文獻標識碼： B
文章編號： 0258-7998(2014)03-0045-03
在遠程控制市場，射頻遙控是目前應(yīng)用最廣泛的手段之一,，具有功耗低,、可靠性高及成本低等優(yōu)點[1]。傳統(tǒng)射頻遙控系統(tǒng)大多需要外部晶體振蕩器用于頻率發(fā)生器,，為數(shù)據(jù)處理設(shè)備產(chǎn)生時鐘信號,，并且為特定系統(tǒng)提供基準信號,。用有源電路取代晶體振蕩器可以極大減少電子系統(tǒng)成本、功耗和體積,，有著非常廣闊的市場應(yīng)用前景[2],。
本文介紹了一種自主研發(fā)的全集成315 MHz/433 MHz射頻發(fā)射單芯片RC112，內(nèi)部集成了振蕩器模塊,、編碼模塊及功率發(fā)射模塊,。利用FPGA加給編碼電路時鐘信號，用示波器和頻譜儀對該芯片樣片進行測試,，采用超再生接收電路搭建了LED開關(guān)遙控控制系統(tǒng),。系統(tǒng)可實現(xiàn)便捷照明，節(jié)約能源,，減少成本,。
1 全集成射頻發(fā)射單芯片結(jié)構(gòu)與原理
RC112是一款自主研發(fā)的基于0.18 μm CMOS工藝、全集成的315 MHz/433 MHz射頻發(fā)射單芯片,。工作電壓范圍寬(2.5 V~5.5 V),，在不加任何輔助設(shè)計時輻射水平仍遠在FCC Part15 Class B標準之下，不僅避免了對其他敏感電路的干擾,，還降低了系統(tǒng)設(shè)計難度,。此外，其內(nèi)置的關(guān)斷功能使待機電流最小化,，還集成了輸出端過流保護,、片內(nèi)過溫保護和電源欠壓異常保護等功能。
其結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示,，芯片最多可有12 bit(A0～All)三態(tài)地址端,，可提供531 441種地址碼。其中4 bit(D0～D3)數(shù)據(jù)位與地址位復(fù)用,。OSC1與OSC2之間接振蕩電阻R,，其振蕩頻率由電阻R和芯片內(nèi)部的電容決定?？刂齐娐房刂凭幋a發(fā)生器進行編碼,，設(shè)定的地址碼、數(shù)據(jù)碼及同步碼組成串行數(shù)據(jù)幀,，然后經(jīng)過邏輯電路,、調(diào)制電路形成調(diào)制波，經(jīng)功率放大器放大由PAOUT腳輸出,。SEL為315 MHz/433 MHz選擇控制端,，PDN為芯片使能端，高電平有效,。
芯片內(nèi)部集成的高頻振蕩器采用自補償技術(shù)對溫度和工藝進行檢測并校準,，不需要額外的修調(diào),。通過電壓運算電路產(chǎn)生一個隨溫度和工藝變化的控制電壓，這個控制電壓必須隨著溫度升高而升高,，并且近似是2次關(guān)系[3],。
功率放大器包括控制電路、輸入緩沖電路,、工藝補償偏置電路、功率放大級,、輸出匹配電路,。控制電路用以控制整個功率放大器的工作,，輸入緩沖電路用以提高輸入信號的驅(qū)動能力,，偏置電路用以給功率放大管提供偏置，功率放大級用以將輸入功率放大,，輸出匹配電路用以匹配輸出阻抗,。其采用的偏置電路具有溫度和工藝補償效果，保證了功率放大管具有良好的溫度和工藝穩(wěn)定性,，同時具有較強的電源抑制能力,，使得功率放大器能在更大的范圍內(nèi)保持線性輸出，提高了功率放大器的線性度[4],。
2 芯片測試
RC112測試芯片采用SOP封裝,，根據(jù)測試的需要增加了一些PAD。其中編碼電路的時鐘信號需要外接引入,，測試中由FPGA產(chǎn)生,，通過按下FPGA上的按鍵開關(guān)控制編碼電路時鐘信號的有無，定型的芯片編碼時鐘信號可由片內(nèi)振蕩器分頻得到,。發(fā)射端在正常工作時至少發(fā)射4幀數(shù)據(jù),。為測量發(fā)射電路的有效距離，測試中采取編碼電路工作時持續(xù)發(fā)射的模式,，接收解碼芯片采用非鎖存型,，當(dāng)接收端的LED燈開始閃爍時說明達到發(fā)射的極限距離。實際產(chǎn)品只需接收端采用鎖存型解碼芯片即可實現(xiàn)遙控開關(guān)觸點短暫接觸控制,。通過時域和頻域測量可以得出有關(guān)噪聲,、頻率偏移、發(fā)射功率變化等參數(shù)指標,。
2.1 編碼時鐘生成及有效距離測試
經(jīng)調(diào)試,，芯片編碼電路的所需時鐘頻率為250 kHz，通過按鍵控制這個脈沖的有無,，以測試發(fā)射電路的功能及有效距離,。編碼脈沖信號要求上升/下降時間不大于10 ns,。一般的信號發(fā)生器難以達到這個要求，利用FPGA可以方便地解決這一問題,。測試所用的FPGA實驗板時鐘頻率是50 MHz,，將由按鍵開關(guān)控制的250 kHz脈沖信號程序下載到FPGA實驗板即可得到所需編碼時鐘信號。
通過設(shè)計按鍵控制程序?qū)崿F(xiàn)對機械開關(guān)的控制,。在QuartusⅡ環(huán)境下運用Verilog語言進行設(shè)計,。當(dāng)機械觸點斷開、閉合時,，由于機械觸點的彈性作用,，在閉合及斷開的瞬間均伴隨有一連串的抖動，抖動時間大約5~10 ms,，所以必須增加防抖動控制,。Verilog設(shè)計流程圖如圖2所示，其主要思路是：設(shè)key1為按鍵輸入信號,，為了檢測開關(guān)的抖動,，定義key_in為2 bit二進制寄存器類型變量，在時鐘的下降沿或者復(fù)位信號的上升沿到來時,，不斷檢測key1是否有輸入,，利用key_in<={key_in[0]，key1}實現(xiàn)左移,，同時將輸入key1值送入低位,。key_in按位“異或”作為判斷條件，當(dāng)有按鍵動作時,，32 bit寄存器型變量cnt置零,。當(dāng)連續(xù)兩個時鐘周期key1的值不變時，cnt開始計數(shù),，若計數(shù)沒有達到500 000（t=cnt×1/50 000 000=10 ms）,，key_in就變?yōu)?0或01，則說明輸入發(fā)生了變化,，cnt置零重新開始計數(shù),；若在10 ms內(nèi)輸入沒有變化，則可以認為按鍵穩(wěn)定,，取穩(wěn)定后再延遲10 ms的key1值去控制250 kHz脈沖的有無,。250 kHz脈沖由200進制計數(shù)器對50 MHz時鐘進行200分頻得到。程序中設(shè)置FPGA實驗板上的LED3指示250 kHz編碼脈沖信號的有無,，LED4指示按鍵狀態(tài),。ModelSim仿真結(jié)果如圖3所示。
測試結(jié)果：按下按鍵key1,，F(xiàn)PGA板上LED3亮,，同時接收端LED燈亮,；再次按下key1，F(xiàn)PGA板上LED3滅,，同時接收端LED燈滅,。重復(fù)若干次，測試可靠,。不斷移遠LED接收裝置的距離,，當(dāng)移至50 m時，接收端LED燈開始閃爍,，所以無線遙控有效距離為50 m,。
2.2 波形測試與分析
波形測試與分析主要包括時域和頻域分析。時域測量調(diào)制信號波形,，觀察發(fā)射的數(shù)據(jù)幀及噪聲大小情況,；頻域測量不同溫度下頻率穩(wěn)定度以及對發(fā)射功率的影響,。
通過示波器測得的ASK調(diào)制信號波形如圖4所示,。由波形可知，12位地址編碼為011110010100,，與發(fā)射端測試板地址編碼跳線設(shè)置一致,，最后一位單窄脈沖為同步碼，表示一幀數(shù)據(jù)傳送完畢,。調(diào)制波中“毛刺”較多,，說明噪聲比較大，這是下一步流片需改進之處,。2,、3次諧波處于-15 dBm~-25 dBm之間，也可進一步降低,。當(dāng)然隨著噪聲的降低,，各次諧波也將隨之降低。
常溫條件下(tt工藝角時),，通過信號分析儀得到的載波頻譜如圖5所示,。信號分析儀中標識點設(shè)在315.000 MHz，在該點的輸出功率達9.30 dBm,。用手持頻率計在天線附近可直觀地觀測無線發(fā)射的載波頻率,，測得的值為315.323 MHz。當(dāng)然,，手持頻率計自身就有誤差,。
ss工藝角時，對芯片RC112進行液氮處理得到-37.7 ℃的低溫環(huán)境,，測試所得波形如圖6所示,，其輸出頻率為314.780 MHz,，該點的輸出功率為7.05 dBm。
ff工藝角時,，對芯片RC112進行加熱處理得到93.0 ℃的高溫環(huán)境,，測試所得波形如圖7所示，得到其輸出頻率為314.354 MHz,，該點的輸出功率為4.53 dBm,。高溫時的頻率偏差和增益降低比低溫時稍大，但最大頻率偏差約為0.2%,，滿足設(shè)計指標要求,，高溫時增益可進一步提高。
系統(tǒng)的接收模塊采用超再生檢波式接收器,，實際上它是一個受間歇振蕩控制的高頻振蕩器,，采用電容三點式振蕩器，振蕩頻率和發(fā)射器的發(fā)射頻率一致,。解碼芯片PT2272的地址編碼與發(fā)射模塊中RC112芯片的地址編碼一一對應(yīng),。接收模塊接收到編碼信號后送到PT2272，其地址碼經(jīng)過兩次比較核對后,，PT2272的VT腳才輸出高電平,，同時與RC112內(nèi)部的編碼器相對應(yīng)的數(shù)據(jù)腳也輸出高電平。如果RC112連續(xù)發(fā)送編碼信號,，PT2272 VT端和相應(yīng)的數(shù)據(jù)腳便連續(xù)輸出高電平,。發(fā)射端停止發(fā)送編碼信號，PT2272的VT端便恢復(fù)為低電平狀態(tài),。
通過制作4塊調(diào)試好的超再生接收模塊,，設(shè)置4個接收端的地址碼與發(fā)射端一致，每個模塊的PT2272的數(shù)據(jù)端依次分別接上LED,，用RC112組成的發(fā)射器上的4個按鍵實現(xiàn)了對4個接收端上LED燈的分別遙控,。實際中可根據(jù)需要選用鎖存型還是非鎖存型的解碼芯片PT2272。
在遙控系統(tǒng)中,，石英晶振是一個應(yīng)用廣泛的重要模塊,，通過集成片上振蕩器代替石英晶振可以節(jié)約成本，并減小電子系統(tǒng)的體積,。本文介紹的全集成射頻發(fā)射芯片RC112集成了編碼電路,、振蕩器及功率發(fā)射電路，經(jīng)測試,，該芯片滿足設(shè)計要求,，輸出功率為9.30 dBm，頻率偏差小于0.2%。但是仍存在一些需改進之處,，如噪聲偏大,、極端條件下穩(wěn)定性和增益有待進一步提高等?；谌蓡涡酒琑C112的LED控制系統(tǒng)在降低成本方面將具有極大的市場競爭力,。
參考文獻
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