)化音頻時鐘的重建質(zhì)量。此外，CS8416還具有多種控制模式，包括硬件控制模式和軟件控制模式，可以根據(jù)具體需求進(jìn)行選擇。

四、詳細(xì)設(shè)計方案

1. 系統(tǒng)框圖

本系統(tǒng)主要由數(shù)字音頻接收器CS8416、數(shù)模轉(zhuǎn)換器WM8741以及低通濾波器組成。數(shù)字音頻接收器CS8416負(fù)責(zé)接收和解碼數(shù)字音頻數(shù)據(jù)，并將解碼后的音頻數(shù)據(jù)通過I2S接口發(fā)送給WM8741。WM8741根據(jù)設(shè)定的參數(shù)完成數(shù)模轉(zhuǎn)換，然后以差分形式輸出左右通道的模擬音頻信號。模擬音頻信號經(jīng)過低通濾波器濾除高頻諧波噪聲后，得到高質(zhì)量的模擬電壓信號。

2. 硬件設(shè)計

（1）數(shù)字音頻接收器CS8416

CS8416作為數(shù)字音頻信號接收電路的核心，負(fù)責(zé)接收和解碼S/PDIF格式的數(shù)字音頻數(shù)據(jù)。其工作原理是將接收到的數(shù)字音頻數(shù)據(jù)進(jìn)行解碼轉(zhuǎn)換，同時重建音頻數(shù)據(jù)中的時鐘并提供給后續(xù)WM8741使用。音頻數(shù)據(jù)則通過I2S總線接口發(fā)送給WM8741進(jìn)行數(shù)模轉(zhuǎn)換。

在硬件設(shè)計方面，CS8416的引腳RXSEL1接高電平，引腳RXSEL0接地，選擇引腳RXP3作為音頻數(shù)據(jù)輸入接口。音頻時鐘重建通過片上的鎖相環(huán)（PLL）實現(xiàn)，該鎖相環(huán)不需要過多地改變外部元件即可在很大范圍內(nèi)鎖定輸入音頻數(shù)據(jù)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，需要合理選擇外接濾波器的電阻電容值。

（2）數(shù)模轉(zhuǎn)換器WM8741

WM8741作為本方案的核心數(shù)模轉(zhuǎn)換器，其硬件設(shè)計主要包括電源供電、控制引腳配置以及差分輸出等部分。

WM8741的數(shù)字部分供電電壓為3.3V，模擬部分供電電壓為5.0V。所有電源引腳都連接一只10μF鉭電容和一只0.1μF陶瓷電容進(jìn)行去耦濾波，以確保電源的穩(wěn)定性。

WM8741的控制引腳配置靈活，可以通過硬件或軟件方式進(jìn)行控制。在本方案中，采用硬件控制方式，即通過特定引腳的上拉或下拉狀態(tài)決定其工作狀態(tài)。所有上拉或下拉的電阻均為10kΩ。

WM8741的差分輸出引腳VOULP、VOULN輸出左聲道的差分模擬電壓信號，引腳VOURP、VOURN輸出右聲道的差分模擬電壓信號。差分輸出方式能夠減少輸出信號的干擾，提高信號的穩(wěn)定性和純凈度。

（3）低通濾波器

為了濾除WM8741輸出的模擬信號中的高次諧波分量，需要采用低通濾波器進(jìn)行濾波。本方案采用LM4562型運算放大器外加電阻電容組成的三階巴特沃斯低通濾波器。該濾波器具有單位增益和通頻帶內(nèi)平坦度好的特點，能夠滿足濾波要求。

濾波后的信號可直接作為解碼器的平衡信號輸出。當(dāng)以RCA接口輸出時，還需將差分信號轉(zhuǎn)換為單端信號。該轉(zhuǎn)換電路由一片LM4562組成的差動放大電路實現(xiàn)。單端信號經(jīng)一只10μF的隔直電容輸出到RCA接口。

3. 軟件設(shè)計

在本方案中，雖然主要采用硬件控制方式，但軟件設(shè)計部分仍然非常重要。軟件設(shè)計主要包括初始化配置、參數(shù)設(shè)置以及狀態(tài)監(jiān)控等部分。

在初始化配置階段，需要配置CS8416和WM8741的相關(guān)寄存器，以確保其正常工作。這包括設(shè)置音頻輸入格式、采樣率、濾波器參數(shù)等。

在參數(shù)設(shè)置階段，需要根據(jù)具體需求調(diào)整CS8416和WM8741的相關(guān)參數(shù)，以優(yōu)化音頻質(zhì)量。例如，可以調(diào)整WM8741的音量控制、數(shù)字去加重功能等參數(shù)。

在狀態(tài)監(jiān)控階段，需要實時監(jiān)控CS8416和WM8741的工作狀態(tài)，以確保其穩(wěn)定運行。例如，可以監(jiān)控CS8416的鎖相環(huán)狀態(tài)、WM8741的輸出電壓等參數(shù)。

五、結(jié)論

本文介紹了一種基于高性能立體聲數(shù)模轉(zhuǎn)換器WM8741的音頻解碼器設(shè)計方案。該方案采用CirrusLogic公司的高速數(shù)字音頻接收器CS8416作為數(shù)字音頻信號接收電路的核心，配合WM8741完成數(shù)模轉(zhuǎn)換和低通濾波等處理，最終得到高質(zhì)量的模擬音頻信號。

WM8741作為本方案的核心數(shù)模轉(zhuǎn)換器，其高性能的立體聲數(shù)模轉(zhuǎn)換能力和靈活的配置選項確保了音頻質(zhì)量的高保真回放。CS8416作為數(shù)字音頻信號接收電路的核心，其穩(wěn)定的時鐘重建能力和多種音頻輸入接口的選擇使得該方案能夠適應(yīng)不同的音頻輸入需求。

通過合理的硬件設(shè)計和軟件配置，本方案能夠?qū)崿F(xiàn)高質(zhì)量的音頻解碼和回放。該方案可以應(yīng)用于專業(yè)音頻系統(tǒng)、家庭影院、A/V接收設(shè)備、CD/DVD播放器等多種場合，為音頻愛好者提供高品質(zhì)的音頻體驗。