CN1612484A - 音频数模转换器中的采样频率自动检测器及其使用方法 - Google Patents
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Abstract
一种音频数模转换器中的采样频率自动检测器及其使用方法，在音频数模转换器的硅管芯片上，接CLKIN管脚的时钟管理器的输出外接到一个频率/电压转换器，再与一个外接的电压比较器连接，电压比较器将频率/电压转换器的输出电压与硅管芯片上的参考电压、电流产生器的参考电压比较后判断出频率的高低，再将判断的结果送硅管芯片上的芯片状态机CSM，芯片状态机CSM记录所述的电压比较器的判断结果，并控制所述的时钟管理器的分频系数。本发明不必用专用管脚来设定采样频率的速度模式，也不必通过微控制器写入DAC来设定速度模式，而是采用自动检测采样频率的方法判别用户所用的工作模式，降低了音频数模转换器产品的制造成本。
Description
(1)技术领域
本发明涉及音频数模转换(DAC)领域，尤其是指一种音频数模转换器中的采样频率自动检测器及其使用方法。
(2)背景技术
∑-Δ数据转换技术是一项广泛应用于高精度音频数模转换的技术。利用∑-Δ数据转换技术的音频数模转换器DAC的一个产品典型结构参见图1，音频数模转换器在一个硅管芯片100上，主要由以下模块组成：芯片状态机CSM10，音频串行口(接SDATA，SCLK，LRCK管脚)1，串行控制端口12，音量控制单元2、6，去加重/插值滤波器3、7，多位∑-Δ调节器DSM与动态元件匹配单元DEM4、8，输出放大低通滤波器(接输出AOUTL、AOUTR管脚)5、9，开关(接PDNn管脚)14，零检测器/消音控制器(接MUTE管脚)13，参考电压、电流产生器15以及时钟管理器(接CLKIN管脚)11。其中：
芯片状态机CSM10：控制着芯片正常和省电两种模式转换的开关程序。
音频串行口1：从SDATA/SCLK/LRCK管脚接收许多格式的串行音频信号，从SDATA管脚接收串行数据并转化为并行格式。
串行控制端口12：从SDM1/SPI CLK/SCL、SDM0/SPI DIN/SDA、DEM0/SPI CSn/ADR0管脚设置各种工作模式。
音量控制单元2、6：能够用一种可控方式衰减输入的音频数据。
去加重/插值滤波器3、7、多位∑-Δ调节器DSM和动态元件匹配单元DEM4、8：把高分辨率(典型值是16位到24位)、低采样频率(典型值是8KHz到200KHz)的输入数据转化为低分辨率(典型值是1位到6位)、高采样频率(典型值是输入频率的32到128倍)的数字信号。
输出放大低通滤波器5、9；把上述低分辨率、高采样频率的数字信号转化为模拟信号。
目前，大部分数模转换器需要处理3种采样频率的速度模式：单倍速SS(Single Speed)，采样频率从0KHz到50KHz；双倍速DS(Double Speed)，采样频率从50KHz到100KHz；四倍速QS(Quad Speed)，采样频率从100KHz到200KHz。因此，DAC需要能判别用户需要用哪种工作模式。
一般来说，目前的商用DAC采用两种方法来确定工作模式。一是用专用管脚来设定速度模式，缺点是需要更大的封装，因而增加了生产成本。另一种方法是通过微控制器写入DAC来设定速度模式，这种方式由于需要用户建立微控制器和DAC的接口，所以也增加了生产成本。
(3)发明内容
本发明的目的是为了解决上述现有技术存在的问题，提出一种生产成本低的判别用户所用的采样频率工作模式的音频数模转换器中的采样频率自动检测器及其使用方法。
本发明的目的是这样实现的：
一种音频数模转换器中的采样频率自动检测器，所述的音频数模转换器在一个硅管芯片上，主要由以下模块组成：芯片状态机CSM，接SDATA，SCLK，LRCK管脚的音频串行口，串行控制端口，音量控制单元，去加重/插值滤波器，多位∑-Δ调节器DSM与动态元件匹配单元DEM，输出放大低通滤波器，开关，零检测器/消音控制器，参考电压、电流产生器以及接CLKIN管脚的时钟管理器，其特征在于所述的采样频率自动检测器的结构为：
在所述的的音频数模转换器的硅管芯片上，接CLKIN管脚的时钟管理器的输出外接到一个频率/电压转换器；
所述的频率/电压转换器与一个外接的电压比较器连接；
所述的电压比较器是与所述的硅管芯片上的参考电压、电流产生器相连，所述的电压比较器将频率/电压转换器的输出电压与参考电压、电流产生器的参考电压比较后判断出频率的高低；
所述的电压比较器将判断的结果送到所述的硅管芯片上的芯片状态机CSM；
所述的芯片状态机CSM记录所述的电压比较器的判断结果，并控制所述的时钟管理器的分频系数。
一种如上述音频数模转换器中的采样频率自动检测器的使用方法，其特征包括：
步骤1，芯片状态机CSM设定时钟管理器的分频系数为2n，其中n是一个固定的常数，使CLKIN经时钟管理器产生采样频率为CLKIN/2n，频率/电压转换器将此频率转化为电压；
步骤2，由电压比较器对频率/电压转换器的输出电压与参考电压、电流产生器的参考电压比较后，判断CLKIN是高于还是低于频率f1，f1＝256×50KHz/(1-d％)，其中d％是受PVT影响的值；
步骤3，芯片状态机CSM记录上述CLKIN对于频率f1的判断结果；
步骤4，芯片状态机CSM设定时钟管理器的分频系数为3n，与上述判断流程相同，继续判断此时CLKIN的频率；
步骤5，由电压比较器判断CLKIN是高于还是低于频率f2，f2＝384×50KHz/(1-d％)，其中d％是受PVT影响的值；
步骤6，芯片状态机CSM记录上述CLKIN对于频率f2的判断结果；
步骤7，芯片状态机CSM设定时钟管理器的分频系数为4n，与上述判断流程相同，继续判断此时CLKIN的频率；
步骤8，由电压比较器判断CLKIN是高于还是低于频率f3，f3＝256×100KHz/(1-d％)，其中d％是受PVT影响的值；
步骤9，芯片状态机CSM记录上述CLKIN对于频率f3的判断结果；
步骤10，根据硅管芯片上的CLKIN和LRCK的值，由时钟管理器自动测试得到CLKIN/LRCK比率是128，或是192，或是256，或是384，或是512；
步骤11、根据下表，此时，芯片状态机CSM就判断出用户所用的工作模式是单倍速SS，或是双倍速DS，或是四倍速QS：
表
| 频率检测器的判断 | CLKIN/LRCK比值 | ||||
| 128 | 192 | 256 | 384 | 512 | |
| 低于f1 | 双倍速 | 单倍速 | |||
| 高于f1 | 四倍速 | 双倍速 | |||
| 低于f2 | 双倍速 | 单倍速 | |||
| 高于f2 | 四倍速 | 双倍速 | |||
| 低于f3 | 双倍速 | 单倍速 | |||
| 高于f3 | 四倍速 | 双倍速 |
本发明的效果：
本发明的带有自动检测采样频率的音频数模转换器及其使用方法，不必用专用管脚来设定采样频率的速度模式，也不必通过微控制器写入DAC来设定速度模式，而是采用自动检测采样频率的方法判别用户所用的工作模式，降低了音频数模转换器产品的制造成本。
为进一步说明本发明的上述目的、结构特点和效果，以下将结合附图对本发明进行详细的描述。
(4)附图说明
图1为音频数模转换器DAC产品的结构示意图；
图2为确定不同的速度模式所需测量的频率：
2(a)为CLKIN/LRCK比率是128、256、512时，
2(b)为CLKIN/LRCK比率是192、384时；
图3为考虑到PVT变化和典型的音频检测值时，模拟频率检测器的频率设置：
3(a)为CLKIN/LRCK比率是128、256、512时，
3(b)为CLKIN/LRCK比率是192、384时；
图4为本发明的采样频率自动检测器的结构方块图。
(5)具体实施方式
下面结合附图，对本发明的音频数模转换器中的采样频率自动检测器及其使用方法进行详细说明。
在音频应用环境下，音频数模转换器中的CLKIN/LRCK比率是固定的(参见图1中的音频串行口1和时钟管理器11的管脚)，CLKIN/LRCK比率是由时钟管理器11自动测试得到的，音频数模转换器中的CLKIN/LRCK比率与速度模式的关系如表一：
表一
| 速度模式 | CLKIN/LRCK比率 | ||||
| 128 | 192 | 256 | 384 | 512 | |
| 单倍速(SS) | 可用 | 可用 | 可用 | ||
| 双倍速(DS) | 可用 | 可用 | 可用 | 可用 | 可用 |
| 四倍速(QS) | 可用 | 可用 | 可用 | ||
由表一可知，CLKIN/LRCK比率值得知后，就便于用来测量速度模式。例如，如果CLKIN/LRCK的比率是128时，速度模式是双倍速(DS)或是四倍速(QS)，那么为了确定究竟是双倍速还是四倍速工作模式，我们只需要测量判别CLKIN是大于还是小于128×100KHz＝12.8MHz。判别的原理如下：
上述：单倍速采样频率：从0KHz到50KHz
双倍速采样频率：50KHz到100KHz
四倍速采样频率：从100KHz到200KHz
此时，当CLKIN/LRCK比率是128时，所述的表一所示，要么是双倍速采样频率，要么是四倍速采样频率，而根据上述的倍速与采样频率的范围得知，如果这时测量CLKIN是大于12.8MHz，说明采样频率超过100KHz，则为四倍速工作模式，如果是小于12.8MHz，说明采样频率在100KHz以下，则为双倍速工作模式。
图2完整的列出了确定不同的速度模式所需测量的频率，2(a)为CLKIN/LRCK比率是128、256、512时；2(b)为CLKIN/LRCK比率是192、384时。
所述的采样频率的检测是用电流源、电阻、电容和开关在模拟部分完成的，由于PVT(工艺、电压和温度)的变化，不可能测到单一频率。例如，如果我们设定频率检测器来测量频率fo，假设受PVT影响是+/-d％，那么模拟频率检测器只能测量到低于fo(1-d％)或者是高于fo(1+d％)的频率，而处于fo(1-d％)和fo(1+d％)之间的频率由于PVT变化而测量不到。
在音频应用环境下，48KHz，96KHz和192KHz是典型的采样频率。因此，频率检测器能发现这三个频率是非常重要的。
图3在考虑到PVT变化和典型的音频检测值时，模拟频率检测器的频率设置，2(a)为CLKIN/LRCK比率是128、256、512时；2(b)为CLKIN/LRCK比率是192、384时。
在本实施例中，上述的PVT影响的值d％被设成典型值25％。
所述的采样频率自动检测器需要检测三个频率：please take off
f1＝256×50KHz/(1-d％)
f2＝384×50KHz/(1-d％)
f3＝256×100KHz/(1-d％)
当d％＝25％时，f1＝17MHz，f2＝25.6MHz和f3＝34MHz，如图3所示：
频率检测器需要作出三个判断：
·CLKIN是高于还是低于f1
·CLKIN是高于还是低于f2
·CLKIN是高于还是低于f3
当知道采样频率自动检测器的检测结果，再根据已知的CLKIN/LRCK的比率，采样频率的速度模式可以由表二决定：
表二
| 频率检测器的判断 | CLKIN/LRCK比值 | ||||
| 128 | 192 | 256 | 384 | 512 | |
| 低于f1 | 双倍速 | 单倍速 | |||
| 高于f1 | 四倍速 | 双倍速 | |||
| 低于f2 | 双倍速 | 单倍速 | |||
| 高于f2 | 四倍速 | 双倍速 | |||
| 低于f3 | 双倍速 | 单倍速 | |||
| 高于f3 | 四倍速 | 双倍速 | |||
频率检测器作出这三个判断，有两种方法：一是需要一个固定频率的时钟，和三个不同的参考电压比较；二是和一个固定的参考电压相比较，但需要三种不同频率的时钟。后一方法只需要电压比较器和一个参考电压相比较，因而更精确，面积更小，在实现上存在优势。图4为后一方法的实施例图，即，图4为本发明的采样频率自动检测器的结构方块图。
本发明的采样频率自动检测器的结构为：
在现有的音频数模转换器的硅管芯片100上(图1所示)，接CLKIN管脚的时钟管理器10的输出外接到一个频率/电压转换器16；频率/电压转换器16与一个外接的电压比较器17连接；电压比较器17又与硅管芯片100上的参考电压、电流产生器15相连，所述的电压比较器17将频率/电压转换器16的输出电压与参考电压、电流产生器15的参考电压比较后判断出频率的高低；电压比较器17将判断的结果送到硅管芯片100上的芯片状态机CSM10；芯片状态机CSM10记录电压比较器17的判断结果，并控制时钟管理器的分频系数。
因为f1、f2和f3的比值是固定的，即f1∶f2∶f3＝2∶3∶4，因此我们能够容易地对CLKIN分频，以使得输入频率相对于频率检测器来说是固定的(也就是比较器参考电压固定)，但仍可以作出相同三个频率范围的判断。
本发明的采样频率自动检测器判断频率范围的顺序如下：
1、芯片状态机CSM10设定时钟管理器11的分频系数为2n，其中n是一个固定的常数，使CLKIN经时钟管理器10产生采样频率为CLKIN/2n，频率/电压转换器16将此频率转化为电压。
2、由电压比较器17对频率/电压转换器16的输出电压与参考电压、电流产生器15的参考电压比较后判断CLKIN是高于还是低于f1，f1＝256×50KHz/(1-d％)，其中d％是受PVT影响的值。
3、芯片状态机CSM10记录上述CLKIN对于f1的判断结果。
4、芯片状态机CSM10设定时钟管理器11的分频系数为3n，与上述判断流程相同，继续判断此时CLKIN的频率。
5、由电压比较器17判断CLKIN是高于还是低于f2，f2＝384×50KHz/(1-d％)，其中d％是受PVT影响的值。
6、芯片状态机CSM10记录上述CLKIN对于f2的判断结果。
7、芯片状态机CSM10设定时钟管理器11的分频系数为4n，与上述判断流程相同，继续判断此时CLKIN的频率。
8、由电压比较器17判断CLKIN是高于还是低于f3，f3＝256×100KHz/(1-d％)，其中d％是受PVT影响的值。
9、芯片状态机CSM10记录上述CLKIN对于f3的判断结果。
10、根据硅管芯片100上的CLKIN和LRCK的值，由时钟管理器11自动测试得到CLKIN/LRCK比率是128，或是192，或是256，或是384，或是512。
11、根据上面的表二，此时芯片状态机CSM10就判断出用户所用的工作模式是单倍速SS，或是双倍速DS，或是四倍速QS。
本技术领域中的普通技术人员应当认识到，以上的实施例仅是用来说明本发明，而并非用作为对本发明的限定，只要在本发明的实质精神范围内，对以上所述实施例的变化、变型都将落在本发明权利要求书的范围内。
Claims (2)
1、一种音频数模转换器中的采样频率自动检测器，所述的音频数模转换器在一个硅管芯片上，主要由以下模块组成：芯片状态机CSM，接SDATA，SCLK，LRCK管脚的音频串行口，串行控制端口，音量控制单元，去加重/插值滤波器，多位∑-Δ调节器DSM与动态元件匹配单元DEM，输出放大低通滤波器，开关，零检测器/消音控制器，参考电压、电流产生器以及接CLKIN管脚的时钟管理器，其特征在于所述的采样频率自动检测器的结构为：
在所述的的音频数模转换器的硅管芯片上，接CLKIN管脚的时钟管理器的输出外接到一个频率/电压转换器；
所述的频率/电压转换器与一个外接的电压比较器连接；
所述的电压比较器是与所述的硅管芯片上的参考电压、电流产生器相连，所述的电压比较器将频率/电压转换器的输出电压与参考电压、电流产生器的参考电压比较后判断出频率的高低；
所述的电压比较器将判断的结果送到所述的硅管芯片上的芯片状态机CSM；
所述的芯片状态机CSM记录所述的电压比较器的判断结果，并控制所述的时钟管理器的分频系数。
2、一种如权利要求1所述的音频数模转换器中的采样频率自动检测器的使用方法，其特征包括：
步骤1，芯片状态机CSM设定时钟管理器的分频系数为2n，其中n是一个固定的常数，使CLKIN经时钟管理器产生采样频率为CLKIN/2n，频率/电压转换器将此频率转化为电压；
步骤2，由电压比较器对频率/电压转换器的输出电压与参考电压、电流产生器的参考电压比较后，判断CLKIN是高于还是低于频率f1，f1＝256×50KHz/(1-d％)，其中d％是受PVT影响的值；
步骤3，芯片状态机CSM记录上述CLKIN对于频率f1的判断结果；
步骤4，芯片状态机CSM设定时钟管理器的分频系数为3n，与上述判断流程相同，继续判断此时CLKIN的频率；
步骤5，由电压比较器判断CLKIN是高于还是低于频率f2，f2＝384×50KHz/(1-d％)，其中d％是受PVT影响的值；
步骤6，芯片状态机CSM记录上述CLKIN对于频率f2的判断结果；
步骤7，芯片状态机CSM设定时钟管理器的分频系数为4n，与上述判断流程相同，继续判断此时CLKIN的频率；
步骤8，由电压比较器判断CLKIN是高于还是低于频率f3，f3＝256×100KHz/(1-d％)，其中d％是受PVT影响的值；
步骤9，芯片状态机CSM记录上述CLKIN对于频率f3的判断结果；
步骤10，根据硅管芯片上的CLKIN和LRCK的值，由时钟管理器自动测试得到CLKIN/LRCK比率是128，或是192，或是256，或是384，或是512；
步骤11，根据下表，此时，芯片状态机CSM就判断出用户所用的工作模式是单倍速SS，或是双倍速DS，或是四倍速QS：
表
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| ASS | Succession or assignment of patent right |
Owner name: SUZHOU SHUNXIN SEMICONDUCTOR CO., LTD. Free format text: FORMER OWNER: XINHUA MICROELECTRONICS CO., LTD., SHANGHAI Effective date: 20080118 |
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| C41 | Transfer of patent application or patent right or utility model | ||
| TA01 | Transfer of patent application right |
Effective date of registration: 20080118 Address after: Room 1404, room 8, Lane 180, Key Bridge Road, Shanghai, Xuhui District: 200030 Applicant after: SUZHOU EVEREST SEMICONDUCTOR Co.,Ltd. Address before: F, building 16, Zhonghua Gate building, No. 520, Shanghai, Yishan Road, China: 200233 Applicant before: AIC Microsystems Co.,Ltd. |
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| C14 | Grant of patent or utility model | ||
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Granted publication date: 20080709 |
|
| CX01 | Expiry of patent term |