数字调制与解调芯片nRF401.docx
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数字调制与解调芯片nRF401
数字调制与解调芯片nRF401
1、数字调制与解调芯片nRF401概述
2、数字调制与解调芯片nRF401的工作原理
3、数字调制与解调芯片nRF401的管脚和主要技术指标
1、数字调制与解调芯片nRF401的管脚描述
2、管脚定义
3、封装尺寸
4、数字调制与解调芯片nRF401的电气特性
4、数字调制与解调芯片nRF401的工作方式和时序切换
1接收/发送方式切换
2通道选择
3待机方式到接收/发送切换
4加电到发射模式切换
5上电到接收模式切换
5、数字调制与解调芯片nRF401的外围电路设计
1、数字调制与解调芯片nRF401概述
nRF401是一个为433MHzISM频段设计的真正单片UHF无线收发芯片,它采用FSK调制解调技术。
nRF401最高工作速率可以达到20K,发射功率可以调整,最大发射功率是+10dBm。
天线接口设计为差分天线,以便于使用低成本的PCB天线,nRF401还具有待机模式,这样可以更省电和高效。
nRF401的工作电压范围可以从2.7-5V。
它要求非常少的外围元件(约10个),无需声表滤波器、变容管等昂贵的元件,只需要便宜且易于获得的4MHz晶体,收发天线合一。
无需进行初始始化和配置,不需要对数据进行曼彻斯特编码,有两个工作频宽(433.92/434.33MHz),工作电压范围可以从2.7-5V,还具有待机模式,可以更省电和高效。
nRF401仅有20个管脚,较少的管脚以及较小的封装,有利于减少PCB面积降低成本,适合便携式产品的设计,也有利于开发和生产。
二、数字调制与解调芯片nRF401的工作原理
nRF401的原理框图如下:
图1、nRF401内部结构及外部连接元器件框图
在nRF401内部结构中,LNA是低噪声放大器。
当nRF401工作在接收方式时,它接收来自天线的RF信号,然后通过DEM解调后从DOUT端输往控制器,从而实现无线接收数据。
PA是功率放大器。
当nRF401工作在发送方式时,来自DIN端的准备以无线方式输出的数据经调制后通过PA成为RF信号,然后在天线上发射,从而实无线发送数据。
DIN和DOUT可以连接到控制器的位数据输入/输出端(例如RxD和TxD等)。
nRF401频率源由来自OSC的基频通过PLL和VCO频率合成器产生,晶体谐振频率取4.0MHz。
合成环形滤波器外接。
VCO外接电感可选22nH。
3、数字调制与解调芯片nRF401的主要技术指标
1、数字调制与解调芯片nRF401的管脚描述如下:
2、管脚定义如下:
图2nRF401管脚定义图
3、封装尺寸:
nRF401采用SSOIC封装(单位mm)
4、数字调制与解调芯片nRF401的电气特性如下:
测试条件:
VDD=+3VDC,VSS=0V,TA=-25to+85°
4、数字调制与解调芯片nRF401的工作方式和时序切换
nRF401有接收、发送和待机三种工作方式,它们分别由图〈1〉所示的TXEN、CS和PWR-UP三个输入信号的不同组合确定。
1接收/发送方式切换
控制器通过改变TXEN实现接收/发送方式切换,TXEN=1为发送方式,TXEN=0为接收方式。
如图〈2〉所示,当从接收切换到发送时,控制器送到DIN的待发送数据至少在TXEN从“0”到“1”1ms后才有效。
当从发送切换到接收时,至少在TXEN从“1”到“0”3ms后,控制器才能从DOUT接收到准确数据。
2通道选择
CS用于选择不同通道。
当CS=0时,选择工作频率为433.92MHz的1号通道。
当CS=1时,选择工作频率为434.33MHz的2号通道。
3待机方式到接收/发送切换
待机方式是芯片在非工作状态时的省电模式,它通过清除PWR-UP(PWR-UP=0)实现。
如图〈3〉所示。
当由待机状态切换到接收工作状态(PWR-UP=1且TXEN=0)时,DOUT有效出现3ms滞后。
当由待机状态切换到发送工作状态(PWR-UP=1且TXEN=1)时,DIN有效出现2ms滞后。
接受到发送
发送到接收
图3
4.加电到发射模式切换
从加电到发射模式过程中为了避免开机时产生干扰和辐射在上电过程中TXEN的输入脚必须保持为低以便于频率合成器进入稳定工作状态当由上电进入发射模式时TXEN必须保持1ms以后才可以往DIN发送数据见图4.
图4
5.上电到接收模式切换
从上电到接收模式过程中芯片将不会接收数据DOUT也不会有有效数据输出直到电压稳定达到2.7V以上并且至少保持5ms如果采用外部振荡器这个时间可以缩短到3ms见图5。
图5
5、数字调制与解调芯片nRF401的外围电路设计
天线输入输出:
ANT1和ANT2是接收时LNA的输入,以及发送时功率放大器的输出。
连接nRF401的天线是以差分方式连接到nRF401的。
在天线端推荐的负载阻抗是400Ω。
图6是一个典型的采用差分天线方式原理图。
功率放大器输出是两个开路输出三极管,配置成差分配对方式,功率放大器的VDD必须通过集电极负载,当采用差分环型天线时,VDD必须通过环型开线的中心输入,如图6所示。
一个50的单端天线或测试仪器也可以通过一个差分转换匹配网络连接到nRF401,如图7所示.
图6
图7
图7中的180nH电感,要求自谐振频率大于433MHz,适合使用的电感型号已经列在表6中。
根据具体应用不同,在50RF输入输出处,可能需要LC匹配网络。
单端天线到nRF401的连接,也可以采用一个81的RF线圈匹配阻抗。
RF线圈必须有一个中心抽头连接到VDD。
RF输出功率:
调整RF偏压电阻R3可以调节输出发射功率,最大发射功率可以调整到+10dBm,图8表示的发射功率和电阻值的关系。
图9表示发射功率与电流的关系。
图8
图9
PLL环路滤波器:
PLL环路滤波器是一个单端二阶滤波器推荐的滤波器元件参数为C3=820pF,C4=15nF,R2=4.7K,如图6所示。
VCO电感:
芯片的VCO电路需要外接一个VCO电感。
这个电感是非常关键,的需要一个高质量的Q值
>45@433MHZ,精度2%,合适的电感型号如下表所示。
请看后面关于PCB的布局和电感的放置位置的说明。
晶体的规格:
f=4.0000MHz晶振并联谐振频率
≦5pF晶振等效电容
ESR≦150ohm晶振串联等效电阻
≦14pF等效负载电容包括PCB上分布电容
在图10中实际的负载电容
:
、
是应用原理图中所示的0603的贴片电容,
和
是PCB上的分布电容。
图10
与单片机共用一个晶振:
图11表示了nRF401与单片机共用一个晶体的连接方式。
需要注意的是从单片机引入的晶体走线不能离数据线或者控制线太近。
图11
发射接收模式选择
TXEN选择发射或接收工作模式
TXEN=1时选择发射模式
TXEN=0时选择接收模式
频道选择
CS选择工作频道
CS=0时选择1频道(f1=433.92MHz)
CS=1时选择2频道(f2=434.33Mhz)
工作模式真值表
Din和Dout
Din是数据发送脚,连到该脚的电平必须是CMOS电平,最高速率是20K,无需进行数据编码。
DIN=“1”→f=f0+△f
DIN=“0”→f=f0-△f
DOUT是解调输出脚标准的CMOS电平输出
f0+△f→DOUT=“1”
f0-△f→DOUT=“0”
节能控制:
PWRUP选择工作模式和待机模式
PWRUP=1选择正常工作模式
PWRUP=0选择待机模式
发送和接收频率问题:
为了获得最好的RF性能,发射和接收频率误差不能超过70ppm(30KHz)。
这就要求晶体的稳定度不能低于±35PPM,频率的差异将会导至接收机灵敏度产生-12dB/倍程的损失。
例如一个±20ppm频率精度和在温度范围内±25PPM稳定度的晶体,最大的频率误差将会超过±45ppm。
如果发射机和接收机工作在不同的温度环境,在最差的情况下两边的误差将会超过90ppm,其结果将会导致接收机灵敏度下降将近5dB。
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