數(shù)字調(diào)制與解調(diào)芯片nRF401

1、數(shù)字調(diào)制與解調(diào)芯片nRF401目錄1、 數(shù)字調(diào)制與解調(diào)芯片nRF401概述2、 數(shù)字調(diào)制與解調(diào)芯片nRF401的工作原理3、 數(shù)字調(diào)制與解調(diào)芯片nRF401的管腳和主要技術(shù)指標(biāo)1、 數(shù)字調(diào)制與解調(diào)芯片nRF401的管腳描述2、 管腳定義3、 封裝尺寸4、 數(shù)字調(diào)制與解調(diào)芯片nRF401的電氣特性4、 數(shù)字調(diào)制與解調(diào)芯片nRF401的工作方式和時(shí)序切換1 接收/ 發(fā)送方式切換2 通道選擇3 待機(jī)方式到接收/ 發(fā)送切換4 加電到發(fā)射模式切換5 上電到接收模式切換5、 數(shù)字調(diào)制與解調(diào)芯片nRF401的外圍電路設(shè)計(jì)1、 數(shù)字調(diào)制與解調(diào)芯片nRF401概述nRF401是一個(gè)為433MHz ISM 頻段設(shè)

2、計(jì)的真正單片UHF 無線收發(fā)芯片，它采用FSK 調(diào)制解調(diào)技術(shù)。nRF401 最高工作速率可以達(dá)到20K，發(fā)射功率可以調(diào)整，最大發(fā)射功率是+10dBm。天線接口設(shè)計(jì)為差分天線，以便于使用低成本的PCB 天線，nRF401 還具有待機(jī)模式，這樣可以更省電和高效。nRF401 的工作電壓范圍可以從2.7-5V。它要求非常少的外圍元件（約10個(gè)），無需聲表濾波器、變?nèi)莨艿劝嘿F的元件，只需要便宜且易于獲得的4MHz晶體，收發(fā)天線合一。無需進(jìn)行初始始化和配置，不需要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行曼徹斯特編碼，有兩個(gè)工作頻寬（433.92/434.33MHz）,工作電壓范圍可以從2.7-5V，還具有待機(jī)模式，可以更省電和高效。

3、nRF401僅有20個(gè)管腳，較少的管腳以及較小的封裝，有利于減少PCB面積降低成本，適合便攜式產(chǎn)品的設(shè)計(jì)，也有利于開發(fā)和生產(chǎn)。二、數(shù)字調(diào)制與解調(diào)芯片nRF401的工作原理nRF401的原理框圖如下：圖1、nRF401 內(nèi)部結(jié)構(gòu)及外部連接元器件框圖在nRF401 內(nèi)部結(jié)構(gòu)中, LNA 是低噪聲放大器。當(dāng)nRF401 工作在接收方式時(shí), 它接收來自天線的RF 信號(hào), 然后通過DEM 解調(diào)后從DOUT 端輸往控制器, 從而實(shí)現(xiàn)無線接收數(shù)據(jù)。PA 是功率放大器。當(dāng)nRF401工作在發(fā)送方式時(shí), 來自DIN 端的準(zhǔn)備以無線方式輸出的數(shù)據(jù)經(jīng)調(diào)制后通過PA 成為RF 信號(hào), 然后在天線上發(fā)射, 從而實(shí)無線發(fā)

4、送數(shù)據(jù)。DIN 和DOUT 可以連接到控制器的位數(shù)據(jù)輸入/ 輸出端( 例如RxD 和TxD 等) 。nRF401 頻率源由來自O(shè)SC 的基頻通過PLL 和VCO 頻率合成器產(chǎn)生, 晶體諧振頻率取4.0MHz。合成環(huán)形濾波器外接。VCO 外接電感可選22nH。6、 數(shù)字調(diào)制與解調(diào)芯片nRF401的主要技術(shù)指標(biāo)1、數(shù)字調(diào)制與解調(diào)芯片nRF401的管腳描述如下：2、管腳定義如下：圖2 nRF401 管腳定義圖3、封裝尺寸：nRF401采用SSOIC封裝（單位mm）4、數(shù)字調(diào)制與解調(diào)芯片nRF401的電氣特性如下：測(cè)試條件：VDD=+3V DC,VSS=0V,TA=-25 to +85°7、

5、 數(shù)字調(diào)制與解調(diào)芯片nRF401的工作方式和時(shí)序切換nRF401 有接收、發(fā)送和待機(jī)三種工作方式, 它們分別由圖1 所示的TXEN、CS 和PWR- UP 三個(gè)輸入信號(hào)的不同組合確定。1 接收/ 發(fā)送方式切換控制器通過改變TXEN 實(shí)現(xiàn)接收/ 發(fā)送方式切換, TXEN=1 為發(fā)送方式, TXEN=0 為接收方式。如圖2 所示, 當(dāng)從接收切換到發(fā)送時(shí), 控制器送到DIN 的待發(fā)送數(shù)據(jù)至少在TXEN 從“0 ”到“1 ”1ms 后才有效。當(dāng)從發(fā)送切換到接收時(shí), 至少在TXEN 從“1 ”到“0 ”3ms 后,控制器才能從DOUT 接收到準(zhǔn)確數(shù)據(jù)。2 通道選擇CS 用于選擇不同通道。當(dāng)CS=0 時(shí),

6、 選擇工作頻率為433.92MHz的1 號(hào)通道。當(dāng)CS=1 時(shí), 選擇工作頻率為434.33MHz 的2 號(hào)通道。3 待機(jī)方式到接收/ 發(fā)送切換待機(jī)方式是芯片在非工作狀態(tài)時(shí)的省電模式, 它通過清除PWR- UP( PWR- UP=0 ) 實(shí)現(xiàn)。如圖3 所示。當(dāng)由待機(jī)狀態(tài)切換到接收工作狀態(tài)( PWR- UP=1且TXEN=0 ) 時(shí), DOUT 有效出現(xiàn)3ms 滯后。當(dāng)由待機(jī)狀態(tài)切換到發(fā)送工作狀態(tài)( PWR- UP=1 且TXEN=1 ) 時(shí), DIN 有效出現(xiàn)2ms 滯后。接受到發(fā)送發(fā)送到接收?qǐng)D34. 加電到發(fā)射模式切換從加電到發(fā)射模式過程中為了避免開機(jī)時(shí)產(chǎn)生干擾和輻射在上電過程中TXEN 的

7、輸入腳必須保持為低以便于頻率合成器進(jìn)入穩(wěn)定工作狀態(tài)當(dāng)由上電進(jìn)入發(fā)射模式時(shí)TXEN 必須保持1ms 以后才可以往DIN 發(fā)送數(shù)據(jù)見圖4.圖45. 上電到接收模式切換從上電到接收模式過程中芯片將不會(huì)接收數(shù)據(jù)DOUT 也不會(huì)有有效數(shù)據(jù)輸出直到電壓穩(wěn)定達(dá)到2.7V 以上并且至少保持5ms 如果采用外部振蕩器這個(gè)時(shí)間可以縮短到3ms 見圖5。圖55、 數(shù)字調(diào)制與解調(diào)芯片nRF401的外圍電路設(shè)計(jì)天線輸入輸出：ANT1 和ANT2 是接收時(shí)LNA 的輸入，以及發(fā)送時(shí)功率放大器的輸出。連接nRF401 的天線是以差分方式連接到nRF401 的。在天線端推薦的負(fù)載阻抗是400。圖6 是一個(gè)典型的采用差分天線方

8、式原理圖。功率放大器輸出是兩個(gè)開路輸出三極管，配置成差分配對(duì)方式，功率放大器的VDD 必須通過集電極負(fù)載，當(dāng)采用差分環(huán)型天線時(shí)，VDD 必須通過環(huán)型開線的中心輸入，如圖6所示。一個(gè)50 的單端天線或測(cè)試儀器也可以通過一個(gè)差分轉(zhuǎn)換匹配網(wǎng)絡(luò)連接到nRF401，如圖7 所示.圖6圖7圖7 中的180nH 電感，要求自諧振頻率大于433MHz，適合使用的電感型號(hào)已經(jīng)列在表6中。根據(jù)具體應(yīng)用不同，在50 RF 輸入輸出處，可能需要LC 匹配網(wǎng)絡(luò)。單端天線到nRF401的連接，也可以采用一個(gè)81的RF線圈匹配阻抗。RF 線圈必須有一個(gè)中心抽頭連接到VDD。RF 輸出功率:調(diào)整RF 偏壓電阻R3 可以調(diào)節(jié)輸

9、出發(fā)射功率，最大發(fā)射功率可以調(diào)整到+10dBm，圖8 表示的發(fā)射功率和電阻值的關(guān)系。圖9 表示發(fā)射功率與電流的關(guān)系。圖8圖9PLL 環(huán)路濾波器：PLL 環(huán)路濾波器是一個(gè)單端二階濾波器推薦的濾波器元件參數(shù)為C3=820pF，C4=15nF，R2=4.7K，如圖6所示。VCO 電感：芯片的VCO 電路需要外接一個(gè)VCO 電感。這個(gè)電感是非常關(guān)鍵，的需要一個(gè)高質(zhì)量的Q 值>45433MHZ，精度2%，合適的電感型號(hào)如下表所示。請(qǐng)看后面關(guān)于PCB 的布局和電感的放置位置的說明。晶體的規(guī)格：f=4.0000MHz 晶振并聯(lián)諧振頻率5pF 晶振等效電容ESR150ohm 晶振串聯(lián)等效電阻14pF 等

10、效負(fù)載電容包括PCB 上分布電容在圖10 中實(shí)際的負(fù)載電容: 、 是應(yīng)用原理圖中所示的0603的貼片電容，和是PCB 上的分布電容。圖10與單片機(jī)共用一個(gè)晶振：圖11 表示了nRF401 與單片機(jī)共用一個(gè)晶體的連接方式。需要注意的是從單片機(jī)引入的晶體走線不能離數(shù)據(jù)線或者控制線太近。圖11發(fā)射接收模式選擇TXEN 選擇發(fā)射或接收工作模式TXEN = 1 時(shí)選擇發(fā)射模式TXEN = 0 時(shí)選擇接收模式頻道選擇CS 選擇工作頻道CS = 0 時(shí)選擇1 頻道（f1 = 433.92MHz）CS = 1 時(shí)選擇2 頻道（f2 = 434.33Mhz）工作模式真值表Din 和DoutDin 是數(shù)據(jù)發(fā)送腳，連到該腳的電平必須是CMOS 電平，最高速率是20K，無需進(jìn)行數(shù)據(jù)編碼。DIN= “1” f = f0+fDIN= “0” f=f0- fDOUT 是解調(diào)輸出腳標(biāo)準(zhǔn)的CMOS 電平輸出f0+ f DOUT = “1”f0- f DOUT = “0”節(jié)能控制:PWR UP 選擇工作模式和待機(jī)模式PWR UP = 1 選擇正常工作模式PWR UP = 0 選擇待機(jī)模式發(fā)送和接收頻率問題:為了獲得最好的RF 性能，發(fā)射和接收頻率誤差不能超過70ppm（30KHz）。這就要求晶體的穩(wěn)定度不能低于