采样率为192kHz的24位AD转换器CS5361原理及应用
摘要：CS5361是CRYSTAL公司推出的192kHz采样率、多位(24位)音频Δ-ΣA/D转换器，它具有双通道输入、采样率高、动态范围大等特点，非常适合于高端音响或其它领域的应用。文中介绍了CS5361的主要特点、工作原理，并给出了它的典型应用实例。
关键词：AD转换器;CS5361;采样
1 CS5361的主要特性
CS5361是CRYSTAL公司推出的114dB、192kHz数据输出率的24位Δ-Σ结构音频AD转换器，其主要特性如下：
●采用多位Δ-Σ结构;
●具有24位转换精度;
●114 dB动态范围;
●总谐波失真+噪声优于-105 dB;
●系统采样率高达192kHz;
●功耗小于150mW
●内部带有高通滤波电路或直流失调电压标定电路;
●内带线性相移数字抗混滤波器;
●支持5V到2.5V逻辑电平;
●采用差动输入结构;
●具有溢出检测功能;
●采用24脚SOIC或TSSOP封装形式。
CS5361是供数字音频系统使用的完整的模数转换器，可完成采样、模数转换、抗混滤波等功能，并最终产生以串行模式输出的、对应于左右两个输入通道信号的24位采样数据，而且其最高数据输出率可高达192kHz。
CS5361芯片采用具有优良噪声抑制能力的差动输入结构，并采用5阶多位Δ-Σ调制器，同时带有数字滤波器和抽样器，从而避免了需要外部抗混滤波器的麻烦。
2 CS5361的引脚排列及功能
CS5361采用24脚SOIC或TSSOP封装，引脚排列图如图1所示。芯片内部结构图如图2所示。各引脚的功能如下：
RST：低功耗模式选择端，低电平有效;
M/ S：主、从模式选择引脚，该脚为低电平时，芯片为从工作模式;
LRCK：该端可用于决定当前串行数据属于左通道还是右通道;
SCLK：串行移位时钟端口;
MCLK：调制器和数字滤波器的时钟源;
VD：芯片数字电源;
GND：地参考，必须与模拟地相连;
VL：数字输入输出部分电源;
SDOUT：串行数据信号输出端;
MDIV：时钟分频端，该脚为高电平时，主时钟被2分频;
HPF：高通滤波器允许端，该脚为低电平时，高通滤波器工作;
I2S/LJ：数据输出格式选择端，该脚为高电平时，输出格式为I2S，否则为左对齐输出格式;
M0、M1：操作模式选择端;
OVFL：左右通道溢出指示脚;
AINL+，AINL-，AINR+，AINR-：分别为左右通道模拟信号的+、-输入端;
VA：+5V模拟电源输入端;
VQ：内部静态参考电压，使用时应连接滤波器;
REFGND：内部采样电路参考地;
FILT+：内部采样电路参考电压。
3 基本工作原理
CS5361转换器工作时，应根据工作的具体需要确定工作模式、操作模式、输出格式、高通滤波模式等工作参数，下面分别介绍这些参数的意义及设置方式。
3.1 操作模式及采样率范围选择
CS5361转换器的M1、M0引脚状态可用于决定芯片的操作模式，通过设置适当的操作模式，可使CS5361的输出采样率(FS)在2kHz到192kHz之间进行选择。每种操作模式对应的采样率范围如表1所列。
表1 工作模式与输出采样率范围对应表
M1M0操作模式输出采样率范围(kHz)
00单速模式2～48
01倍速模式48～96
10四速模式96～192
11保留- - -
对于每种操作模式，芯片的性能可能略有差异，例如，工作在单速模式时，CS5361的数字滤波器的通带为0～0.47FS，阻带大于0.58FS，阻带衰减优于95dB，滤波器群延时为12/FS(S);工作在倍速模式时，CS5361的数字滤波器的通带为0～0.45FS，阻带大于0.68FS，阻带衰减优于92dB，滤波器群延时为9/FS(S);工作在四速模式时，CS5361的数字滤波器的通带为0～0.24FS，阻带大于0.78FS，阻带衰减优于97dB，滤波器群延时为5/FS(S)，因此，应根据实际需要适当选择CS5361的操作模式。
3.2 系统时钟MCLK和MDIV状态
当CS5361的操作模式确定后，系统时钟和MDIV的状态将决定具体的输出采样率(FS)、左右通道时钟LRCK和串行移数时钟频率(SCLK)。
对于单速模式，其采样率范围为2～48kHz，因此，当MDIV为0时， MCLK的范围应为512kHz～12288kHz;而当MDIV为1时， MCLK的范围应为1024kHz～24576kHz;
对于倍速模式，采样率范围为48～96kHz，故在MDIV为0时， MCLK的范围应为6144kHz～12288kHz;为1时MCLK的范围应为12288kHz～24576kHz;
对于四速模式，由于其采样率范围为96～192kHz因此，当MDIV为0时，MCLK的范围应为6144 kHz～12288kHz;而当MDIV为1时， MCLK的范围则应为12288kHz～24576kHz。
3.3 主从模式设置
通过设置芯片的第2脚为高电平可使CS5361进入主模式，反之进入从模式。主从模式的区别在于进入主模式时，LRCK、SCLK为输出信号而在从模式时，LRCK、SCLK为输入信号，并应保证LRCK、SCLK与MCLK同步，同时应使LRCK=FS、SCLK=64FS，否则将影响器件性能的发挥。设计主从模式的目的在于，多片ADC同步工作时，可以使其中的一片工作于主模式，其它工作于从模式，从模式ADC的LRCK、SCLK来自于主模式的ADC，这样可保证多片ADC的同步工作。
3.4 高通滤波器和直流偏移标定
由于CS5361转换器内部集成有数字高通滤波器。因此，可通过控制该芯片HPF引脚的状态来控制高通滤波器的工作状况，具体的方法是：当HPF为0时，内部高通滤波器将连续记录通道内的低频信号，并从抽样滤波器中滤除低于转折频率的低频信号，从而实现高通滤波功能。此时高通滤波器的转折频率为1Hz，高通滤波器的建立时间为105/FS(s);而当HPF为1时，高通滤波器记录的低频信号被冻结，并连续地从抽样滤波器中被扣除，从而实现直流偏移校正功能。与CS5361相连的模拟通道在工作时，可能会产生小的直流偏移，从而影响CS5361性能的发挥。因此，可以利用CS5361内部集成的数字高通滤波器将直流偏移校正掉，现将其工作过程说明如下：
(1) 开通高通滤波器，等待至少105/FS秒的时间以建立高通滤波功能;
(2) 高通滤波器建立后，禁止高通滤波器工作，冻结直流偏移值，此时芯片的输出即为去掉直流偏移后的数据。
应当说明的是：在此过程中，应始终保持CS5361处在正常工作状态。如果CS5361进入低功耗模式，那么高通滤波器中冻结的直流偏移值将被复位，此时若想实现直流偏移校正功能，则必须重复上述过程。
图3
3.5 数据输出格式控制
CS5361的数据输出格式有左对齐格式和I2S格式。通过控制I2S/LJ脚的状态可以选择数据的输出格式。
当I2S/LJ为0时，数据输出格式为左对齐格式;当I2S/LJ为1时，数据输出格式为I2S格式。两种格式的时序图如图3所示。
4 应用
同其它高精度AD转换器一样，CS5361在实际应用时，也应特别注意地线和电源线的布线。设计时必须为VA和VL提供干净的电源，当用VD给CS5361内部的数字滤波器供电时，可以通过一个电阻从VA上获取，也可以直接与系统的逻辑电源相连。而如果VD从VA上获取，则必须保证VD不再给其它数字电路供电。电源退耦电容必须尽可能靠近CS5361，而且应使小容量的电容更靠近ADC。所有信号，特别是时钟信号必须远离FILT+和VQ引脚，接在FILT+和VQ上的退耦电容必须放在与REFGND最近的位置。为了减小数字信号干扰，ADC的数字输出应该只驱动CMOS输入端。图4是CS5361的典型应用电路连接图。
由于ADC只以有限频率采样模拟信号，因此，高于一定频率的信号可能会引起假频信号。另外，由于ADC的输入阻抗有限，因此，在输入端还应加一定带宽的阻抗匹配电路，以改善ADC的性能。
由于ADC参考电压的源阻抗以及外部滤波电容的影响，系统上电后，必须经过一段时间，参考电压才能稳定，因此，必须等待一段时间后才能得到准确的测量结果。另外在实际使用CS5361时，还有以下几点需要注意：
(1)CS5361内部的数字滤波器为线性相移滤波器，因此应根据这一特点对不同频率信号的相位作出校正;
(2)CS5361在开始工作时，由于要等待滤波器稳定，因此在滤波器稳定前可输出2000个左右的无效数据，无效数据的具体个数与操作模式有关，此点应注意;
(3)CS5361从MCLK稳定到第一个数据出现，有一定的延时，延时大小与操作模式有关;
(4)CS5361转换器的四速模式和倍速模式时的信号带宽几乎完全一样，所不同的是四速模式时的输出采样率更高一些，滤波器的通频带也更宽一些，因此在满足采样率要求的前提下，应尽量采用低速操作模式，实际使用发现：CS5361在低速模式时的性能优于高速模式。
(5)利用CS5361的高通滤波器进行直流偏移校正时，它只是去除了做直流标定前通道所产生的直流偏移，而对于在采样进行中产生的偏移，此功能不起作用。
(6)CS5361的数据接口时序在左对齐格式和I2S格式时有很大的差别，这一点在使用时应引起足够的重视。
(7)CS5361通常以2的补码格式交替连续输出两个通道的24位采样数据，其信号满偏电压有效值为2V，这一点对格式变换十分有用。
(8)CS5361的两个通道数据虽然是交替分时输出，但同一组数据的采样时刻却是同步的，它们分别代表同一时刻的两个通道模拟信号的值。
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