nRFTM系列单片机无线收发器的应用设计 - 全文

一、器件特性

NORDIC公司推出的nRFTM系列（ nRF401/nRF403／nRF903）无线收发一体芯片，在单个芯片中集成了高频发射／接收、PLL合成、FSK/gmsk调制等电路，可多信道切换，直接串行数字接口，且无须曼彻斯特编码，是目前集成度较高的无线数传产品之一。其外围元件少，功耗低，便于设计生产。可广泛用于遥控遥测、无线抄表系统、交通管理系统、自动报警安防监控系统、汽车防盗监控、无线键盘／鼠标／游戏杆/PDA、小区／家庭／办公室／工厂无线网络、遥控玩具／机器人等。nRF401／403/903的特性如表1- 41所列。

应用设计评估

在开始系统设计前，应对整体方案进行以下几点初步评估。

1．电磁兼容性

使用无线产品要遵守所在国家的无线电管理规定（如欧洲ESTI、美国FCC），其对频段、发射功率、占空比、信道带宽等指标会有限制。nRFTM系列无线收发器使用ISM （Industrial，ScientifIC，Medical）国际通用频段，发射功率不大于10 mW，故可在绝大多数国家使用。但设计者可能要求在nRF器件输出级放大，则须考虑是否符合当地规定。

2．设计收发距离

RF无线链路在可视范围的自由空间中传播的能量损耗（FSL），由下式计算：

式中：入为RF信号的波长；R为接收端到发射端的距离；FSL单位为dB。

如图1- 133所示，RF信号在可视范围内传播的功率分布等式为：

式中：SRX为接收器灵敏度（dBm）；GRX为接收器（RX）天线增益（dB）；Grx为发送器（TX）天线增益（dB）；PTX为发送器RF输出功率（dBm）。

由式（1 - 10）和式（1- 11）可计算出理论传输距离R≈l 500 m

但在实际应用中，还应考虑两端天线阻抗匹配电路的损耗，传输路径中由于障碍物、多径传输引起的损耗，以及PCB板材质量、产品外壳和人体等的

影响。其中的一些因素与应用环境密切相关。一般经验，在室外空旷地带传送距离约为理论计算距离的1/2，室内传送距离约为理论距离的1/10。

由图1 - 134可看出RF频率每增加一倍，损耗将增加约6 dB，即引起传送距离下降一倍。所以如果设计者要求的主要指标是传送距离，那么可以选择较低的频率。采用中继传输也是一种有效增加通信距离的方法。

3.其他因素

由于无线传输容易产生干扰，也易被其他噪声干扰，故设计者还必须认真考虑应用场合及安装位置，不要一味追求远距离。对于电池供电，可采用占空工作方式省电。

二、外围元件的选择

nRFTM收发器的外围包括RF前端（天线匹配网络）及锁相环PLL电路（包括晶体振荡器、VCO电感和环路滤波电路）。外围元件是实现nRFTM器件功能的关键要素。这些元件的品质和精度直接影响器件的整体性能。

1．晶 体

RF器件对晶体的要求通常比典型的微控制器更高。晶体必须具备：

●fo：晶体振荡频率；

●CO：晶体的并行等效电容；

●ESR：晶体等效串联阻抗；

●Cl：晶体负载电容；

●室温下绝对频率精度容差；

●稳定度：频率的温度稳定性。

对于nRF器件，晶体总的容差（绝对容差和稳定度的和）将直接影响器件之间的通信效果。如果发送端和接收端器件的频率偏差很大，接收器将会把所发送的信号当作噪声滤掉。图1 - 135所示为晶体引起的频率误差与信号辐射强度的关系示意图，当频率误差超过3.5×10 -5时，信号强度会迅速下降。

为降低成本和减小PCB面积，通常可考虑多个器件共用晶体。如图1- 136所示，nRF40x和微控制器共用同一个晶体。

2.VCO电感

nRFTM器件的片内压控振荡器（ VCO）产生器件工作的所有RF频率，因此是一个非常关键的部分。VCO的额定工作频率由公式确定。

由于VCO的片内部分将VC01和VC02引脚之处的整个电路视作其VCO电感，因此，LC电路将包括以下几部分：

●片内电路；

●外部VCO电感；

●连接芯片和VCO电感的线路电感；

●VCO电感到地线层线路的寄生电容。

可见电感的取值和放置位置是相当重要的。VCO电感的品质因数Q值对VCO内部的相位噪声和电压摆幅也起着决定作用。如果Q值太小，VCO甚至不能启振。对于nRFTM收发器，要求Q值为40～45，电感量的精度应控制在2%之内。

3．环路滤波电路

环路滤波电路用于保证提供给VCO -个稳定的控制电压。因此，屏蔽外部噪声是十分重要的，尤其是低频《50 kHz）高幅值数字信号对滤波器的干扰如果不能被有效滤除，将直接影响VCO的稳定工作。因此，不要在环路滤波器附近布置数字线路，而应在其周围布置地线平面加以屏蔽，使数字信号线尽量远离。同时，为获得良好的环路滤波性能，连接到地的滤波元件应直接连接到地线层，而不要通过走线或公共过孔。环路滤波器的电压应在各器件数据手册所述的极限指标范围内，nRF401/403应在引脚4，而nRF903应在引脚3上测量到电压为1.1±0.2 V。

4．天 线

当器件处于接收模式时，引脚ANT1和ANT2提供LNA（低噪声放大器）的RF输入；而在发送模式时，提供PA（功率放大器）的RF输出。天线的连接可采用差分平衡方式。建议天线端口的负载阻抗取为400 Ω，比起标准的50 Ω，增大阻抗可以提高发射功率／耗用电流的比率。图1 - 137和图1- 138分别为采用在板差分环形天线的nRF401/403和nRF903的典型应用电路。在板天线直接用PCB线路作天线，成本低，方向性较好，对人体不敏感，但增益较低。环形天线通常应用于相对较窄的带宽，有助于抑制强的不需要的信号，以免干扰接收器。对于50Ω的单端天线或测试仪器可以用如图1- 139和图1- 140所示的差分到单端匹配网络进行连接。

三、硬件设计要点

即使模拟（射频）和数字（微控制器）电路各自工作正常，但将两者放在同一块电路板上也有可能使问题变得复杂。因此，各电路模块在板上的布局十分重要。同时，电源和地线的排布也是至关重要的。

1．电源噪声

射频电路对于电源噪声相当敏感，尤其是对毛刺电压和高频谐波。因此在包含RF电路的PCB板上，电源布线必须比在普通数字电路板上布线更加仔细。如图l- 141（b）星形布线使数字部分和RF部分有各自的电源线路，并且应在靠近集成电路电源引脚处分别去耦。这是一种隔开来自数字部分和来自RF部分电源噪声的有效方法。

2．地线布局

在RF频段，即使一根很短的导线也会如电感一样。粗略估算，每毫米长度导线的电感约为1 nH。如果不采用地线层，多数地线将会较长，电路的设计特性将无法保证。因此，设计有RF元件的PCB时，应采用一个可靠的地线层，使所有的器件容易去耦。在表面贴装的PCB上，所有信号走线可在元件安装面的同一面，地线层则在其反面。理想的地线层应覆盖整个PCB（但要注意天线方向）。如果采用两层以上的PCB，则地线层应放置在邻近信号层的层上（如元件面的下一层）；另外最好将信号布线层的空余部分也用地线平面填充。这些地线平面必须通过很多过孔与主地线层面连接。所有对地线层的连接必须尽量短。接地过孔应放置在（或非常接近）元件的焊盘处。决不要让两个地信号共用一个接地过孔，这可能导致过孔连接阻抗在两个焊盘之间产生串扰。

综上所述，nRFTM系列单片机无线收发器件为无线数据传输的应用提供了理想的选择。在设计中遵循上述设计要点，结合具体应用，可获得最佳的通信效果。