UHF ASK接收器的數(shù)據(jù)切片技術(shù)

幅度移鍵控 （ASK） 和開(kāi)關(guān)鍵控 （OOK） 接收器用于間歇性低數(shù)據(jù)速率應(yīng)用，如 RKE、家庭安全、車(chē)庫(kù)門(mén)開(kāi)啟器和遙控器。從遠(yuǎn)程發(fā)射器傳輸?shù)紸SK或OOK接收器的數(shù)據(jù)在數(shù)據(jù)切片器中重建。因此，數(shù)據(jù)切片器是 ASK 和 FSK 接收器的組成部分，根據(jù) FCC 第 260.470 部分的規(guī)則，這些接收器在 15MHz 至 231MHz 短程 UHF 頻段工作。本應(yīng)用筆記解釋了Maxim的UHF接收器（包括MAX1470、MAX1473和MAX1471）以及MAX7030和MAX7032等收發(fā)器的數(shù)據(jù)切片器的工作原理。

介紹

在最簡(jiǎn)單的形式中，數(shù)據(jù)切片器是一個(gè)模擬比較器，用于將解調(diào)的ASK信號(hào)與閾值進(jìn)行比較。如果解調(diào)信號(hào)電壓超過(guò)閾值，比較器輸出將變?yōu)楦唠娖剑ǔ?a target="_blank">電源電壓。如果解調(diào)信號(hào)低于閾值，則比較器輸出變?yōu)榈碗娖?，通常為零伏或地?/p>

本應(yīng)用筆記回顧了數(shù)據(jù)切片的兩個(gè)方面：形成比較器閾值，以及防止比較器輸出在沒(méi)有信號(hào)時(shí)“抖動(dòng)”。后一種操作通常稱(chēng)為“靜噪”，可以通過(guò)在數(shù)據(jù)比較器的任一引腳上引入簡(jiǎn)單的電壓偏移來(lái)完成。該失調(diào)可以直接來(lái)自電源或使用遲滯，遲滯是從數(shù)據(jù)切片器比較器反饋部分輸出電壓的過(guò)程。

我們將展示三種不同的閾值形成方法，以及三種引入靜噪的不同方法，所有這些都可以通過(guò)添加一些外部電阻和/或電容器來(lái)完成。

解調(diào)ASK信號(hào)

Maxim ASK接收器使用解調(diào)器，該解調(diào)器是精心設(shè)計(jì)的限幅IF放大器。該放大器產(chǎn)生的電壓與輸入IF信號(hào)功率的對(duì)數(shù)成比例。當(dāng)不存在信號(hào)時(shí)，放大器形成的電壓由靜態(tài)直流值和小時(shí)變?cè)肼曤妷航M成。圖1顯示了解調(diào)器輸出響應(yīng)ASK調(diào)制信號(hào)的波形。波形將在靜態(tài)電壓V之間來(lái)回切換0，當(dāng)信號(hào)被鍵關(guān)閉時(shí)，并且信號(hào)電壓，Vs，當(dāng)信號(hào)按鍵打開(kāi)時(shí)。在MAX1473中，V0典型值約為 1.2V 和 Vs靈敏度范圍約為40mV，信號(hào)電平為非常高時(shí)約為1V。

圖1.ASK解調(diào)器輸出。

數(shù)據(jù)切片器框圖

圖2所示為MAX1473 ASK接收器的框圖。本應(yīng)用筆記重點(diǎn)介紹構(gòu)成數(shù)據(jù)切片器的三個(gè)運(yùn)算放大器和圖右下角的七個(gè)引腳。圖3中重新繪制了相同的功能塊，以更清楚地說(shuō)明每個(gè)電路的功能。圖中電阻和電容的參考指示符與MAX1473評(píng)估板原理圖中的參考指示符相同。運(yùn)算放大器U1及其組件構(gòu)成Sallen-Key數(shù)據(jù)濾波器，用于平滑ASK解調(diào)器檢測(cè)到的幅度輸出。運(yùn)算放大器U2及其元件構(gòu)成數(shù)據(jù)切片器比較器，而峰值檢測(cè)運(yùn)算放大器U3及其元件構(gòu)成峰值檢測(cè)器輸出。現(xiàn)在，我們可以專(zhuān)注于該電路的各個(gè)部分，以了解數(shù)據(jù)切片操作中的各種選項(xiàng)。

圖2.MAX1473 ASK接收器框圖

圖3.MAX1473中的數(shù)據(jù)切片器模塊框圖，包括外部元件

基本數(shù)據(jù)切片電路

圖4所示為最簡(jiǎn)單的數(shù)據(jù)切片電路。數(shù)據(jù)濾波器DFO的輸出進(jìn)入數(shù)據(jù)切片器比較器DSP的正引腳，并通過(guò)簡(jiǎn)單的RC低通濾波器在DSN處形成切片閾值電壓。當(dāng)檢測(cè)到并濾波的ASK信號(hào)DFO通過(guò)R1和C4形成的低通濾波器并建立時(shí)，DSN引腳的直流值介于該信號(hào)的最大和最小電壓之間。圖5顯示了使用電壓V的DSP和DSN上的波形0和 Vs從圖 1 。請(qǐng)注意，DSN處的穩(wěn)態(tài)電壓為V0+ Vs/2.當(dāng)接收到的數(shù)據(jù)流在數(shù)據(jù)包或幀的開(kāi)頭（以前導(dǎo)碼或同步模式的形式）具有足夠的額外位時(shí)，該電路可以承受損失，而R1-C4電路充電到正確的切片閾值時(shí)，該電路可以承受損失。當(dāng)需要檢測(cè)序列的前一位時(shí)，DSN處形成閾值電壓的電路需要快速達(dá)到該電壓。這就是峰值檢測(cè)器可以提供幫助的地方。

圖4.基本數(shù)據(jù)切片電路。

圖5.DSN和DSP信號(hào)，用于基本數(shù)據(jù)切片閾值的形成。

具有快速閾值形成功能的數(shù)據(jù)切片器

在A(yíng)SK接收器中增加來(lái)自峰值檢測(cè)器的電壓可以加速數(shù)據(jù)切片閾值DSN的形成。圖6中的電路說(shuō)明了數(shù)據(jù)濾波器和峰值檢波器對(duì)DSN的貢獻(xiàn)如何結(jié)合起來(lái)產(chǎn)生快速響應(yīng)的閾值電壓。通過(guò)將DFO和PDOUT視為兩個(gè)獨(dú)立的電壓源，我們可以使用疊加技術(shù)（單獨(dú)找到每個(gè)源的響應(yīng)，然后添加響應(yīng)）來(lái)確定DSN的電壓。峰值檢波器的貢獻(xiàn)是通過(guò)C13和C4形成的電容分壓器的瞬時(shí)電壓跳躍。該電壓跳變衰減到由R1和R2形成的電阻分壓器確定的穩(wěn)態(tài)值。R1-C4低通濾波器的貢獻(xiàn)與基波數(shù)據(jù)切片器電路緩慢上升的閾值相同。通過(guò)仔細(xì)選擇兩個(gè)R和兩個(gè)C值，這兩個(gè)貢獻(xiàn)可以相互補(bǔ)充，并在DSN處形成閾值電壓，理想情況下，該閾值電壓立即跳到正確的閾值并保持在那里。

圖6.用于快速閾值形成的電路和波形。

圖7顯示了兩組不同電阻和電容的兩個(gè)DSN波形。在DSN處產(chǎn)生最接近瞬時(shí)跳躍的閾值電壓的組件組合遵循以下準(zhǔn)則：

圖7.使用峰值檢測(cè)器的組合DSN電壓與時(shí)間的關(guān)系。

我們可以通過(guò)一個(gè)具體的例子來(lái)說(shuō)明 R 和 C 的選擇。對(duì)于4kbps NRZ的ASK數(shù)據(jù)速率，R1-C4低通濾波器的時(shí)間常數(shù)應(yīng)約為5位間隔，即5 x 0.25ms或1.25ms。R1 和 C4 的一個(gè)不錯(cuò)的選擇是：

R1 = 25 kΩ 和 C4 = 0.047 μF

我們選擇 C13 等于 C4，并使 R2 比 R1 大得多（因子 10 是好的）：

R2 = 250 kΩ 和 C13 = 0.047 μF

此選項(xiàng)將導(dǎo)致閾值電壓DSN從V跳升0到 V0+ Vs/2，然后穩(wěn)定為 V0+ 0.55Vs.

請(qǐng)注意，這種建立快速切片閾值的方法會(huì)在閾值中創(chuàng)建一個(gè)小錯(cuò)誤。此外，與閾值電壓從初始值到最終值的變化相關(guān)的時(shí)間常數(shù)（這是一個(gè)非常小的變化）由以下乘積給出：

時(shí)間常數(shù) = （R1 ||R2 x （C4 + C13））

這大約是R1-C4平滑電路時(shí)間常數(shù)的兩倍。我們可以通過(guò)減小每個(gè)電容器值來(lái)糾正這種變化，但這不是必需的。由于閾值在初始跳躍后變化很小，因此時(shí)間常數(shù)并不像缺乏峰值檢測(cè)器貢獻(xiàn)的電路中那樣重要。

帶雙峰檢測(cè)器的數(shù)據(jù)切片器

將單峰值檢測(cè)器與R-C平滑電路結(jié)合使用以形成切片閾值有一個(gè)小缺點(diǎn)：最終閾值與其理想值略有不同，理想值介于來(lái)自數(shù)據(jù)濾波器的最大和最小電壓之間。

使用最大和最小峰值檢測(cè)器是改善切片閾值快速建立的一種方法。MAX1471 ASK/FSK接收器、MAX7042 FSK接收器和MAX7030/MAX7031/MAX7032收發(fā)器具有最大和最小峰值檢波器，因此無(wú)需單路R-C平滑電路。 圖8顯示了這些峰值檢測(cè)器，每個(gè)檢波器都有一個(gè)外部電阻和電容。每個(gè)電容保持峰值電壓，每個(gè)電阻器為相關(guān)電容提供放電路徑。這種設(shè)計(jì)允許峰值檢波器動(dòng)態(tài)跟蹤數(shù)據(jù)濾波器輸出電壓的任何峰值變化。最大和最小峰值檢波器可以一起使用，在數(shù)據(jù)流的最大和最小電壓電平之間的一個(gè)值處形成一個(gè)數(shù)據(jù)切片器閾值電壓。這些R-C對(duì)的RC時(shí)間常數(shù)應(yīng)設(shè)置為位間隔的五倍左右，就像本應(yīng)用筆記前面描述的簡(jiǎn)單閾值平滑電路一樣。

圖8.具有最大和最小峰值檢測(cè)器的數(shù)據(jù)切片器電路。

如果某些因素導(dǎo)致基帶信號(hào)幅度發(fā)生顯著變化，例如AGC增益開(kāi)關(guān)或上電瞬變，峰值檢波器可能會(huì)“捕獲”錯(cuò)誤電平。如果檢測(cè)到假峰，則切片水平不正確。由于RC時(shí)間常數(shù)的長(zhǎng)度為幾位，因此峰值檢波器可能無(wú)法快速恢復(fù)。然而，帶有雙峰檢波器的Maxim接收器都至少有一個(gè)用于復(fù)位峰值檢波器輸出的配置：接收器暫時(shí)允許峰值檢波器跟蹤信號(hào)。在MAX7042 FSK接收器中，峰值檢波器通過(guò)暫時(shí)將ENABLE引腳拉低，然后將其返回到邏輯高電平設(shè)置來(lái)復(fù)位。MAX7030和MAX7031收發(fā)器以相同的方式復(fù)位峰值檢波器，但只要AGC功能改變狀態(tài)或T/R開(kāi)關(guān)進(jìn)入接收狀態(tài)，也會(huì)復(fù)位峰值檢波器。MAX1471 ASK/FSK接收器和MAX7032 ASK/FSK收發(fā)器通過(guò)串行端口復(fù)位峰值檢波器，并在接收機(jī)進(jìn)入休眠模式時(shí)自動(dòng)復(fù)位峰值檢波器。

向數(shù)據(jù)切片器添加基本靜噪

在沒(méi)有ASK信號(hào)的情況下，ASK檢波器輸出由具有時(shí)變?cè)肼曤妷旱闹绷麟妷航M成，其峰峰值約為20mV。當(dāng)數(shù)據(jù)切片器比較器在DSN閾值電壓上來(lái)回?cái)[動(dòng)時(shí)，該噪聲電壓就會(huì)出現(xiàn)，導(dǎo)致比較器的輸出“顫振”，即在電源電壓和地之間快速隨機(jī)地來(lái)回跳動(dòng)。這種行為通常會(huì)不必要地喚醒微處理器，有時(shí)會(huì)給電源線(xiàn)增加噪聲。阻止這種顫振的一種方法是使用簡(jiǎn)單的靜噪電路，該電路在數(shù)據(jù)切片器的正（DSP）或負(fù)（DSN）引腳上增加一個(gè)小的直流偏移。

圖9顯示了使用電源作為直流偏移源的簡(jiǎn)單靜噪電路。通常，您只需要一個(gè)大電阻，該電阻值是數(shù)據(jù)濾波器輸出DFO和比較器任一輸入引腳之間的電阻值的50至100倍。在圖9的第一個(gè)電路中，小失調(diào)被添加到DSP中。如果失調(diào)約為30mV，則會(huì)發(fā)生兩件事。首先，在沒(méi)有信號(hào)的情況下，DSP直流電壓上的噪聲永遠(yuǎn)不會(huì)使DSP電壓低于DSN的閾值水平;其次，DATAOUT引腳將保持高電平，即VDD.在圖9的第二個(gè)電路中，偏移量被添加到DSN中?，F(xiàn)在，DSP上直流電壓上的噪聲永遠(yuǎn)不會(huì)使DSP電壓超過(guò)DSN增加的閾值，并且DATAOUT引腳將保持低電平，即GND。靜噪電路會(huì)略微降低靈敏度（當(dāng)仔細(xì)選擇電阻分壓器時(shí)，靈敏度約為1dB至2dB），當(dāng)存在解調(diào)信號(hào)時(shí)，在DATAOUT處產(chǎn)生稍寬的正數(shù)據(jù)脈沖和稍窄的負(fù)數(shù)據(jù)脈沖。

圖9.兩個(gè)使用電源電壓的簡(jiǎn)單靜噪電路。

雙峰檢波器的靜噪

使用上圖8中的雙峰檢測(cè)器可以形成另一個(gè)簡(jiǎn)單的靜噪電路。使兩個(gè)電阻略微不相等會(huì)使閾值高于或低于兩個(gè)峰值電壓的中點(diǎn)，具體取決于哪個(gè)電阻更大。如果將門(mén)限設(shè)置為略高于中點(diǎn)30mV至50mV，則當(dāng)沒(méi)有信號(hào)存在時(shí)，DATAOUT引腳將保持低電平。類(lèi)似地，如果閾值設(shè)置略低于中點(diǎn)，則當(dāng)沒(méi)有信號(hào)時(shí)，DATAOUT引腳將保持高電平。

向數(shù)據(jù)切片器添加電阻遲滯

您還可以使用一個(gè)大電阻將數(shù)據(jù)切片器的DATAOUT引腳連接到DSP引腳。圖10顯示了電阻遲滯的等效電路。這種方法與連接V的效果幾乎相同DD通過(guò)電阻器連接到 DSP 引腳。這里唯一的區(qū)別是，當(dāng)存在解調(diào)信號(hào)時(shí)，DSP處的小偏移僅在解調(diào)數(shù)據(jù)的正擺幅期間存在。因此，在 DATAOUT 處，正數(shù)據(jù)脈沖寬度的增加略小，因?yàn)檎龜?shù)據(jù)脈沖的前緣不會(huì)因偏移的存在而提前。

圖 10.用于靜噪功能的電阻遲滯電路。

向數(shù)據(jù)切片器添加容性遲滯

電容遲滯在DATAOUT信號(hào)的過(guò)度抖動(dòng)和靜噪或電阻遲滯引起的靈敏度降低之間提供了折衷方案。容性遲滯電路如圖11所示。

與阻性遲滯一樣，DATAOUT信號(hào)的一小部分被反饋回DSP引腳，這次通過(guò)電容分壓器C7-C9。C10的典型電容值為7pf，C1000的典型電容值為9pf。添加到DSP的失調(diào)不同，因?yàn)樗且粋€(gè)瞬態(tài)失調(diào)，衰減的時(shí)間常數(shù)由下式給出：

R8 x （C9 + C7）

根據(jù)時(shí)間常數(shù)的長(zhǎng)度，失調(diào)使DSP上的噪聲不會(huì)低于切片閾值，直到失調(diào)衰減。這有效地增加了 DATAOUT 引腳保持高電平的時(shí)間，從而降低了 DATAOUT 顫振的頻率。雖然電容遲滯不能完全消除顫振，但它減少了轉(zhuǎn)換次數(shù)。

請(qǐng)注意，C9的存在會(huì)在解調(diào)的ASK信號(hào)路徑中產(chǎn)生另一個(gè)R8的低通濾波器。與此濾波器時(shí)間常數(shù)相關(guān)的極點(diǎn)應(yīng)大于Sallen-Key數(shù)據(jù)濾波器的帶寬，以免濾波信號(hào)太慢。

圖 11.電容遲滯電路和波形。

審核編輯：郭婷