nRFTM系列單片機無線收發(fā)器的應(yīng)用設(shè)計

一、器件特性
　　
　　NORDIC公司推出的nRFTM系列( nRF401/nRF403／nRF903)無線收發(fā)一體芯片，在單個芯片中集成了高頻發(fā)射／接收、PLL合成、FSK/gmsk調(diào)制等電路，可多信道切換，直接串行數(shù)字接口，且無須曼徹斯特編碼，是目前集成度較高的無線數(shù)傳產(chǎn)品之一。其外圍元件少，功耗低，便于設(shè)計生產(chǎn)?？蓮V泛用于遙控遙測、無線抄表系統(tǒng)、交通管理系統(tǒng)、自動報警安防監(jiān)控系統(tǒng)、汽車防盜監(jiān)控、無線鍵盤／鼠標(biāo)／游戲桿/PDA、小區(qū)／家庭／辦公室／工廠無線網(wǎng)絡(luò)、遙控玩具／機器人等。nRF401／403/903的特性如表1- 41所列。

　　應(yīng)用設(shè)計評估
　　
　　在開始系統(tǒng)設(shè)計前，應(yīng)對整體方案進行以下幾點初步評估。
　　
　　1．電磁兼容性
　　
　　使用無線產(chǎn)品要遵守所在國家的無線電管理規(guī)定(如歐洲ESTI、美國FCC)，其對頻段、發(fā)射功率、占空比、信道帶寬等指標(biāo)會有限制。nRFTM系列無線收發(fā)器使用ISM (Industrial，ScientifIC，Medical)國際通用頻段，發(fā)射功率不大于10 mW，故可在絕大多數(shù)國家使用。但設(shè)計者可能要求在nRF器件輸出級放大，則須考慮是否符合當(dāng)?shù)匾?guī)定。
　　
　　2．設(shè)計收發(fā)距離
　　
　　RF無線鏈路在可視范圍的自由空間中傳播的能量損耗(FSL)，由下式計算：

式中：入為RF信號的波長；R為接收端到發(fā)射端的距離；FSL單位為dB。
　　
　　如圖1- 133所示，RF信號在可視范圍內(nèi)傳播的功率分布等式為：

　　
　　式中：SRX為接收器靈敏度(dBm)；GRX為接收器(RX)天線增益(dB)；Grx為發(fā)送器(TX)天線增益(dB)；PTX為發(fā)送器RF輸出功率(dBm)。

　　由式（1 - 10）和式（1- 11）可計算出理論傳輸距離R≈l 500 m
　　
　　但在實際應(yīng)用中，還應(yīng)考慮兩端天線阻抗匹配電路的損耗，傳輸路徑中由于障礙物、多徑傳輸引起的損耗，以及PCB板材質(zhì)量、產(chǎn)品外殼和人體等的
　　
　　影響。其中的一些因素與應(yīng)用環(huán)境密切相關(guān)。一般經(jīng)驗，在室外空曠地帶傳送距離約為理論計算距離的1/2，室內(nèi)傳送距離約為理論距離的1/10。
　　
　　由圖1 - 134可看出RF頻率每增加一倍，損耗將增加約6 dB，即引起傳送距離下降一倍。所以如果設(shè)計者要求的主要指標(biāo)是傳送距離，那么可以選擇較低的頻率。采用中繼傳輸也是一種有效增加通信距離的方法。

　　3.其他因素

由于無線傳輸容易產(chǎn)生干擾，也易被其他噪聲干擾，故設(shè)計者還必須認(rèn)真考慮應(yīng)用場合及安裝位置，不要一味追求遠(yuǎn)距離。對于電池供電，可采用占空工作方式省電。
　　
　　二、外圍元件的選擇
　　
　　nRFTM收發(fā)器的外圍包括RF前端（天線匹配網(wǎng)絡(luò)）及鎖相環(huán)PLL電路（包括晶體振蕩器、VCO電感和環(huán)路濾波電路）。外圍元件是實現(xiàn)nRFTM器件功能的關(guān)鍵要素。這些元件的品質(zhì)和精度直接影響器件的整體性能。

　　1．晶 體
　　
　　RF器件對晶體的要求通常比典型的微控制器更高。晶體必須具備：
　　
　　●fo：晶體振蕩頻率；
　　
　　●CO：晶體的并行等效電容；
　　
　　●ESR:晶體等效串聯(lián)阻抗；
　　
　　●Cl：晶體負(fù)載電容；
　　
　　●室溫下絕對頻率精度容差；
　　
　　●穩(wěn)定度：頻率的溫度穩(wěn)定性。
　　
　　對于nRF器件，晶體總的容差（絕對容差和穩(wěn)定度的和）將直接影響器件之間的通信效果。如果發(fā)送端和接收端器件的頻率偏差很大，接收器將會把所發(fā)送的信號當(dāng)作噪聲濾掉。圖1 - 135所示為晶體引起的頻率誤差與信號輻射強度的關(guān)系示意圖，當(dāng)頻率誤差超過3.5×10 -5時，信號強度會迅速下降。
　　
　　為降低成本和減小PCB面積，通?？煽紤]多個器件共用晶體。如圖1- 136所示，nRF40x和微控制器共用同一個晶體。

　　2.VCO電感
　　
　　nRFTM器件的片內(nèi)壓控振蕩器( VCO)產(chǎn)生器件工作的所有RF頻率，因此是一個非常關(guān)鍵的部分。VCO的額定工作頻率由公式確定。
　　
　　由于VCO的片內(nèi)部分將VC01和VC02引腳之處的整個電路視作其VCO電感，因此，LC電路將包括以下幾部分：
　　
　　●片內(nèi)電路；
　　
　　●外部VCO電感；
　　
　　●連接芯片和VCO電感的線路電感；
　　
　　●VCO電感到地線層線路的寄生電容。
　　
　　可見電感的取值和放置位置是相當(dāng)重要的。VCO電感的品質(zhì)因數(shù)Q值對VCO內(nèi)部的相位噪聲和電壓擺幅也起著決定作用。如果Q值太小，VCO甚至不能啟振。對于nRFTM收發(fā)器，要求Q值為40～45，電感量的精度應(yīng)控制在2%之內(nèi)。

　　3．環(huán)路濾波電路
　　
　　環(huán)路濾波電路用于保證提供給VCO -個穩(wěn)定的控制電壓。因此，屏蔽外部噪聲是十分重要的，尤其是低頻《50 kHz)高幅值數(shù)字信號對濾波器的干擾如果不能被有效濾除，將直接影響VCO的穩(wěn)定工作。因此，不要在環(huán)路濾波器附近布置數(shù)字線路，而應(yīng)在其周圍布置地線平面加以屏蔽，使數(shù)字信號線盡量遠(yuǎn)離。同時，為獲得良好的環(huán)路濾波性能，連接到地的濾波元件應(yīng)直接連接到地線層，而不要通過走線或公共過孔。環(huán)路濾波器的電壓應(yīng)在各器件數(shù)據(jù)手冊所述的極限指標(biāo)范圍內(nèi)，nRF401/403應(yīng)在引腳4，而nRF903應(yīng)在引腳3上測量到電壓為1.1±0.2 V。
　　
　　4．天 線
　　
　　當(dāng)器件處于接收模式時，引腳ANT1和ANT2提供LNA（低噪聲放大器）的RF輸入；而在發(fā)送模式時，提供PA（功率放大器）的RF輸出。天線的連接可采用差分平衡方式。建議天線端口的負(fù)載阻抗取為400 Ω，比起標(biāo)準(zhǔn)的50 Ω，增大阻抗可以提高發(fā)射功率／耗用電流的比率。圖1 - 137和圖1- 138分別為采用在板差分環(huán)形天線的nRF401/403和nRF903的典型應(yīng)用電路。在板天線直接用PCB線路作天線，成本低，方向性較好，對人體不敏感，但增益較低。環(huán)形天線通常應(yīng)用于相對較窄的帶寬，有助于抑制強的不需要的信號，以免干擾接收器。對于50Ω的單端天線或測試儀器可以用如圖1- 139和圖1- 140所示的差分到單端匹配網(wǎng)絡(luò)進行連接。

　　二、硬件設(shè)計要點
　　
　　即使模擬（射頻）和數(shù)字（微控制器）電路各自工作正常，但將兩者放在同一塊電路板上也有可能使問題變得復(fù)雜。因此，各電路模塊在板上的布局十分重要。同時，電源和地線的排布也是至關(guān)重要的。

　　1．電源噪聲
　　
　　射頻電路對于電源噪聲相當(dāng)敏感，尤其是對毛刺電壓和高頻諧波。因此在包含RF電路的PCB板上，電源布線必須比在普通數(shù)字電路板上布線更加仔細(xì)。如圖l- 141(b)星形布線使數(shù)字部分和RF部分有各自的電源線路，并且應(yīng)在靠近集成電路電源引腳處分別去耦。這是一種隔開來自數(shù)字部分和來自RF部分電源噪聲的有效方法。

　　
　　2．地線布局
　　
　　在RF頻段，即使一根很短的導(dǎo)線也會如電感一樣。粗略估算，每毫米長度導(dǎo)線的電感約為1 nH。如果不采用地線層，多數(shù)地線將會較長，電路的設(shè)計特性將無法保證。因此，設(shè)計有RF元件的PCB時，應(yīng)采用一個可靠的地線層，使所有的器件容易去耦。在表面貼裝的PCB上，所有信號走線可在元件安裝面的同一面，地線層則在其反面。理想的地線層應(yīng)覆蓋整個PCB(但要注意天線方向)。如果采用兩層以上的PCB，則地線層應(yīng)放置在鄰近信號層的層上（如元件面的下一層）；另外最好將信號布線層的空余部分也用地線平面填充。這些地線平面必須通過很多過孔與主地線層面連接。所有對地線層的連接必須盡量短。接地過孔應(yīng)放置在（或非常接近）元件的焊盤處。決不要讓兩個地信號共用一個接地過孔，這可能導(dǎo)致過孔連接阻抗在兩個焊盤之間產(chǎn)生串?dāng)_。
　　
　　綜上所述，nRFTM系列單片機無線收發(fā)器件為無線數(shù)據(jù)傳輸?shù)膽?yīng)用提供了理想的選擇。在設(shè)計中遵循上述設(shè)計要點，結(jié)合具體應(yīng)用，可獲得最佳的通信效果。