第5章433MHz/315MHz無線收發(fā)電路設(shè)計5.1nRF401/nRF403433MHz/315MHzFSK收發(fā)電路

5.1.1nRF401/nRF403主要技術(shù)特性

nRF401/nRF403是一種單片RF收發(fā)芯片，工作在433MHzISM頻段和315MHz頻段(433.92/315.16MHz)。它采用PLL頻率合成技術(shù)，頻率穩(wěn)定性好，抗干擾能力強(qiáng)。它們僅需外接一個晶體和幾個阻容、電感元件，即可構(gòu)成一個完整的射頻收發(fā)器。電路模塊尺寸為30mm×22mm×6mm，可方便地嵌入各種測量和控制系統(tǒng)中。在儀器儀表數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、無線抄表系統(tǒng)、無線數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)、計算機(jī)遙測遙控系統(tǒng)中得到了廣泛應(yīng)用。

nRF401/nRF403采用FSK調(diào)制和解調(diào)；頻偏為±15kHz；接收靈敏度高達(dá)-105dBm；最大發(fā)射功率達(dá)+10dBm；具有2個信號通道，適合需要多信道工作的特殊場合；可直接與微控制器接口；數(shù)據(jù)速率可達(dá)20kb/s；nRF401的電源電壓為2.7～5.25V，nRF403的為2.7～3.6V，發(fā)射時電源電流為8mA，接收時電流消耗為250μA，接收待機(jī)狀態(tài)僅為8μA。

nRF401/nRF403兩者之間只有電源電壓不同，nRF401的電源電壓最高為5.25V，nRF403的電源電壓最高為3.6V。5.1.2nRF401/nRF403引腳功能與內(nèi)部結(jié)構(gòu)

nRF403采用SSOIC-20封裝，其引腳功能如表5.1.1所示，芯片的工作狀態(tài)與控制引腳關(guān)系如表5.1.2所示。引腳的功能說明如下：

引腳9和引腳10：DIN輸入數(shù)字信號和DOUT輸出數(shù)字信號均為標(biāo)準(zhǔn)的邏輯電平信號，需要發(fā)射的數(shù)字信號通過DIN輸入，解調(diào)出來的信號經(jīng)過DOUT輸出。

引腳12：通道選擇，F(xiàn)REQ=“0”為通道#1(433.92MHz)，F(xiàn)REQ=“1”為通道#2(315.16MHz)。

引腳18：電源開關(guān)，PWR_UP=“1”為工作模式，PWR_UP=“0”為待機(jī)模式。

引腳19：發(fā)射/接收控制，TXEN=“1”為發(fā)射模式，TXEN=“0”為接收模式。

nRF403內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖如圖5.1.1所示。芯片內(nèi)包含有發(fā)射功率放大器(PA)、低噪聲接收放大器(LNA)、晶體振蕩器(OSC)、鎖相環(huán)(PLL)、壓控振蕩器(VCO)、混頻器(MIXER)等電路。在接收模式，RF輸入信號被低噪聲放大器放大，經(jīng)由混頻器變換，這個被變換的信號在送入解調(diào)器(DEM)之前被放大和濾波，經(jīng)解調(diào)器解調(diào)，解調(diào)后的數(shù)字信號在DOUT端輸出。在發(fā)射模式，壓控振蕩器的輸出信號直接送入到功率放大器，DIN端輸入的數(shù)字信號被頻移鍵控后饋送到功率放大器輸出。由于采用了晶體振蕩和PLL合成技術(shù)，因而頻率穩(wěn)定性極好。圖5.1.1nRF403內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖當(dāng)nRF403為接收模式時，ANT1和ANT2引腳端提供射頻輸入到低噪聲放大器LNA；當(dāng)nRF403為發(fā)射模式時，從功率放大器提供射頻輸出到天線。天線連接到nRF401/nRF403是差動形式，在天線通道推薦的負(fù)載阻抗是400Ω。在印制板(PCB)上，差動回路天線如圖5.1.2所示。功率放大器輸出級由差動結(jié)構(gòu)的集電極開路的晶體管組成，電源VDD到功率放大器必須通過集電極負(fù)載供電。當(dāng)連接差動回路天線到ANT1/ANT2引腳端時，電源VDD將通過回路天線的中心供電。

單端天線連接到nRF403時，使用差動到單端匹配網(wǎng)絡(luò)，如圖5.1.2所示。單端天線也可以使用8∶1射頻變壓器連接到nRF403，工作在315/433MHz。射頻變壓器的原邊必須有一個中心抽頭，用于電源VDD供電。連接在RF_PWR端和VSS之間的電阻R3用來設(shè)置輸出功率。射頻輸出功率可以設(shè)置為-8～+10dBm。

PLL回路濾波器是外接的單端2階濾波器。濾波器元件推薦值是：C3=820pF，C4=15nF，R2=4.7kΩ。

對于VCO電路，外接22nH(433MHz)或者47nH(315MHz)電感在VCO1引腳端和VCO2引腳端之間是必需的。電感使用高質(zhì)量的片式電感，Q>45(在433/315MHz)，最大誤差為±2%。圖5.1.2差動到單端匹配網(wǎng)絡(luò)晶體振蕩器需要外接晶振，晶振的特性要求是：并聯(lián)諧振頻率f=4.000MHz，并聯(lián)等效電容Co=5pF，晶振等效串聯(lián)電阻ESR=150Ω，全部負(fù)載電容，包括印制板電容CL=14pF。

nRF403可以使用微控制器的晶體振蕩器，其連接電路如圖5.1.3所示。

當(dāng)引腳端TXEN=“1”時，選擇發(fā)射模式，當(dāng)引腳端TXEN=“0”時，選擇接收模式。

引腳端FREQ=“0”時，選擇433.92MHz；引腳端FREQ=“1”時，選擇315.16MHz。

DIN(數(shù)據(jù)輸入)引腳端輸入數(shù)字信號到發(fā)射器的調(diào)制器，輸入信號是標(biāo)準(zhǔn)的CMOS邏輯電平，數(shù)據(jù)速率為20kb/s。

解調(diào)的數(shù)字輸出數(shù)據(jù)以標(biāo)準(zhǔn)的CMOS邏輯電平呈現(xiàn)在DOUT(數(shù)據(jù)輸出)引腳端。

引腳端PWR_UP控制電路工作在正常的工作模式或者休眠模式。PWR_UP=“1”時，選擇正常工作模式；PWR_UP=“0”時，選擇休眠模式。5.1.3nRF401/nRF403應(yīng)用電路

nRF403的433MHz應(yīng)用電路如圖5.1.4所示，印制電路板圖如圖5.1.5所示。nRF403的315MHz應(yīng)用電路如圖5.1.6所示，印制電路板圖如圖5.1.7所示。圖5.1.4nRF403的433MHz應(yīng)用電路電原理圖圖5.1.5nRF403的433MHz應(yīng)用電路印制板圖圖5.1.6nRF403的315MHz應(yīng)用電路電原理圖圖5.1.7nRF403的315MHz應(yīng)用電路印制板圖印制電路板(PCB)的設(shè)計直接關(guān)系到射頻性能，PCB使用1.6mm厚的FR-4雙面板，分元件面和底面。PCB的底面有一個連續(xù)的接地面，射頻電路的元件面以nRF403為中心，各元器件緊靠其周圍，盡可能減少分布參數(shù)的影響。元件面的接地面保證元件充分接地，大量通孔連接元件面的接地面到底面的接地面。nRF403采用PCB天線，在天線的下面沒有接地面。射頻電路的電源使用高性能的射頻電容去耦，去耦電容盡可能地靠近nRF403的VDD端，一般還在較大容量的表面安裝的電容旁并聯(lián)一個小數(shù)值的電容。射頻電路的電源與接口電路的電源分離，nRF403的VSS端直接連接到接地面。注意：不能將數(shù)字信號或控制信號引入到PLL回路濾波器元件上。使用中應(yīng)注意的問題是：nRF403的工作電壓為3V，與微控制器等接口時應(yīng)注意電平匹配。在發(fā)射模式，通信速率最高為20kb/s，發(fā)送數(shù)據(jù)之前需將電路置于發(fā)射模式(TXEN=1)；接收模式下轉(zhuǎn)換為發(fā)射模式的轉(zhuǎn)換時間至少為1ms，可以發(fā)送任意長度的數(shù)據(jù)，發(fā)送結(jié)束后應(yīng)將電路置于接收模式(TXEN=0)。發(fā)射模式轉(zhuǎn)換為接收模式的轉(zhuǎn)換時間至少為3ms。在接收模式接收到的數(shù)據(jù)可以直接送到單片機(jī)串行接口或者經(jīng)電平轉(zhuǎn)換后送入計算機(jī)。PWR_UP=“0”為待機(jī)模式，電路進(jìn)入待機(jī)狀態(tài)，工作電流為8μA，在待機(jī)狀態(tài)電路不接收和發(fā)射數(shù)據(jù)。由此芯片構(gòu)成的無線收發(fā)電路模塊結(jié)構(gòu)簡單，工作可靠，模塊尺寸僅為30mm×22mm×6mm，可以直接與常用的單片機(jī)如8051、68HC05、PIC16C5X、MSP430等連接，實現(xiàn)單片機(jī)與單片機(jī)、單片機(jī)與計算機(jī)之間的數(shù)據(jù)無線傳輸。通過MAX232A等接口芯片可以與計算機(jī)串行接口連接，實現(xiàn)計算機(jī)與計算機(jī)之間的數(shù)據(jù)無線傳輸，可方便地嵌入儀器儀表和自動控制系統(tǒng)中，構(gòu)成一個點對點、一點對多點的雙向無線串行數(shù)據(jù)傳輸通道。5.2XE1201A300～500MHzFSK收發(fā)電路

5.2.1XE1201A主要技術(shù)特性

XE1201A是一種高速率、超低功耗、符合I-ETS300-220標(biāo)準(zhǔn)的射頻收發(fā)芯片。

XE1201A可工作在433MHzISM頻帶和300～500MHz頻帶；發(fā)射輸出功率為-23～-2dBm；射頻靈敏度為-99～-109dBm；可編程的數(shù)據(jù)速率為4～64kb/s；電源電壓為2.7～5.5V；接收電流消耗為7.5mA，發(fā)射電流消耗為10mA，待機(jī)電流消耗為65μA。

XE1201A采用連續(xù)相位的2級頻移鍵控(CPFSK)方式。接收部分集成有低噪聲放大器(LNA)和下變頻器，采用直接變頻方式；微控制器接口可直接對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，并產(chǎn)生同步數(shù)據(jù)時鐘(CLKD)；具有濾波通道和接收用的解調(diào)器。發(fā)射部分可提供一個完整的通道，完成從數(shù)據(jù)到天線的傳送，該部分帶有一個可對頻偏進(jìn)行編程的直接上變頻器，并可對RF輸出功率進(jìn)行控制。

XE1201A具有3線式總線接口，可通過3線總線以及外部引腳來設(shè)置傳輸狀態(tài)，僅需極少的外部元件(無線匹配網(wǎng)絡(luò)、振蕩電路、SAW振蕩器)即可完成接收和發(fā)射的雙重功能。發(fā)射功率也可以通過總線來控制。5.2.2XE1201A引腳功能與內(nèi)部結(jié)構(gòu)

XE1201A的內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖如圖5.2.1所示，主要由接收、發(fā)射、本振以及3線總線接口四部分組成。XE1201的接收部分由低噪聲放大器(LNA)、下變頻器、自激消除模塊、基帶濾波器以及位同步器等部分組成。LNA提供的低噪聲增益可通過外部電路(分立元件)進(jìn)行調(diào)節(jié)，該外部電路由輸出LC諧振回路和RF輸入LC匹配網(wǎng)絡(luò)組成；下變頻器具有90°相移電路和2個合成器及通道(I/O)，完成零中頻接收器的直接下變頻；自激消除模塊則對DC和低頻輸出信號進(jìn)行50dB衰減，避免本振上的自激振蕩；基帶濾波器由兩個級聯(lián)的Sallen&key低通濾波器組成，每級有10dB的增益，可實現(xiàn)具有30kHz截止頻率的Butterworth低通濾波，AC耦合(截止頻率為64kHz)可以避免偏移量的增加，并可衰減1/f的噪聲；位同步器是一個可被ALU控制的數(shù)字PLL，為系統(tǒng)提供同步數(shù)據(jù)時鐘。為了提高性能，可根據(jù)所需的數(shù)據(jù)速率，通過3線總線對位同步器進(jìn)行編程設(shè)計。

XE1201的發(fā)射部分由DDS調(diào)制器、單邊帶上變頻器及功率放大器組成。FSK偏頻可直接通過數(shù)字合成器(DDS)來實現(xiàn)，所以XE1201的FSK頻偏相當(dāng)精確，并可以通過3線總線進(jìn)行調(diào)節(jié)。I和Q基帶可經(jīng)過抗干擾濾波器后，直接上變頻到UHF頻段。DDS調(diào)制器由數(shù)字和模擬兩個模塊構(gòu)成。在數(shù)字模塊中，內(nèi)部時鐘設(shè)在2MHz，由DDS將數(shù)據(jù)位流轉(zhuǎn)換成正、余弦信號。當(dāng)相位累加位為7bit時，頻偏最小的步進(jìn)頻率(每位)為3.9kHz，頻偏差(FSK)的可編程調(diào)節(jié)范圍為0～127(7位)，因此，理論上頻偏的范圍為295kHz，開機(jī)時頻偏值為32(125kHz)。當(dāng)Data為0時，f=fLo?-?fdev；Data為1時，f=fLo+fdev。另外，也可以對調(diào)解器的頻率偏移進(jìn)行調(diào)節(jié)，fdev必須滿足FilterBW(濾波器帶寬)>fdev>Datarate。DDS模塊中的模擬模塊(DDSA)的任務(wù)是將正、余弦信號從DDS轉(zhuǎn)換成模擬的I和Q信號，該轉(zhuǎn)換通常由2個8位DAC來完成。單邊帶上變頻器完成基帶FSK信號到UHF頻率的頻率轉(zhuǎn)換。功率放大器為天線發(fā)射FR信號提供驅(qū)動，功率放大器不能直接驅(qū)動天線，需要外部匹配網(wǎng)絡(luò)。功率放大器的輸出功率也是可編程的(4級)。圖5.2.1XE1201A的內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖本機(jī)振蕩器的電路以一個標(biāo)準(zhǔn)的SAW振蕩器為基準(zhǔn)，這個SAW振蕩器可提供最快的開關(guān)時間，同時也可改變UHF振蕩器的頻率。對于433MHz的ISM頻帶來說，SAW可在433.92MHz頻率上產(chǎn)生諧振，其時鐘產(chǎn)生信號可驅(qū)動一個90°的相移器，而這個相移器連接到單邊帶上變頻器。

XE1201A最主要的特點是可通過3線式總線接口對FSK頻偏、時鐘使能、RF輸出功率和數(shù)據(jù)速率及其他輔助功能等進(jìn)行設(shè)計編程，并可通過此接口和相關(guān)引腳設(shè)置其接收、發(fā)射和待機(jī)狀態(tài)。3線式總線數(shù)據(jù)接口電路由3個內(nèi)部寄存器(A、B、C)組成，可在SC的上升沿采集數(shù)據(jù)位。內(nèi)部電路通過SC的上升沿采集數(shù)據(jù)位，內(nèi)部電路通過對SC的上升沿進(jìn)行計數(shù)來檢測輸入數(shù)據(jù)的有效性。如果在SC上檢測到的邊沿數(shù)為16個，則數(shù)據(jù)將從輸入移位寄存器轉(zhuǎn)到相應(yīng)的寄存器中。內(nèi)部寄存器的數(shù)據(jù)格式如表5.2.2所示。其中，前兩位D15和D14用于選擇寄存器A、B、C，如表5.2.3所示。寄存器A用于設(shè)置收發(fā)器的工作模式(發(fā)射、接收和待機(jī)模式)，選擇接收數(shù)據(jù)的速率，如表5.2.4所示；寄存器B可在整個發(fā)射期間調(diào)節(jié)中心頻率，如表5.2.5所示；寄存器C則用于設(shè)置頻偏，激活功放、發(fā)射功率以及其他輔助功能等，如表5.2.6所示。在使能后，內(nèi)部3線式總線寄存器A、B和C是由如表5.2.7所示的值來初始化的。引腳控制，時鐘停止，Dr(數(shù)據(jù)速率)=16kb/s，PA?=?12dBm，fdev=?±125kHz。發(fā)射電路中調(diào)制通過一個直接數(shù)字合成器實現(xiàn)，I和Q基帶信號在數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換之前用數(shù)字方法產(chǎn)生。通過直接數(shù)字合成的方法，F(xiàn)SK的頻偏是非常精確的。直接數(shù)據(jù)合成調(diào)制器結(jié)構(gòu)中包含一個數(shù)字時鐘和一個模擬時鐘。

直接數(shù)據(jù)合成器將比特數(shù)字流合成為正弦和余弦信號。系統(tǒng)內(nèi)部時鐘設(shè)定為2MHz。頻偏的最小步進(jìn)為3.9kHz。頻偏(頻移鍵控)是可編程的，可在0～127(7bit)之間進(jìn)行調(diào)整，每一步相當(dāng)于3.9kHz。頻偏的理論范圍是0～295kHz。在加電之后，偏移值等于32(125kHz)。如果Data=0≥fLO-fdev，Data=1≥fLO+fdev，則7bit是用來校正解調(diào)器的頻率偏差的，fdev=?3906.25n(Hz)。其中，n是7bit字節(jié)中定義的十進(jìn)制常數(shù)。頻率偏差必須比數(shù)據(jù)速率大，比接收器濾波器帶寬小，即fdev>Dr(數(shù)據(jù)速率)，fdev<FilterBW(濾波器帶寬)。在頻率補(bǔ)償?shù)臈l件下，通過3線總線，本機(jī)振蕩器的偏差可以被補(bǔ)償。偏移頻率的默認(rèn)設(shè)置是0。默認(rèn)覆蓋為265kHz，每步3.9kHz。默認(rèn)數(shù)值在-64～63之間(在兩者間補(bǔ)充7bit)。

DDSA部件(見圖5.2.2)轉(zhuǎn)換從DDS到模擬I和Q信號的正弦和余弦字?jǐn)?shù)據(jù)，是兩個8bitD/A變換器，帶有160kHz的標(biāo)稱截止頻率，用來消除在fs±fo處的混疊。fs是2MHz的抽樣頻率，fo是典型的125kHz輸出頻率。

單邊帶上變頻器完成從基帶頻移鍵控信號到超高頻的上變頻。單邊帶調(diào)制器是通過I/Q基帶信號和本振頻率來激勵的。輸出是一個射頻單邊帶信號。

功率放大器為發(fā)射天線提供射頻信號，輸入連接到上變頻輸出信號。功率放大器不能直接激勵天線，需要一個外部網(wǎng)絡(luò)，輸出功率是可編程的(4級)，輸出是電流源形式。功率放大器需要一個正電壓偏置。圖5.2.2DDSA部件接收電路中，LNA(低噪聲放大器)提供一個低噪聲系數(shù)的放大增益，此電路在天線匹配網(wǎng)絡(luò)和混頻器之間。LNA通過兩個外部LC回路來調(diào)諧：一個是連接到輸出的LC諧振回路；另一個是連接到射頻輸入的LC匹配網(wǎng)絡(luò)。正交下變頻部分包括一個90°移相器和兩個混頻器，每個信道有一個I/Q。正交下變頻部分用來完成一個零中頻接收器(fLO?=?fRF)的直接下變頻，輸入連接到低噪聲放大器輸出?；鶐/Q輸出時直接連接到基帶模擬濾波電路。在IFP(如果為正)和IFN(如果為負(fù))節(jié)點之間提供了一個有源阻抗?；鶐V波器提供接收信道中所有的基帶濾波功能，可以提供20dB的電壓增益。交流耦合(截止頻率=6kHz)避免頻移的發(fā)生，衰減1/f噪聲。此回路包含兩個級聯(lián)濾波器，每級提供了大約10dB的增益。同時，提供了一個有330kHz截止頻率的4級低通濾波器。一個溫度校正電阻用來減少轉(zhuǎn)移函數(shù)對溫度的依賴性。I/Q模擬輸出元件用來把一個模擬差動信號轉(zhuǎn)換為一個單邊帶信號。模擬輸出(I和Q)用于測試或作為內(nèi)部解調(diào)器之前的另一個解調(diào)器的輸入。基帶放大器回路為基帶濾波器輸出信號提供50dB的電壓增益，可提供足夠的信號電平去激勵序列限頻器。限頻器電路將模擬差動轉(zhuǎn)變成數(shù)字信號。FSK解調(diào)器在放大器輸出提供一個數(shù)字解調(diào)器，將I和Q信號解調(diào)成一個比特數(shù)字信號(RXD接收數(shù)據(jù))。如果沒有使用比特同步時鐘，則不必設(shè)定數(shù)據(jù)速率接收器。解調(diào)器的性能取決于指數(shù)調(diào)制系數(shù)(β)。

比特(位)同步電路中，比特(位)同步操作是通過相關(guān)的可積分輸入數(shù)據(jù)流的計數(shù)器實現(xiàn)的。位流(比特流)、RXD和時鐘CLKD是同步的。為了提供一個同步數(shù)字時鐘，比特(位)同步電路的結(jié)構(gòu)是一個被運(yùn)算器控制的數(shù)字鎖相環(huán)。比特(位)同步電路必須根據(jù)數(shù)據(jù)輸入率由3線式總線編程。為了確定要求的數(shù)據(jù)率(單位為Hz)，使用者必須通過下面的公式計算：n=round[-8×lg(61×Dr/fXTAL)/lg2]式中，n是一個對應(yīng)于6bit的無符號整數(shù)，Dr是以Hz為單位的輸入數(shù)據(jù)率。比特同步電路可以以5%的精度操作。位速率的值可以影響接收器的靈敏度，靈敏度取決于β調(diào)制指數(shù)和頻移，其參數(shù)可以通過下列公式定義：或參數(shù)β作為調(diào)制指數(shù)，fdev是頻移。這個公式反映了調(diào)制指數(shù)、頻移和數(shù)據(jù)速率之間的關(guān)系。靈敏度取決于數(shù)據(jù)速率。表5.2.8所示為fdev=125kHz時的靈敏度與其所對應(yīng)的調(diào)制指數(shù)之間的關(guān)系。本機(jī)振蕩電路使用一個高Q值的SAW諧振器和LC電路。SAW諧振器確定了諧振頻率。SAW諧振器的要求是：諧振頻率為4339.2MHz；無負(fù)載Q值為13000；中心頻率容差為±=75kHz；頻率遲滯<±10×10-6/年。SAW諧振器的信號通過一個輸出接到單邊帶上變頻的90°相移器。

收發(fā)器可以通過3線接口設(shè)置成多種配置模式。接口由一個位移寄存器、采樣串行時鐘脈沖(SerialCLK，SC)的上升沿電路組成，電路計數(shù)串行時鐘上升邊沿的數(shù)目，當(dāng)?shù)?6上升沿在串行時鐘中被探測到時，數(shù)據(jù)從輸入轉(zhuǎn)換寄存器傳送到相應(yīng)的配置寄存器。在第16上升沿之后，SE(使能)的上升沿鎖定數(shù)據(jù)。如果電路探測到SE的上升沿在第16和第17上升沿之間，SE上升沿將在配置寄存器中鎖定這個數(shù)據(jù)。

XE1201A的主要特性可以通過軟件或者由3線接口和內(nèi)寄存器(RegA、RegB和RegC)來設(shè)定。頻移鍵控、時鐘使能、射頻輸出功率和數(shù)據(jù)速率可以像其他輔助函數(shù)一樣被編程。

SAW諧振器決定載波頻率，頻率可在300～500MHz之間選擇。SAW諧振器通過一個寄生電容器Cp(約為3.1PF)在SWA和SWB引腳之間形成了負(fù)阻。一個電感與SAW并聯(lián)，用來補(bǔ)償SAW的寄生電容器Cp和SAW的Cs的影響，電感線圈的值為L=27nH。

LNA諧振回路的功能是獲得最大的功率增益(GPAV)，與并行寄生電容Cp在TLA和TLB引腳間產(chǎn)生一個電流源。為了補(bǔ)償Cp的影響，一個電感L(L1+L2)被設(shè)置。回路諧振在433.92MHz上，補(bǔ)償值為L1=L2=12nH，C=2.2pF。注意：電感L1和L2可以印制在PCB上。上變頻回路是為發(fā)射通道工作的，上變頻器是必需的。上變頻諧振回路的參數(shù)值是：L1=L2=12nH，C=2.2pF。

LO(本機(jī)振蕩器)必須連接LC諧振回路，在TKA和TKB之間形成了LC諧振。TKB必須通過C2接地。參量定義為L1=L2=12nH，C=2.7pF。

所設(shè)計的天線匹配網(wǎng)絡(luò)的天線被匹配和調(diào)諧到接收器和發(fā)射器時，必須體現(xiàn)出良好的頻率特性。天線匹配網(wǎng)絡(luò)包括：射頻輸出匹配網(wǎng)絡(luò)、射頻輸入匹配網(wǎng)絡(luò)和轉(zhuǎn)換器。發(fā)射范圍顯然取決于天線的性能。在自由空間中，在距離為d、波長為λ時，接收功率Pr的理論公式是：式中，Pt是發(fā)射功率，功率隨天線增益(Gt)的增加而增加。接收功率(Pr)取決于接收天線增益(Gr)。通常的允許模式是：在1m以內(nèi)，模型為(1/2)d。圖5.2.3功率與天線的關(guān)系計算舉例：一個10-2bit誤碼率接收功率需要-109dBm。沒有外部功率放大器時，發(fā)射功率是-5dBm，有外部功率放大器時是+10dBm。假設(shè)λ/4天線增益為-10dBm，范圍是：在自由空間(以(1/2)d衰減模式)沒有外部PA，d=870m，有外部PA，d=4900m；在建筑物內(nèi)(以(1/4)d衰減模式)沒有外部PA，d=30m，有外部PA，d=70m。鞭式天線：鞭式天線是最簡單的。在平面圖上，鞭式天線是四分之一波長導(dǎo)線，如圖5.2.4所示。

長度：式中，fo是載波頻率，λ是波長，c是光速。在工業(yè)頻帶使用時，fo?=?433.92MHz。鞭式天線增益在-10～0dBm之間。小矩形天線：回路天線可以由一個小的細(xì)導(dǎo)線、印制板上的導(dǎo)線或別的材料組成?；芈诽炀€的優(yōu)點是手不會影響天線的調(diào)諧?；芈诽炀€簡單，價格低，在便攜式方式中被普遍應(yīng)用?；芈诽炀€的缺點是天線增益差(-20～-5dB)，而且?guī)捄苷?，需要調(diào)諧，調(diào)諧需要增加一個可調(diào)電容。如果回路較大，則可以使用非可調(diào)電容。

回路面積A定義為：A?=?la?×?lb，如圖5.2.5所示?；芈诽炀€的系統(tǒng)增益G(G或Gt)與頻率的關(guān)系如圖5.2.6所示。圖5.2.5回路天線圖5.2.6回路天線的系統(tǒng)增益G與頻率的關(guān)系5.2.3XE1201A應(yīng)用電路

圖5.2.7XE1201A應(yīng)用電路電原理圖圖5.2.8XE1201A應(yīng)用電路印制電路板圖(頂層)圖5.2.9XE1201A應(yīng)用電路印制電路板圖(底層)

SAW諧振器決定載波的頻率，頻率范圍為300～500MHz。為了消除寄生電容器Cp和SAW的Cs的影響，應(yīng)在SAW端并聯(lián)一個電感。由于型號為R02101A的SAW諧振器分布電容為1.9pF，因此該電感的值為27nH。

LNA諧振電路的主要功能是將增益功率最大化，為了使其在433.92MHz時產(chǎn)生諧振，一般應(yīng)選擇L1=L2=12nH，C=2.2pF。XE1201A的本振端口應(yīng)與TKA和TKC兩腳相連，而TKB(內(nèi)部基準(zhǔn))則必須通過電容C接地。天線匹配網(wǎng)絡(luò)由RF輸出、RF輸入網(wǎng)絡(luò)以及它們的轉(zhuǎn)換電路組成，必須與整個電路相匹配，并可隨收發(fā)器進(jìn)行調(diào)節(jié)。其中，射頻輸出匹配網(wǎng)絡(luò)可以使射頻輸出向天線發(fā)射最大功率，它輸出的是一個電流源，通過一個電感接到VDD來提供一個正偏壓，其幅度為VDD的2倍。如果能夠?qū)崿F(xiàn)50～600Ω的阻抗變換，那么50Ω的天線將以最大功率進(jìn)行發(fā)射。通常，Cp?=?2.4pF，Zi?=?50Ω，Zout?=?(600+j0)Ω。

利用射頻輸入匹配網(wǎng)絡(luò)還可以實現(xiàn)阻抗的變換以及單端的差分變換，生成的2差分輸入信號之間的相位差為180°。在并行模式，LNA電路的實際輸入阻抗為1kΩ。在諧振時可實現(xiàn)1～50Ω的阻抗轉(zhuǎn)換，射頻輸出與射頻輸入轉(zhuǎn)換由一個轉(zhuǎn)換電路來完成。為了延長電池的壽命，所有的接收設(shè)備在無傳輸任務(wù)時都應(yīng)處于待機(jī)模式。XE1201A從待機(jī)狀態(tài)轉(zhuǎn)到接收狀態(tài)的響應(yīng)時間最多為1s。芯片的接收與前端信息、方式信息段及ID號有關(guān)(如ID=1、2、3)，前端信息用于同步時鐘，方式信息段則用于識別傳輸是否開始，而ID號則用于識別接收器。

在接收模式下，如果微處理器接收不到或者識別不出該模式，那么開關(guān)將一直處于待機(jī)模式；若識別出，則繼續(xù)接收后面的內(nèi)容，同時還為微處理器提供同步時鐘(由內(nèi)部的位同步器產(chǎn)生)。在這種情況下，接收器需要滿足以下兩個條件：第一是能夠全部解讀前端信息以產(chǎn)生同步時鐘；第二是射頻輸入與射頻輸出的轉(zhuǎn)換電路必須為識別提供一個完整的模式幀。此二者若有一項不能夠完全滿足，則系統(tǒng)將不能夠接收，同時其開關(guān)電路也將回到待機(jī)模式。由于發(fā)送器要傳遞信息給指定的接收器，因此每個接收器都必須有一個用于識別自身的ID號。對ID號的處理是由微控制器來完成的，若ID號正確，則可通過微控制器使系統(tǒng)處于接收模式；若ID號錯誤，則將切換到待機(jī)模式。

一個適當(dāng)?shù)妮敵鲂枰玫阶罴训幕芈沸阅?。所有的諧振回路元件、匹配網(wǎng)絡(luò)和退耦都是射頻元件，需要盡量簡單且緊密地靠近XE1201A。通過3線式總線，微控制器可對XE1201A進(jìn)行控制，完成XE1201A的收、發(fā)和待機(jī)模式設(shè)置及控制。芯片使能和RXTX模式是通過硬件經(jīng)由微控制器來設(shè)定的。3式式串行總線包括：總線數(shù)據(jù)開關(guān)DE、串行時鐘SC和串行數(shù)據(jù)SD。輸入/輸出引腳包括：接收數(shù)據(jù)輸出RXD、接收數(shù)據(jù)時鐘CLKD、片選開關(guān)EN和接收發(fā)射開關(guān)RXTX。

待機(jī)模式到接收模式：在接收器設(shè)定為待機(jī)模式時，時鐘關(guān)閉。微控制器通過3線式總線使時鐘開啟，通過引腳1使接收器工作。

從接收模式到待機(jī)模式：在接收器模式時，微控制器通過引腳1不允許接收器工作，通過3線式總線關(guān)閉時鐘。

5.3MAX7044300～450MHzASK發(fā)射電路

5.3.1MAX7044主要技術(shù)特性

MAX7044是基于晶振PLL的VHF/UHF發(fā)射器芯片。它可以與接收器芯片MAX1470、MAX1473或者M(jìn)AX17033配套構(gòu)成無線數(shù)據(jù)收發(fā)系統(tǒng)，適合汽車遙控、無鍵進(jìn)入系統(tǒng)、安防系統(tǒng)、車庫門控制、家庭自動化、無線傳感器等應(yīng)用。

MAX7044在300～450MHz頻率范圍內(nèi)發(fā)射OOK/ASK數(shù)據(jù)；數(shù)據(jù)速率達(dá)到100kb/s；輸出功率為+13dBm(50Ω負(fù)載)；電源電壓為+2.1～+3.6V；電流消耗在2.7V時僅為7.7mA，待機(jī)電壓電流消耗為130nA；時鐘輸出頻率為fXTAL/16Hz；工作溫度范圍為-40～+125℃。5.3.2MAX7044引腳功能與內(nèi)部結(jié)構(gòu)

圖5.3.1MAX7044的內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖

1.低功耗模式

MAX7044有一個自動的低功耗模式(ShutdownMode)控制方式。如果DATA引腳端輸入在一個確定的時間(等待時間)內(nèi)沒有動作，則器件自動進(jìn)入低功耗模式。等待時間大約是216個時鐘周期，在315MHz頻率大約為6.66ms，在433MHz頻率大約為4.84ms，有式中，tWAIT是進(jìn)入低功耗模式的等待時間；fRF是射頻發(fā)射頻率。當(dāng)器件在低功耗模式時，在DATA信號的上升沿“暖”啟動晶振和PLL，晶振和PLL在數(shù)據(jù)發(fā)射前需要220μs的建立時間。

2.鎖相環(huán)

鎖相環(huán)(Phase-LockedLoop，PLL)功能塊包含有相位檢波器、充電泵、集成的回路濾波器、VCO、異步時鐘分頻器、驅(qū)動器和晶體振蕩器。除了晶振，PLL不需要其他外部元器件。基準(zhǔn)頻率和載波頻率的關(guān)系如下：在PLL鎖定前，鎖定檢測電路防止功率放大器發(fā)射。另外，如果失去載波頻率，則器件將關(guān)閉功率放大器。

3.功率放大器

MAX7044的功率放大器是一個高效率的漏極開路的C類放大器，使用合適的輸出匹配網(wǎng)絡(luò)，功率放大器能夠驅(qū)動簡單的PCB環(huán)行天線和各種形式的50Ω天線。

在典型應(yīng)用電路中，使用電源電壓+2.7V，電路輸出功率可達(dá)到+13dBm，整個效率可以達(dá)到48%。一個功率調(diào)整電路如圖5.3.2所示。圖5.3.2功率調(diào)整電路

4.時鐘緩沖輸出

MAX7044在CLKOUT引腳端提供一個時鐘緩沖輸出(BufferedClockOutput)，可供微控制器等器件使用。CLKOUT的輸出頻率是晶振頻率的1/16。對于315MHz射頻發(fā)射頻率，使用的晶振頻率是9.84375MHz，提供的時鐘頻率是615.2kHz。對于433.92MHz射頻發(fā)射頻率，使用的晶振頻率是13.56MHz，提供的時鐘頻率是847.5kHz。當(dāng)器件在低功耗模式時，時鐘輸出無效。數(shù)據(jù)發(fā)射時，在220μs時間之后，時鐘輸出穩(wěn)定。5.3.3MAX7044應(yīng)用電路

MAX7044應(yīng)用電路電原理圖和印制板圖如圖5.3.3～圖5.3.6所示。注意：圖中C1、C2、C6、L1、L3、Y1對于不同工作頻率有不同的數(shù)值。圖5.3.3MAX7044應(yīng)用電路電原理圖圖5.3.4MAX7044應(yīng)用電路PCB元器件布局圖圖5.3.5MAX7044應(yīng)用電路印制電路板圖(頂層)圖5.3.6MAX7044應(yīng)用電路印制電路板圖(底層)5.4MICRF112300～450MHzASK/FSK發(fā)射電路

5.4.1MICRF112主要技術(shù)特性

MICRF112是一種高性能的、容易使用的單片ASK/FSK發(fā)射器芯片，是一種真正的“數(shù)據(jù)輸入-天線輸出”芯片。其工作頻率范圍為300～450MHz；輸出功率為+10dBm(50Ω負(fù)載)；數(shù)據(jù)速率為50kb/s(曼徹斯特編碼)；FSK數(shù)據(jù)速率為10kb/s；電源電壓范圍為3.6～1.8V，最低可工作在2.0V；電流消耗為12.5mA，待機(jī)電流消耗為1μA；其工作溫度范圍為-40～+125℃。圖5.4.1MICRF112內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖5.4.3MICRF112應(yīng)用電路

MICRF112應(yīng)用電路的電原理圖如圖5.4.2所示。ASK和FSK操作有不同的元件參數(shù)，見表5.4.2。MICRF112應(yīng)用電路印制板圖如圖5.4.3～圖5.4.5所示。圖5.4.2MICRF112應(yīng)用電路的電原理圖圖5.4.3MICRF112應(yīng)用電路PCB元器件布局圖圖5.4.4MICRF112應(yīng)用電路印制電路板圖(頂層)圖5.4.5MICRF112應(yīng)用電路印制電路板圖(底層)

MICRF112可以驅(qū)動一個50Ω的單極天線或者環(huán)形天線、315.0MHz和433.92MHzASK配置的環(huán)形天線，元件參數(shù)如表5.4.3所示。

R7為輸出功率調(diào)節(jié)電阻，阻值范圍為0～1000Ω，輸出功率調(diào)整范圍為10～-3.8dBm(315MHz)或者8.68～0.42dBm(433.92MHz)。

R3和R4的數(shù)值與芯片的工作狀態(tài)有關(guān)，如表5.4.4所示。

5.5RF2516100～500MHzAM/ASK發(fā)射電路

5.5.1RF2516主要技術(shù)特性

RF2516是一種帶有鎖相環(huán)的AM/ASKVHF/UHF發(fā)射芯片，工作在100～500MHz頻帶，AM/ASK調(diào)制，調(diào)制頻率為1MHz。該芯片內(nèi)含有集成壓控振蕩器、鑒相器、預(yù)定標(biāo)器、基準(zhǔn)晶體振蕩器和鎖相環(huán)回路，能夠發(fā)射數(shù)字信號。除了標(biāo)準(zhǔn)的低功耗模式外，芯片還有一個自動閉鎖功能，當(dāng)PLL失鎖時，發(fā)射器的輸出無效。RF2516的電源電壓為2.25～3.6V，該器件能夠?qū)?0Ω的負(fù)載提供+10dBm的輸出功率，基準(zhǔn)頻率為17MHz。引腳4(GND)：發(fā)射輸出放大器地。必須保持好的接地，連接線要短。

引腳5(TXOUT)：發(fā)射器輸出。它是晶體管的集電極開路(OC)形式，需要連接一個偏置(或匹配)電感和一個匹配電容。

引腳6(GND1)：TX輸出緩沖放大器地。

引腳7(VCC1)：TX緩沖放大器提供電源。

引腳8(MODIN)：調(diào)制輸入。信號通過這個引腳的輸入，可以把調(diào)幅信號或者數(shù)字調(diào)制信號加到載波上，外接的一個電阻通過這個引腳被用來偏置輸出放大器。在這個引腳的電壓不能超過1.1V，更高的電壓可能會燒壞這個芯片。引腳9(VCC2)：壓控振蕩器、預(yù)定標(biāo)器、鑒相器和充電泵電源。一個中頻旁路電容需連接在引腳與地之間。

引腳10(GND2)：數(shù)字鎖相環(huán)地。

引腳11(VREFP)：基準(zhǔn)電壓的旁路。應(yīng)該選擇合適的電容器來對基準(zhǔn)頻率進(jìn)行濾波。電容連接在這個引腳與地之間。

引腳12(RESNTR-)：這個引腳被用來為壓控振蕩器(VCO)提供直流電壓，同時也調(diào)節(jié)壓控振蕩器的中心頻率。一個電感應(yīng)連接在這個引腳與引腳13之間。

引腳13(RESNTR+)：見引腳12。引腳14(LOOPFLT)：充電泵的輸出端。引腳14與地之間的RC回路用來控制鎖相環(huán)的帶寬。

引腳15(LDFLT)：這個引腳用來設(shè)定鎖定檢測電路的閾值。旁路電容器與芯片內(nèi)部的阻值為1kΩ的電阻用來設(shè)定RC時間常數(shù)，這個信號被用來鉗位MODIN電路，這個時間常數(shù)大約是基準(zhǔn)頻率的10倍。

引腳16(DIVCTRL)：分頻控制。這個引腳的電平為高電平時，選中64分頻的前置分頻器；反之，當(dāng)這個引腳為低電平時，選中32分頻的前置分頻器。

RF2516是一個具有鎖相環(huán)的AM/ASK甚高頻/超高頻發(fā)射器，由功率放大器、集成壓控振蕩器、鑒相器、預(yù)定標(biāo)器、鎖存器和直流偏壓等電路組成，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖如圖5.5.1所示。圖5.5.1RF2516內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖

RF2516的鎖相環(huán)包括一個基準(zhǔn)振蕩器、鑒相器、環(huán)路濾波器、VCO及反饋通道中的一個可編程分頻器，只需要外接一個晶振和兩個反饋電容?；鶞?zhǔn)振蕩器是一個Colpitts型的振蕩器，引腳1(OSCB)和引腳2(OSCE)與振蕩器使用的晶體管連接。一個外部信號能被輸入到晶體管的基極，任一情況下，驅(qū)動電平峰值應(yīng)在500mV左右，以防止過度驅(qū)動，保持相位噪聲最小。

前置分頻器以64或32為基數(shù)對VCO進(jìn)行分頻，根據(jù)引腳DIVCTRL所處邏輯電平的高低來確定分頻系數(shù)。引腳DIVCTRL為高電平時，用基數(shù)64來分頻；引腳DIVCTRL為低電平時，用基數(shù)32來分頻。分頻信號被輸入到鑒相器，在鑒相器中，分頻信號與基準(zhǔn)信號頻率相比較。

RF2516內(nèi)含鑒相器和電荷泵。鑒相器用來比較基準(zhǔn)振蕩器的相位和VCO的相位，由數(shù)據(jù)鑒頻鑒相器和數(shù)據(jù)三態(tài)比較器組成，電路包括兩個D觸發(fā)器，D觸發(fā)器的輸出和與非門相結(jié)合來重置D觸發(fā)器，其輸出也連接到電荷泵。每個觸發(fā)器的輸出信號是一系列與觸發(fā)器輸入頻率相關(guān)的的脈沖，當(dāng)觸發(fā)器的兩個輸入端信號相同時，信號為鎖頻和鎖相；當(dāng)兩個信號不同時，將提供信號給電荷泵使環(huán)路濾波器充放電或進(jìn)入高阻狀態(tài)。鑒頻鑒相器被鎖時，通過相位來糾錯；未鎖時，通過頻率來糾錯。電荷泵由2個三極管、1個可充電環(huán)路濾波器和其他放電環(huán)路濾波器組成，其輸入是相位檢波器中觸發(fā)器的輸出。此處有兩個觸發(fā)器，有四種可能的狀態(tài)，若兩個放大器的輸入均為低，則放大器進(jìn)入高阻態(tài)，兩個輸入均為高的情況將不會出現(xiàn)，另兩個狀態(tài)用于環(huán)路濾波器的充放電控制，環(huán)路濾波器的整合脈沖來自VCO中電荷泵產(chǎn)生的控制電壓。壓控振蕩器是一個調(diào)諧的微分放大器，集電極提供一個正反饋，并且產(chǎn)生360°的相移，調(diào)諧電路在集電極，包含內(nèi)部的可變電容和外接的一個電感。為了得到設(shè)定的工作頻率，設(shè)計者必須選擇合適的電感，電感也為VCO提供直流偏壓。VCO輸出到預(yù)定標(biāo)器，在預(yù)定標(biāo)器中信號頻率將以32和64為基數(shù)進(jìn)行分頻，與基準(zhǔn)振蕩頻率相比較。

發(fā)射器是一個兩級放大器，它包括一個驅(qū)動器和一個集電級開路的晶體管。當(dāng)電源為3.6V時，可提供10dBm的輸出功率到50Ω的負(fù)載。鎖定檢測電路連接著鑒相器的輸出，當(dāng)VCO沒有鎖住基準(zhǔn)振蕩器的相位時，它能使發(fā)射器失去發(fā)射能力。導(dǎo)致PLL失鎖有多方面的原因，例如，任何一個VCO的啟動都有一個短時間的間隔，此時，VCO開始振蕩，基準(zhǔn)振蕩器也建立起完全振幅，在這段時間里，頻率可能會出現(xiàn)在規(guī)定頻段外，典型的是VCO啟動比基準(zhǔn)振蕩器快，一旦VCO啟動，鑒相器就開始定位，VCO來糾正頻率偏差，占用頻帶范圍為200MHz的頻譜，VCO處在全功率輻射狀態(tài)。

RF2516中鎖定保護(hù)電路，當(dāng)電源加到芯片中之后，很快使鑒相器鎖住，振蕩器鎖定電路將會使引腳MODIN傳輸預(yù)設(shè)好的信號，不再需要微處理機(jī)來檢測鎖定狀態(tài)。鎖定檢測電路含有一個內(nèi)部電阻器，設(shè)計者可選擇電容器來確定RC時間常數(shù)。5.5.3RF2516應(yīng)用電路

RF2516315MHz應(yīng)用電路電原理圖和印制板圖如圖5.5.2和圖5.5.3所示。433MHz應(yīng)用電路電原理圖和印制板圖如圖5.5.4和圖5.5.5所示。

RF2516提供了一個接口連接微控制器或者其他類型的信號發(fā)生器，可以對引腳8(MODIN)、引腳16(DIVCTRL)和引腳3(PD)進(jìn)行設(shè)置，作為控制引腳使用。15腳(LDFLT)的鎖定檢測電路輸出電壓可以被微控制器監(jiān)測。引腳15(LDFLT)用來設(shè)置鎖定檢測電路的閾值，外接的電容與芯片上阻值為1kΩ的電阻一起設(shè)定時間常數(shù)，時間常數(shù)大約是基準(zhǔn)周期的10倍。圖5.5.2RF2516315MHz應(yīng)用電路電原理圖圖5.5.3RF2516315MHz應(yīng)用電路印制電路板圖圖5.5.4RF2516433MHz應(yīng)用電路電原理圖圖5.5.5RF2516433MHz應(yīng)用電路印制電路板圖對于應(yīng)用電路PCB的布局，必須非常謹(jǐn)慎，材料和厚度必須根據(jù)射頻線寬來選擇。對于315MHz的射頻發(fā)射器，印制板尺寸為1.285"×?1.018"，板厚度為0.062"，材料為FR-4；對于433MHz的射頻發(fā)射器，印制板尺寸為1.392"×?1.392"，板厚度為0.031"，材料為FR-4。當(dāng)圍繞VCO布線時，需要使引腳間的間隔相等，使導(dǎo)線電感等值。5.6TH7107315～433MHzFSK/FM/ASK發(fā)射電路

5.6.1TH7107主要技術(shù)特性

TH7107是一種符合EN300220及類似標(biāo)準(zhǔn)的單片發(fā)射器芯片，工作在315～433MHz頻段，可用于無鑰匙進(jìn)入、遙控遙測、數(shù)據(jù)通信和安防等系統(tǒng)中。

TH7107內(nèi)集成了晶體振蕩器、壓控振蕩器、鑒頻鑒相器、分頻器、功率放大器等電路。TH7107采用FSK/FM/ASK調(diào)制，F(xiàn)SK調(diào)制通過拉動晶振進(jìn)行調(diào)制，F(xiàn)SK數(shù)據(jù)速率為20kb/s；ASK通過開/關(guān)內(nèi)部的功率放大器完成，ASK數(shù)據(jù)速率為40kb/s；FM利用外接的變?nèi)荻O管進(jìn)行調(diào)制，F(xiàn)M頻偏為±6kHz。

TH7107的電源電壓為2.1～5.5V；電流消耗為4.8～11.5mA，提供低功耗模式，待機(jī)電流消耗為0.1μA；輸出功率為-12～+2dBm；可為微控制器提供分頻的時鐘輸出；工作溫度范圍為-40～+85℃。

5.6.2TH7107引腳功能與內(nèi)部結(jié)構(gòu)

圖5.6.1TH7107內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖和外部元件晶體振蕩器為PLL的基準(zhǔn)振蕩器。FSK調(diào)制通過拉動晶振的頻率來完成。FSK調(diào)制時，數(shù)據(jù)流加到DATA端，在數(shù)據(jù)=“LOW”(低電平)時，外接的電容器CX2被芯片內(nèi)開關(guān)連接到與CX1并聯(lián)，晶體振蕩器的頻率被設(shè)置到振蕩頻率的低端fmin；在數(shù)據(jù)=“HIGH”(高電平)時，外接的電容器CX2被芯片內(nèi)開關(guān)斷開與CX1的并聯(lián)，晶體振蕩器的頻率被設(shè)置到振蕩頻率的高端fmax，實現(xiàn)FSK調(diào)制。兩個外接的電容器CX1和CX2允許獨立地調(diào)節(jié)FSK的頻偏和中心頻率。FM調(diào)制需要一個外接的變?nèi)荻O管，作為一個電容被串接到晶體振蕩器回路中，模擬信號通過一個串聯(lián)電阻直接調(diào)制晶體振蕩器。ASK調(diào)制時，數(shù)據(jù)信號直接加到PS端，利用數(shù)據(jù)信號控制功率放大器“導(dǎo)通”和“關(guān)斷”，完成ASK調(diào)制。

時鐘輸出端(CLKOUT)的輸出時鐘信號能用來驅(qū)動微控制器，頻率是基準(zhǔn)振蕩頻率的1/8。5.6.3TH7107應(yīng)用電路

TH7107采用PCB天線的應(yīng)用電路電原理圖和印制板圖如圖5.6.2和圖5.6.3所示，電路所用元器件的參數(shù)值如表5.6.3所示。采用50Ω天線的應(yīng)用電路電原理圖如圖5.6.4所示，所用元器件的參數(shù)如表5.6.4所示。圖5.6.2TH7107采用PCB天線的應(yīng)用電路電原理圖圖5.6.3TH7107采用PCB天線的應(yīng)用電路印制板圖圖5.6.4采用50Ω天線的應(yīng)用電路電原理圖

5.7MAX7033300～450MHzASK接收電路

5.7.1MAX7033主要技術(shù)特性

MAX7033是一種低功耗的CMOS超外差接收器芯片，接收頻率范圍在300～450MHz的ASK信號，適合汽車遙控、無鍵進(jìn)入系統(tǒng)、安防系統(tǒng)、車庫門控制、家庭自動化、無線傳感器等應(yīng)用。

MAX7033接收器射頻輸入信號范圍為-120～-114dBm，最大數(shù)據(jù)速率為86kb/s；工作電壓為+3.3V或+5.0V，250μs啟動時間，電流消耗為6.88mA，低功耗模式電流消耗<3.5μA；fRF=433MHz時，晶體振蕩器頻率為6.6128/13.2256MHz，fRF=315MHz時，晶體振蕩器頻率為4.7547/9.5094MHz；工作溫度為-40～+105℃。

5.7.2MAX7033引腳功能與內(nèi)部結(jié)構(gòu)

MAX7033采用TSSOP-28和薄形QFN-EP-32兩種封裝，引腳功能如表5.7.1所示。圖5.7.1MAX7033的內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖

1．電壓調(diào)節(jié)器

MAX7033使用單3.0～3.6V電源電壓，直接連接AVDD、DVDD和VDD5到電源電壓；MAX7033使用單4.5～5.5V電源電壓，連接VDD5到電源電壓。片上的電壓調(diào)節(jié)器(VoltageRegulator)產(chǎn)生AVDD引腳端需要的3.2V電壓。DVDD和AVDD兩個引腳端必須連接在一起，盡可能地靠近DVDD和AVDD引腳端連接一個0.01μF的旁路電容到地(AGND)。

2．低噪聲放大器

低噪聲放大器(Low-NoiseAmplifier，LNA)是一個nMOS的共基共射放大器，需要使用片外的電感，具有3.0dB的噪聲系數(shù)和-12dBm的IIP3。增益和噪聲系數(shù)與在天線和LNA輸入端之間的匹配網(wǎng)絡(luò)以及在LNA輸出和混頻器之間的LC諧振網(wǎng)絡(luò)有關(guān)。需要從LNASRC引腳端連接一個電感到地(AGND)，這個電感設(shè)置在LNAIN引腳端的輸入阻抗的實部，可以實現(xiàn)更多靈活的阻抗匹配，如使用PCB導(dǎo)線得到天線形式。對于50Ω的輸入阻抗，這個電感值為15nH。注意：這個電感值會受PCB導(dǎo)線長度的影響。

LC諧振濾波器連接到LNAOUT引腳端，由L3和C2組成(見典型應(yīng)用電路)。選擇L3和C2，諧振在要求的射頻輸入頻率。諧振頻率由下式計算：

4．混頻器

MAX7033采用獨特的鏡像抑制混頻器(MIXER)結(jié)構(gòu)，可以不使用高價的SAW濾波器?；祛l器單元是一個雙平衡的混頻器對，完成射頻信號到10.7MHzIF的IQ下變頻，本振(LO)頻率采用低端注入形式。電路具有44dB的鏡像抑制能力。IF輸出阻抗為330Ω，可以采用330Ω的陶瓷濾波器。

IRSEL引腳端是一個邏輯電平輸入，可用來選擇3個鏡像抑制頻率中的一個。當(dāng)VIRSEL=0V時，鏡像抑制頻率調(diào)諧在315MHz；當(dāng)VIRSEL=VDD5/2時，鏡像抑制頻率調(diào)諧在375MHz；當(dāng)VIRSEL=VDD5時，鏡像抑制頻率調(diào)諧在433MHz。當(dāng)IRSEL引腳端不連接時，在內(nèi)部設(shè)置到VDD5/2，不需要外部VDD5/2電壓。

5．PLL

PLL(Phase-LockedLoop)功能塊包含有鑒相器、充電泵、集成的回路濾波器、VCO、異步時鐘分頻器和晶體振蕩器驅(qū)動器。除了晶振，PLL不需要其他外部元器件。VCO產(chǎn)生低端LO?；鶞?zhǔn)頻率、RF頻率和IF頻率的關(guān)系如下：

6．中頻和RSSI

IF部分提供差分330Ω輸出阻抗，可以與片外的陶瓷濾波器匹配。6個內(nèi)部AC耦合限幅放大器提供大約65dB的增益，IF帶通濾波器的中心頻率為10.7MHz，3dB帶寬大約為10MHz。

RSSI電路解調(diào)IF信號，產(chǎn)生與IF信號電平成比例的直流電壓輸出，大約為14.2mV/dB。

7．晶體振蕩器

MAX7033中的晶體振蕩器(CrystalOscillator)在XTAL1和XTAL2引腳端之間呈現(xiàn)的電容大約為3pF。使用不同的負(fù)載電容，將改變晶振的標(biāo)準(zhǔn)基準(zhǔn)頻率。例如，4.7547MHz的晶振使用10pF的負(fù)載電容，MAX7033的振蕩器頻率為4.7563MHz，有大約100kHz的誤差。

此外，也可以使用外部基準(zhǔn)振蕩器驅(qū)動VCO，使用一個1000pF的電容交流耦合連接到XTAL2引腳端。

8．?dāng)?shù)據(jù)濾波器

數(shù)據(jù)濾波器(DataFilter)是一個2階低通Sallen-Key濾波器，需要2個片上的電阻和外部電容組合。調(diào)節(jié)外部電容的數(shù)值，可以改變?yōu)V波器的截止頻率，以適應(yīng)不同的數(shù)據(jù)速率。

一個Butterworth濾波器電路如圖5.7.2所示。圖5.7.2Butterworth濾波器電路電路中：例如，Butterworth濾波器的截止頻率為5kHz，有：選擇C5?=?470pF，C6?=?220pF。

9．PCB設(shè)計考慮

適當(dāng)?shù)腜CB板設(shè)計是射頻/微波電路的重要部分。在高頻輸入和輸出引腳端使用控制阻抗的導(dǎo)線并使導(dǎo)線盡可能短，可以減少損耗和輻射。在高頻，導(dǎo)線長度為λ/10或者更長，其作用類似天線。保持導(dǎo)線盡可能短可以減少寄生電感。一般情況下，1英寸的PCB導(dǎo)線長度大約附加20nH的寄生電感。寄生電感將影響實際的元件參數(shù)。例如，0.5"長的導(dǎo)線與一個100nH的電感器連接，將增加額外的10nH電感。使用寬的導(dǎo)線、可靠的接地或者電源板在信號導(dǎo)線的下面可以減少寄生電感。另外，所有的GND引腳端要求使用低電感連接到地，盡可能地靠近所有的VDD引腳端連接退耦電容到地。5.7.3MAX7033應(yīng)用電路

MAX7033的應(yīng)用電路電原理圖和印制板圖如圖5.7.3～圖5.7.6所示。注意：圖中C9、L1、L2和Y1工作在315MHz和433.92MHz時數(shù)值不同。圖5.7.3MAX7033的應(yīng)用電路電原理圖圖5.7.4MAX7033的應(yīng)用電路元器件布局圖圖5.7.5MAX7033的應(yīng)用電路印制電路板圖(頂層，元器件面)圖5.7.6MAX7033的應(yīng)用電路印制電路板圖(底層)5.8MC33594434/315MHzOOK/FSK接收電路

5.8.1MC33594主要技術(shù)特性

MC33594是一種用于數(shù)據(jù)傳輸?shù)膯纹山邮掌?，芯片包?60kHz中頻帶通濾波器、完全集成的VCO、可消除鏡像的混頻器、曼徹斯特編碼時鐘再生電路(僅限FSK)和完整結(jié)構(gòu)的SPI接口，并有內(nèi)部和外部選通端，只需要很少的外部元件，不需要射頻調(diào)節(jié)。MC33594適合在無線電遙測、保安和無鍵輸入等系統(tǒng)中應(yīng)用。

MC33594具有OOK和FSK解調(diào)、識別字和音頻檢測等功能。其工作頻帶為315MHz，434MHz；數(shù)據(jù)速率為1～11kBaud；RF靈敏度為-105dBm；中頻帶寬為500kHz。MC33594工作電流消耗低，在運(yùn)行模式下僅為5mA，休眠模式下電流消耗為250μA，最快喚醒時間為1ms。

5.8.2MC33594引腳功能與內(nèi)部結(jié)構(gòu)

MC33594的內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖如圖5.8.1所示。芯片包含有低噪聲放大器(LNA)、輸入/輸出混頻器(I/OMixers)、中頻濾波器(IFFilter)、調(diào)頻-調(diào)幅轉(zhuǎn)換器(FMtoAMConverter)、中頻放大器(IFAmplifier)、包絡(luò)檢波器(EnvelopDetector)、數(shù)據(jù)濾波器和限幅器(DataFilter&Slicer)、數(shù)據(jù)管理器(DataManager)、串行外部接口(SPI)、時鐘發(fā)生器(ClockGenerator)、狀態(tài)機(jī)(StateMachine)、配置寄存器(ConfigRegister)、壓控振蕩器(VCO)、分頻器相位比較器(DividerPhaseComp)、基準(zhǔn)晶體振蕩器(XCO)、選通振蕩器(StrobeOscillator)等電路。圖5.8.1MC33594的內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖

1．本機(jī)振蕩器PLL

PLL是通過將本機(jī)振蕩器頻率與晶體振蕩器基準(zhǔn)頻率經(jīng)適當(dāng)分頻后的頻率相比較來調(diào)諧的。環(huán)路濾波器被集成在芯片內(nèi)，在實際應(yīng)用中，由于元件值的差異被結(jié)合到本振參數(shù)，因此在PFD引腳端連接一個外部濾波器可稍作改進(jìn)，如圖5.8.2所示。圖中C1?=?4.7nF，C2?=?390pF，R=1kΩ。用這種方法，使用者可以通過選擇外部濾波器元件獲得最佳性能。PLL增益可以由PG位編程，PG位設(shè)置為1時，環(huán)路為低增益狀態(tài)。圖5.8.2外部環(huán)路濾波器

2．通信協(xié)議

1)曼徹斯特編碼

曼徹斯特編碼(Manchestercoded)的定義如下：在一位(bit)中，前半位(bit)傳輸?shù)氖菙?shù)據(jù)，后半位(bit)傳輸?shù)氖菙?shù)據(jù)的補(bǔ)碼。

信號平均值是常數(shù)(恒量)，在FSK調(diào)制中(MOD=1)，允許從數(shù)據(jù)流中再生時鐘，為了得到恰當(dāng)?shù)脑偕鷷r鐘脈沖，曼徹斯特編碼數(shù)據(jù)必須有45%～55%的占空系數(shù)。

2)前同步、識別、報頭字和信息

當(dāng)數(shù)據(jù)管理器使能(DME=1，MOD=1)時，以下描述適用。

識別(ID)字內(nèi)容是按曼徹斯特編碼的字節(jié)，被預(yù)先裝入配置寄存器2中。識別字的補(bǔ)碼被認(rèn)為是一個識別字。識別字的傳輸速率與數(shù)值的傳輸速率一致。

一個前同步(Preamble)是必需的，前同步一般在ID前，如果HE=1，則在報頭前；如果HE=0，則在數(shù)據(jù)前。

使用FSK調(diào)制，使能設(shè)置數(shù)據(jù)限幅基準(zhǔn)電壓和再生時鐘，F(xiàn)SK調(diào)制的前同步字的定義如圖5.8.3所示。為了與識別或報頭字編碼不同，前同步字的內(nèi)容必須仔細(xì)定義。圖5.8.3FSK調(diào)制前同步字定義報頭(Header)字是4位曼徹斯特編碼“0110”或者是它的補(bǔ)碼，以特定數(shù)據(jù)速率發(fā)送，這些位順序和它們的補(bǔ)碼禁止在前同步字與識別字順序中出現(xiàn)，數(shù)據(jù)緊跟報頭而沒有任何延遲。

數(shù)據(jù)由一個信息結(jié)束命令(EndOfMessage，EOM)結(jié)束。EOM由兩個NRZ連續(xù)的1或0組成。當(dāng)FSK調(diào)制時，數(shù)據(jù)由一個EOM結(jié)束，而不能簡單地被射頻信號終止。如果報頭字的補(bǔ)碼被接收，則輸出數(shù)據(jù)也是補(bǔ)碼。

一個完整的信號實例如圖5.8.4所示，它描述一個帶有前同步字、識別字、報頭字跟隨的數(shù)據(jù)位及結(jié)束字的完整信號，前同步被放在識別和報頭兩個字的前面。圖5.8.4完整的信號實例

3．信息協(xié)議

如果接收機(jī)運(yùn)行在休眠/運(yùn)行模式的連續(xù)循環(huán)中，則在運(yùn)行模式下識別字必須被辨別出。因此，傳輸?shù)淖R別字脈沖時間必須足夠長，超過兩個連續(xù)的接收運(yùn)行周期。如果選通振蕩器使能(SOE=1)，則在SR?×?TSTROBE期間，電路處于休眠模式，而在TSTROBE期間，電路處于運(yùn)行模式(此處TSTROBE是選通振蕩器周期，SR是選通系數(shù))。因此，休眠/運(yùn)行模式下循環(huán)周期=(SR+1)×TSTROBE。如果SOE=0，則定時限制與STROBE引腳端的外部控制信號有關(guān)。

4．?dāng)?shù)據(jù)管理

當(dāng)只用FSK調(diào)制時，這個功能模塊有五個用途：①識別字檢測；②報頭識別；③再生時鐘；④在SPI通道上數(shù)據(jù)輸出和再生時鐘；⑤信息結(jié)束檢測。接收器(ROMEO2)狀態(tài)與DME、SOE值的關(guān)系如表5.8.2所示。接收器與DME值的關(guān)系如表5.8.3所示。

5．時鐘發(fā)生器

315MHz頻帶時晶振頻率為9.864375MHz，434M頻帶時為13.580625MHz。

6．串行接口

接收器和微控制器通信通過一個串行外部接口SPI完成。SPI使能，微控制器設(shè)置和檢測接收器的配置，使接收器傳輸接收數(shù)據(jù)。如果不使用SPI接口，則電源導(dǎo)通復(fù)位POR(PowerOnReset)設(shè)置接收器為默認(rèn)配置，從而完成正確的操作。SPI接口通過三個輸入/輸出端來實現(xiàn)操作，即串行時鐘SCLK、主設(shè)輸出從設(shè)輸入端MOSI、主設(shè)輸入從設(shè)輸出端MISO。

主設(shè)時鐘通過MOSI和MISO對數(shù)據(jù)輸入/輸出進(jìn)行同步，主設(shè)或從設(shè)在8個時鐘周期可以交換一個字節(jié)信息。由主設(shè)產(chǎn)生SCLK時，從設(shè)作為輸入。MOSI在主設(shè)配置為輸入，而在從設(shè)中就作為輸出線。主設(shè)MOSI線配置作為輸出，而在從設(shè)中就作為輸入線。

MISO和MOSI線向一個方向傳輸串行數(shù)據(jù)，并且最高位先發(fā)送。數(shù)據(jù)在SCLK的下降沿捕獲，在SCLK的上升沿傳遞。當(dāng)沒有數(shù)據(jù)輸出時，SCLK和MOSI強(qiáng)制為低電平。使用Motorola的微控制器，其SPI的時鐘相位和極性控制位必須是CPOL=0，CPHA=1。

在配置模式中，只要一個長時間的低電平加在復(fù)位端(RESETB)，微控制器作為主設(shè)提供時鐘信號在SCLK上輸入，控制和配置位提供在MOSI線上。如果不希望為默認(rèn)配置，則微控制器(MCU)能夠通過寫入配置字到配置寄存器來改變配置。配置寄存器的內(nèi)容可以通過微控制器讀出檢驗。配置寄存器不能單獨尋址，整個配置字必須采用一個3×8位流(bitstream)一起發(fā)送，采用一個24位串行數(shù)據(jù)流將內(nèi)容寫出來。但不能超過24位傳送，這樣系統(tǒng)可能會導(dǎo)致意外的配置。在MOSI上傳輸?shù)牡谝晃徊桓淖兣渲眉拇嫫鞯膬?nèi)容，在RESETB引腳端上加一個低電平也不會影響配置寄存器的內(nèi)容。當(dāng)RESETB引腳端設(shè)置為高電平時，如果數(shù)據(jù)管理器是使能的(DME=1)，則接收器成為主設(shè)，并且在MOSI線上發(fā)送接收到的數(shù)據(jù)，在SCLK上發(fā)送接收到的時鐘信號。推薦將MCUSPI設(shè)置為從設(shè)裝置。如果接收到的數(shù)據(jù)與一個完整的數(shù)據(jù)字節(jié)不匹配，則數(shù)據(jù)管理器將填滿最后的字節(jié)。如果接收到的數(shù)據(jù)構(gòu)成一個完整的數(shù)據(jù)字節(jié)，則數(shù)據(jù)管理器可產(chǎn)生并發(fā)送一個與內(nèi)容不相關(guān)的附加字節(jié)。如果DME=0，則SPI不使能，原始數(shù)據(jù)被發(fā)送到MOSI線上。

當(dāng)接收器的SPI由主設(shè)(運(yùn)行模式)變?yōu)閺脑O(shè)(配置模式)，或者由從設(shè)變?yōu)橹髟O(shè)時，在模式轉(zhuǎn)換前MCUSPI推薦設(shè)置為從設(shè)。在接通電源時，POR復(fù)位內(nèi)部寄存器，接收器系統(tǒng)被設(shè)置為默認(rèn)配置模式。在這個配置中，SPI是不使能的，接收器在MOSI線上發(fā)送原始數(shù)據(jù)。默認(rèn)配置使能電路作為一個沒有外部控制的獨立的接收器來運(yùn)行。通電復(fù)位(POR)后，TRSETB端被強(qiáng)制為低電位，因此，為了避免進(jìn)入配置模式，在TRSETB端連接一個外部上拉電阻。

7．配置寄存器

1)寄存器1的配置

寄存器1的配置如表5.8.4所示。

2)配置寄存器2(CR2)

配置寄存器2定義了識別字的內(nèi)容，各位將是曼徹斯特編碼。寄存器2和3的配置如表5.8.6和表5.8.7所示。

DR0/DR1：定義了數(shù)據(jù)速率(在曼徹斯特編碼前)，如表5.8.8所示。

MG：設(shè)置混頻器增益，0=正常，1=-17dB(典型值)。

MS：控制MIXOUT引腳端轉(zhuǎn)換?；祛l器和混頻器輸出腳的配置如表5.8.9所示。0表示為混頻器輸出；1表示為中頻(IF)輸入。MG=1，MS=1在應(yīng)用中是禁止的，它配置接收器處于測試模式，這時的混頻器工作在FVCO/4模式。PG：設(shè)置相位比較器增益，0=高增益模式，1=低增益模式。

8．工作模式

接收機(jī)有三種不同的工作模式：休眠模式、配置模式和運(yùn)行模式。

1)休眠模式

休眠模式也就是低功耗模式。如果SOE=0，則接收器處于低功耗狀態(tài)；如果SOE=1，則選通振蕩器持續(xù)工作。

2)配置模式

配置模式用于對內(nèi)部寄存器進(jìn)行讀或?qū)懖僮?。在這種模式中，SPI處于從設(shè)位置，接收器被使能。晶體振蕩器振蕩運(yùn)行，為SPI產(chǎn)生時鐘信號。在此之前電路處于休眠狀態(tài)，必須在RESETB的下降沿和在SPI線啟動傳遞之間，插入一個對應(yīng)喚醒晶體振蕩器起振的延遲時間。本機(jī)振蕩器也正常工作。這種模式解調(diào)的數(shù)據(jù)可以由DMDAT讀出，但是不能通過SPI發(fā)送。

3)運(yùn)行模式

運(yùn)行模式下，接收器被使能(晶體振蕩器和本機(jī)振蕩器都工作)，它等待射頻信號或接收信息。狀態(tài)機(jī)由晶體振蕩器產(chǎn)生的615kHz(采樣周期Ts=1.6μs)采樣時鐘來同步。在狀態(tài)1和狀態(tài)2或6之間的轉(zhuǎn)變時間小于3×Ts。

通電復(fù)位后，電路處于狀態(tài)0，配置寄存器的內(nèi)容刷新，在沒有任何外部控制的情況下，對ROMEO2進(jìn)行配置。當(dāng)RESETB為低電平時，電路處于狀態(tài)1。在配置模式下，通過SPI接口能夠?qū)?nèi)部寄存器進(jìn)行讀或?qū)懖僮鳌?/p>

9.選通振蕩器

選通振蕩器是一個張弛振蕩器，見圖5.8.5所示。它的外部電容C5通過外部電阻R2進(jìn)行充電，當(dāng)達(dá)到或超過閾值時，C5就開始放電，反復(fù)進(jìn)行，其周期時間TSTROBE=0.12×R2×C5。當(dāng)在STROBE端加上VCC時，這個電路可以迫使機(jī)器進(jìn)入狀態(tài)6、狀態(tài)3或者狀態(tài)7等。有關(guān)MC33594狀態(tài)機(jī)的內(nèi)容，請登錄查詢FreescaleSemiconductor，MC33596PLLTunedUHFReceiverforDataTransferApplications。VCC是振蕩器的門限電壓。這種情況下，STROBE引腳端被置到VCC，被芯片內(nèi)部檢測到，此時振蕩器的下拉電路不能限制必須提供的工作電流。5.8.3MC33594應(yīng)用電路

MC33594應(yīng)用電路如圖5.8.5所示。MC33594應(yīng)用電路的元器件參數(shù)如表5.8.10所示。其中，R2和C5的值用來選通振蕩器周期，TSTROBE=3.8ms，C2對應(yīng)數(shù)據(jù)速率的取值范圍如表5.8.11所示。選用晶振的特性如表5.8.12所示。圖5.8.5MC33594應(yīng)用電路5.9MICRF211380～450MHzOOK/ASK接收電路

5.9.1MICRF211主要技術(shù)特性