深度剖析ADAU1442/ADAU1445/ADAU1446数字音频处理器

在音频处理领域，数字音频处理器（DSP）扮演着至关重要的角色。Analog Devices公司的SigmaDSP数字音频处理器ADAU1442/ADAU1445/ADAU1446以其卓越的性能和灵活的配置，为音频系统设计带来了新的可能性。本文将深入探讨这三款处理器的特性、应用、工作原理等方面，为电子工程师提供全面的参考。

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一、产品概述

ADAU1442/ADAU1445/ADAU1446均为增强型音频处理器，能够灵活地路由所有输入和输出信号。其SigmaDSP内核具有28位处理能力（双精度模式下为56位），支持同步加载参数以确保滤波器稳定，还能利用SigmaStudio工具实现100%编码效率。这三款处理器的主要区别在于ASRC功能和封装，ADAU1442/ADAU1445内置16通道ASRC，采用TQFP封装；ADAU1446不含ASRC，采用LQFP封装。此外，它们处理时钟域的能力也有所不同，ADAU1442可处理9个时钟域，ADAU1445可处理3个，ADAU1446只能处理1个。

二、产品特性

控制接口与自引导

支持I2C和SPI控制接口，可独立操作。还能从串行EEPROM自引导，为系统设计提供了更多的灵活性。

音频处理性能

完全可编程的音频数字信号处理器，能改善声音处理性能。具备4通道、10位辅助控制ADC和多用途引脚，可用于数字控制和输出。同时，可轻松实现第三方算法，利用SigmaStudio图形编程工具开发自定义信号流程。

时钟与电源管理

SigmaDSP内核频率为172 MHz，每个样本指令数为3584（48 kHz）。拥有4k参数RAM和8k数据RAM，片内调节器可从3.3 V电源产生1.8 V，满足不同的电源需求。

音频路由矩阵

灵活的音频路由矩阵（FARM）支持24通道数字输入和输出，最多包含8个立体声异步采样速率转换器（采样比范围为1:8至7.75:1，动态范围为139 dB），可有效解决音频系统中的信号路由和时钟问题。

三、技术规格

模拟性能

辅助模拟输入分辨率为10位，满量程模拟输入为AVDD V，积分非线性（INL）为 -2.3 至 +2.3 LSB，微分非线性（DNL）为 -2.0 至 +2.0 LSB，增益误差为 -2.0 至 +2.0 LSB，输入阻抗为200 kΩ，采样速率为fCORE/896 kHz。

电源参数

模拟电压（AVDD）范围为2.97至3.63 V，数字电压（DVDD）范围为1.62至1.98 V，PLL电压（PVDD）范围为2.97至3.63 V，IOVDD电压范围为2.97至3.63 V。不同器件在不同程序下的数字电流有所差异，如ADAU1442典型程序下为335 mA，最简程序下为115 mA。

异步采样速率转换器

动态范围为139 dB（A加权，20 Hz至20 kHz），I/O采样速率为6至192 kHz，I/O采样速率比为1:8至7.75:1，总谐波失真加噪声（THD + N）为 -133 至 -120 dB。

四、工作原理

系统框图

ADAU1442/ADAU1445/ADAU1446的系统框图展示了其各个模块的连接和信号流程。包括I2C/SPI控制接口、自引导模块、辅助ADC、振荡器、PLL、1.8V调节器、SigmaDSP内核、S/PDIF接收器和发射器、灵活的音频路由矩阵等。

初始化

上电时，器件有初始化周期，以锁定PLL和初始化寄存器的值。初始化时间取决于XTALI引脚处的信号输入频率和PLL分频器设置。在初始化完成之前，不应通过控制端口写入新值。

主时钟和PLL

可使用片上振荡器产生主时钟，但需连接外部晶振。PLL能从64 × fS、128 × fS、256 × fS、384 × fS或512 × fS的输入产生内核的内部主时钟，其中fS是正常速率处理模式下的音频采样速率。

电压调节器

芯片内置片上电压调节器，可用于没有1.8 V电源但有3.3 V电源的系统。所需外部元件仅为一个PNP晶体管和一个电阻。

SRC群延迟

采样速率转换器的群延迟取决于输入和输出采样频率，计算公式为：当fS_OUT > fS_IN时，GDS = 16/fS_IN + 32/fS_IN；当fS_OUT < fS_IN时，GDS = 16/fS_IN + (32/fS_IN) × (fS_IN/fS_OUT)。

五、控制端口

控制模式

有I2C控制模式、SPI控制模式和自引导模式（无外部控制器）。可通过设置控制端口对除只读外的所有存储器和寄存器执行全面的读写操作。

I2C端口

支持2线串行（I2C兼容）微处理器总线，ADAU1442/ADAU1445/ADAU1446始终是总线上的从机。通过设置ADDRx引脚可确定从机地址，支持单字和突发模式读写操作。

SPI端口

默认采用I2C模式，通过将CLATCH引脚拉低三次可切换至SPI控制模式。使用4线接口，支持单字和突发模式读写操作。

自引导

上电时，若SELFBOOT引脚设为高电平，器件可从外部EEPROM加载程序和参数。所需最大EEPROM空间为40,960字节或40 kB。

六、串行数据输入/输出

端口设置

灵活的串行数据输入和输出端口可设置为2通道格式（通常为I2S格式）、压缩TDM4或标准4、8或16通道TDM流格式。数据以二进制补码、MSB优先格式处理。

时钟域

提供12个时钟域，其中三个专用于串行数据输入端口，三个专用于串行数据输出端口，六个可分配给输入或输出端口。每个时钟域可作为主机或从机，LRCLK和BCLK引脚为双向引脚。

模式和设置

通过设置串行输入和输出模式寄存器，可控制时钟极性、时钟频率、时钟类型和数据格式。同时，还支持不同的字长和MSB位置设置。

七、灵活的音频路由矩阵（FARM）

路由功能

可在串行输入、串行输出、ASRC、S/PDIF接收器和发射器以及DSP内核之间分配音频信号，简化复杂系统的设计。

输入通道分配

串行输入端口的信号通过输入通道自动分配模块分解成12个立体声音频通道对。输入通道可路由至ASRC进行采样速率转换，以确保信号与同一时钟同步。

输出通道分配

输出通道自动根据流中所需的通道数量分配给相应的连续串行输出端口。用户可通过选择不同的输出模式，以所需格式输出数据。

八、异步采样速率转换器（ASRC）

模式和设置

通过设置ASRC模式寄存器，可控制ASRC的锁定状态、静音和输出速率。每个采样速率转换器对都可实现静音，且静音通过音量调节实现，无爆音与咔嚓声。

功能应用

可转换异步信号，以便在DSP中进行处理。可将ASRC置于DSP之前和之后，实现不同的采样速率转换需求。

九、DSP内核

架构与特性

内核由28/56位乘加单元（MAC）和数据源、系数源组成。专门针对音频处理设计，包含硬件分贝转换和音频专用ROM常数等特性。

信号处理

支持立体声或多声道回放系统常用的全部信号处理功能，信号处理流程可利用SigmaStudio软件设计。采用完整的56位双精度算法编码，内部增益最高达24 dB而不会削波。

编程与控制

上电时不加载默认程序，每个音频采样有3584个指令。可通过降低每个采样的指令数，接受双倍速率或四倍速率输入。利用SigmaStudio可轻松编程，无需编写DSP代码。

十、可靠性

CRC模式和设置

循环冗余校验（CRC）会持续检查程序RAM内容的有效性。编译程序时，SigmaStudio会产生32位散列和，写入相应寄存器并使能CRC。每隔4096个帧，IC会产生自身的32位代码并进行比较，若不匹配则将MP引脚设为高电平。

看门狗模式和设置

程序计数器看门狗用于监测内核执行模块处理。若程序计数器达到看门狗值寄存器中设置的32位值，会标记错误并向多用途引脚发送高电平信号。

十一、RAM

程序RAM

包含43位操作代码，正常速率信号的单个帧范围内可执行3584个指令。利用优化算法和跳转命令可使用更多程序空间。

参数RAM

包含DSP内核中运行的算法所需的所有28位值，SigmaStudio会自动分配前八个位置给安全加载参数。

数据RAM

存储内核必须通过一个以上帧来访问的音频数据，采用基于软件的模方案，可由程序员控制。

十二、S/PDIF接收器和发射器

接收器功能

片内集成S/PDIF数据端口，输入端口可接受TTL和双极性信号。由于S/PDIF输入数据可能与DSP内核不同步，必须通过ASRC路由。支持的采样速率范围为32 kHz至108 kHz，能对音频数据进行解码并发送到ASRC和DSP内核，其余数据直接传送至发射器。

发射器功能

能够以内核速率直接从DSP内核输出两个通道的音频数据，但不能保留或输出以S/PDIF输入流形式编码的非音频信息。

模式和设置

通过设置S/PDIF模式寄存器，可控制接收器的读取辅助输出、发射器的开关、通道状态读取、字长控制等功能。

十三、多用途引脚

功能配置

具有12个多用途引脚，可用作数字通用输入/输出（GPIO）或4通道辅助ADC的输入。每个引脚通过4位模式控制，可配置为数字输入、输出或辅助ADC的模拟输入。

模式和设置

通过多用途引脚控制寄存器和多用途引脚值寄存器，可设置引脚的模式和读取/写入输入/输出数据。

十四、辅助ADC

功能特点

内置10位辅助ADC，可用于控制输入信号。有四个多路复用输入，采样速率为fCORE/896，每个通道的有效采样速率为fCORE/3584。

模式和设置

通过设置ADC滤波器模式寄存器，可选择滤波器旁路、ADC数据滤波、1位迟滞滤波或2位迟滞滤波等模式。

十五、与其它器件接口

驱动强度设置

可通过位时钟PAD强度寄存器、帧时钟PAD强度寄存器、多用途引脚PAD强度寄存器、串行数据输出PAD强度寄存器和其它Pad强度寄存器，设置各个引脚的驱动强度。默认的2 mA设置适合大多数应用，仅当信号完整性受到影响时，才使用6 mA设置。

灵活TDM模式

支持灵活TDM模式，允许与各种数字音频器件接口。通过设置灵活TDM至输入通道模式寄存器和串行输出灵活TDM接口模式寄存器，可实现灵活的TDM数据路由。

十六、软件特性

软件安全加载

采用软件安全加载机制，可实时更新参数并避免输出上出现爆音和咔嚓声噪声。SigmaStudio会自动设置新项目的必要代码和参数，安全加载代码与其它初始化代码填充程序RAM的前36个位置。

软件压摆

SigmaStudio中的一些算法实现了软件压摆功能，可避免信号处理参数值突然变化导致的音频输出爆音和咔嚓声。压摆参数可遵循RC型曲线和线性曲线等。

十七、全局RAM和寄存器映射

详细列出了所有RAM和寄存器的地址、名称、读/写字长等信息，方便工程师进行编程和配置。

十八、应用信息

布局建议

每个模拟、数字、PLL电源/地对都推荐使用100 nF旁路电容，晶振电路走线应尽可能短，应用布局中应使用单一接地层，模拟信号路径中的元件应远离数字信号放置。

典型应用原理图

提供了自引导、I2C控制和SPI控制三种典型应用的原理图，为工程师的设计提供参考。

十九、订购指南

介绍了三款处理器的不同型号、温度范围、封装描述和封装选项，以及相应的评估板信息。

ADAU1442/ADAU1445/ADAU1446数字音频处理器以其丰富的功能和灵活的配置，为音频系统设计提供了强大的支持。电子工程师在设计音频系统时，可根据具体需求选择合适的型号，并结合其特性和技术规格进行合理的设计和配置。你在使用这些处理器的过程中，遇到过哪些挑战呢？欢迎在评论区分享你的经验和见解。