小功率VHF無線通信接收器MICRF004及其應用
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摘要：MICRF004 是Micrel公司最新推出的小型單片無線通信接收器集成電路。利用它可真正實現(xiàn)單片機“無線輸入、數(shù)據(jù)輸出”功能。另外，MICRF004的效率和可靠性都非常高，是目前無線通信應用領域成本最低的單片解決方案。文中介紹了它的主要特點、引腳功能、工作原理和典型應用電路。同時還給出了由 MICRF004組成的150MHz、1kb/s接收器/解碼器的實際電路和其外圍元件的具體參數(shù)。
關鍵詞：無線通訊 接收器 小功率 MICRF004
1 概述
MICRF004 是Micrel公司最新推出的小型單片無線通信接收器集成電路。它是為甚高頻段（VHF頻段）的無線通信應用而專門設計的無線接收器件。利用 MICRF004可真正實現(xiàn)單片化“無線輸入、數(shù)據(jù)輸出”功能。所有射頻（RF）和中頻（IF）的調(diào)整均可在器件內(nèi)部自動完成，因而可極大地降低開發(fā)成本，縮短產(chǎn)品市場化的進程。另外，由于MICRF004的效率和可靠性都非常高。所以，它是目前無線通信應用領域成本最低的單片解決方案。
MICRF004 的使用非常方便。它可以提供固定和掃描兩種基本的操作械。在固定操作模式時，MICRF004的功能就像一個具有固定本振頻率的傳統(tǒng)超外差式接收機，其內(nèi)部本振操作頻率由外部晶振提供。固定模式通常用在發(fā)射能被晶體或SAW（聲表面波）器件精確控制的場合；在掃描操作時，MICRF004將在此基帶數(shù)據(jù)比率更大的范圍內(nèi)掃描本振頻率，從而有效拓寬了接收機的RF帶寬。因此，MICRF004無需專門的調(diào)諧電路便可接收簡單廉價的LC發(fā)射機所發(fā)出的信號，而且甚至可以將接收范圍拓寬到超外差范圍。在這種模式下，系統(tǒng)便可用±0.5%的廉價陶瓷器件來代替昂貴的石英晶體作為參考。
關斷控制是MICRF004的一個重要特點，利用這一特性可以在周期操作（duty-cycled）和喚醒輸出出現(xiàn)RF信號時為其提供邏輯指示，并使MICRF004能夠適應小功率和極小功率的方面應用，比如RKE（remote keyless entry）和RFID（RF identification）等系統(tǒng)。
MICRF004 可為系統(tǒng)解調(diào)器提供所有的數(shù)據(jù)濾波功能，這便省去了以往所必需的外部濾波器。MICRF004內(nèi)含四個濾波器，其中之一在數(shù)據(jù)速率帶寬范圍內(nèi)采用了編程方式。MICRF004在掃描模式時，其二進制帶寬范圍為0.55kHz～4.4kHz，而在固定模式，其帶寬范圍為1.1kHz～8.8kHz。
另外，MICRF004還有如下主要特點：
●在單片上集成了全部的VHF接收功能；
●頻率范圍可達140MHz～200MHz；
●單極天線接收時，其典型接收距離為200米；
●在掃描模式時，其數(shù)據(jù)速率為2.5kb/s；而在固定模式時，其數(shù)據(jù)速率為10kb/s；
●可自動調(diào)整，無需人工調(diào)諧；
●無需外部濾波器；
●在150kHz時，其電源操作電流低達240μA；
●可用微處理器或使能編碼器來喚醒操作；
●具有標準的Ics CMOS邏輯接口；
●具有極低的RF天線再發(fā)射特性；
MICRF004是為甚高頻段（VHF頻段）無線通信應用而專門設計的天線接收專用集成電路。因而可廣泛用于汽車遙控、元距離射頻接收、遠程風扇和燈光控制以及汽車大門的自動開啟和控制等方面。
2 引腳排列和功能
MICRF004采用16腳DIP或SOP封裝形式，圖1所示是它的引腳排列，各引腳的功能說明如表1所示。
表1 MICRF004的引腳功能說明
| 引腳號 | 引腳號 | 功 能 說 明 |
| 1 | SEL0 | 帶寬選擇Bit0輸入腳?？梢院蚐EL1一起來組合設置解調(diào)濾波器的帶寬 |
| 2，3 | VSSRF | 輸入端RF信號模擬部分地 |
| 4 | ANT | 天線輸入端。高阻抗，在器件內(nèi)部用交流耦合的方式連接到接收器的輸入上，在將接收天線與該端連接時，將在器件的FET門輸入上產(chǎn)生大約2pF的寄生電容 |
| 5 | VDDRF | 輸入端RF信號模擬部分電源。用于為器件的射頻電路部分提供電源，應將VDDRE和VDDBB連接在一起，并應通過低等效電感和低等效電阻的電容器和VSSRF相連，且連線應盡可能短 |
| 6 | VDDBB | 輸入端基帶數(shù)字電源；用于為器件的基帶電路部分提供電源。使用時，應將VDDRF和VDDBB連接在一起 |
| 7 | CIH | 外部電容接入端；該外部電容的主要作用是維護內(nèi)部比較器輸入端直流電平上的解調(diào)濾波形 |
| 8 | NC | 不用 |
| 9 | NSSBB | 輸入端基帶數(shù)字地；一般接至基帶部分的電源 |
| 10 | DO | 數(shù)字信號輸出端；用于輸出與CMOS電平兼容的數(shù)字信號 |
| 11 | SHUT | 關斷模式邏輯電平控制輸入端；輸入低電平時可使能接收器。該輸入將在器件內(nèi)部被上拉到VDDRF |
| 12 | WAKEB | 喚醒輸出；當監(jiān)測到RF信號時激活輸出以喚醒器件，該輸出信號與CMOS電平兼容 |
| 13 | CAGC | 自動增益控制外部電容接入端；所接的外部電容可與器件內(nèi)部的AGC電路一起來對器件的增益進行自動控制 |
| 14 | SEL1 | 帶寬選擇Bit輸入腳?？梢院蚐EL0一起來組合設置解調(diào)濾波器的帶寬 |
| 15 | REFOSC | 外部參考振蕩器接入端，可在該腳和VSSBB腳之間連接陶瓷振蕩器或晶體振蕩器，也可以直接輸入0.5VPP的參考時鐘信號 |
| 16 | SWEN | 掃描模式使能輸入端；用于對掃描操作模式和固定操作模式進行輸入控制。當VSWEN為高時，MICRF004為掃描模式；當VSWEN為低時，接收器工作普通的超外差式接收狀態(tài)。該腳信號將在內(nèi)部被上拉的VDDRF |
3 工作原理
MICRF004 的內(nèi)部工作原理框圖如圖2所示。從圖中可以看出：MICRF004由UHF下變頻器、OOK解調(diào)器、參考和控制、以及喚配電路等部分組成。同時圖中還畫出了CTH、CAGC引腳錢的電容以及REFOSC引腳外的參考振蕩器。這些外部器件便是利用MICRF004來構成UHF接收器所需的元件。 MICRF004具有SEL0、SEL1、SWEN和SHUT等4個控制輸入引腳，利用這四個引腳，用戶可以對MICRF004的操作模式進行設置選擇。這些引腳內(nèi)部均有上拉電阻，且其輸入均與CMOS電平兼容。
3.1 帶寬選擇
利用SEL0和SEL1引腳可以對MICRF004的解調(diào)器帶進行選擇設置，在掃描模式時，其可選擇的頻率帶寬范圍為550Hz～4400Hz，而在固定模式，其可選擇的頻率帶寬范圍為1100Hz～8800Hz。表2給出了MICRF004的解調(diào)器帶寬選擇方法。
表2 MICRF004的帶寬選擇方式
| SEL0 | SEL1 | 解調(diào)器帶寬 | |
| 掃描模式 | 固定模式 | ||
| 1 | 1 | 4400Hz | 8800Hz |
| 0 | 1 | 2200Hz | 4400Hz |
| 1 | 0 | 1100Hz | 2200Hz |
| 0 | 0 | 550Hz | 1100Hz |
3.2 模式選擇
利用SWEN腳的輸入電平可以對MICRF004的操作模式進行控制。當SWEN腳的輸入為高電平時，器件選擇掃描模式；而當SWEN腳為低電平時，器件選擇固定模式。在固定模式時，MICRF004采用通常的超外差接收方式進行工作。
●固定操作模式
如果發(fā)射系統(tǒng)采用的是象SAW發(fā)射機那樣比較穩(wěn)定的發(fā)射設備，那么，MICRF004便可選擇一般的超外差式固定操作模式進行接收工作。固定模式所能接收的信號頻率范圍較窄，但數(shù)據(jù)速率相對較高，通?？梢赃_到10kb/s以上。
●掃描操作模式
在掃描模式，MICRF004仍然采用擴展的超外差方式進行工作，但是需要在LO本振調(diào)制下進行，這時的掃描速率要比普通的數(shù)據(jù)速率高一些。采用掃描方式可以有效地拓寬MICRF004的射頻帶寬。并且可以使器件在外部發(fā)射頻率和接收頻率都不是十分準確的情況下正常工作。采用LO本振調(diào)制方式并不影響系統(tǒng)的中頻帶寬，而且相對于固定操作模式來說，掃描模式在中頻抗噪聲方面的性能也沒有多大的減弱。因此，無論是在固定操作模式還是在掃描操作模式，它們的IF帶寬均為500kHz。但是，LO本振調(diào)制將對速率產(chǎn)生影響，在掃描模式時，其速率上限大約為2.5kb/s。
3.3 參考振蕩
MICRF004的所有定時和調(diào)諧都是在器件內(nèi)部的參考振蕩器的基礎上進行的。這些調(diào)諧操作可以在REFOSC引腳通過下列三種方式之一來進行：
（1）連接一個陶瓷共鳴器；
（2）連接一個石英晶體振蕩器；
（3）用一個外部的定時信號來驅(qū)動REFOSC引腳。
如果用晶體振蕩器或者陶瓷共振器控制下的微處理器來產(chǎn)生振蕩信號，也就是說系統(tǒng)的信號頻率比較精確時，以上三種方法對于降低系統(tǒng)成本是非常有用的。
3.4 喚醒和關斷
MICRF004 中喚醒電路的主要作用是為了減少整個系統(tǒng)的電源功耗。WAKEB為邏輯信號輸出端，當系統(tǒng)在檢波輸出信號中監(jiān)測到有RF載波時，WAKEB端輸出低電平信號。該輸出能夠在發(fā)現(xiàn)RF信號時用來使能數(shù)據(jù)解碼器和微處理器等外部電路。當然，只有在系統(tǒng)處于關斷模式時，才能使用喚醒功能。
喚醒功能包含在器件內(nèi)部的一個可恢復計數(shù)器中，它采用2.34kHz內(nèi)部時鐘。該時鐘由一個內(nèi)部6.0MHz的參考頻率產(chǎn)生。當這個23.4kHz時鐘被監(jiān)測到時，系統(tǒng)將在5.12ms(在25kHz時需過128個時鐘周期)之后使WAKEB端進入低電平，并一直持續(xù)到數(shù)據(jù)開始。這5ms的持續(xù)時間非常珍貴，它可以極大地系統(tǒng)監(jiān)測減少的出錯率。而且不需要對信號進行轉(zhuǎn)換補償。因此，用這種方法來完成喚醒功能是非常方便的。
關斷功能是由SHUT腳的邏輯狀態(tài)來控制的。當V SHUT為高時，系統(tǒng)進入低功耗待電模式，此時的待電電流低于1μA。
4 應用電路
4.1 典型應用電路
MICRF004 可用于多種無線通信應用領域。圖3是MICRF004用于150MHz 1200b/s開關鍵控接收器的典型應用電路。該典型應用電路十分簡單，所用的外圍元件很少，它采用4.85MHz陶共鳴器作外部振蕩器。CAGC引腳外 4.7μF電容器的作用是用來和器件內(nèi)部的AGC電路一起來對MICRF004的增益進行自動控制。而CTH引腳上的0.047μF電容器則用來維護內(nèi)部比較器輸入端直流電平上的解調(diào)波形。該電路采有+5V電源電壓進行工作。
4.2 實際應用電路
圖4是一個用MICRF004來設計150MHz 1kb/s開關鍵控接收/譯碼器的實際應用電路。該電路可在非工作周期情況下進行連續(xù)地接收掃描。它被設計成掃描模式，具有6個地址解碼位和2個輸出編碼位。
在圖4電路中，U1為MICREL公司的小型單片無線通信接收器MICRF004，U2則選用HOLTEK公司的HT-12D邏輯解碼器，電路工作頻率為 150MHz，因而選用較為廉價的陶瓷共鳴器來產(chǎn)生參考振蕩頻率信號。調(diào)節(jié)陶瓷共鳴器、本振電容C4以及天線的長短可以使電路達到最好的接容選用 8.2pF的陶瓷電容器。需要說明的是，電源濾波電容C1具有兩種接地方式：如果將C1接地的一端接至模擬地，那么電容將工作在RF頻率段；而如果將C1 的接地一端接至數(shù)字地，則電路將工作在基帶頻率范圍。
實際上，該電路的數(shù)據(jù)速率是可以通過R1來進行調(diào)整的。在數(shù)據(jù)速率為1kb/s時，R1的取值為68kΩ。電路中的使用R2的作用主要是為紅色指示發(fā)光二極管提供限流偏置，選用1kΩ的普通電阻即可。
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