Mizuki项目的音频I/O硬件简介 - Theobromine Mark.I

2024-03-24
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Mizuki项目的音频I/O硬件简介: Theobromine Mark.I

注：由于项目仍在开发中，故下文参数可能与最终参数不同。
与此项目有关的文章见Tags:Mizuki

特性

  • 768kHz/32bit音频输入，192kHz/24bit音频输出
  • 音频I/O SNR: 110dB
  • 音频输入：
    • 极低噪声与失真的驻极体麦克风前置放大器
    • 支持板载与头戴式耳机集成的麦克风
    • 音频输入具有AGC功能，可在音量不稳定的情况下使用麦克风
    • 独立LINE IN输入
  • 音频输出：
    • 1路带放大器的立体声耳机输出+1路带放大器的单声道扬声器输出
    • 耳放：16Ω/140mW，最小THD+N为0.007%
    • 扬声器放大器：3Ω/2.4W，最小THD+N为0.02%
  • 灵活的时钟配置：
    • 可由外部MCU/FPGA或板载时钟发生器产生系统时钟与I2S采样时钟
    • 板载时钟发生器支持48000/44100两种采样率体系的时钟，采样率为8kHz~192kHz
    • 理论上极低的时钟抖动
  • I2S输入输出
  • 通过PMOD接口连接到FPGA/MCU
  • 可从PMOD接口直接取电（不推荐）或外接5V电源从而支持系统工作

简介

Theobromine Mark.I是为Project Mizuki设计的高性能音频I/O系统，采用PMOD接口，I2S总线输入/输出，可作为各类FPGA/MCU的音频I/O模块。此系统支持板载或头戴式耳机集成的驻极体麦克风输入，并配备了高性能麦克风前置放大器。此外，系统提供了一路独立的LINE IN输入。系统输入端支持8kHz~768kHz的多种常用采样率，时钟发生系统支持44100/48000两种体系的采样率序列，采样位宽为32bit。
系统输出端支持8kHz~192kHz的多种采样率，同样兼容44100/48000两种采样率体系。提供两路音频输出，其中一路为耳放立体声输出，支持16Ω以上的耳机；另一路为单声道扬声器放大器，支持阻抗低至3Ω的喇叭。
整个系统由STM32G0 MCU进行控制。用户可通过SPI接口或板载的开关来对系统进行统一配置。
由于用的解决方案可能不是那么好所以不敢说自己是Hi-Fi，只能叫Quasi-HiFi了

架构

音频系统架构

板载或耳机集成的驻极体麦克风通过偏置电路输入到前端放大TIA中，放大后的信号由ADC采集。LINE IN输入通过缓冲器输入到ADC。TIA与缓冲器均采用OPA1652 SoundPlus(TM) FET输入放大器实现。ADC为BB的TLV320ADC3120，其SNR为106dB，THD+N为-95dB，支持8kHz~768kHz的多种常见采样率，并具有AGC等实用功能，信号通过I2S总线输入到FPGA/MCU等后端设备。
来自I2S总线的音频信号输入到立体声音频DAC PCM1789。PCM1789的SNR为113dB，THD+N为-94dB，支持8kHz~192kHz的多种采样率。DAC的输出通过OPA1612 SoundPlus(TM)运放构成的MFB低通滤波器输入到立体声耳放与扬声器功放。耳放为TI的TPA6133A2，支持最低16Ω的耳机，最大输出功率140mW，最小THD+N仅为0.007%。左声道信号被引出提供给TPA6211A1扬声器功放，支持最低3Ω的扬声器，最大输出功率2.4W，THD+N低至0.07%。

时钟架构

此系统由两个有源晶振提供时钟源：24.576M(48000体系)与22.5792M(44100体系)。系统时钟可由板载时钟发生器产生或由接入的FPGA/MCU产生。板载的CDCE913时钟发生器仅作为分频器使用，用于产生I2S的SCLK与音频系统的主时钟。考虑到时钟抖动对精密ADC的影响，此系统未使用市面上常见的小数PLL型任意时钟发生器而是直接采用分频器产生时钟。

电源

此系统可通过外部输入5V电源或从PMOD接口提供的+3.3V电源取电(然而由于开发板供电能力的不确定性，还是建议从外部提供稳定的电源)。3.3V或5V电源通过LTM4661 Boost uModule升压到6V，再通过两个TPS7A9201 LDO产生+5V与+3.3V的模拟电源。系统的+3.3V数字电源直接取自PMOD接口。

参数

由于系统尚未进行测试，故此处无法给出任何参数。