nRF902的868MHz無線數(shù)字發(fā)射電路設(shè)計(jì)

摘要：nRF902是一個(gè)單片射頻發(fā)射芯片，它內(nèi)含頻率合成器、功率放大器、晶體振蕩器和調(diào)制器等電路，能夠發(fā)送數(shù)字信號(hào)。nRF902采用FSK調(diào)制，可工作在868MHz的ISM頻段。文中給出了nRF902的結(jié)構(gòu)、原理、特性及應(yīng)用電路。

1 概述

nRF902是一個(gè)單片發(fā)射器芯片，工作頻率范圍為862～870MHz的ISM頻帶。該發(fā)射器由完全集成的頻率合成器、功率放大器、晶體振蕩器和調(diào)制器組成。由于nRF902使用了晶體振蕩器和穩(wěn)定的頻率合成器，因此，頻率漂移很低，完全比得上基于SAW諧振器的解決方案。nRF902的輸出功率和頻偏可通過外接電阻進(jìn)行編程。電源電壓范圍為2.4～3.6V，輸出功率為10dBm，電流消耗僅9mA。待機(jī)模式時(shí)的電源電流僅為10nA。采用FSK調(diào)制時(shí)的數(shù)據(jù)速率為50kbits/s。因此，該芯片適合于報(bào)警器、自動(dòng)讀表、家庭自動(dòng)化、遙控、無線數(shù)字通訊應(yīng)用。

2 引腳功能和結(jié)構(gòu)原理

nRF902采用SIOC-8封裝，各引腳功能如表1所列。

表1 nRF902的引腳功能

圖1所示是nRF902的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，從圖中可以看出：該芯片內(nèi)含頻率合成器、功率放大器、晶體振蕩器和調(diào)制器等電路。

通過nRF902的天線輸出端可將平衡的射頻信號(hào)輸出到天線，該引腳同時(shí)必須通過直流通道連接到電源VDD，電源VDD可通過射頻扼流圈或者環(huán)路天線的中心接入。ANT1/ANT2輸出端之間的負(fù)載阻抗為200～700Ω。如果需要10dBm的輸出功率，則應(yīng)使用400Ω的負(fù)載阻抗。

    調(diào)制可以通過牽引晶振的電容來完成。要達(dá)到規(guī)定的頻偏，晶振的特性應(yīng)滿足：并聯(lián)諧振頻率fp應(yīng)等于發(fā)射中心頻率除以64，并聯(lián)等效電容Co應(yīng)小于7pF，晶振等效串聯(lián)電阻ESR應(yīng)小于60Ω，全部負(fù)載電容，包括印制板電容CL均應(yīng)小于10pF。由于頻率調(diào)制是通過牽引晶振的負(fù)載（內(nèi)部的變?nèi)?a target="_blank">二極管）完成的，而外接電阻R4將改變變?nèi)荻O管的電壓，因此，改變R4的值可以改變頻偏。

將偏置電阻R2從REXT端連接到電源端VDD對(duì)可輸出功率進(jìn)行調(diào)節(jié)。nRF902的工作模式可通過表2所列方法進(jìn)行設(shè)置。

表2 nPF902的工作模式設(shè)置

在FSK模式時(shí)，調(diào)制數(shù)據(jù)將從DIN端輸入，這是nRF902的標(biāo)準(zhǔn)工作模式。

ASK調(diào)制可通過控制REXT端來實(shí)現(xiàn)。當(dāng)R2連接到VDD時(shí)，芯片發(fā)射載波。當(dāng)R2連接到地時(shí)，芯片內(nèi)部的功率放大器關(guān)斷。這兩個(gè)狀態(tài)可用ASK系統(tǒng)中的邏輯“1”和邏輯“0”來表示。在ASK模式，DIN端必須連接到VDD。

時(shí)鐘模式可應(yīng)用于外接微控制器的情況，nRF902可以給微控制器提供時(shí)鐘。它可在XO8端輸出基準(zhǔn)時(shí)鐘，XO8端輸出的時(shí)鐘信號(hào)頻率是晶振頻率的1/8。如晶振頻率為13.567MHz，則XO8輸出的時(shí)鐘信號(hào)頻率為1.695MHz。

在低功耗模式（睡眠模式），芯片的電流消耗僅10nA。在沒有數(shù)據(jù)發(fā)射時(shí)，芯片可工作在低功耗模式以延長(zhǎng)電池的使用時(shí)間。電路從低功耗模式轉(zhuǎn)換到發(fā)射模式需要5ms的時(shí)間，從時(shí)鐘模式轉(zhuǎn)換到發(fā)射模式需要50μs的時(shí)間。

圖2 nRF902的應(yīng)用電路

3 應(yīng)用電路設(shè)計(jì)

nRF902的應(yīng)用電路如圖2所示。為了獲得好的射頻性能，印制板（PCB）的設(shè)計(jì)是非常重要的。推薦使用最少兩層的PCB板，其中包括一個(gè)接地板。設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)使用高性能的射頻電容來緊密的靠近VDD端，以完成DC電源去耦。推薦采用大容量電容與一個(gè)小容量電容并聯(lián)在VDD與地之間的方法。電源電壓也應(yīng)在濾波后，從電源分別發(fā)送到各數(shù)字電路。所有器件地、VDD連接、VDD旁路電容都必須盡可能的靠近nRF902芯片。PCB使用上層射頻接地板時(shí)，VSS端應(yīng)直接連接到接地板。PCB使用底層接地板時(shí)，最好的方法是通過個(gè)通孔連接到VSS。數(shù)字信號(hào)和控制信號(hào)通道不能靠近晶振和XTAL端。筆者設(shè)計(jì)時(shí)的印制板使用雙面1.6mmFR-4板，底板層有連續(xù)的接地板，再加上元器件面的接地面積，因而確保了良好的接地。大量的通孔可以連接在元器件面的接地面到底板接地面上，而在天線底下不應(yīng)有接地面。