通信原理课程设计5.docx
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通信原理课程设计5
1.
1nRF0433芯片简介
nRF0433是一个真正的超高频设计工作在433MHzISM（工业，科学和医疗）频段收发器单芯片。
它采用频移键控（FSK）调制和解调能力。
nRF0433可在高达9600位的比特率/秒发射功率可以调整到最高为10dBm。
它具有一个差分天线接口和内部发送/接收开关。
nRF0433的工作电压为单+5V直流电源。
接收时的电源电流为23微安，发射时的电源电流为33毫安，可直接与微控制器接口。
可方便地嵌入到各种测量和控制系统中，在仪器仪表数据采集系统、无线抄表系统、无线数据通信系统、计算机遥测遥控系统等中应用。
FEATURESAPPLICATIONS
TruesinglechipFSKtransceiverAlarmandSecuritySystems
OnchipUHFsynthesiser,4MHzHomeAutomation
crystalreferenceRemoteControl
433MHzISMbandoperationSurveillance
FewexternalcomponentsrequiredAutomotive
Upto10mWtransmitpowerTelemetry
Nosetup/configurationToys
WirelessCommunication
2nRF0433主要性能指标
nRF0433主要性能指标如表2.1
参数
数值
单位
频率
433.936
MHz
调制
FSK
频偏
±15
kHz
最大RF输出功率
10
dBm
接收灵敏度
−105
dBm
最大数据速率
9600
b/s
电源电压
2.7～5.25
v
接收时电源电流
23
uA
发射时电源电流
33
mA
3nRF0433芯片封装与引脚功能
3.1nRF0433芯片封装
nRF0433采用20脚SSOIC封装，如图3.1所示：
图3.1nRF0433引脚封装
3.2nRF0433引脚功能
nRF0433各引脚功能如表3.1所示
引脚
名称
引脚功能描述
引脚
名称
引脚功能描述
1
XC1
晶振输入
11
RF_PWR
发射功率设置
2
VDD
电源（+5VDC）
12
VSS
地（0V）
3
FILT2
回路滤波器
13
VDD
电源（+5VDC）
4
FILT1
回路滤波器
14
VSS
地（0V）
5
VCO1
VCO外接电感
15
ANT2
天线端
6
VCO2
VCO外接电感
16
ANT1
天线端
7
VSS
地（0V）
17
VSS
地（0V）
8
VDD
电源（+5VDC）
18
PWR_UP
电源开关
9
DIN
数据输入
19
TXEN
发射/接收控制
10
DOUT
数据输出
20
XC2
晶振输出
注：
９脚及10脚：
DIN输入数字信号和DOUT输出数字信号均为标准的逻辑电平信号，需要发射的数字信号通过DIN输入，解调出来的信号经过DOUT输出；18脚电源开关：
PWR_UP=“1”为工作模式，PWR_UP=“0”为待机模式；19脚发射允许：
TXEN=“1”为发射模式；TXEN=“0”为接收模式.
4nRF0433的内部结构及原理
图4.1nRF0433与外部组件的框图
4.1nRF0433内部原理
nRF0433内部结构框图如图4.2所示。
芯片内包含有发射功率放大器（PA），低噪声接收放大器（LNA），晶体振荡器（OSC），锁相环（PLL），压控振荡器（VCO），混频器（MIXER）等电路。
在接收模式中，RF输入信号被低噪声放大器（LNA）放大，经由混频器（MIXER）变换，这个被变换的信号在送入解调器（DEM）之前被放大和滤波，经解调器解调，解调后的数字信号在DOUT端输出。
在发射模式中，压控振荡器（VCO）的输出信号是直接送入到功率放大器（PA），DIN端输入的数字信号被频移键控后馈送到功率放大器输出。
由于采用了晶体振荡和PLL合成技术，频率稳定性极好。
图4.2nRF0433内部结构框图
天线输入/输出，当nRF0433是接收模式时，ANT1和ANT2引脚端提供射频输入到低噪声放大器LNA；当nRF0433为发射模式时，从功率放大器提供射频输出到天线。
天线连接到nRF0433是差动形式，在天线通道推荐的负载阻抗是400Ω。
功率放大器输出级由差动结构的2个集电极开路的晶体管组成，电源VDD到功率放大器必须通过集电极负载供电。
当连接差动回路天线到ANT1/ANT2引脚端，电源VDD将通过回路天线的中心供电。
单端天线连接到nRF0433时，使用差动到单端匹配网络，如图4.3所示。
单端天线也可以使用8:
1射频变压器连接到nRF0433，工作在433MHz。
射频变压器的源边必须有一个中心抽头，用于电源VDD供电.
图4.3使用差动到单端匹配网络
连接在RF-PWR端（11脚）和+5V之间的电阻R3设置输出功率。
射频输出功率可以设置到+10dBm。
输出功率、芯片消耗电流与电阻R3的关系（负载阻抗400Ω）如表4.1所示。
R3/kΩ
RF输出功率/dBm
电源电流/mA
1000/开路
10
46
150
4
37
100
−2
33
68
−12
31
表4.1输出功率、芯片消耗电流与电阻R3的关系
PLL回路滤波器是外接的单端2阶滤波器，滤波器元件推荐值是：
C1=270pF,C2=5.6nF,R1=27kΩ，如应用电路图5.1中所示。
对于VCO电路外接22nH（433MHz）电感在VCO1引脚端和VCO2引脚端之间是必须的。
电感使用高质量的片式电感，Q>45（在433MHz/315MHz），最大误差±3%。
晶体振荡器需要外接晶振，晶振的特性要求是：
并联谐振频率f=4.000MHz，并联等效电容Co=5pF，晶振等效串联电阻ESR=150Ω，全部负载电容，包括印制板电容CL=14pF。
如图4.4所示，负载电容CL如下式所示：
式中：
C1′=C1+CPCB1和C′2=C2+CPCB2。
C1和C2使用0603SMD电容，CPCB1和CPCB2是电路板的寄生电容。
nRF0433可以使用微控制器的晶体振荡器，连接电路如图4.5所示。
图4.4晶体振荡器和晶振等效电路
图4.5nRF0433使用微控制器的晶体振荡器连接图
发射/接收模式选择：
引脚端TXEN=“1”选择发射模式，引脚端TXEN=“0”选择接收模式。
DIN（数据输入）引脚端输入数字信号到发射器的调制器，输入信号是标准的CMOS逻辑电平，数据速率为9600b/s。
DIN=“1”,f=f0+∆f；DIN=“0”,f=f0−∆f。
解调的数字输出数据以标准的CMOS逻辑电平呈现在DOUT（数据输出）引脚端，f=f0+∆f，DOUT=“1”，f=f0−∆f，DOUT=“0”。
引脚端PER-UP控制电路工作在正常的工作模式或者关断模式。
PWR_UP=“1”选择正常工作模式，PWR_UP=“0”选择关断模式。
4.2发射模式的启动
为了避免在ISM频段外错误的排放,在nRF0433配对期间发射使能输入必须保持低频率合成的稳定（ton）,参阅图4.6。
当进入发射模式时，在发射使能输入没有高于3ms（tdata-ton）之前,是没有数据传输的
图4.6nRF0433启动时序图
4.3接收模式的启动
在接收模式的启动期间，接收机无法获得数据,直到VDD脚一直稳定在5V（5%）在ton至少75ms时。
如果一个外部参数振荡器使用（图4.7）,接受机将会在7.5ms后收到数据。
图4.7nRF0433外部参数振荡器
4.4切换TX↔RX
受机的发射使能输入没有低于3ms之前不得接收数据。
在发射使能输入没有高达3ms之前不得传输数据。
5nRF0433射频（RF）和天线布局
Gerber射频布局的提出是为了北欧超大规模集成电路的nRF0433单片机433MHz射频收发，也为433MHz设计的三种不同的环形天线成为了可能。
Gerber文件可以是每个布局压缩成Zip档案格式。
Zip档案格式包括一个文件名为readme.wri，这个文件在Gerber文件到PCB编辑器之前必须读。
所有描述布局应编造标准的1.6mm双面FR4基板印刷电路板。
5.1nRF0433射频布局
这个射频布局包括了所有必要的，基于nRF0433一部分短距离通信系统的无线电频率射频电路布局设计。
无线电收发数据和控制线路DIN、DOUT和TXEN在射频布局的周边都是可行的，而且应该与客户使用的数字部分相连接。
+5V和接地也可在射频布局周边。
应用电路的射频部分+5V应该被过滤从供应电压的任何数字电路中分离。
路由是严格推荐从+5V供应源给射频（RF）,数字的或其他不同的应用电路。
图5.2是一个以应用原理图5.1为例PCB布局，使用的是1.6mm双面FR-4板厚度。
这个PCB有一个持续的在底层的地平面。
此外,在组件一侧板上有接地区域,以确保有足够的接地的临界组件。
一个
通过大量的孔连接地面的地区和顶层的接地区域。
在天线后面是没有地平面
图5.1nRF0433应用原理图
表5.1推荐的外部元件
（a）元器件布局图
（b）元器件布局图
（c）元器件面印制板图
（d）印制板底板图
图5.2433MHz应用电路印制电路板图
印制电路板（PCB）设计的设计直接关系到射频性能，PCB使用1.6mm厚的FR-4双面板，分元件面和底面。
PCB的底面有一个连续的接地面，射频电路的元件面以nRF0433为中心，各元器件紧靠其周围，尽可能减少分布参数的影响。
元件面的接地面保证元件充分的接地，大量的通孔连接元件面的接地面到底面的接地面。
nRF0433采用PCB天线，在天线的下面没有接地面。
射频电路的电源使用高性能的射频电容去耦，去耦电容尽可能地靠近nRF0433的VDD端，一般还在较大容量的表面安装的电容旁并联一个小数值的电容。
射频电路的电源与接口电路的电源分离，nRF0433的VSS端直接连接到接地面。
注意不能将数字信号或控制信号引入到PLL回路滤波器元件上。
由此芯片构成的无线收发电路结构简单，工作可靠，模块尺寸仅为30mm×22mm×6mm，可以直接与常用的单片机如8051、68HC05、PIC16C5X、MSP430等连接，实现单片机与单片机、单片机与计算机之间的数据无线传输；通过MAX232A等接口芯片可以与计算机串行接口连接，实现计算机与计算机之间的数据无线传输；可方便地嵌入仪器仪表和自动控制系统中，构成一个点对点（一点对多点）的双向无线串行数据传输通道。
6总结
这次收发器课程设计，我学到了很多知识，同时也遇到了很多问题，上个学期也做了一次课程设计，对于一些课程设计的要求，模电数电知识理解和记忆都还比较好，但是，这次课程设计明显比上一次难多了，不仅电路复杂了，资料的查找阅读也是一个大大的问题，大部分都是英文资料，翻译是个很大的问题，虽然可以在线翻译，但是翻译出来的有很多的错误，需要自己改正的地方很多，而且其中的一些专业词汇翻译的也很别扭，往往翻译完后，自己回过头去看会发现有些地方不好理解。
不过经过改正现在好多了，我想大体上还是能知道文章的意思的。
虽然学习的过程是比较麻烦和艰难，但是效果也是比较明显的，学的东西也是比较多的，而且也比较扎实。
既巩固了从前学过的许多电子技术基础理论知识和通信原理，而且还学习到一些新的知识，进一步了解了有关无线发射与接收电路设计的原理及其功能，了解了射频集成电路原理，培养了我的设计思维，提高了我的设计能力。
设计过程中通过翻译英文资料，也使我的英文水平有所提高。
特别是通过对英文材料的翻译，培养了我处事的耐心和毅力。
从设计思路到整理设计的过程中，让我体会到要做出一个好的课程设计必须要有扎实的理论基础和专业知识，再加上耐心的整理设计过程，让我懂得做每一件事情都需要用认真的态度去对待，在小事上面细心的对待才能对大事有所作为。
一个小小的课程设计为我们以后出去社会找工作做了铺垫，让我明白事情遇到困难就应该积极去解决，而不是逃避困难，其实，刚开始的时候，看到找到的资料都是英文的，我就一个头两个大了，一直想拖延又拖延，还去向班长请教可不可以用一些英文的资料放上面，后来是实在是没有办法了，看到好多同学都开始了，急了，才狠狠心，慢慢的看，慢慢的翻译，最后也让我基本上弄完了，真是艰辛啊。
不管过程多么艰辛，看到自己终于搞定了，还是比较有成就感的。
参考文献
【1】.[单片无线收发集成电路原理与应用][人民邮电出版社][黄智伟编著][2005年]
【2】.[无线发射与接收电路设计][北京航空航天大学出版社][黄智伟编著][2007年]
【3】.[PROTEL99SE原理图与PCB设计教程][电子工业出版社][及力主编][2007年]
【4】.[无线发射与接收电路设计][北京航空航天大学出版社][黄智伟编著][2004年]
【5】.[无线集成电路][北京航空航天大学出版社][黄智伟编著][2004年]
附录一
规格表
附录二
PrincipalcircuitdiagramforpowerdutycyclingwiththenRF0433
附录三
nRF0433的频率特性
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