-

Домашняя страничка Александра Зайцева

Реализация УКВ передатчика на основе rfPIC12C509AG/AF

Перевод с английского. 
Авторы: Willem Hijbeek, Farron Dacus, Jan van Niekerk and Steven Bible.

Компания Microchip предлагает два однокристальных решения на одной микросхеме, состоящей из микроконтроллера PICmicro и УКВ АМ/ЧМ передатчика 310 - 470 МГц. Описываемая микросхема предназначена для систем ограничения доступа, дистанционного управления и аналогичных приложений. В этой статье будут подробно рассмотрены вопросы работы микросхемы и варианты ее применения.

В прошлом, устройства радиосвязи с термином "системы управления" имели очень простую, однонаправленную структуру. Из-за ограничений в стоимости системы подобные устройства основывались на релейной манипуляции LC контуром или ПАВ  передатчиках, которые состояли из: простейшего генератора на одном транзисторе с манипуляционным ключом, управляющим питанием генератора; микросхемы кодера, контролирующей состояние кнопок и выполняющей простейшее кодирование. В качестве приемника для такого передатчика обычно применялся приемник прямого усиления или ПАВ регенеративный приемник, который можно реализовать на нескольких транзисторах.

Позволяя реализовывать более сложные методы модуляции, новые микроконтроллеры могут найти применение в таких приложениях, как встраиваемые удаленные датчики (воды, газа, электроэнергии), системы дистанционного управления, игрушки, домашние сигнализации и системы ограничения доступа, датчики давления шин транспортных средств, датчики дыма, датчики уровня и удаленные инфракрасные датчики.
 

АМ/ЧМ-модуляция

rfPIC12C509AG - это передатчик с АМн (амплитудной манипуляцией), основанный на ФАПЧ (фазовая автоподстройка частоты), в то время как rfPIC12C509AF может генерировать АМн и ЧМн (частотную манипуляцию). Для работы передатчика необходимо несколько внешних конденсаторов и внешняя пассивная RC цепочка петли ФАПЧ (PLL). Внешним кварцевым резонатором устанавливается частота передатчика в диапазоне 310 - 470 МГц за счет умножителя 32 x PLL. В состав высокочастотной части микросхемы входит: логика управления; схема кварцевого генератора; схема ФАПЧ ; генератор, управляемый напряжением (ГУН); усилитель мощности. Сигнал со схемы ФАПЧ поступает на вход усилителя мощности с дифференциальным выходом открытый коллектор. Это позволяет сделать петлевую антенну с требуемым импедансом в виде дорожки на свободном месте печатной платы. Также к выходу усилителя можно подключить готовые высокоэффективные антенны через согласующий трансформатор, который может выполнять функции полосового фильтра для удовлетворения требований внеполосных излучений. Выходная мощность регулируется от -12 до +2Дбм (шесть дискретных уровней). Усилитель мощности выключен, когда схема PLL заблокирована, и автоматически не включается. Усилитель мощности включен, если на выводе PS/DataIn присутствует высокий логический уровень сигнала.
 

УКВ АМ/ЧМ передатчик

Сопоставляя американские и европейские требования к использованию радиосредств можно выявить, что в США обычно используется АМ манипуляция, в то время как ЧМ манипуляция более популярна в Европе. rfPIC12C509AG содержит АМ передатчик с управляемым (вкл/выкл) усилителем мощности и способностью передавать данные со скоростью от 0 до 40кбит/с. rfPIC12C509AF поддерживает оба вида модуляции (АМ/ЧМ) и имеет в своем составе ЧМ ключ для подключения кварцевого резонатора к дополнительной емкости, обеспечивая скорость передачи данных от 0 до 20кбит/с. На рисунке 1 показаны rfPIC12C509AG/AF с передатчиком 310 - 470МГц на основе ФАПЧ и интегрированным микроконтроллером PICmicro.

Рис. 1. rfPIC12C509AG/AF - передатчик 310 - 470МГц на основе ФАПЧ
 и интегрированный микроконтроллер PICmicro

Кварцевый генератор

Кварцевый генератор передатчика имеет традиционную схему, он предназначен для формирования опорной частоты схемы ФАПЧ.

В rfPIC12C509AG и rfPIC12C509AF кварцевый генератор может быть настроен для работы в режиме АМ передатчика. На рисунке 2.1 представлена схема кварцевого генератора для формирования опорной частоты, которая является частью схемы АМ передатчика. Конденсатор C1 предназначен уменьшения емкости резонатора до емкости необходимой в схеме, чтобы резонатор возбудился на нужной частоте. Пояснения смотрите на рисунке 2.2.

Рис. 2.1. Пример подключения внешнего кварцевого резонатора
 для получения опорной частоты АМ передатчика

Рис.2.2. Пример включения rfPIC12C509AG в схеме АМ передатчика

Примечания к рисунку 2.2:

1. Частота передатчика = 32 х частоты кварцевого резонатора
   частота резонатора 13.56МГц - частота передатчика 433.92МГц
   частота резонатора 9.84375МГц - частота передатчика 315МГц

2. 15 - 470пФ, подстройка несущей частоты

3. R1, R2 - резисторы включения АМ передатчика

В rfPIC12C509AF кварцевый генератор может быть настроен для работы в ЧМ режиме. На рисунке 3 представлена схема генератора в режиме ЧМ передатчика. За счет конденсаторов C1 и C2 реализуется ЧМ модуляция, смещая резонансную частоту кварцевого резонатора.

Рис.3. Пример схемы включения внешнего кварцевого резонатора 
в режиме ЧМ передатчика

Когда DATAFSK = 1, вывод FSKOUT находится в состоянии высокого импеданса, фактически к кварцевому резонатору подключен только конденсатор C1, передается сигнал с частотой Fmax. Если DATAFSK = 0, то вывод FSKOUT практически соединен с VSSRF, конденсаторы C2 и С1 будут включены параллельно, передается сигнал с частотой Fmin. Выбором значений емкости конденсаторов C1 и C2 можно подобрать центральную частоту передатчика и девиацию частоты. Конденсатор C1 устанавливает Fmax, а параллельно включенные C1 и C2 - Fmin. График на рисунке 4 демонстрирует описанные соотношения.

Центральная частота передатчика Fc определяется как:

Пиковое отклонение частоты передатчика можно вычислить по следующий формуле:

Рис. 4. Соотношение частоты передатчика
и емкости конденсаторов, подключаемых к кварцевому резонатору

 

Блок ФАПЧ с токовым выходом

В настоящее время наиболее часто используется схема ФАПЧ с токовым выходом (токовый насос). Преимущества токового выхода с активным петлевым фильтром не только в малом энергопотреблении, но и более низком шуме схемы. Причиной этого является то, что токовый выход находится в закрытом состоянии очень малый промежуток времени, таким образом снижая импульсный шум на входе ГУН. Микросхемы rfPIC предоставляют разработчикам дополнительную гибкость, применяя петлевой фильтр, состоящий из одного резистора и двух конденсаторов. Разработчик может использовать номиналы элементов фильтра представленных в примерах или вычислить их значения по описываемым ниже уравнениям. На рисунке 5 показана блок схема ФАПЧ с токовым выходом.

Рис. 5. Основная схема ФАПЧ состоит из: 
источника опорной частоты, фазового детектора, 
токового ключа, петлевого фильтра, ГНУ и делителей.

Основные уравнения для ФАПЧ с токовым выходом могут быть получены применяя стандартный анализ из области систем частотного управления. В этом анализе рассматриваются изменение напряжения, частоты и фазы как незначительное изменение сигнала относительно опорной точки.

Система управления остается устойчивой, если сдвиг фазы в петле меньше 360 градусов на всех частотах, для которых коэффициент усиления петли более единицы. Для анализа необходимо использовать нормализованную форму второго порядка, позволяющую получить определение некоторых параметров, с целью сделать работу петли интуитивно понятной. Интересуемыми параметрами петли являются: натуральная частота - Wn; фактор демпфирования - E. Натуральная частота - фактическая частота, на которой петля находится в стабильном состоянии, но в полосе пропускаемых частот петли того же порядка. Фактор демпфирования определяет уровень стабильности петли. Петля устойчива, если E > 0; имеет наивысшую скорость регулирования, если E = 0.707; имеет заметное возбуждение, если E < 1. Пренебрегая добавленным C2 указанные параметры петли можно вычислить по формулам:

(1)                           (2)

Анализируя выше представленные формулы получаем следующие уравнения:

(3)                         (4)

В этих уравнениях C - конденсатор C1, показанный на рисунке 5. Второй конденсатор C2 обычно подключают параллельно RC цепочки идеального петлевого фильтра второго порядка, получая петлю третьего порядка и дополнительное смешение фазы. Второй конденсатор предназначен для подавления импульсных помех, вызванные работой токового выхода, с опорной частотой (частота кварцевого генератора в случае rfPIC12C509A). Если C2 <= 0.1C1, то петля обычно работает как петля второго порядка. В этом случае выше представленные уравнения достаточно точны. C2 может иметь значение до 0.3С1, если необходимо, но нужно промоделировать работу схемы, чтобы гарантировать ее достаточный сдвиг фазы при больших значениях C2. Для rfPIC12C509A рекомендуется использовать петлю с натуральной частотой от 100 до 500кГц. Время стабилизации петли примерно равно трем периодам натуральной частоты, что соответствует диапазону от 6 до 30мкс. Однако, кварцевый генератор имеет примерное время запуска 1мс, кроме задержек выбора, после включения питания. Программное обеспечение должно учитывать эти задержки.

В таблице 2 представлены типовые параметры фильтра петли rfPIC12C509A для частот 315МГц и 434МГц. Значения были получены на основе выше представленных уравнений как отправной точки, а затем работа схемы была промоделирована в системе SPICE с целью определения максимального значения C2 не допуская слишком малого сдвига фазы сигнала. Для вычислений использовались следующие данные: выходной ток ключа Ipd = 250мкА; коэффициент умножения N = 32. Коэффициент усиления ГУН K0 колеблется от максимального значения в нижней части диапазона 320МГц/В (преобразованных для уравнения к радианам/сек/В) до минимального значения в верхней части диапазона 80МГц/В.

Таблица 2

Несущая частота (МГц)	Ko (МГц/В)	R (Ом)	C1 (пФ)	C2 (пФ)	Частота петли (кГц)	Сдвиг фазы (градусов)
315	240	680	3900	680	175	47
434	200	1000	3900	390	220	52

Петлевые антенны для УКВ передатчиков

Разработчик имеет полную свободу в выборе типа антенны, которая должна удовлетворять требованиям конструктива и соответствовать условиям эксплуатации радиосредств страны, в которой выпускается устройство.

Малогабаритные петлевые антенны хорошо подходят для применения в передатчиках портативной аппаратуры. Выбор подобных антенн обуславливается низкой стоимостью, хорошей повторяемостью в изготовлении и устойчивой работе в близи тела человека. Кроме того, передатчик в rfPIC12C509AG рассчитан на прямое подключение небольших петлевых антенн, которые выполнены в виде медного проводника на печатной плате устройства в форме прямоугольника или круга.

Достаточно легко вычислить индуктивность и емкость петлевой антенны. Однако, есть больше требований к практической реализации антенны, чем к вычислению этих параметров. Антенне нужно соответствовать, подстраиваться и предназначаться для разрешенных частот в стране использования устройства. К счастью, после правильного проектирования устройства эти требования можно выполнить с минимальными затратами и числом компонентов.

Петлевая антенна фактически представляет из себя катушку индуктивности с одним витком. Простую, но достаточно точную, оценку индуктивности петлевой антенны из одного витка на печатной плате дает следующая формула:

где µ = 4пи х 10E-7, l - периметр петли, w - ширина медного проводника, A - площадь петли.

Например, рассчитаем индуктивность петлевой антенны со следующими параметрами: прямоугольный размер петли 20х30мм; ширина проводника 2мм; периметр петли 0.1м; площадь петли 0.0006м2.

Зная индуктивность контура можно вычислить емкость, которая приведет петлевую антенну к резонансу на частоте передатчика. Изменяя знакомое уравнение для вычисления резонансной частоты контура получаем:

где L - индуктивность петлевой антенны на печатной плате, w =2пи f, f - частота передатчика

Например, для нашей антенны 20х30мм и частоты передатчика 434МГц вычислим значение емкости, чтобы антенна была настроена на частоту передатчика:

Требования и специфика проекта

Требования, связанные с использованием УКВ диапазона, могут серьезно запутать разработчика при проектировании УКВ передатчика, при условии, что соответствующие инструкции написаны не в виде обучающей программы, а разбросаны по многочисленным документам. Ответственность инженера/поставщика изделия в том, что выпускаемые устройства должны соответствовать требованиям использования радиосредств страны, в которой они эксплуатируются. Не переживайте, если вам необходимо выполнить все требования проекта, rfPIC позволяют соответствовать вашим изделиям стандарту США FCC часть 15 и европейским стандартам ERC70-03E и EN300 220-1. Запланированные к выпуску примеры применения микроконтроллеров rfPIC Microchip, как ожидается, будут содержать резюме требований и их влияние на систему в целом и параметры антенны.

Страничка только разрабатывается, поэтому, 
если что не так, то пишите alex-uc@narod.ru