利用WM8741的音频解码器设计方案

一、引言

音频解码器在现代生活中应用广泛，无论是专业音频系统、家庭影院，还是A/V接收设备、CD/DVD播放器，都离不开高质量的音频解码器。音频解码器的性能直接影响声音回放的质量，因此设计一个高性能的音频解码器至关重要。本文将详细介绍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。

二、WM8741概述

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（DAC）。该器件支持高达24位、192kHz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。WM8741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Σ-Δ调制器以及带有差动电压输出的开关电容多位电路级。其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。

WM8741的音频输入接口支持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32～192kHz。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。在软件控制模式下，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128dB（单声道），动态范围达125dB，通道分离度达130dB，电源抑制比可达-80dB（100mVpp，1kHz）。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3.0～3.6V，额定工作电压为3.3V；模拟部分的工作电压为4.5～5.5V，额定工作电压为5.0V。该器件采用28引脚SSOP封装。

三、主控芯片型号及作用

在本音频解码器设计方案中，主要使用了WM8741作为数模转换器（DAC），同时配合了CirrusLogic公司的高速数字音频接收器CS8416。下面详细介绍这两个芯片的型号及其在设计中的作用。

1. WM8741

型号：WM8741

作用：

WM8741作为本方案的核心数模转换器，负责将接收到的数字音频信号转换为高质量的模拟音频信号。其高性能的立体声数模转换能力保证了声音的高保真回放。WM8741支持多种音频输入格式，包括PCM、I2S、Left-justifted、Right-justified和DSD等，能够适应不同的音频输入需求。

WM8741内部的高级数字滤波器允许用户灵活配置，从而优化音频信号的群延时、相位延迟和脉冲响应等参数，进一步提高音频质量。同时，WM8741还具有精细分辨率的音量控制和数字去加重功能，能够进一步改善音频信号的动态范围和信噪比。

WM8741的差动电压输出方式能够减少输出信号的干扰，提高信号的稳定性和纯净度。此外，WM8741还具有高容忍度时钟抖动的能力，能够确保在时钟抖动较大的情况下仍然能够输出高质量的模拟音频信号。

2. CS8416

型号：CS8416

作用：

CS8416是CirrusLogic公司生产的高速数字音频接收器，负责接收和解码数字音频数据。该器件支持包括S/PDIF在内的多种音频输入格式，取样频率范围为32～192kHz。CS8416通过I2S接口与WM8741相连接，将解码后的音频数据发送给WM8741进行数模转换。

CS8416内部具有锁相环（PLL）电路，能够重建音频数据中的时钟，并提供给后续WM8741使用。这确保了音频数据的同步性和稳定性。同时，CS8416还支持多种音频输入接口的选择，通过配置相应的引脚可以实现不同的音频输入模式。

在硬件设计方面，CS8416的引脚配置灵活，可以通过外部电阻和电容等元件进行滤波和调节，以优化音频时钟的重建质量。此外，CS8416还具有多种控制模式，包括硬件控制模式和软件控制模式，可以根据具体需求进行选择。

四、详细设计方案

1. 系统框图

本系统主要由数字音频接收器CS8416、数模转换器WM8741以及低通滤波器组成。数字音频接收器CS8416负责接收和解码数字音频数据，并将解码后的音频数据通过I2S接口发送给WM8741。WM8741根据设定的参数完成数模转换，然后以差分形式输出左右通道的模拟音频信号。模拟音频信号经过低通滤波器滤除高频谐波噪声后，得到高质量的模拟电压信号。

2. 硬件设计

（1）数字音频接收器CS8416

CS8416作为数字音频信号接收电路的核心，负责接收和解码S/PDIF格式的数字音频数据。其工作原理是将接收到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使用。音频数据则通过I2S总线接口发送给WM8741进行数模转换。

在硬件设计方面，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，需要合理选择外接滤波器的电阻电容值。

（2）数模转换器WM8741

WM8741作为本方案的核心数模转换器，其硬件设计主要包括电源供电、控制引脚配置以及差分输出等部分。

WM8741的数字部分供电电压为3.3V，模拟部分供电电压为5.0V。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，以确保电源的稳定性。

WM8741的控制引脚配置灵活，可以通过硬件或软件方式进行控制。在本方案中，采用硬件控制方式，即通过特定引脚的上拉或下拉状态决定其工作状态。所有上拉或下拉的电阻均为10kΩ。

WM8741的差分输出引脚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。差分输出方式能够减少输出信号的干扰，提高信号的稳定性和纯净度。

（3）低通滤波器

为了滤除WM8741输出的模拟信号中的高次谐波分量，需要采用低通滤波器进行滤波。本方案采用LM4562型运算放大器外加电阻电容组成的三阶巴特沃斯低通滤波器。该滤波器具有单位增益和通频带内平坦度好的特点，能够满足滤波要求。

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，还需将差分信号转换为单端信号。该转换电路由一片LM4562组成的差动放大电路实现。单端信号经一只10μF的隔直电容输出到RCA接口。

3. 软件设计

在本方案中，虽然主要采用硬件控制方式，但软件设计部分仍然非常重要。软件设计主要包括初始化配置、参数设置以及状态监控等部分。

在初始化配置阶段，需要配置CS8416和WM8741的相关寄存器，以确保其正常工作。这包括设置音频输入格式、采样率、滤波器参数等。

在参数设置阶段，需要根据具体需求调整CS8416和WM8741的相关参数，以优化音频质量。例如，可以调整WM8741的音量控制、数字去加重功能等参数。

在状态监控阶段，需要实时监控CS8416和WM8741的工作状态，以确保其稳定运行。例如，可以监控CS8416的锁相环状态、WM8741的输出电压等参数。

五、结论

本文介绍了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。该方案采用CirrusLogic公司的高速数字音频接收器CS8416作为数字音频信号接收电路的核心，配合WM8741完成数模转换和低通滤波等处理，最终得到高质量的模拟音频信号。

WM8741作为本方案的核心数模转换器，其高性能的立体声数模转换能力和灵活的配置选项确保了音频质量的高保真回放。CS8416作为数字音频信号接收电路的核心，其稳定的时钟重建能力和多种音频输入接口的选择使得该方案能够适应不同的音频输入需求。

通过合理的硬件设计和软件配置，本方案能够实现高质量的音频解码和回放。该方案可以应用于专业音频系统、家庭影院、A/V接收设备、CD/DVD播放器等多种场合，为音频爱好者提供高品质的音频体验。