作者：数字站
概述
WM8731是集成耳机驱动器的低功耗立体声编解码器，有2路24位的ADC及DAC，支持16~32位的数字音频输入字长和8kHz~96kHz的采样速率，芯片结构框图如下所示。
上半部分包含四个配置寄存器相关的信号，下边中间包含5个I2S协议传输数据的信号，下边左侧是外部主时钟输入端口，左侧包含两路音频输入信号，右侧包含左右两声道的音频输出信号。
图1 芯片结构框图
该芯片有两路音频输入，一路音频输出，其中MICN是麦克风输入，信号进入芯片沿天蓝色信号经过可编程放大器（放大0~20db）后接入两路ADC输入，如果启用侧音模式，则不会进入ADC，而是经过紫色走线直接传输到输出管脚的位置，实现音频信号的环回。
MICN输入时，两个ADC采集的数据是相同的。如果音频从RLINEN/LLINEN输入，则两个ADC采集传输左右双声道的不同数据，在环回模式下同样会绕过ADC，直接叠加在DAC输出上。
该芯片包含SSOP-28和QFN-28两种封装形式，如下所示。
图2 芯片封装
该芯片对应模块的原理图如下所示，右侧是两路音频输入（使用时只能选择其中一路）和一路音频输出，左侧是配置内部寄存器端口信号、I2S接口部分和时钟输入部分。
图3 模块原理图
对应的模块如下图所示，其中蓝色是RLINEN/LLINEN音频输入座子，粉红色是麦克风音频输入座子，青色是音频输出座子。
图4 WM8371模块
该芯片只有11个9位寄存器。后续会讲解每个寄存器的使用，及对应的电路设计，从而分析出原理图的设计思路和后续配置寄存器参数的参考规则。
详解寄存器
首先需要了解如何配置内部寄存器，WM8371提供了两种总线配置方式，MODE管脚为低电平时，选用I2C总线配置内部寄存器，对应时序如下所示。
图5 I2C时序
当MODE为高电平时，选用三线模式配置内部寄存器，WM8371在SCLK上升沿采集SDIN的数据，在CSB上升沿锁存16位数据，高7位数据为寄存器地址，低9位是写入寄存器的数据。
图6 三线模式时序
由图3原理图知，该模块的MODE接地，因此只能使用I2C时序配置内部寄存器，前文详解过I2C时序，本文不再赘述，点击查看。
注意在使用I2C时序配置内部寄存器时，CSB作为I2C器件地址的最低位，即同一I2C总线上最多可以挂两个WM8731，通过CSB不同状态进行区分。I2C器件地址如下所示。
图7 I2C器件地址
左右声道线路寄存器（reg0 & reg1）
该部分芯片外部电路设计如下图所示，左右两个声道的输入电压经过4.7KΩ分压后输入到管脚中（一般的CD播放器输出电压幅值为2V，而芯片ADC的输入电压范围为1V）。隔直电容C43和C42，与WM8371输入电阻构成一个高通滤波器。
图8 左右声道输入电路
信号进入WM8371后，需要经过下图的放大电路，该电路放大倍数可以通过寄存器在+12dB至–34.5 db范围内以1.5dB步进进行调整。AVDD = 3.3V时，ADC满量程输入为1V，可以通过调整该电路的放大倍数让输入电压在ADC允许的范围内，防止失真。
图9 线路输入原理图
通过设置寄存器0、寄存器1的低5位数据来调整左、右声道电路的放大倍数，默认值为5’b10111，不放大。5’b11111表示将输入信号放大12db后接入ADC，5’b00000表示将输入信号衰减34.5db后接入ADC，如下图所示。
第7位LINMUTE用于控制是否将左、右声道的两路输入信号接入ADC，注意此处设置为0只能限制左右声道输入不能进入ADC，但依旧能够在回环模式下叠加到DAC的输出线路上。
图10 左右声道输入路径寄存器设置
两个声道可以单独设置为放大倍数。如果两个通道使用相同参数，则可以将第8位拉高，之后配置其中一个通道后，另一个通道也会使用相同参数，减少寄存器配置的次数。
耳机放大器（reg2 & reg3）
耳机的输出电路如下图所示，隔直电容C47、C59将RHPOUT、LHPOUT的直流与耳机隔离。下拉电阻R122、R123让C47、C59放电，防止耳机连接处的电压上升到可能损坏耳机的水平。
图11 耳机输出电路
DAC输出信号经过下图的放大电路后到达HPOUT端口，可以通过内部寄存器调整左、右两声道DAC输出放大器的放大倍数，进而调整两个耳机的音量。
图12 耳机放大器原理图
对应的寄存器如下所示，低7位数据用于调整左、右两声道输出放大器的放大倍数，调整范围是-73db至+6db，调整步进位1db，默认0db（不放大）。
图13 左右声道输出路径寄存器设置
左、右声道还可以启用各自的过零检测器，通过第7位配置。两个声道可以独立不同配置参数，也可以通过启用第8位使两个通道使用同一套参数，减少寄存器配置次数。在使用使，这两个寄存器可以保持默认值。
模拟音频路径控制（reg4）
麦克风音频输入的电路图如下所示，R121和R124构成偏置网络的一部分，只有需要偏置电压的驻极体话筒才需要连接到MICBIAS的R124。R121应始终存在，防止麦克风输入充电到高电压损坏连接的麦克风。C46与麦克风的源阻抗和MICIN的输入阻抗构成RF滤波器。
图14 麦克风输入电路
MICBIAS输出提供低噪声基准电压，MICBIAS生成电路如下图所示，由于MICBIAS的最大电流能力为3mA，外部偏执电阻R124和R121的阻值不能太小。
图15 麦克风偏置示意图
麦克风信号进入WM8371后，需要经过下图所示电路才能进入ADC，同样可以调整放大倍数（音量）。下图包含两个反相运算放大器电路，第一级放大电路的增益为G1 = 50KΩ / (R120 + 10kΩ)。由于图14中R120为330Ω，则第一级放大电路的放大倍数约等于5倍。
图16 麦克风输入原理图
通过调整R120的阻值来调整第一级放大电路增益，调整范围-6db至14db。第二级可以配置为0db或者20db增益，因此可以满足–6dB至34dB范围内输入信号的所有增益。
寄存器4的第0位用于设置麦克风输入的第二级启用或禁用20db增益，第1位用于控制是否将麦克风管脚的输入信号接入ADC。
图17 麦克风输入软件控制
WM8371内部的ADC的原理图如下所示，输入可以来自麦克风音频输入管脚，也可以来自左、右两声道音频线路输入管脚，通过寄存器4的第2位进行配置。
图18 ADC原理图
如下图所示，寄存器4的第2位配置为高电平时，选择麦克风音频输入接入ADC，否则选择左、右声道的音频输入接入到ADC。
图片图19 ADC软件控制
该寄存器还用于设置麦克风音频输入和左右声道输入回环及DAC输出使能，如下图所示。注意这三路输出是叠加的，因此在选用其中一路时，另外两路应该关闭，不然可能会出现噪声。
图20 音频输出原理图
第3位配置为高电平时，左、右两声道的音频输入绕过ADC，直接输出到上图中输出放大器的输入端。
第4位使能DAC输出信号，用户在使用I2S输出音频信号时，一定要将该位设置为高电平，否则DAC输出信号与音频输出管脚是断开的。
图21 输出软件控制
第5位为高电平时，麦克风音频输入绕过ADC，直接叠加到输出放大器的输入端。麦克风输入在侧音模式下可以通过该寄存器的第6位和第7位设置路径的衰减倍数。
图22 侧音模式衰减
该寄存器主要用于控制麦克风输入电路的第二级放大倍数，ADC输入信号的选择，两路输入信号绕过ADC、DAC直接回环到音频输出的相关设置，相对比较重要。
数字音频路径控制（reg5）
该寄存器主要用于设置24位ADC/DAC的输入/输出参数，ADC的输入有一个可选的高通滤波器，通过设置第0位启用，DAC的输出加重，这些保持默认即可，一般不会使用。
图23 ADC及DAC控制寄存器
重点关注上图中第3位，默认为高电平，将DAC输出静音，在使用DAC输出音频时，一定要将该位置为低电平，否则无法听到DAC输出的音频。
省电模式（reg6）
这里有大坑，wm8371默认将两路音频输入、ADC、DAC、音频输出部分的供电全部断开，如下图所示。所以上电后一定要配置该寄存器，否则可能无法使用大部分功能。
图24 省电模式寄存器
数字音频接口格式（reg7）
该寄存器主要功能是配置I2S接口协议的格式，如下图所示。低2位数据用于配置I2S协议的四种模式，前文已经详解过I2S协议的时序，本文不再赘述，点击查看。
第2位和第3位用于配置音频输入数据的长度，默认为ADC/DAC的数据位宽24位。注意ADC/DAC的数据位宽始终位24位，当IWL[1:0]设置为16位时，ADC的24位输出截取高16位传输给I2S接口，然后发送给主控芯片。当IWL[1:0]设置为32位时，在ADC的24位数据低位拼接8位0后传输给I2S接口，然后发送给主控芯片。I2S在右对齐模式下，不能使用32位数据。
图25 数字音频接口格式寄存器
第4位用于设置DAC左右声道数据的传输，I2S不再DSP模式下时，如果该位为高电平，则DACDAT在DACLRC高电平时传输右声道数据，在DACLRC低电平时传输左声道数据。
第6位用于设置I2S工作模式，主从模式都比较好用。
其余数据位的作用不是很清楚，默认设置即可，低4位和低6位需要重点关注。
数字音频接口格式（reg8）
该寄存器用于设置ADC/DAC采样率及系统时钟信号，先将系统时钟相关内容。
对应的电路如下所示，外部输入12.288MHz时钟信号进入XTI/MCLK管脚，CLKOUT悬空。
图26 时钟电路
如下图所示，时钟进入WM8371芯片的MCLK管脚后，先经过一个可编程分频模块，然后进入内核，如下图蓝色走线。还可以通过红色走线，在经过一个分频器后输出到CLKOUT管脚，图26中CLKOUT管脚悬空，则该时钟输出并没有使用。
图27 时钟信号流向
两个分频器对应的寄存器设置如下所示。
图28 分频器参数设置
该寄存器其余位用于设置芯片的工作模式以及ADC/DAC采样率，如下图所示。最低位为1时WM8371工作在USB模式（这里的USB与实际的USB并没有什么关系，USB模式下MCLK必须是12MHz，因为USB的时钟也是12MHz，因此叫USB模式）。为0时工作在正常模式下，一般使用正常模式。
图29 采样率控制
第1位到第5位共同设置ADC/DAC的采样率，虽然ADC/DAC采样率可调，但其实只能根据MCLK的频率选择其中几种，并不能实现任意采样率。
图26中MCLK输入频率为12.288MHz，如下图所示框中所示，如果BOSR为0，SR为4’b0111，则ADC/DAC采样率均为96KHz。
图30 正常模式下采样率设置
由上图知，当MCLK为12.288MHz时，能够设置的ADC/DAC采样率为8KHz、32KHz、48KHz、96KHz，并不能设置成其余采样率，默认使用48KHz采样率。
下图是USB模式下采样率的设置，外部晶振输入时钟只能是12MHz，因此该模块是无法使用该模式的。
图31 USB模式下采样率设置
数字音频接口格式（reg8）
为防止数字音频接口出现任何通信问题，音频接口被禁用(100kΩ下拉三态)，寄存器配置结束后向该寄存器写入高电平。
图32 激活DSP和数字音频接口
复位寄存器（reg15）
WM8731/L包含一个上电复位电路，可将器件的内部状态复位到已知状态。
使用软件复位时，在三线模式下，复位在CSB的上升沿有效，在SCLK的下一个上升沿释放。在双线模式下，复位在ACK信号期间有效(约1个SCLK周期)。
图33 复位的软件控制
总结
上述十一个寄存器的配置讲解完毕，需要重点关注省电模式寄存器，音频输入和DAC输出的静音设置，I2S协议的模式和格式设置，采样率的设置，对应框图如下所示。
图34 芯片内部框图
环回模式需要可用于调试模块输入、输出的硬件电路是否正常，也是比较重要的，但要注意各个输入绕过ADC后，是叠加到DAC输出上的，因此需要注意其他路的输出。
本文转载自：数字站微信公众号
