单片射频收发芯片TRF6901的原理与应用

摘要：TRF6901是TI公司推出的单片射频收发器。该芯片内含完整的发射和接收电路，因而特别适合ISM频段内数据的半双工双向无线传输。它和TRF6900相比具有发射功率大、价格低、适用电压范围宽、使用简单、外围器件少等优点。文中介绍了TRF6901的结构、原理、特性及应用电路。 关键词：FSK；OOK；ISM；TRF6901 １　概述 ＴＲＦ６９０１是ＴＩ公司推出的单片低成本射频收发器芯片，其内部集成了完整的发射电路和接收电路，可以很容易地组成一个半双工射频连接器。ＴＲＦ６９０１具有多个频道，其工作频率可以编程，频率范围为８６０～９３０ＭＨｚ。芯片的供电电压范围为１．８Ｖ～３．６Ｖ，射频输出功率高达＋９ｄＢｍ。 ＴＲＦ６９０１的主要特点如下： ● 工作频率范围为８６０ＭＨｚ～９３０ＭＨｚ； ● 低功耗，发射电流最大为４０ｍＡ，接收电流最大为２０ｍＡ，待机电流最大为４μＡ； ● 可以使用ＯＯＫ和ＦＳＫ两种调制方式； ● 集成有频率合成器和压控振荡器； ● 内含锁相环和参考振荡器； ● 具有９ｄＢｍ的典型输出功率； ● 内含可编程电池检测电路； ● 带有接收信号强度检测器； ● 具有灵活的３线串行接口，可方便地与微控制器进行连接； ● 基准振荡器频率可编程微调； ● 集成度高，外围元件少； ● 采用４８脚ＰＱＦＰ封装，体积小。 图1 ＴＲＦ６９０１和微控制器之间可以通过１１条引脚连接，若想构成低功耗系统，可以选择ＴＩ公司的ＭＳＰ４３０系列单片机来作微控制器。 ２ 引脚功能 ３ 内部结构 ＴＲＦ６９０１芯片的内部结构如图１所示，各部分的功能原理如下： ３．１ 低噪声放大器和混频器 ＴＲＦ６９０１内部集成的低噪声射频放大器采用差分方式输入，芯片外部的网络具有５０Ω阻抗匹配和１８０%26;#176;相移的作用，可以把输入信号转换为相位差为１８０%26;#176;的两路信号并分别输入到低噪声放大器的两个引脚。该差分电路的输入阻抗约为５００Ω。 低噪声放大器的输出信号为高频信号，为了便于进一步放大、解调，设计时应使用混频器把它变成中频信号。该混频器的本振信号由片内ＰＬＬ控制的ＶＣＯ提供，本振频率等于接收信号频率减去中频频率，并可以根据接收信号的频率对本振频率进行编程控制。 ３．２ 滤波器和中频放大器 为了使整个接收电路具有良好的选择性，混频器的输出信号需经过一个外接的中频滤波器进行滤波。中频频率可选１０．７ＭＨｚ，对应的滤波器也可以选择１０．７ＭＨｚ的三端陶瓷滤波器。滤波器的输出再输入到中频放大器进行放大。 中频放大器同样采用差分输入。为了把三端滤波器的输出信号变成一个差模信号，可在差分电路的两个输入端连接电感以实现１８０%26;#176;的相移。中频放大器包含的增益为６８ｄＢ的限幅放大器可实现高增益的中频信号放大。 ３．３ 接收信号强度指示电路（ＲＳＳＩ） 接收信号强度指示器的输出电压是对中频限幅放大器的输入信号进行整流后得到的直流电压，其电压大小和接收到的信号强弱成正比。ＲＳＳＩ信号可用作故障检测、收发中的握手信号以及射频通道的选择信号；在有些应用中，它还可以用作ＡＳＫ和ＯＯＫ的解调信号。 图2 ３．４ ＦＳＫ解调电路 限幅放大器的输出信号要输入到解调电路进行解调，该解调电路是一个积分式的ＦＳＫ解调电路。解调器的外部必须接一个和中频频率一致的陶瓷鉴频器或ＬＣ谐振回路，最好使用陶瓷鉴频器。芯片的内部用可编程的电阻和外部鉴频器并联，这样改变电阻的值就可以微调鉴频器的中心频率。可编程电阻的值由芯片内Ｄ寄存器的１２～１４位控制，推荐值为１１０。如果外接电路使用ＬＣ回路，Ｌ和Ｃ的值可以根据公式ｆｒｅｓ＝１／２π（ＬＣ）１／２来计算，ＬＣ回路的两端还可根据需要并联一个电阻来降低回路的Ｑ值。 ３．５ 数据检测器 数据检测器由一个比较器构成。它的输出由接收信号和门限电压来确定，门限电压存储在３４脚的外接电容上。当３９脚的学习／保持控制信号为高电平时，存储电容被接收信号充电，充电值为高低电平的平均值；而如果３９脚的学习／保持控制信号为低电平，电容上的电压将缓慢下降，因此，存储电容必须定时充电。通常在每次数据接收之前，都要用一段训练信号对电容充电。外接电容的容量约为信号周期的万分之一。但是，如果调制时的信号没有直流信号，那么ＴＲＦ６９０１就可以始终工作在学习模式，这样也就不需要训练信号。 ３．６ 频率合成器 频率合成器内含一个主分频器，可用来对ＶＣＯ信号进行分频。主分频器由一个５ｂｉｔ的Ａ计数器、一个９ｂｉｔ的Ｂ计数器和一个预分频器组成。预分频器的分频数可以是３２或３３，当Ａ计数器溢出时，预分频器的分频数为３３，直到Ｂ计数器溢出，它又变成３２，因此主分频器的总分频数为： Ｎ１＝３３%26;#215;Ａ＋３２（Ｂ－Ａ） 此外，频率合成器中还有一个参考分频器可用于对基准晶体振荡器的振荡信号进行分频，该分频器为８位，最大分频数（Ｎ２）为２５５。 上述两个分频器的信号可同时输入到鉴相器。鉴相器的输出用于控制ＶＣＯ的振荡频率。集成电路的３１脚外接一个和晶体相串联的电容，该电容通过内部开关接地，同时，接地开关又受待发数字信号的控制，这样，待发的数字信号就可以控制基准振荡器的振荡频率，进而实现ＦＳＫ调制。 ３．７ 串行控制接口 ＴＲＦ６９０１有一个串行接口，用以与微控制器相连，微控制器通过串行接口对ＴＲＦ６９０１内部的４个２４位寄存器进行编程。 ＴＲＦ６９０１有三个串行接口，分别是数据（ＤＡＴＡ）、时钟（ＣＬＯＣＫ）和门控（ＳＴＲＯＢＥ），门控信号用于控制每个寄存器编程的开始和结束，数据的前２位用于选择寄存器。寄存器的编程时序如图２所示。 图3 ３．８ 主要附属电路 除上述电路外，ＴＲＦ６９０１内部还有一些附属电路，如ＤＣ－ＤＣ、电池检测和时钟输出等。其中内部ＤＣ－ＤＣ变换器用于实现升压。当系统供电低于１．８Ｖ时，可以用它进行升压以为ＶＣＯ和ＰＬＬ供电；而片内集成的电池检测器可用于电池电量检测，检测门限可以由Ｂ寄存器的１、２位设定；时钟输出电路可将基准振荡信号分频后输出，目的是为微控制器提供时钟信号。 ４ 应用电路 图３所示是ＴＲＦ６９０１工作在８６０～８７０ＭＨｚ频段的实际应用电路。为了克服芯片内部各单元电路的相互干扰，在供电时，每个单元都应接阻容退耦电路，设计时可选用１０Ω电阻和０．１μＦ的电容。 ＴＲＦ６９０１的控制端口可以和ＭＰＳ４３０系列单片机的通用口线直接连接；如果选择的单片机具有硬件串口，则可以把ＴＲＦ６９０１的ＴＸ＿ＤＡＴＡ和ＲＸ＿ＤＡＴＡ直接与单片机的串口相连，这样可以给编程和调试带来更大的方便。