授人与渔,不如授人与鱼【PGA2311/CS3110】数字音量电位器实作与分享
本帖最后由 jacksl528 于 2023-12-22 00:52 编辑随着近几年,数字音频的普及与发展,在某些领域大有替代和创新于传统音频领域的趋势。
虽然我热衷于接触和学习一些新鲜事物,但依旧是传统HIFI音频的拥护者之一。
不过,我对待这些新器件,对待身边发生的科技变革 ,从来都不可视而不见,更不能趋之若鹜。
我经常在跟发烧友之间探讨这些话题的时候,总是希望大家能站在理性、客观的角度去做一个话题的评判。
毕竟,HIFI是一门科学,不是玄学,它需在用无数次的实践和尝试之后 才能得到自认为正确的那个结论;而不是出门一张嘴,话题全靠吹。
如果你自己没有身体力行是做不到知行合一的, 那么你所表达出来的观点 就不足以让人信服;更有可能(误导)成为部分看帖者的错误指针,。
在数字音频领域,好的东西应该被更多的人认知和使用,它不应该被某些陈旧的观念或固有的传统观念所唾弃;同时,正确的传统HIFI知识,是前人研究的成果和精华,需要我们珍惜和敬畏。
二者并不冲突,反而在很多方面可以互补。对于DIY玩家来说,兼具并用,不但可以尝试到更多新的东西,还能精进自己的技术修为。
我老早就在计划发布一些关于 音控、音频调节一类的 软控方案帖子。但又总觉得 我在这里可以表述的内容并不多。
对于需要用到单片机驱动的芯片、系统。 除了那些自己并不擅长的 “鸟语言” 就是更不擅长的“库函数”
我看到论坛上也有很多先辈,尝试 用简短易该的编程教学手法 从无到有的做过 “单片机、C语言”的相关科普
但,。。。。我不知道大家看懂没有, 或者说就算看懂了,能不学以致用,把它用到实践中去呢? 我觉得对于初学者来说真的挺难的,有太多的未知需要一步一步去尝试和学习。
熟话说:授人与鱼不如授人与渔。 但那个渔,对于完全不会捕鱼的族群来说,他们那里可能连河(湖)都没有。看着手里的渔具,却不知去哪里能捕到鱼 :lol:lol
我发这篇帖子的时候,在记事本上编辑了一段 C语言的基础教学。
字数不多大概:500字 。
但我回头审题的时候,把自己那蹩脚的表述方式从头看到尾,也跟之前在网络上搞类似科普的朋友一样。。好像这类帖子并没有什么实际价值,。
能看懂那些编程教学内容的会觉得太肤浅。 而不能看懂或者0基础的朋友来说,就算看10遍依然是几个大大的???问号。而且现在自媒体内容那么丰富
网上做该类系统教学的专业人士大有人在,视频讲解可比问字描述直观易懂多了吧。
沉思了许久, 我又把那些内容删了~~,, 最后我决定直接赠“鱼”,发这篇帖子可能更有意义吧。
>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>2023/11/19 _关于本制作的软硬件部分已经完结, RMAA测试放在了189#楼 提供参考
>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>2023/11/19 _关于本制作的软硬件部分已经完结,电路原理图请参考107#楼相关页面
>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>2023/11/19 _关于本制作的软硬件部分已经完结, 相关烧录方法和HEX固件程序放在195#楼了
补充内容 (2023-12-26 23:28):
本制作的视频版本已在Bilbili视频站发布,https://www.bilibili.com/video/BV1Da4y167Xr/ 本帖最后由 jacksl528 于 2023-12-11 10:08 编辑
https://pic.imgdb.cn/item/65758c31c458853aefeb5efd.png
https://pic.imgdb.cn/item/657592acc458853aef024e61.png
PGA2311 是德州仪器十年前推出的 “新一代”数字音量控制器件。
一个消费级半导体器件从被设计到流片再到量产,其生命周期一般都维持再10年。
我会在今天依然拿这个芯片做自己的使用案例,是因为我查过了几乎所有量产该类器件的半导体厂商。 德州仪器PGA2311UA这枚芯片时至今日依旧可以说是“遥遥领先”
它是一枚功能单一的双通道音量控制器件。 全身上下没有别的其他功能,就一个音量大小调节。
这个器件你说它的科技含量有多高吧? 对于如今都已经做到3纳米级的半导体产业来说,真不算什么。 你说它没什么科技含量吧, 为什么都10年了,在音量控制方面,能超过这枚芯片几项技术指标的
不能说没有吧,只能说寥寥无几。
WHY?
我查阅了大量的相关资料文献之后,得到了一个可能是答案的答案,作为题外话,仅供娱乐消遣。
在2000年以前的美国硅谷那可真是 半导体芯片产业的 “春秋战国”,可谓诸子百家;争奇斗艳的年代。
早期的“仙童半导体”凭借人才优势可谓一家独大,有点像鬼谷子开的教学班:lol ,手底下的门徒各个身怀绝技,翅膀硬了就要下山拯救苍生 ,匡扶正室:lol
像什么 Intel、AMD、National Semiconductor、Burr-Brown... 个个单飞之后都成了行业标杆。 这里面最小的小弟Burr-Brown 后来被德州仪器收购。
虽然这里面BB公司可能是混的最差的一位,但它当年是得了仙童班“光刻电阻”的真传的人,虽然不像他大师兄 二师兄那些那么出名。但要知道当年凭借着“高精度光刻电阻”的技术,是被德州仪器出重金才收入麾下的~~
这也不难看出,为什么 BB当年的 R2R DAC芯片那么有名,产品线那么齐全了吧~~
对于我们DIY的这些器件。 对制程精度确实没啥要求,反而过于精细的制造工艺,容易带来“电子隧穿”效应。对音质是不利的,所以音频芯片,对参数精度的要求相比制程精度 更高一些。
换句话说,高精度光刻电阻的绝学,依然掌握在现在的德州仪器工厂。 这类芯片的核心技术就是高精度的片上电阻 。
目前,数字音量控制器,在技术指标上,能干得过PGA2311UA的芯片可能只有 凌云半导体新出的 CS3308、 CS3318 (官方对于THD参数的描述是:几乎可以忽略不计)
https://pic.imgdb.cn/item/6575962cc458853aef0def79.png
这两枚芯片是8通道结构,一般是用在专业音频领域。 本帖最后由 jacksl528 于 2023-12-10 19:02 编辑
主题:
下面来看看这个制作的主题:
既然PGA2311自身的功能就是单一的音量调节,我打算用它做一个最小化的音量控制系统。由一枚小型封装的单片机 直接驱动,没有别的附加功能
我的目的是用它取代传统的(廉价)音量电位器。
根据我的DIY经验 和实际需求,我总结了用PGA2311 /CS3310这类芯片替代传统电位器的好处。
1、显得高端;P
2、该类芯片具有极高的输入阻抗和较低的输出阻抗(充当了 有源缓冲器)
3、没有实际的物理滑膜接触,永远不会产生咔咔声。
4、系统最小化可以把它直接集成在自己的功放板上,用旋转编码器 引出3根控制线,不会引入干扰,也不会受到长度和布线的困扰。
5、可以完全消除直流偏移 ;让前后级的信号连接阻抗固定化。 赶快来围观高手直播赠渔 期待中,手里有几片可惜不会单片机 本帖最后由 jacksl528 于 2023-12-10 20:30 编辑
翻看PGA2311的官方数据表,我们需要了解的是这个芯片的工作环境和驱动方式。
https://pic.imgdb.cn/item/6575a9c6c458853aef5c2c20.png
特点
数字控制模拟音量控制:两个独立的音频通道(立体声)
串行控制接口
过零检测
静音功能
宽增益和衰减范围:+31.5 dB至-95.5 dB,阶跃0.5 dB低噪声和失真:
120 dB动态范围
1 kHz时为0.0004%THD+N(U级)
1 kHz时为0.0002%THD+N(A级)
无噪声电平转换低信道间串扰:-130 dBFS
电源:正负5V模拟供电,+5V数字供电
PDI-16和SOIC-16两种封装形式, 提供与Crystal的CS3310兼容的引脚和软件。
数据表的解读重点:
1、这个芯片是带增益的,也就是-95.5db到 0dB 是一段。0dB到+31.5dB是一段。
2、该芯片对供电的需求是需要一组+5V的数字供电(DVDD) 还需要一组正负5V的模拟部分供电(AVDD)
3、该芯片与凌云半导体的CS3310 pintopin兼容,软控也兼容。(可互换)
https://pic.imgdb.cn/item/6575ad69c458853aef70cc49.png
引脚功能注解表:
该芯片具有输入过0检测
与MCU采用SPI传输方式(我之前一直以为是I2C)
该芯片具有手动(硬件)静音引脚
具有片选功能( 可以多个芯片同时复用)
https://pic.imgdb.cn/item/6575ae67c458853aef7677f0.png
典型应用电路图:
重点解读:
官方推荐将DGND和 AGND单点连接。
这个芯片从电路上看,十分简单,无论是动态范围还是THD指标都十分优秀, 尤其是PA、UA这个后缀。要想做到官方数据表上的指标 主要是看PCBlaytou和供电部分了。
有了上面这些基本资料,我们就可以开始动手规划整个系统的拓扑图了~
搬凳子前排围观 围观,围观 感谢回帖,回帖有惊喜 我也准备搞这个芯片,储备了不少资料,再来点资料吧!争取不烂尾。 几乎可以无损调整,它是怎么做到的呢? 感谢分享!!! jacksl528 发表于 2023-12-10 17:56
PGA2311 是德州仪器十年前推出的 “新一代”数字音量控制器件。
一个消费级半导体器件从被设计到 ...
看它的框图是控制运放增益来实现的。 强力围观,静待果实 楼主有空分析下ADI的AD5262,我感觉它和普通电位器更接近。 本帖最后由 jacksl528 于 2023-12-10 23:40 编辑
夜如风 发表于 2023-12-10 20:42
几乎可以无损调整,它是怎么做到的呢?
它的内部有很多类似 R2R DAC的梯形蚀刻电阻群阵列。 可以把这些电阻看作 高档步进电位器内部的高精度晶圆电阻。
只不过传统的步进电阻器是机械结构的触点。而PGA2311这类芯片 内部的触点是高精度COMS器件,在当年这些超小型的COMS器件是先进制程的代表,具有非常低的结电容和导通电阻,是能让该类芯片做到超低失真度的关键技术。
在PGA2311的官方数据表上 有这样一段它工作原理的描述:
7.1 Overview
The PGA2311 is a stereo audio volume control that can be used in a wide array of professional and consumer
audio equipment. The PGA2311 is fabricated in a sub-micron CMOS process.
The heart of the PGA2311 is a resistor network, an analog switch array, and a high-performance operational
amplifier stage. The switches select taps in the resistor network that determine the gain of the amplifier stage.
Switch selections are programmed using a serial control port. The serial port allows connection to a wide variety
of host controllers. The Functional Block Diagram section shows a model diagram of the PGA2311.
本帖最后由 jacksl528 于 2023-12-10 22:38 编辑
zxhdoop 发表于 2023-12-10 21:59
看它的框图是控制运放增益来实现的。
是的 带增益的这类芯片 在输出端都有低噪声运算放大器 做低阻输出。 本帖最后由 jacksl528 于 2023-12-10 23:41 编辑
zxhdoop 发表于 2023-12-10 22:20
楼主有空分析下ADI的AD5262,我感觉它和普通电位器更接近。
ADI的 AD5262的工作原理更像 我以前使用过的 X9C104。 http://bbs.hifidiy.net/forum.php?mod=viewthread&tid=1450377
它们属于“滑动变阻器”类型的器件。 可以用于音频,但并不是专门为音频领域开发。 这类芯片在音频通路可以看作无源器件, 虽然更像普通电位器,但同时也继承了一些 普通电位器的缺点。 jacksl528 发表于 2023-12-10 22:37
ADI的 AD5262的工作原理更像 我以前使用过的 X9C104。 http://bbs.hifidiy.net/forum.php?mod=viewthre ...
明白了,PGA2311加了一级缓冲起到阻抗匹配作用。