利用WM8741的音頻解碼器設計方案

一、引言

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

二、WM8741概述

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

WM8741的音頻輸入接口支持I2S、Left-justifted、Right-justified和DSD格式。當以PCM信號輸入時，器件能夠接收字長度16～32位，采樣轉換速率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線方式訪問其內部所有寄存器并設置參數。

WM8741的信噪比達128dB（單聲道），動態(tài)范圍達125dB，通道分離度達130dB，電源抑制比可達-80dB（100mVpp，1kHz）。轉換后的模擬電壓采用差動方式輸出。WM8741的數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

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

1. WM8741

型號：WM8741

作用：

WM8741作為本方案的核心數模轉換器，負責將接收到的數字音頻信號轉換為高質量的模擬音頻信號。其高性能的立體聲數模轉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，能夠適應不同的音頻輸入需求。

WM8741內部的高級數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等參數，進一步提高音頻質量。同時，WM8741還具有精細分辨率的音量控制和數字去加重功能，能夠進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量的模擬音頻信號。

2. CS8416

型號：CS8416

作用：

CS8416是CirrusLogic公司生產的高速數字音頻接收器，負責接收和解碼數字音頻數據。該器件支持包括S/PDIF在內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，將解碼后的音頻數據發(fā)送給WM8741進行數模轉換。

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

在硬件設計方面，CS8416的引腳配置靈活，可以通過外部電阻和電容等元件進行濾波和調節(jié)，以優(yōu)化音頻時鐘的重建質量。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，可以根據具體需求進行選擇。

四、詳細設計方案

1. 系統框圖

本系統主要由數字音頻接收器CS8416、數模轉換器WM8741以及低通濾波器組成。數字音頻接收器CS8416負責接收和解碼數字音頻數據，并將解碼后的音頻數據通過I2S接口發(fā)送給WM8741。WM8741根據設定的參數完成數模轉換，然后以差分形式輸出左右通道的模擬音頻信號。模擬音頻信號經過低通濾波器濾除高頻諧波噪聲后，得到高質量的模擬電壓信號。

2. 硬件設計

（1）數字音頻接收器CS8416

CS8416作為數字音頻信號接收電路的核心，負責接收和解碼S/PDIF格式的數字音頻數據。其工作原理是將接收到的數字音頻數據進行解碼轉換，同時重建音頻數據中的時鐘并提供給后續(xù)WM8741使用。音頻數據則通過I2S總線接口發(fā)送給WM8741進行數模轉換。

在硬件設計方面，CS8416的引腳RXSEL1接高電平，引腳RXSEL0接地，選擇引腳RXP3作為音頻數據輸入接口。音頻時鐘重建通過片上的鎖相環(huán)（PLL）實現，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鎖定輸入音頻數據中的取樣頻率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）數模轉換器WM8741

WM8741作為本方案的核心數模轉換器，其硬件設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。當以RCA接口輸出時，還需將差分信號轉換為單端信號。該轉換電路由一片LM4562組成的差動放大電路實現。單端信號經一只10μF的隔直電容輸出到RCA接口。

3. 軟件設計

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

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

在參數設置階段，需要根據具體需求調整CS8416和WM8741的相關參數，以優(yōu)化音頻質量。例如，可以調整WM8741的音量控制、數字去加重功能等參數。

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。

五、結論

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

WM8741作為本方案的核心數模轉換器，其高性能的立體聲數模轉換能力和靈活的配置選項確保了音頻質量的高保真回放。CS8416作為數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不同的音頻輸入需求。

通過合理的硬件設計和軟件配置，本方案能夠實現高質量的音頻解碼和回放。該方案可以應用于專業(yè)音頻系統、家庭影院、A/V接收設備、CD/DVD播放器等多種場合，為音頻愛好者提供高品質的音頻體驗。