基于TR1001OOKASK868.35MHZ收发器电路设计.doc

课程设计题 目 基于TR1001 OOK/ASK 868.35MHZ收发器电路设计 学院名称 指导老师 班 级 学 号 学生姓名 2011年12月【摘要】本设计目的是设计一个以芯片TR1001为核心，频率为868.35MHZ，采用OOK及ASK两种调制方式的收发器。设计方案的接收电路中，射频接收信号经SAW滤波器到达射频放大器，射频放大器的输出到达SAW延迟线，同时，检波器输出驱动回转滤波器提供一个等纹波低通滤波器响应，峰值检波器的输出通过AGC比较器也提供一个AGC复位信号到AGC控制电路。接收器的核心是时序放大接收部分，天线阻抗范围为3572，外接一个串联匹配线圈和一个并联的ESD保护线圈，从而对RFIO进行匹配。数据限幅器将从BBOUT来的模拟信号转换成数字流。为了避免信号在低通滤波器传递和峰值检波器放电所耗的时间段中AGC发生“颤动”，在 AGCCAP端接入一只电容。接收芯片的放大器时序操作由脉冲发生器和RF放大器偏置电路控制，发射部分由一个调制缓冲放大器后接SAW延迟线（谐振器）构成。【关键字】 TR1001 OOK ASK 收发器【Abstract】The design uses a TR1001 as the core to contrive a transceiver, which worked at frequency of 868.35 MHZ, and had two ways of modulation, named OOK and ASK. RF signals received by the SAW filter at RF amplifiers, the output reached SAW delay line. At the same time, detector output drive rotary filter to provide a ripple, such as low pass filter response. Peak detector output by comparison with AGC and AGC also provide a reset control signal to the AGC circuit. Receiver is the core of timing Larger receive part. Antenna impedance range of 35 to 72, a series matching external coil and a parallel ESD protection coil, thus RFIO match. Data from the limiter for the BBOUT to convert analog signals into digital stream. In order to avoid the signal transmission and low-pass filter peak detector discharge by the consumption of time, the AGC in the vibrate, in the end AGCCAP access a capacitor. To receive the amplifier chip timing operation by the pulse generator and RF amplifier bias control circuit, fired in part by a modulation buffer amplifier followed by SAW delay line (resonator) constituted.【Key words】TR1001 OOK ASK transceiver目录1TR1001芯片简介-42TR1001芯片封装与引脚功能-43TR1001内部结构与工作原理 -8 3.1芯片内部结构-83.2芯片工作原理-94. TR1001应用电路设计-144.1电路图元器件参数-144.2 电原理图和PCB图-144.3 PCB板的3D效果图-175.总结-18参考文献-191.TR1001芯片简介TRl001是一款单片OOK/ASK收发器芯片。它符合ETSI lETS 300220规范要求以及类似标准，适合高稳定、小尺寸、低功耗、低价格的短距离无线数据通信和无线控制应用。主要技术特点如下：工作频率为868.15868.55 MHz；可接收和发射数字OOK/ASK信号；OOK数据传输速率可达l9.2 Kb/s，ASK数据传输速率可达ll5.2 Kb/s；接收灵敏度为-95 dBm电源电压为2.73.5 V；接收模式工作电流为l.8 mA；发射模式输出功率为l.25 mW，工作电流为l2 mA；睡眠模式电流为5 A；睡眠模式转换到接收模式时间为20 pts，发射模式转换到接收模式时间为20s，接收模式转换到发射模式时间为l2s；工作温度为-40+85。2. TR1001芯片封装与引脚功能TR1001采用SM-20H封装，如图2.1所示。各引脚功能介绍如下。图2.1 TR1001引脚封装形式引脚1：GND1，RF地。GND2与GND3采用短的、低阻抗的导线相连到GND1。引脚2：VCC1，发射机输出放大器和接收机基带电路电源。通过RF铁氧体磁芯与电源相连，电源端连接一个旁路电容。引脚3：AGCCAP，这个引脚端控制 AGC复位操作。连接AGC复位电容到地设置AGC的最小控制时间。电容使用误差在10%范围的陶瓷电容器。电容是为了防止AGC“颤动”设置，其值为： 式中，的单位是pF。由上式给出的值可以使抑制时间控制在2.65，取决于工作电压和温度等因素。AGC抑制时间会远大于峰值检波器时间。但AGC的抑制时间不宜太长，否则AGC遇到噪声或干扰信号时接收机回到最高灵敏度会很慢。当用至少30s的数据脉冲进行OOK调制时，AGC的使用具有选择性。AGC的操作可由连接至VCC而停止工作。激活或停止AGC操作则需要少于30s数据脉冲的ASK调制。如用一个150k接地电容取代此电容，AGC将停止工作。AGC操作需峰值滤波器其作用。在接收机的低功耗（睡眠状态）和发射模式，AGC峰值滤波器电容会进行放电。引脚4：PKDET，峰值检波器电容。此处应使用误差在10%范围内的陶瓷电容器。这个接地电容以1:1000的速率设置峰值检波器冲击和衰减时间。在大多数应用中，这些时间常量应与基带时间常量一致。给定一个基带电容，峰值检波器电容值为：时间常量随电源电压、温度等因素的变化在之间变化。电容由200的阻抗冲击，通过200k的负载衰减。峰值检波器驱动数据峰值限制器和AGC释放功能。AGC的抑制时间在AGC电容作用下可以大于峰值滤波器的衰减时间。在低数据速率和OOK调制，可以现在数据峰值限制限制器和AGC。PKDET和THLD2可以不连接，AGC脚接至VCC以减少外部元件的数量。峰值滤波器电容在接收机低功耗（睡眠状态）和发射状态是放电的。引脚5：BBOUT，基带输出。使用陶瓷电容器接在BBOUT与CMPIN间。这个引脚通过一个为内部数据限制器工作的耦合电容来驱动CMPIN。时间常量为：常量随电源电压、温度等参数的变化而在与之间变化。在最大信号脉冲宽度内，一般的标准是在电压下降不超过20%时设置时间常量。由此有：此管脚的输出能驱动一个外部数据恢复处理器（DSP等），输出阻抗为1k。当接收机RF放大器占空比为50%时，BBOUT信号变化为10mV/dB，峰峰值电压超过685mV。占空比降低,mV/dB斜率和峰峰值电压也会相应减小。BBOUT信号电压值为1.1V（受电源电压、温度等因素影响），采用耦合电容与外部负载相连。并联的负载阻抗范围为50k500k时其并联的电容不应大于10pF。当一个外部处理器用于AGC时，BBOUT必须用串联电容与外部数据恢复处理器和CMPIN耦合。AGC的复位功能是由CMPIN信号驱动的。当收发机在低功耗（睡眠）或发射模式，输出阻抗将会很高以维持耦合电容电压。引脚6：CMPIN，内部数据限制器输入。输入阻抗为70 k100 k，由BBOUT输出信号通过一个耦合电容驱动。引脚7：RXDATA，接收芯片数据输出。可驱动一个10pF电容和一个500 k电阻的并联负载。次管脚峰值电流随接收机低通滤波器截止频率增加而增加。在睡眠或发送模式，管脚成高阻态。此管脚在高阻态时，可用一个1000 k的上拉电阻或下拉电阻确定逻辑电平。如果使用上拉电阻，电源电压应不高于VCC+200mV。引脚8：TXMOD，发射机调制输入。在管脚内部有一类似于一只二极管和一小电阻的串联结构。发射机的RF输出电压与此管脚的电流成比例。发射机输出电压峰值用一个串联电阻调节，电阻误差范围在5%以内。最大饱和输出功率需300A输入电流。在ASK模式，当此管脚的调制输入电流小于10A时，有最小输出功率。在OOK模式，当发射机振荡器停振时，输入信号应小于220mV。在3V电源电压下，发射机输出功率峰值约为：在OOK模式，此引脚通常由一逻辑电平数据输入（非尖脉冲）驱动。实际应用中，对于30s或更长的脉冲使用的是OOK调制。在ASK模式，此引脚接收的是模拟调制信号。在实际应用中，ASK调制脉冲宽度为8.7s或更长。在低功耗（睡眠）和接收模式，此引脚电阻驱动必须很低。引脚9：LPFADJ,接收机低通滤波器带宽调节。用接地电阻调节接收机低通滤波器带宽，阻值范围为330k820k，可使3dB带宽滤波器频带为4.5kHZ1.8MHZ，其阻值由下式给出： 阻值误差为5%。在电源电压、温度等因素变化时，滤波器频带变化应为1.3。滤波器还提供一个3级，等效响应。RXDATA输出电流峰值随滤波器带宽成比例变化。引脚10：GND2。芯片地。应与GND1以短的、低阻抗的导线连接。引脚11：RREF，外接基准电阻。此管脚与地间应接一个阻值为100k的基准电阻，误差范围为1%。为维持电流源的温度，使地、VCC与此节点间的总电容低于5pF是很重要的。如果THLD1或THLD2通过一个阻值小于1.5k的电阻与RREF相连，此节点的电阻加上RREF节点电容不应大于5pF。引脚12：THLD2，数据限制器电压为0120mV时，电阻值增加，阈值减小。在大多数情况下，阈值设置在低于峰值6dB处或RF放大器占空比为50%时低于60mV。THLD2电阻由下式决定： (为阈值电压)阻值误差在1%范围，将此脚悬空将使峰值限制器不能工作。引脚13：THLD1，数据限制器1阈值调节。此管脚通过一个接至RREF的电阻设置标准数据限制器DS1的阈值，阈值随着电阻值的增加而增加。直接将此管脚接至RREF，阈值为0。如果THLD2未被使用，电阻值为0100k，THLD1电压范围为090mV。阻值大小由下式给出：如果THLD2在使用，电阻值为0200 k，THLD1电压范围为090mV，阻值大小由下式给出：阻值误差在1%范围。注意：DS1的非0阈值需要AGC工作。 引脚14：PRATE，脉冲上下沿设置。电阻接地。能用51 k2000 k的电阻设置在0.15s的范围。的阻值大小由下式给出：阻值误差在5%，当PWIDTH通过1M电阻接至VCC时，RF放大器工作占空比为50%，有利于以高数据速率工作。RFA1周期用一个阻值范围为11 k220 k的PRATE外接电阻设置在0.11.1s的范围。阻值大小由下式给出：阻值误差在5%。为维持稳定，使此脚与VCC、地间的总电阻小于5pF是很重要的。引脚15：PWIDTH，脉冲宽度设置。此引脚端设置RFA1的接通脉冲宽度，由一个接地电阻实现（RFA2的接地脉冲宽度为）。能用一个电阻范围为200 k390 k的电阻在0.551s的范围调节。由下式给出：阻值误差在5%。当此引脚端通过1M电阻与VCC相连时，RF放大器工作占空比为50%，有利于高数据速率工作。RF放大器接通时间是由PRATE电阻控制的。为保持稳定性，应使引脚端与VCC、地之间电容小于5pF。当以高数据速率工作时，在此引脚端与CNTRL1（17脚）之间连接1M电阻。在睡眠模式，此引脚端为低电平。引脚16：VCC2，接收机RF部分与发射机振荡器电源。此引脚端必须接一旁路电容到低，电容必须是110F的钽电容或电解电容。引脚17（18）：CNTRL1(CNTRL0),接收/发射/睡眠模式控制。CNTRL1为高阻态输入（与CMOS兼容）。逻辑低电平为0300mV，逻辑高电平为或更高，但不应超过。逻辑高电平需40A的电源，逻辑低电平则需25A（睡眠模式1A）。此管脚必须维持在逻辑电平。在接通后，CNTRL1与CNTRL0电压应随上升直至为2.7V（接收模式电压）。引脚19：GND3,芯片地。同GND2。引脚20：RFIO,RF输入输出。此引脚端与SAW滤波器直接相连。3. TR1001内部结构与工作原理3.1芯片内部结构TR1001内部结构框图如图示3.1所示, 芯片内部包含有：SAW滤波器、SAW延迟线、射频接收放大器、检波器、数据限制器。低通滤波器等电路结构。图3.1 TR1001内部结构框图3.2芯片工作原理射频输入/输出端RFIO阻抗范围为3575，外接一个天线串联匹配线圈L1和一个并联的ESD保护线圈L2。射频接收信号经SAW滤波器到达射频放大器RFA1。RFA1包括饱和启动检测(AGC设置)，在增益35dB和5dB之间的转换（增益选择）。AGC设置输入到AGC控制电路，增益选择是从AGC控制电路输出。RFA1（和RFA2）好接通/断开控制由脉冲发生器和RF放大器偏置电路产生。RFA1的输出到SAW延迟线，SAW延迟线有一标准的0.5 s的延时。第二级射频放大器RFA2增益为51dB。检波器输出驱动回转滤波器、滤波器提供一个3级，等纹波低通滤波器响应。滤波器的3 dB带宽能用一个外接电阻设置在4.5kHZ1.8MHZ。滤波器的输出由基带放大器放大后到BBOUT端。当接收器RF放大器是工作在50%占空比时，BBOUT端信号变化大约是10mV/dB，峰值到峰值信号电平达到685mV。对于较低的占空比， mV/dB斜率和峰值到峰值信号电平是按比例减少。BBOUT的输出信号通过串联的电容耦合到CMPIN输入端或者外接的数据恢复处理器（DSP等）。当接收器设置为低功耗（睡眠）模式时，BBOUT端的输出阻抗为高阻状态。CMPIN端的输入信号加到两个数据限制器，转换从BBOUT来的模拟信号成为数据流，数据限制器DS1是一个电容耦合可调阈值的比较器。比较器的限制电平为0 mV90mV，由在RFET和THLD1端之间的电阻设置。阈值为零，灵敏度最好。数据限制器DS2限制触发点能被在RREF和THLD2之间的电阻设置为0 mV120 mV。通常设置为60 mV.DS1和DS2通过与门在RXDATA端输出数字信号。峰值检波器的输出通过AGC比较器也提供一个AGC复位信号到AGC控制电路。AGC控制电路保证接收器的动态工作范围。接收器的放大器时序操作是由脉冲发生器和RF放大器偏置控制，在运行中由PRATE和PWIDTH端外接电阻和来自偏置控制电路的低功耗（睡眠）控制信号控制。射频发射放大器1（TXA1）和SAW谐振器（延迟线）组成振荡器，要发射的数字信号经TXMOD端输入，调制后由射频发射放大器2放电，经SAW滤波器滤波后输出。接收器的核心是时序放大接收部分，时序放大接收部分在不需任何屏蔽或去耦装置的情况下能为RF和检波器提供100 dB以上的稳定增益，稳定性的获得是以分散整个时间上的RF增益为代价的，这与超外差接收电路以分散多个频率以获得增益形成对比。图3.3为一个连续放大接收芯片的框图和时序图。其中RF放大器RFA1和RFA2的偏置是由一个脉冲波发生器控制的，这两个放大器是由一根SAW延迟线连接的，这根延迟线由0.5 s的延时时间。图3.2 TR1001接收器结构框图及时序图一个RF信号首先经窄带SAW滤波器，然后进入RFA1。脉冲波发生器使RFA1工作0.5 s，而后放大器信号通过延迟线从RFA1进入RFA2输入端。此时RFA1关闭，RFA2工作0.55 s，进一步放大RF信号。为了确保芯片极好的稳定性，RFA1和RFA2并不同时工作。RFA2的开启时间通常为RFA1的1.1倍，这相当于通过展宽从RFA1L来的脉冲信号来抵消由于SAW延迟线滤波带来的影响。窄带SAW滤波器消除了芯片通带以外的边带采样响应，并且同延迟线一起工作，从而给芯片以非常高的抑制。在接收器连续工作中，RF放大器几乎不停的开关，允许快速的在低功耗和唤醒工作方式间转换，而且两个RF放大器能在工作时断开以去除芯片的噪声从而使平均电流损耗更低。噪声的影响好像RFA1持续工作的情形，RFA1前方放置了一个衰减值约为10（RFA1的占空比）的衰减器，占空比为RFA1接通时间的平均量（约50%）。由于本身是一个采样接收器，在RFA1两次接通之间应该至少对最窄的RF数据脉冲采样10次。另外检测数据脉冲时应加入边缘抖动。RF接收信号经SAW滤波器到达放大器RFA1。RFA1包括饱和启动检测（AGC设置）和增益选择（在增益35 dB5 dB之间转换）。AGC设置是AGC控制电路的输入信号，而增益选择则是AGC控制电路的输出信号。RFA1（和RFA2）的接通/断开控制是由RF放大器偏置电路和脉冲发生器提供的。RFA1的输出驱动SAW延迟线。第二级放大器RFA2在未饱和时增益为51 dB.RF接收信号经放大器RFA2到达一阈值增益为19 dB的全波检波器的输入端来经整个检波器低电平信号的平方律相应转换成高电平的对数响应，这种结合有极好的阈值灵敏度和给检波器大于70 dB的动态范围。在这种结合方式中，如果RFA1的AGC有30 dB的增益，接收芯片将得到超过100 dB的动态范围。检波器输出驱动回转滤波器，滤波器能用极好的群时延平直度和最小脉冲阻尼振荡提供一个3级，等纹低通响应。一个外接电阻能将3dB带宽滤波器带宽设置在4.5kHZ1.8 MHZ。滤波器的输出信号由基带放大器放大后到BBOUT端。当RF放大器工作占空比为50%时，BBOUT信号变化约为10 mV/dB，峰峰值达到685 mV。在较低的占空比，mV/dB斜率和峰峰值是按比例减小的。被检测信号加在一个能隙电源电压、温度等参量改变的1.1V电平上。BBOUT的输出信号通过一串联电容与CMPIN端或外接的数据恢复处理器（DSP等）相耦合，电容的值取决于数据传输速率和数据运行周期等因素。当一个外接数据恢复处理器用于AGC时，BBOUT必须通过一串联电容与CMPIN端或外接的数据恢复处理器（DSP等）相耦合，AGC的复位功能是由CMPIN信号驱动的。在低功耗模式，BBOUT的输出阻抗会非常高。这项特征可以保护耦合电容因最小化数据限制器稳定时间而带来的损耗。天线这个外部RF部件对于发射器是必要的，天线与发生器要求匹配。天线阻抗范围为3572，外接一个串联匹配线圈和一个并联的ESD保护线圈，能对RFIO进行满意的匹配。CMPIN端的输入信号驱动两个数据限幅器，数据限幅器的作用是将从BBOUT来的模拟信号转换成数字流，最好的数据限幅器选择由系统工作参数决定。数据限幅器DS1是一个电容耦合、阈值可调的比较器，在低信噪比时提供最好的性能。比较器的限制电平从090 mV，由在RFET和THLD端之间的电阻设置。无信号时，阈值允许用接收芯片的灵敏度和输出噪声密度来换取。阈值越低，灵敏度越高。信号为0时，噪声任是连续输出的，需要RXDATA驱动一个能够处理连续的噪声（和信号）的电路。如果RXDATA驱动一个为节能需睡眠的电路，或者一个使处理器错误中断减到最少的电路，就会出现问题。噪声随着上升的阈值电平而减小，但这是以牺牲灵敏度为代价的，滤波器的最佳3 dB带宽也会因DS1的阈值电平而受到影响。阈值上升，带宽必须增加。一旦信号电平升高使数据限幅器DS2工作时，便能克服这种情况。峰值检波器能迅速改变每个数据脉冲的峰值，并且能使其以1:1000的速率衰减。DS2的触发点由在RREF和THLD2之间的电阻设置在0120 mV，通常设置为60 mV.当RFA1和RFA2都工作在50%的占空比时等效于低于峰值6 dB。低于峰值6 dB的限制点用数据脉冲宽度变化减小了信号幅度，DS2在以尖脉冲、以最小化信号带宽的ASK调制时应用中是最好的。但是，DS2被大噪声脉冲暂时“置盲”，这可能导致突发的数据错误。另外，DS2工作时DS1也是激活的，DS1和DS2的输出端是通过与门在RXDATA端连在一起。THLD2悬空时DS2是失效的，DS1阈值非零时则需要AGC正常工作。AGC控制电路，峰值检波器的输出同时也通过AGC比较器为AGC控制电路提供一个AGC复位信号。AGC的作用是扩展芯片的动态工作范围。RFA1输出级的饱和启动被检测后产生AGC控制电路的AGC置位信号，AGC控制电路为RFA1选择 5 dB的增益。当峰值检波器输出（乘0.8）下降到DS1阈值电压时，AGC比较器将产生一个复位信号。信号在低通滤波器传递和峰值检波器放电所耗的时间段为了避免AGC发生“颤动”，AGCCAP端接入了一只电容。AGC电容允许抑制时间比峰值滤波器衰减时间设置得更长以防止接收的数据流全为“0”时引起的颤动。AGC 工作时需要峰值检波器工作，即使DS2未工作。将AGCCAP端接至VCC可使 AGCCAP中止工作。AGCCAP与地之间用一只150k电阻代替电容，AGC将锁定在接通状态。脉冲发生器和RF放大器偏置电路，接收芯片的放大器时序操作是由脉冲发生器和RF放大器偏置电路控制，在运行中由PRATE和PWIDTH输入端和来自偏置控制电路的待机（睡眠）控制信号控制。在低数据传输速率模式时，一个RFA1接通脉冲下降沿到下一个接通脉冲上升沿的时间是由一个位于PRATE端和地之间的电阻设置的，这个时间能够在0.15s之间进行调节。在高数据传输速率模式时，实际上RF放大器工作时占空比为50%。这样RFA1接通脉冲周期由PRATE外接电阻控制在0.1s1.1s的范围。在低数据传输速率模式，PWIDTH端通过一个接地电阻设置RFA1的接通脉冲宽度（在低数据速率模式RFA2的接通脉冲宽度宽度设置为），接通脉冲宽度可以在0.55s和1s之间调节。但是当PWIDTH端由一个1M电阻接至VCC时，RF放大器工作占空比为50%，有利于高数据传输速率工作。RF放大器由PRATE电阻控制。RFA1和RFA2通过调用睡眠模式的待机控制信号关断。发射部分由一个调制缓冲放大器后接SAW延迟线（谐振器）构成。SAW滤波器抑制发射器和天线的谐振，在接收器使用的SAW器件在发射模式再次使用。发射器部分操作支持两种调制模式，即OOK和ASK模式。OOK模式时，“1”脉冲之间的信号将不被传输。ASK模式时，“1”脉冲代表发射的电平能量损耗也很低。ASK调制则用于高数据速率模式（数据脉冲宽度应小于30s），它减小了其他形式干扰的影响而且允许发射尖脉冲来控制调制带宽。模式的选择由CNTRL0和CNTRL1模式控制端完成。当其中的一种模式被选中时，接收机射频放大器就会关闭。在OOK模式时，如果TXMOD输入电压小于220mV，延迟线（谐振器）放大器TXA1和缓冲放大器TXA2就会停止工作，数据速率被延迟线的开关次数限制（谐振器周期的理想值为12s和6s）。在ASK模式，TXA1被连续偏置为接通状态，TXA2的输出由TXMOD输入电流调制。当调制驱动电路得到TXMOD的输出电流小于10A时，ASK模式有最小的输出功率。发射机射频放大器的输出功率是与TXMOD的输入电流成比例的，其中用一个串联电阻调节发射机的输入功率峰值，产生最大饱和输出功率需要300A 的输入电流。收发机有四种工作模式：接收模式、ASK发射模式、OOK发射模式、低功耗（睡眠）模式，模式控制是由调制和偏置控制电路提供的，由CNTRL1和CMTRL0选择控制。二者均为高电平时为接收模式；CNTRL1为高电平，CNTRL0为低电平时为ASK发射模式；CNTRL1为低电平，CNTRL0为高电平时为OOK发射模式；二者均为低电平时为低功耗（休眠）模式。在接收和低功耗模式，驱动TXMOD的电阻必须较小。在低功耗模式中PWIDTH电阻必须较小以使电流最小。CNTRL1和CNTRL0输入与CMOS兼容，输入必须维持在一个逻辑电平，不能悬空。另外，这些端口电压应随电源电压的接通而上升。4. TR1001应用电路设计4.1电路图元器件参数应用电路的元器件参数如表4.1所示。表