單片射頻收發(fā)芯片TRF6901的原理與應(yīng)用
關(guān)鍵詞：FSK；OOK；ISM；TRF6901
１ 概述
ＴＲＦ６９０１是ＴＩ公司推出的單片低成本射頻收發(fā)器芯片，其內(nèi)部集成了完整的發(fā)射電路和接收電路，可以很容易地組成一個半雙工射頻連接器。ＴＲＦ６９０１具有多個頻道，其工作頻率可以編程，頻率范圍為８６０～９３０ＭＨｚ。芯片的供電電壓范圍為１．８Ｖ～３．６Ｖ，射頻輸出功率高達＋９ｄＢｍ。
ＴＲＦ６９０１的主要特點如下：
● 工作頻率范圍為８６０ＭＨｚ～９３０ＭＨｚ；
● 低功耗，發(fā)射電流最大為４０ｍＡ，接收電流最大為２０ｍＡ，待機電流最大為４μＡ；
● 可以使用ＯＯＫ和ＦＳＫ兩種調(diào)制方式；
● 集成有頻率合成器和壓控振蕩器；
● 內(nèi)含鎖相環(huán)和參考振蕩器；
● 具有９ｄＢｍ的典型輸出功率；
● 內(nèi)含可編程電池檢測電路；
● 帶有接收信號強度檢測器；
● 具有靈活的３線串行接口，可方便地與微控制器進行連接；
● 基準(zhǔn)振蕩器頻率可編程微調(diào)；
● 集成度高，外圍元件少；
● 采用４８腳ＰＱＦＰ封裝，體積小。
圖1
ＴＲＦ６９０１和微控制器之間可以通過１１條引腳連接，若想構(gòu)成低功耗系統(tǒng)，可以選擇ＴＩ公司的ＭＳＰ４３０系列單片機來作微控制器。
２ 引腳功能
３ 內(nèi)部結(jié)構(gòu)
ＴＲＦ６９０１芯片的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖１所示，各部分的功能原理如下：
３．１ 低噪聲放大器和混頻器
ＴＲＦ６９０１內(nèi)部集成的低噪聲射頻放大器采用差分方式輸入，芯片外部的網(wǎng)絡(luò)具有５０Ω阻抗匹配和１８０°相移的作用，可以把輸入信號轉(zhuǎn)換為相位差為１８０°的兩路信號并分別輸入到低噪聲放大器的兩個引腳。該差分電路的輸入阻抗約為５００Ω。
低噪聲放大器的輸出信號為高頻信號，為了便于進一步放大、解調(diào)，設(shè)計時應(yīng)使用混頻器把它變成中頻信號。該混頻器的本振信號由片內(nèi)ＰＬＬ控制的ＶＣＯ提供，本振頻率等于接收信號頻率減去中頻頻率，并可以根據(jù)接收信號的頻率對本振頻率進行編程控制。
３．２ 濾波器和中頻放大器
為了使整個接收電路具有良好的選擇性，混頻器的輸出信號需經(jīng)過一個外接的中頻濾波器進行濾波。中頻頻率可選１０．７ＭＨｚ，對應(yīng)的濾波器也可以選擇１０．７ＭＨｚ的三端陶瓷濾波器。濾波器的輸出再輸入到中頻放大器進行放大。
中頻放大器同樣采用差分輸入。為了把三端濾波器的輸出信號變成一個差模信號，可在差分電路的兩個輸入端連接電感以實現(xiàn)１８０°的相移。中頻放大器包含的增益為６８ｄＢ的限幅放大器可實現(xiàn)高增益的中頻信號放大。
３．３ 接收信號強度指示電路（ＲＳＳＩ）
接收信號強度指示器的輸出電壓是對中頻限幅放大器的輸入信號進行整流后得到的直流電壓，其電壓大小和接收到的信號強弱成正比。ＲＳＳＩ信號可用作故障檢測、收發(fā)中的握手信號以及射頻通道的選擇信號；在有些應(yīng)用中，它還可以用作ＡＳＫ和ＯＯＫ的解調(diào)信號。
圖2
３．４ ＦＳＫ解調(diào)電路
限幅放大器的輸出信號要輸入到解調(diào)電路進行解調(diào)，該解調(diào)電路是一個積分式的ＦＳＫ解調(diào)電路。解調(diào)器的外部必須接一個和中頻頻率一致的陶瓷鑒頻器或ＬＣ諧振回路，最好使用陶瓷鑒頻器。芯片的內(nèi)部用可編程的電阻和外部鑒頻器并聯(lián)，這樣改變電阻的值就可以微調(diào)鑒頻器的中心頻率。可編程電阻的值由芯片內(nèi)Ｄ寄存器的１２～１４位控制，推薦值為１１０。如果外接電路使用ＬＣ回路，Ｌ和Ｃ的值可以根據(jù)公式ｆｒｅｓ＝１／２π（ＬＣ）１／２來計算，ＬＣ回路的兩端還可根據(jù)需要并聯(lián)一個電阻來降低回路的Ｑ值。
３．５ 數(shù)據(jù)檢測器
數(shù)據(jù)檢測器由一個比較器構(gòu)成。它的輸出由接收信號和門限電壓來確定，門限電壓存儲在３４腳的外接電容上。當(dāng)３９腳的學(xué)習(xí)／保持控制信號為高電平時，存儲電容被接收信號充電，充電值為高低電平的平均值；而如果３９腳的學(xué)習(xí)／保持控制信號為低電平，電容上的電壓將緩慢下降，因此，存儲電容必須定時充電。通常在每次數(shù)據(jù)接收之前，都要用一段訓(xùn)練信號對電容充電。外接電容的容量約為信號周期的萬分之一。但是，如果調(diào)制時的信號沒有直流信號，那么ＴＲＦ６９０１就可以始終工作在學(xué)習(xí)模式，這樣也就不需要訓(xùn)練信號。
３．６ 頻率合成器
頻率合成器內(nèi)含一個主分頻器，可用來對ＶＣＯ信號進行分頻。主分頻器由一個５ｂｉｔ的Ａ計數(shù)器、一個９ｂｉｔ的Ｂ計數(shù)器和一個預(yù)分頻器組成。預(yù)分頻器的分頻數(shù)可以是３２或３３，當(dāng)Ａ計數(shù)器溢出時，預(yù)分頻器的分頻數(shù)為３３，直到Ｂ計數(shù)器溢出，它又變成３２，因此主分頻器的總分頻數(shù)為：
Ｎ１＝３３×Ａ＋３２（Ｂ－Ａ）
此外，頻率合成器中還有一個參考分頻器可用于對基準(zhǔn)晶體振蕩器的振蕩信號進行分頻，該分頻器為８位，最大分頻數(shù)（Ｎ２）為２５５。
上述兩個分頻器的信號可同時輸入到鑒相器。鑒相器的輸出用于控制ＶＣＯ的振蕩頻率。集成電路的３１腳外接一個和晶體相串聯(lián)的電容，該電容通過內(nèi)部開關(guān)接地，同時，接地開關(guān)又受待發(fā)數(shù)字信號的控制，這樣，待發(fā)的數(shù)字信號就可以控制基準(zhǔn)振蕩器的振蕩頻率，進而實現(xiàn)ＦＳＫ調(diào)制。
３．７ 串行控制接口
ＴＲＦ６９０１有一個串行接口，用以與微控制器相連，微控制器通過串行接口對ＴＲＦ６９０１內(nèi)部的４個２４位寄存器進行編程。
ＴＲＦ６９０１有三個串行接口，分別是數(shù)據(jù)（ＤＡＴＡ）、時鐘（ＣＬＯＣＫ）和門控（ＳＴＲＯＢＥ），門控信號用于控制每個寄存器編程的開始和結(jié)束，數(shù)據(jù)的前２位用于選擇寄存器。寄存器的編程時序如圖２所示。
圖3
３．８ 主要附屬電路
除上述電路外，ＴＲＦ６９０１內(nèi)部還有一些附屬電路，如ＤＣ－ＤＣ、電池檢測和時鐘輸出等。其中內(nèi)部ＤＣ－ＤＣ變換器用于實現(xiàn)升壓。當(dāng)系統(tǒng)供電低于１．８Ｖ時，可以用它進行升壓以為ＶＣＯ和ＰＬＬ供電；而片內(nèi)集成的電池檢測器可用于電池電量檢測，檢測門限可以由Ｂ寄存器的１、２位設(shè)定；時鐘輸出電路可將基準(zhǔn)振蕩信號分頻后輸出，目的是為微控制器提供時鐘信號。
４ 應(yīng)用電路
圖３所示是ＴＲＦ６９０１工作在８６０～８７０ＭＨｚ頻段的實際應(yīng)用電路。為了克服芯片內(nèi)部各單元電路的相互干擾，在供電時，每個單元都應(yīng)接阻容退耦電路，設(shè)計時可選用１０Ω電阻和０．１μＦ的電容。
ＴＲＦ６９０１的控制端口可以和ＭＰＳ４３０系列單片機的通用口線直接連接；如果選擇的單片機具有硬件串口，則可以把ＴＲＦ６９０１的ＴＸ＿ＤＡＴＡ和ＲＸ＿ＤＡＴＡ直接與單片機的串口相連，這樣可以給編程和調(diào)試帶來更大的方便。
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