全集成射頻發(fā)射芯片測試及LED遙控的實(shí)現(xiàn)*

張笑瑜 ，李湘春 ，朱逸軒 ，楊佳佳 ，王 棵 ，胡 錦

（1.湖南大學(xué) 物理與微電子科學(xué)學(xué)院，湖南 長沙 410082；2.蘇州銳控微電子有限公司，江蘇 蘇州 215000）

在遠(yuǎn)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(diǎn)[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(shí)鐘信號，并且為特定系統(tǒng)提供基準(zhǔn)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(shí)鐘信號，用示波器和頻譜儀對該芯片樣片進(jìn)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(shí)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 0.18μm 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(jì)時(shí)輻射水平仍遠(yuǎn)在FCC Part15 Class B標(biāo)準(zhǔn)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(jì)難度。此外，其內(nèi)置的關(guān)斷功能使待機(jī)電流最小化，還集成了輸出端過流保護(hù)、片內(nèi)過溫保護(hù)和電源欠壓異常保護(hù)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(jìn)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。

圖1 RC112內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

芯片內(nèi)部集成的高頻振蕩器采用自補(bǔ)償技術(shù)對溫度和工藝進(jìn)行檢測并校準(zhǔn)，不需要額外的修調(diào)。通過電壓運(yùn)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(bǔ)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(bǔ)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(shí)具有較強(qiáng)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(shí)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(shí)鐘信號的有無，定型的芯片編碼時(shí)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(shí)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(shí)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(shí)說明達(dá)到發(fā)射的極限距離。實(shí)際產(chǎn)品只需接收端采用鎖存型解碼芯片即可實(shí)現(xiàn)遙控開關(guān)觸點(diǎn)短暫接觸控制。通過時(shí)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(biāo)。

2.1 編碼時(shí)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(shí)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(shí)間不大于10 ns。一般的信號發(fā)生器難以達(dá)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(shí)驗(yàn)板時(shí)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(shí)驗(yàn)板即可得到所需編碼時(shí)鐘信號。

通過設(shè)計(jì)按鍵控制程序?qū)崿F(xiàn)對機(jī)械開關(guān)的控制。在QuartusⅡ環(huán)境下運(yùn)用Verilog語言進(jìn)行設(shè)計(jì)。當(dāng)機(jī)械觸點(diǎn)斷開、閉合時(shí)，由于機(jī)械觸點(diǎn)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(shí)間大約5～10 ms，所以必須增加防抖動控制。Verilog設(shè)計(jì)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(jìn)制寄存器類型變量，在時(shí)鐘的下降沿或者復(fù)位信號的上升沿到來時(shí)，不斷檢測key1是否有輸入，利用key_in＜={key_in[0]，key1}實(shí)現(xiàn)左移，同時(shí)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(shí)，32 bit寄存器型變量cnt置零。當(dāng)連續(xù)兩個時(shí)鐘周期key1的值不變時(shí)，cnt開始計(jì)數(shù)，若計(jì)數(shù)沒有達(dá)到 500 000（t=cnt×1/50 000 000=10 ms），key_in就變?yōu)?10或 01，則說明輸入發(fā)生了變化，cnt置零重新開始計(jì)數(shù)；若在10 ms內(nèi)輸入沒有變化，則可以認(rèn)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(jìn)制計(jì)數(shù)器對50 MHz時(shí)鐘進(jìn)行200分頻得到。程序中設(shè)置FPGA實(shí)驗(yàn)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。

圖2 key1控制的250 kHz脈沖產(chǎn)生流程圖

圖3 key1控制的250 kHz脈沖仿真波形

測試結(jié)果：按下按鍵key1，F(xiàn)PGA板上LED3亮，同時(shí)接收端LED燈亮；再次按下key1，F(xiàn)PGA板上LED3滅，同時(shí)接收端LED燈滅。重復(fù)若干次，測試可靠。不斷移遠(yuǎn)LED接收裝置的距離，當(dāng)移至50 m時(shí)，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(shí)域和頻域分析。時(shí)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。

圖4 示波器的調(diào)制信號ASK波形

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(jìn)之處。2、3次諧波處于-15 dBm～-25 dBm之間，也可進(jìn)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(shí))，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(biāo)識點(diǎn)設(shè)在315.000 MHz，在該點(diǎn)的輸出功率達(dá)9.30 dBm。用手持頻率計(jì)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(jì)自身就有誤差。

圖5 常溫條件頻譜儀的載波頻譜

ss工藝角時(shí)，對芯片RC112進(jìn)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(diǎn)的輸出功率為7.05 dBm。

圖6 低溫下頻譜儀的載波頻譜

ff工藝角時(shí)，對芯片RC112進(jìn)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(diǎn)的輸出功率為4.53 dBm。高溫時(shí)的頻率偏差和增益降低比低溫時(shí)稍大，但最大頻率偏差約為0.2%，滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)要求，高溫時(shí)增益可進(jìn)一步提高。

圖7 高溫下頻譜儀的載波頻譜

3 射頻發(fā)射LED遙控系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

基于RC112制作的射頻發(fā)射LED遙控系統(tǒng)由發(fā)射器和接收器組成。發(fā)射端采用全集成315 MHz/433 MHz射頻發(fā)射芯片RC112，只需接很少的外圍元件。接收端通過超再生檢波電路接收來自發(fā)射端的調(diào)制信號并解調(diào)成發(fā)射端發(fā)出的數(shù)據(jù)幀，經(jīng)PT2272進(jìn)行解碼，再通過PT2272的VT端及數(shù)據(jù)端高低電平來控制LED的發(fā)光。

發(fā)射部分采用3 V電池供電，根據(jù)需要可對1～6路LED燈進(jìn)行遙控。圖8為發(fā)射端4路控制接線示意圖。由于用到4個數(shù)據(jù)端，地址端為8 bit(A0～A7)，可接高電平、低電平以及懸空來組成地址碼，接收端解碼芯片的地址必須與發(fā)送端一致才能正常工作。無按鍵按下時(shí)，發(fā)射系統(tǒng)不耗電；當(dāng)有按鍵按下時(shí)，RC112上電工作，其內(nèi)部的振蕩器起振，通過內(nèi)部的編碼電路、控制電路、驅(qū)動電路將串行數(shù)據(jù)幀調(diào)制至315 MHz的載波上，經(jīng)功率放大后發(fā)射ASK調(diào)制波。

圖8 發(fā)射端4路控制接線示意圖

系統(tǒng)的接收模塊采用超再生檢波式接收器，實(shí)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(diǎn)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(shí)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(shí)現(xiàn)了對4個接收端上LED燈的分別遙控。實(shí)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(jì)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(jìn)之處，如噪聲偏大、極端條件下穩(wěn)定性和增益有待進(jìn)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。

[1]李旭梅，黃俊，劉鴻.基于零中頻的聲表面波射頻識別收發(fā)機(jī)的設(shè)計(jì)[J].電子技術(shù)與應(yīng)用，2013，39（2）：9-11.

[2]LAM C C S.A review of the recent development of MEMS and crystal oscillators and their impacts on the frequency control products industry[C].IEEE Ultrasonics Symp.，USA，2008：694-704.

[3]李慶山，胡錦，李湘春.帶溫度與工藝補(bǔ)償?shù)男滦驼袷幤鱗J].固體電子學(xué)與進(jìn)展，2013，33(4)：340-345.

[4]胡錦，樂春玲，李湘春.一種帶工藝補(bǔ)償偏置的功率放大器：中國，CN103199799A[P].2013-07-10.