DSD1608：8通道增強型多格式Delta - Sigma數模轉換器的技術剖析與應用指南

引言

在音頻處理領域，數模轉換器（DAC）的性能對音頻質量起著關鍵作用。Texas Instruments的DSD1608作為一款8通道、增強型多格式的Delta - Sigma數模轉換器，支持DSD和PCM兩種音頻數據格式，為音頻系統設計帶來了更多的靈活性和高性能表現。本文將詳細介紹DSD1608的特性、電氣參數、接口功能以及應用信息，幫助電子工程師更好地理解和應用這款產品。

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產品特性概述

多格式支持

DSD1608支持DSD和PCM兩種音頻數據格式，同時還支持TDMCA格式，能夠適應不同的音頻系統需求。對于PCM格式，它可以接受16、18、20和24位的音頻數據，滿足了不同精度的音頻處理要求。

出色的模擬性能

在 (V{CC}=5V) 的條件下，DSD1608展現出了優秀的模擬性能。其動態范圍典型值達到108dB，信噪比（SNR）典型值也為108dB，總諧波失真加噪聲（THD + N）典型值僅為0.0012%，全量程輸出典型值為 (4V{pp}) 。這些參數保證了高質量的音頻輸出。

數字濾波器功能

• PCM格式濾波器：包含8倍過采樣數字濾波器，阻帶衰減達到 - 60dB，通帶波紋為 ± 0.02dB，能夠有效濾除不必要的信號，提高音頻質量。
• DSD格式濾波器：配備數字DSD濾波器，有三種可選的頻率響應曲線，通帶在 - 3dB時分別為50kHz、70kHz和60kHz。

靈活的工作模式

• 采樣頻率：PCM模式下采樣頻率范圍為10kHz至200kHz，DSD模式下為 (64×44.1kHz) 。
• 系統時鐘：支持128 (f{S}) 、192 (f{S}) 、256 (f{S}) 、384 (f{S}) 、512 (f{S}) 和768 (f{S}) 多種系統時鐘頻率。
• 數據格式：PCM模式支持標準、I2S和左對齊三種數據格式，DSD模式支持直接流數字（DSD）格式。

用戶可編程功能

通過4線串行控制端口，用戶可以對DSD1608進行多種可編程設置，包括數字衰減、數字去加重、數字濾波器滾降（銳或慢）、軟靜音以及三個零標志等功能。

雙電源供電

采用5V模擬電源和3.3V數字電源供電，這種雙電源設計有助于降低數字電路對模擬電路的干擾，提高音頻性能。

封裝形式

DSD1608采用52引腳的TQFP封裝，方便進行PCB布局和焊接。

電氣特性詳解

分辨率和數據格式

• 分辨率：達到24位，能夠提供高精度的音頻轉換。
• PCM模式數據格式：支持標準、I2S和左對齊三種接口格式，音頻數據位長可在16、18、20和24位之間選擇，數據采用MSB優先、2的補碼形式。采樣頻率范圍為10kHz至200kHz，系統時鐘頻率有多種可選。
• DSD模式數據格式：支持直接流數字（DSD）接口格式，音頻數據位長為1位，采樣頻率為 (64×44.1kHz) ，系統時鐘頻率也有多種選擇。

數字輸入/輸出特性

• 邏輯電平：輸入邏輯電平與TTL兼容，輸出邏輯電平滿足一定的高低電平要求。
• 輸入輸出電流：在不同的輸入電壓條件下，輸入輸出電流有相應的規定，以保證芯片的正常工作。

動態性能

• PCM模式：在不同的采樣頻率下，THD + N、動態范圍、信噪比和通道分離度等參數表現良好。例如，在 (f_{S}=44.1kHz) 時，THD + N典型值為0.0012%，動態范圍和信噪比典型值均為108dB。
• DSD模式：在 (f_{S}=64×44.1kHz) 時，THD + N典型值為0.0012%，動態范圍和信噪比典型值也為108dB。

直流精度

包括增益誤差、通道間增益失配和雙極零誤差等參數，保證了音頻輸出的準確性。

模擬輸出特性

輸出電壓中心電壓為 (V{CC}) 的50%，滿量程輸出為 (V{CC}) 的80%，負載阻抗為4kΩ，能夠驅動一定的負載。

數字濾波器性能

• 8倍插值濾波器：有銳滾降和慢滾降兩種類型，分別具有不同的通帶和阻帶特性以及延遲時間。
• 去加重濾波器：在PCM模式下，去加重誤差在特定采樣頻率下為 ± 0.1dB。
• DSD濾波器：三種DSD濾波器在 - 3dB通帶和100kHz阻帶衰減方面有不同的表現。
• 內部模擬濾波器：在不同頻率下有相應的頻率響應特性。

電源要求

• 電壓范圍：VDD電壓范圍為3V至3.6V，典型值為3.3V；VCC電壓范圍為4.5V至5.5V，典型值為5V。
• 電源電流和功耗：在不同的采樣頻率和工作模式下，電源電流和功耗有所不同。

溫度范圍

工作溫度范圍為 - 25°C至85°C，熱阻為70°C/W。

引腳分配與功能

DSD1608的引腳分配明確，不同的引腳具有不同的功能，包括模擬地（AGND）、數字地（DGND）、音頻數據輸入輸出（DSD、PDATA）、時鐘輸入（DBCK、DSCK、PBCK、PLRCK、PSCK）、模式控制（MC、MDI、MDO、MS）、復位（RST）、電源（VCC、VDD）和輸出（VOUT）等引腳。每個引腳的功能和電氣特性在數據手冊中有詳細說明，工程師在設計電路時需要根據這些信息進行正確的連接。

典型性能曲線分析

數據手冊中給出了多種典型性能曲線，包括數字濾波器在PCM模式和DSD模式下的頻率響應曲線、去加重曲線、模擬動態性能隨電源電壓和溫度變化的曲線等。這些曲線可以幫助工程師更好地了解DSD1608在不同條件下的性能表現，從而進行合理的電路設計和參數調整。

系統時鐘與復位功能

系統時鐘輸入

DSD1608需要系統時鐘來驅動數字插值濾波器、數字DSD濾波器和多級Delta - Sigma調制器。在PCM模式下，系統時鐘輸入到PSCK引腳；在DSD模式下，根據CKCE位的設置，系統時鐘可以輸入到DSCK或PSCK引腳。不同的音頻采樣頻率對應著不同的系統時鐘頻率，工程師需要根據實際需求選擇合適的時鐘源。為了獲得最佳性能，建議使用低相位抖動和噪聲的時鐘源，如Texas Instruments的PLL1700多時鐘發生器。

電源上電和外部復位功能

• 電源上電復位：當 (V_{DD}>2V) 時，電源上電復位功能啟用，初始化序列需要1024個系統時鐘周期，之后DSD1608進入復位默認狀態。
• 外部復位：通過RST引腳可以進行外部復位操作，將RST引腳置為邏輯0至少20ns，然后再置為邏輯1，初始化序列同樣需要1024個系統時鐘周期。

音頻串行接口

PCM模式音頻接口

PCM模式下的音頻接口是一個3線串行端口，包括PLRCK、PBCK和PDATA1 - PDATA4引腳。PBCK是串行音頻位時鐘，用于將PDATA上的串行數據時鐘輸入到音頻接口串行移位寄存器；PLRCK是串行音頻左右字時鐘，用于將串行數據鎖存到串行音頻接口內部寄存器。PLRCK需要與系統時鐘同步，但不需要特定的相位關系。如果PLRCK與系統時鐘的關系變化超過 ± 6個PBCK周期，內部操作將在1/ (f{S}) 內初始化，模擬輸出將被強制為 (0.5V{CC}) ，直到重新同步完成。

DSD模式音頻接口

DSD模式下的音頻接口是一個2線串行端口，DBCK是串行音頻位時鐘，用于將DSD1 - DSD8上的直接流數字音頻數據時鐘輸入到DSD1608。DBCK必須與系統時鐘同步，但也不需要特定的相位關系，其工作頻率為采樣頻率 (f{S}) ，DSD模式的 (f{S}) 標稱值為 (64×44.1kHz) 。

音頻數據格式與時序

PCM模式數據格式

PCM模式支持標準、I2S和左對齊三種音頻數據格式，通過控制寄存器10中的FMT[2:0]位進行選擇。默認數據格式為24位標準格式，所有格式都要求二進制2的補碼、MSB優先的音頻數據。數據手冊中給出了詳細的時序圖，工程師在設計時需要根據這些時序要求進行數據傳輸。

DSD模式數據格式

DSD模式支持DSD音頻數據格式，同樣有相應的時序要求，確保數據的正確傳輸。

串行控制接口

串行控制接口是一個4線串行端口，與串行音頻接口和系統時鐘完全異步工作，用于訪問片上模式寄存器。該接口包括MDI、MDO、MC和MS引腳，MDI用于編程模式寄存器，MDO用于讀取模式寄存器的值，MC是串行位時鐘，MS是控制端口的片選信號。所有的讀寫操作都使用16位數據字，通過特定的時序進行寄存器的讀寫操作。

模式控制寄存器

用戶可編程模式控制

DSD1608提供了多種用戶可編程功能，通過控制寄存器進行設置。這些功能包括數字衰減控制、軟靜音控制、DAC操作控制、音頻數據格式控制、時鐘選擇控制、衰減率選擇、數字濾波器滾降控制、去加重功能控制、過采樣率控制、輸出相位選擇、零標志極性選擇、DSD模式控制、系統復位、DSD濾波器選擇、零標志狀態讀取和設備ID設置等。

寄存器映射和定義

數據手冊中詳細列出了模式控制寄存器的映射和定義，每個寄存器都有特定的功能和位定義。例如，ATxy位用于設置數字衰減電平，MUTx位用于控制軟靜音功能，DACx位用于控制DAC的操作等。工程師需要根據實際需求對這些寄存器進行正確的設置。

模擬輸出與零標志

模擬輸出

DSD1608有8個獨立的輸出通道（ (V{OUT}1) 至 (V{OUT}8) ），為不平衡輸出，每個通道典型情況下能夠驅動 (4V{pp}) 到10kΩ的交流耦合負載。內部輸出放大器偏置到直流共模（或雙極零）電壓 (V{CC}/2) ，并包含一個RC連續時間濾波器，用于減少由于Delta - Sigma D/A轉換器的噪聲整形特性在DAC輸出端出現的帶外噪聲能量。但對于許多應用來說，這個濾波器不足以將帶外噪聲衰減到可接受的水平，因此需要外部低通濾波器來提供足夠的帶外噪聲抑制。

零標志

DSD1608包含用于檢測音頻數據輸入引腳全零數據條件的電路，并通過輸出引腳指示檢測結果。在PCM模式下，如果某個通道或通道組合的數據在1024個采樣周期（或PLRCK時鐘周期）內保持為0，則該通道或組合存在零檢測條件；在DSD模式下，零檢測不可用。零標志引腳（ZERO1、ZERO2和ZERO38）可以用于操作外部靜音電路，或作為微控制器、音頻信號處理器或其他數字控制電路的狀態指示器。零標志輸出的有效極性可以通過控制寄存器12中的ZREV位進行反轉，復位默認值為高電平有效。

應用信息

連接圖與電源處理

數據手冊中給出了基本的連接圖，包括必要的電源旁路和去耦組件。建議在xSCK、PLRCK、xBCK、PDATAX和DSDx輸入引腳使用22Ω至100Ω的串聯電阻，這些電阻與PCB雜散電容和器件輸入電容形成低通濾波器，可減少高頻噪聲發射，抑制時鐘和數據線上的毛刺和振鈴。DSD1608需要5V的模擬電源和3.3V的數字電源，為了獲得最佳性能，3.3V數字電源應通過線性穩壓器從5V電源派生而來，如Texas Instruments的REG1117 - 3.3。同時，要進行適當的電源旁路，使用10μF的鉭或鋁電解電容和0.1μF的陶瓷電容（表面貼裝應用推薦X7R類型）。

D/A輸出濾波器電路

為了達到SACD標準推薦的頻率響應，并減少Delta - Sigma調制器產生的帶外噪聲，DSD1608需要一個三階或二階模擬低通濾波器。推薦的外部低通濾波器電路是一個使用Sallen - Key電路結構的三階Butterworth濾波器，其濾波器響應和截止頻率由SACD標準推薦的頻率響應決定。該濾波器可用于PCM或DSD模式。

TDMCA格式

• TDMCA模式概述：DSD1608支持時分復用命令和音頻數據（TDMCA）格式，以減少主機控制串行接口。該格式不僅適用于TI DSP的McBSP，還適用于任何可編程設備，能夠傳輸音頻數據和命令數據。TDMCA幀由命令字段、擴展命令字段和一些音頻數據字段組成，音頻數據在IN設備（如DAC）和/或OUT設備（如ADC）之間傳輸。
• TDMCA模式確定：DSD1608通過接收脈沖寬度為兩個PBCK時鐘的PLRCK來識別TDMCA模式，在連續兩個TDMCA幀后進入TDMCA模式。進入該模式后，可在下一個TDMCA幀中發出任何TDMCA命令。如果不需要TDMCA模式操作，PLRCK必須是占空比為50%的方波。
• TDMCA終端信號：TDMCA需要六個信號，其中四個用于命令和音頻數據接口，兩個用于菊花鏈。主機接口信號MS、MC和MDO分別變為DCI、DCO和PDO，MDO信號為三態輸出，可直接連接到其他PDO終端。
• 設備ID確定：TDMCA模式支持多芯片實現，每個設備通過菊花鏈獲得自己的設備ID。通過將DCO連接到下一個設備的DCI，設備可以自動獲取設備ID。實際上有兩個完全獨立且等效的菊花鏈，即IN鏈和OUT鏈。
• TDMCA幀結構：TDMCA幀通常由命令字段、擴展命令（EMD）字段和音頻數據字段組成，所有字段長度為32位，但LS字節無意義，每個字段的MSB首先傳輸。命令字段總是作為幀的第一個數據包傳輸，如果命令字段的EMD標志為高，則傳輸EMD字段，傳輸EMD數據包后不再傳輸音頻數據。
• TDMCA寄存器要求：TDMCA模式需要設備ID和音頻通道信息，寄存器9指示音頻通道，寄存器17指示設備ID，寄存器17僅在TDMCA模式下使用。
• TDMCA模式操作：在TDMCA操作中，DCO指定下一個音頻通道的所有者，當一個設備獲取自己的音頻通道數據時，DCO在最后一個音頻通道周期內變為高電平。如果某些設備由于缺乏活動音頻通道而被跳過，每個跳過的設備必須通知下一個設備，DCO將通過下一個DCI傳遞。

結語

DSD1608作為一款功能強大的8通道數模轉換器，在音頻處理領域具有廣泛的應用前景。其支持多種音頻數據格式、出色的模擬性能、豐富的用戶可編程功能以及對TDMCA格式的支持，為電子工程師設計高性能音頻系統提供了有力的工具。然而，在實際應用中，工程師需要仔細考慮系統時鐘、電源處理、濾波器設計和接口時序等方面的問題，以充分發揮DSD1608的性能優勢。通過對本文所介紹內容的深入理解和合理應用，相信工程師們能夠設計出更加優秀的音頻產品。你在使用DSD1608的過程中遇到過哪些問題呢？或者你對它的哪些特性最感興趣？歡迎在評論區交流分享。