И. Афанасьев

Радиоприемник rfRXD0х20 и передатчик с микроконтроллером rfPIC12F675 фирмы Microchip

Всё большую популярность приобретают беспроводные системы кодового доступа и сигнализации, передачи данных, удалённого управления и контроля.

Компания Microchip расширяет линейку компонентов для беспроводной связи устройств в радиочастотном диапазоне. Разработчики охранных систем и удалённых датчиков, систем наблюдения и телеметрии получают в своё распоряжение FLASH микроконтроллер со встроенным УКВ радиопередатчиком, а также супергетеродинный приёмник.

Отличительные особенности:

• весь тракт радиоканала от одного производителя;
• широкий диапазон питающих напряжений и малое энергопотребление;
• возможность работы с ЧМн и АМн;
• кварцевая стабилизация частоты передатчика и частоты гетеродина приёмника;
• передатчик:
  • FLASH-микроконтроллер и УКВ-передатчик на одном кристалле;
  • работа с внешним тактовым генератором до 20 МГц или с внутренним 4 МГц;
  • встроенная аналоговая периферия - 10р-АЦП и компаратор.
• приёмник:
  • супергетеродинная архитектура;
  • скорость потока данных до 80 Кбит/с.

Новый микроконтроллер rfPIC12F675 объединил в себе все достоинства FLASH ядра популярного контроллера PIC12F675 и УКВ передатчик с синтезатором частоты и кварцевой стабилизацией. Частота передатчика формируется умножением на 32 частоты внешнего кварца. Это позволяет использовать недорогие низкочастотные кварцы и минимизировать число внешних компонентов. Передатчик контроллера rfPIC12F может формировать сигнал как с частотной (FSK), так и амплитудной (ASK) манипуляцией. Регулируемая выходная мощность передатчика от 6 до -15 дБм позволяет обеспечить требуемую дальность и оптимизировать потребление системы с батарейным питанием. Выходной каскад передатчика позволяет непосредственное подключение рамочной антенны, выполненной в виде печатного проводника.

По сравнению с предыдущими контроллерами серии rfPIC, ядро новых контроллеров аналогично PIC12F675 и имеет 1,8 Кбайт программной FLASH-памяти, 64 байта ОЗУ данных и 128 байт EEPROM, 2 таймера, один из которых 16-разрядный, несколько источников прерываний. Внутренняя индивидуальная программируемая подтяжка входов позволяет организовывать внешнюю клавиатуру без применения внешних подтягивающих резисторов, а возможность прерываний по изменению состояний входов позволяет контроллеру находиться в режиме микропотребления SLEEP, и только при изменении состояния входа включать передатчик и передавать необходимую информацию. Этот приём позволяет существенно продлить ресурс работы устройств с автономным питанием. Наличие встроенного 4-канального 10-разрядного АЦП и диапазон питающих напряжений от 2,0 до 5,5 В делает rfPIC12F675 идеальным решением для применения в измерительных и охранно-пожарных системах.

Следующей новинкой в линейке радиочастотных компонентов является семейство супергетеродинных приёмников rfRXD0420 и rfRXD0920, появление которых, наряду с выпускаемыми микроконтроллерами с интегрированным передающим трактом, функционально дополняет ряд компонентов Microchip, необходимых для создания законченной системы беспроводной передачи данных. Микросхемы rfRXD0420/0920 представляют собой компактный УКВ-приёмник, требующий минимального числа внешних компонентов. Отличие двух этих микросхем — в диапазоне частот, под которые они оптимизированы. Рабочий диапазон частот для приёмника rfRXD0420 составляет 300–450 МГц, а для rfRXD0920 — 800–930 МГц. Оба приёмника имеют одинаковую архитектуру и могут принимать сигналы с амплитудной (ASK), частотной (FSK) манипуляцией или частотно-модулированный (FM) аналоговый сигнал.

Приёмник rfRXD выполнен по классической схеме супергетеродинного приёмника с однократным преобразованием частоты (рисунок) и содержит следующие элементы:

• малошумящий предварительный усилитель (LNA) с управляемым коэффициентом усиления;
• смеситель для преобразования входного радиочастотного сигнала на промежуточную частоту и усилитель промежуточной частоты (ПЧ);
• гетеродин с кварцевой стабилизацией частоты и фазовой автоподстройкой частоты;
• усилитель-ограничитель ПЧ для усиления и ограничения сигнала ПЧ и для определения уровня принимаемого сигнала;
• блок демодулятора, состоящего из фазового детектора и усилителя для выделения FSK или FM;
• операционный усилитель, который может использоваться как компаратор для приёма ASK или FSK или как фильтр для приёма FM;
• схема смещения для разрешения работы приёмника.

Качественные характеристики приёмника сильно зависят от преселектора и его фильтра. Назначение фильтра преселектора - отфильтровать нежелательные сигналы и помехи, поступающие на вход приёмника. Самым нежелательным является сигнал зеркальной частоты. Фильтр преселектора может быть выполнен в виде LC-фильтра или фильтра на ПАВ.

Фильтр на LC-элементах имеет низкую стоимость, но и низкую эффективность фильтрации зеркальной частоты. Фильтр на ПАВ может эффективно отфильтровывать зеркальную частоту с затуханием не менее 40 дБ и имеет узкую полосу пропускания, что способствует улучшению соотношения сигнал–шум приёмника, однако, такие фильтры требуют согласования со входом приёмника. При использовании ПАВ-фильтров необходимо руководствоваться спецификацией производителя и придерживаться рекомендуемых схем согласования.

Второе назначение фильтра преселектора - это согласование антенны и входа приёмника. Обычно выпускаемые антенны имеют импеданс 50 Ом. В качестве антенны можно использовать четвертьволновый отрезок провода. Для частоты 433,92 МГц длина такой антенны будет составлять 17,3 см, а импеданс - 36 Ом.

Малошумящий усилитель (LNA) с высоким коэффициентом усиления в первую очередь призван снизить общий коэффициент шума всего приёмника, а значит, и увеличить его чувствительность. Усилитель построен по каскодной схеме, что даёт следующие преимущества:

• высокий коэффициент усиления при малом шуме;
• широкую полосу частот;
• низкую эффективную входную ёмкость при стабильном входном сопротивлении;
• высокое выходное сопротивление.

В зависимости от величины принимаемого сигнала, существует возможность изменения коэффициента усиления малошумящего предварительного усилителя, что позволяет оптимально использовать ресурс батареи питания. Коэффициент усиления LNA выбирается из двух значений установкой логического уровня на входе LNAGAIN. Для большинства приложений может быть использован режим с максимальным коэффициентом усиления (вход LNAGAIN соединён с землёй). Выбор режима с низким коэффициентом усиления снижает чувствительность приёмника примерно на 25 дБ и снижает общее потребление приёмника.

Синтезатор частоты с системой фазовой автоматической подстройки частоты (ФАПЧ) формирует частоту гетеродина и содержит:

• кварцевый генератор;
• фазовый детектор;
• генератор управляемый напряжением (ГУН);
• делитель частоты на 16 для rfRXD0420 или на 32 для rfRXD0920.

Кварцевый генератор построен по схеме Колпица и служит для формирования опорной частоты для системы ФАПЧ. Генератор рассчитан на подключение кварцевого резонатора с внутренней ёмкостью 15 пФ к выводу XTAL микросхемы. В качестве альтернативы возможна подача сигнала необходимой частоты от внешнего источника.

Умножитель частоты содержит ФАПЧ со схемой переноса заряда, которая, в отличие от классической схемы ФАПЧ с фазовым детектором, имеет лучшую точность и нулевую статическую фазовую ошибку. ФАПЧ со схемой переноса заряда позволяет использовать пассивный петлевой фильтр, который имеет минимальный фазовый шум и низкую стоимость (состоит из двух конденсаторов и одного резистора). Внешний петлевой фильтр определяет динамические свойства петли ФАПЧ и первоначальное время захвата. Параметры петлевого фильтра определяются исходя из требований конкретной задачи. Расчёт компонентов фильтра петли ФАПЧ подробно описан в AN846.

Смеситель обеспечивает преобразование ВЧ-сигнала на промежуточную частоту с последующим усилением. Выход смесителя 1IFout имеет согласованный импеданс 330 Ом для непосредственного подключения распространённых керамических фильтров промежуточной частоты.

Рисунок. Структурная схема приёмников rfRXD

Схемы контроля уровня применяются на заключительных стадиях приёма для сохранения постоянного уровня сигнала перед демодулятором. Они могут использовать ограничитель или усилитель с автоматической регулировкой усиления (АРУ). В приёмнике rfRXD используется ограничивающий усилитель промежуточной частоты с индикатором величины входного сигнала (RSSI), так как по сравнению с усилителем с АРУ он имеет больший динамический диапазон, меньшее потребление и менее сложную схему.

Выходной уровень схемы RSSI пропорционален логарифму входного сигнала и лежит в диапазоне от 40 мкВ до 160 мВ. Крутизна выходного сигнала RSSI примерно равна 26 мВ/дБ от входного радиочастотного сигнала.

Для демодуляции (детектирования) амплитудной манипуляции выход схемы RSSI сравнивается с опорным напряжением. Фильтрация выходного сигнала легко реализуется подключением внешнего конденсатора между выходом RSSI и землёй, который вместе с внутренним резистором образует RC-фильтр детектора. Для FSK и FM выход RSSI служит для определения уровня принимаемого сигнала. Демодулятор FSK и FM представляет собой квадратурный детектор, состоящий из фазового детектора и усилителя. Квадратурный детектор обеспечивает все функции, необходимые для детектирования FSK и FM и требует минимум внешних элементов.

Внутренний операционный усилитель может быть сконфигурирован как компаратор для АМн и ЧМн или как активный фильтр для ФМ. Звуковой сигнал, при приёме FM, обычно имеет предыскажения. Корректирующую цепочку рекомендуется подключать к выходу ОУ, а не к выходу детектора.

В зависимости от вида принимаемого сигнала АМн, ЧМн или ФМ, подключение детектора и выходного каскада будут различны. Схема преселектора, гетеродина и УПЧ не зависит от вида принимаемого сигнала.

При необходимости приёмник можно перевести в ждущий режим, потребление тока в котором составляет менее 100 нА.

Параметры радиочастотных компонентов представлены в таблице.

Таблица. Основные характеристики радиочастотных компонентов

На сайте компании Microchip в разделе документации представлено много материалов для разработки радиопередающих устройств: выбор кварца для rfPIC (AN826), согласование рамочной антенны (AN831), расчёт компонентов фильтра петли ФАПЧ (AN846), разработка передатчика (AN242), разработка приёмника (AN860), пример использования rfPIC в датчиках давления в автомобильных шинах (AN238). Список доступных примеров постоянно пополняется.