基于WM8741的音频解码器设计

摘要：介绍高性能音频数模转换器件WM8741的基本特性。设计一种基于WM8741及数字音频接收器件CS8416的音频解码电路，并给出CS8416与WM8741的接口设计。该解码器由数字音频接收、数模转换以及模拟信号调理等模块组成，最高支持字长为24位、频率为192 kHz的数字音频信号输入。
关键词：音频解码；数模转换；WM8741；CS8416；I2S

1 引言
    音频解码器广泛应用于日常生活中。不同应用场合对音频解码器性能的要求差异很大。而影响音质的因素有多种，如音频编码格式、传输方式、编解码器件的性能等。数模转换是解码电路的关键部分，其性能高低直接影响声音回放质量。为了获得高质量的模拟声音信号，这里设计一种基于高性能立体声数模转换器WM8741的音频解码器设计方案，该系统支持高达24位、192 kHz的数字音频信号解码，还支持其他多种速率的标准数字音频信号的输入。

2 WM8741简介
    WM8741是Wolfson微电子公司生产的一款针对高端音频应用的高性能立体声数模转换器，可应用于专业音频系统、家庭影院、A／V接收设备、CD／DVD播放器等。其内部具有抖动数字内插值滤波器、精细分辨率音量控制和数字去加重功能、1个多比特∑-△调制器以及带有差动电压输出的开关电容多位电路级。特有的可编程配置的高级数字滤波器允许用户灵活选择群延时、相位延迟、脉冲响应等。音频输入接口支持I2S、Left-justifted、Right-justified和DSD格式。当以PCM信号输入时，器件能够接收字长度16～32位，采样转换速率32～192 kHz。该器件具有硬件和软件两种控制方式，并通过外部引脚进行切换选择。软件控制模式下，外部CPU通过2线或3线方式访问其内部所有寄存器并设置参数。WM8741的信噪比达128 dB(单声道)，动态范围达125 dB，通道分离度达130 dB，电源抑制比可达-80 dB(100 mVpp，l kHz)。转换后的模拟电压采用差动方式输出。WM8741的数字部分的供电电压为3．0～3．6 V，额定工作电压为3．3 V；模拟部分的工作电压为4．5～5．5 V．额定工作电压为5．0 V。该器件采用28引脚SSOP封装。

3 解码器硬件设计
3．1 硬件组成
    图1是该解码器硬件结构框图，其中数字音频接收器采用Cirrus Logic公司的高速数字音频接收器CS8416，该器件支持包括S／PDIF在内的多种音频输入，取样频率范围为32～192 kHz。CS8416通过I2S接口与WM8741相连接。I2S总线只处理音频数据，其他控制信号必须单独传输。CS8416的工作原理：接收器把接收到的S／PDIF格式的数字音频数据进行解码转换，同时重建音频数据中的时钟并提供给后续WM8741，音频数据则通过I2S总线接口发送给WM8741。WM8741按照设定的参数完成数模转换后，再以差分形式输出左右通道的模拟音频信号，并经低通滤波器滤除高频谐波噪声，最终得到高质量模拟电压信号。如果输出接口为RCA，还需将差分信号转换为单端信号。

3．2 数字音频信号接收模块
    CS8416是数字音频信号接收电路的核心。在软件控制方式下，MCU通过SPI或I2C接口没置参数。该方式还可灵活更改内部配置。在无MCU时则通过硬件控制方式改变其特定引脚电平实现控制。由于本系统中无MCU，因此采用硬件控制方式。在SDOUT引脚上用一只47 kΩ电阻下拉至地即可，且引脚AUDIO、RCBL、U、C等不能悬空，必须通过一只47 kΩ电阻上拉至高电平或下拉至低电平，以便系统复位后，CS8416通过检测这些引脚电平决定其工作状态。表1为该系统设计的控制引脚的配置。

     CS8416具有多个可选的音频输入接口。该系统设计是将CS8416的引脚RXSEL1接高电平，引脚RXSEL0接地，选择引脚RXP3作为音频数据输入接口。音频时钟重建通过片上的锁相环(PLL)实现，该锁相环不需要过多地改变外部元件即可在很大范围内锁定输入音频数据中的取样频率Fs。但外接电阻电容组成的滤波电路也会影响其频率变化范围。为了获得一个低抖动的重建时钟，外接滤波器的电阻电容值如图2所示。

3．3 数模转换模块
    WM874l的I2S输入接口与CS8416的输出连接时中间加入100 Ω电阻进行缓冲，如图2所示。WM874l设定硬件控制模式，即通过特定引脚的上拉或下拉状态决定其工作状态，且所有上拉或下拉的电阻均为10 kΩ。该系统设计的WM8741控制引脚设置如表2所示。

    WM874l内部的主时钟检测电路自动确定主时钟MCLK与采样时钟LRCLK关系，并确定最终采样速率。尽管WM8741允许MCLK有一定的相位延迟和抖动，但设计时也应尽量使MCLK与LRCLK同步。数模转换完成后，引脚VOULP、VOULN输出左声道的差分模拟电压信号，引脚VOURP、VOURN输出右声道的差分模拟电压信号。WM8741数字电路部分工作电压为3．3 V，模拟部分电源电压为5 V。所有电源引脚都连接一只10μF钽电容和一只0．1μF陶瓷电容进行去耦滤波。数字地与模拟地之间通过一个磁珠连接，以减弱干扰。
3．4 模拟信号调理模块
    WM8741输出的模拟信号中夹杂高次谐波分量，因此需经低通滤波滤除高频噪声，进而得到较为纯净的模拟信号。滤波电路采用LM4562型运算放大器。对于数模转换电路，在D／A转换器的后面需采用3阶滤波器才能达到防混叠要求。由LM4562外加电阻电容组成的三阶巴特沃斯低通滤波器，如图3所示。滤波器是单位增益，通频带内平坦度好。经滤波后的信号可直接作为解码器的平衡信号输出。当以RCA接口输出时，还需把差分信号转换为单端信号，该转换电路是由一片LM4562组成的差动放大电路。单端信号经一只10μF的隔直电容输出到RCA接口。LM4562采用单独的±12 V电源供电。

3．5 设计中应注意的问题
    绘制PCB时应注意合理布局，数字元件与模拟元件应分开放置。CS8416的锁相环的外部滤波电阻电容的布局会影响到音频时钟重建的质量，电容应尽量靠近FILT引脚放置，且最好在同一平面上，附近最好不要有过孔。

4 结束语
    设计实现一个具有24位、192 kHz的采样率的数字音频解码器。该解码器无需MCU控制，电路简单、稳定性高。但由于采用硬件控制模式，电路配置具有一定局限性。如果要进一步增加其功能可增加一片MCU，采用软件控制模式，实现人机交互操作。WM8741优异性能使该解码器输出具有较高的动态范围，极低的噪声，可应用于不同的音频产品。