TI热门信号链基础系列之 54：谁是音频时钟的“老板”，谁是主，谁又是从呢？

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关键词：I2S、主时钟、MCK、PLL、BCK、LRCK、压控振荡器、VCO、音频、模拟、半导体、德州仪器、TI
信号链基础知识#54  谁是音频时钟的“老板”，谁是主，谁又是从呢？
作者：Dafydd Roche，德州仪器 (TI) 音频工程师
传统 I2S—为何要包括系统时钟？
过去，我们在讨论音频话题时，偶尔会提及 I2S。我在以前的一些文章中提到过 I2S，其他人在做音频研究时也都会提到它。简而言之，它是一种将立体声数据从一端传输至另一端的同步方法。
大多数人认为 I2S 有三种信号：
1. 数据：输入或者输出数据
2. 位时钟 (Bitclock，BCK)：确立数据流中两个相邻位之间边界的信号
3. 左/右时钟 (LRCK)/字时钟 (Wordclock)：一个在采样速率下运行、占空比为 50% 的慢时钟，它确立数据流中两条相邻通道（左和右）之间的边界。
I2S 的幕后英雄是主时钟 (MCK)，也称作系统时钟 (SCK)，它常常被数字信号处理器 (DSP) 程序员和其他处理器爱好者们忽略。主时钟 (MCK/SCK)，通常为一个64、128、256 和 512 倍采样速率 (FS) 的时钟。它可以由一个输入引脚直接提供，也可以通过一个锁相环路 (PLL) 在某些器件内部产生。
一般而言，DSP 不需要音频主时钟，因为它们能够以一种完全不同的速率对数据进行处理，然后在 BCK 和 LRCK 的驱动下，让数据以某种速率进入输出缓冲器（或者通过输入缓冲器接收数据）。如果您能暂时将注意力从您的处理器上移开，您会发现音频主时钟重要得多。大多数 MCK/SCK 输入的音频转换器，都要求时钟同步，而有一些则允许异相位。这就意味着，它们需要由相同的高速时钟来提供，然后被除小。我接触过的一些客户会突发灵感地告诉我：“我的 ADC 需要一个 MCK，但它离我的 DAC 太远。因此，我要在每个转换器旁边放置一个晶体……”有这种想法可以理解，但请您“千万别这么做！”
您在购买晶体时，无法保证它刚好为 48.000 kHz。您的模数转换器 (ADC) 晶体的运行精确度可能会为 +5%，而数模转换器 (DAC) 的运行精确度可能为 –5%。这样的精确度，会给您的设计带来灾难性的后果！这是为什么呢，下面将为您娓娓道来。
用于 I2S
用于音频 ADC 的主时钟
如图 1 所示，高速主时钟（例如：24.576 MHz 时钟）用于驱动 ADC 的过采样调制器。之后，来自过采样调制器的数据被消减分解成 LRCK 给定的采样速率。
当 ADC 运行在主模式（生成 BCK 和 LRCK，作为输出）下时，ADC 只是对 MCK/SCK 进行划分，产生 LRCK 和 BCK 信号。这就对啦！LRCK/BCK 和主时钟被同步—相位也可能同步（除非它是一个特殊分割器）。





图 1 通用 ADC 结构图
如果作为一个从器件，并且主时钟不同步，则它产生的数据会过多或者过少，以至于数字抽取器无法刚好适合于输出字。在这种条件下，许多 ADC 会拒绝流传输数据。
DAC 也是如此。图 2 显示了一个高级 DAC 结构图。此处，需要通过 MCK/SCK 运行内插器，而 MCK/SCK 同时还驱动 △∑ 调制器。如果 MCK/SCK 不是采样速率的整倍数 (64/128/256/512)，则在 △∑ 调制器输出端可能会出现错误数据。



图 2 通用 DAC 结构图
我在哪里/如何生成 MCK/SCK 呢？
在当今的工业应用中，CMOS 振荡器由许多晶体振荡器支持，并紧靠这些晶体振荡器。它们都拥有非常好的精确度和较低的抖动。偶尔会用到压控振荡器　(VCO)，但它们会受到其输出抖动的困扰。
许多现代的音频转换器现在都集成了一个 PLL，以通过慢 BCK 产生 MCK。这样做很有效。但是，您应该注意，使用 PLL 时始终都会有产生抖动的可能，从而降低了音频性能。
另外，我建议，如果在晶体源驱动 ADC 或是 DAC 两者之间选择，请您选择通过一个晶体产生源来运行 ADC。如果输入很糟糕，那么您做什么都于事无补！（就像您不可能把烂泥打磨光亮！）
因此，我的建议遵循的原则是：
1、如果转换器为一个 I2S 从器件，则您必须通过相同源（如果转换器带有，则可以依靠内部 PLL），提供所有三个 I2S 时钟（MCK、BCK 和 LRCK）。
2、如果转换器为一个 I2S 主器件，则请确定能够提供一个可靠的无抖动 MCK源。然后，让转换器自己分配。在可能的情况下，让 ADC 通过一个可靠的低抖动 MCK 源在主模式下运行。这样做可以确保最低抖动和最小高频失真。
建议参阅资料：
? 《关于抖动》，作者：Dan Lavry，Lavry 工程公司，版权所有? 1997。