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?。茫樱担常叮钡囊_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，通過設(shè)置適當(dāng)?shù)牟僮髂Ｊ?，可使ＣＳ５３６１的輸出采樣率（ＦＳ）在２ｋＨｚ到１９２ｋＨｚ之間進(jìn)行選擇。每種操作模式對應(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應(yīng)表
| M1 | M0 | 操作模式 | 輸出采樣率范圍（kHz） |
| 0 | 0 | 單速模式 | 2～48 |
| 0 | 1 | 倍速模式 | 48～96 |
| 1 | 0 | 四速模式 | 96～192 |
| 1 | 1 | 保留 | - - - |
對于每種操作模式，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，可通過控制該芯片ＨＰＦ引腳的狀態(tài)來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)將其工作過程說明如下：
（１） 開通高通濾波器，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)說明的是：在此過程中，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)輸出格式有左對齊格式和Ｉ２Ｓ格式。通過控制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)特別注意地線和電源線的布線。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)字濾波器為線性相移濾波器，因此應(yīng)根據(jù)這一特點(diǎn)對不同頻率信號(hào)的相位作出校正；
（２）ＣＳ５３６１在開始工作時(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)左右的無效數(shù)據(jù)，無效數(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)滿偏電壓有效值為２Ｖ，這一點(diǎn)對格式變換十分有用。
（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。
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