全集成射頻發射芯片測試及LED遙控的實現*

張笑瑜 ，李湘春 ，朱逸軒 ，楊佳佳 ，王 棵 ，胡 錦

（1.湖南大學 物理與微電子科學學院，湖南 長沙 410082；2.蘇州銳控微電子有限公司，江蘇 蘇州 215000）

在遠程控制市場，射頻遙控是目前應用最廣泛的手段之一，具有功耗低、可靠性高及成本低等優點[1]。傳統射頻遙控系統大多需要外部晶體振蕩器用于頻率發生器，為數據處理設備產生時鐘信號，并且為特定系統提供基準信號。用有源電路取代晶體振蕩器可以極大減少電子系統成本、功耗和體積，有著非常廣闊的市場應用前景[2]。

本文介紹了一種自主研發的全集成315 MHz/433 MHz射頻發射單芯片RC112，內部集成了振蕩器模塊、編碼模塊及功率發射模塊。利用FPGA加給編碼電路時鐘信號，用示波器和頻譜儀對該芯片樣片進行測試，采用超再生接收電路搭建了LED開關遙控控制系統。系統可實現便捷照明，節約能源，減少成本。

1 全集成射頻發射單芯片結構與原理

RC112是一款自主研發的基于 0.18μm CMOS工藝、全集成的315 MHz/433 MHz射頻發射單芯片。工作電壓范圍寬(2.5 V～5.5 V)，在不加任何輔助設計時輻射水平仍遠在FCC Part15 Class B標準之下，不僅避免了對其他敏感電路的干擾，還降低了系統設計難度。此外，其內置的關斷功能使待機電流最小化，還集成了輸出端過流保護、片內過溫保護和電源欠壓異常保護等功能。

其結構框圖如圖1所示，芯片最多可有12 bit(A0～All)三態地址端，可提供 531 441種地址碼。其中4 bit(D0～D3)數據位與地址位復用。OSC1與 OSC2之間接振蕩電阻R，其振蕩頻率由電阻R和芯片內部的電容決定。控制電路控制編碼發生器進行編碼，設定的地址碼、數據碼及同步碼組成串行數據幀，然后經過邏輯電路、調制電路形成調制波，經功率放大器放大由PAOUT腳輸出。SEL為315 MHz/433 MHz選擇控制端，PDN為芯片使能端，高電平有效。

圖1 RC112內部結構圖

芯片內部集成的高頻振蕩器采用自補償技術對溫度和工藝進行檢測并校準，不需要額外的修調。通過電壓運算電路產生一個隨溫度和工藝變化的控制電壓，這個控制電壓必須隨著溫度升高而升高，并且近似是2次關系[3]。

功率放大器包括控制電路、輸入緩沖電路、工藝補償偏置電路、功率放大級、輸出匹配電路。控制電路用以控制整個功率放大器的工作，輸入緩沖電路用以提高輸入信號的驅動能力，偏置電路用以給功率放大管提供偏置，功率放大級用以將輸入功率放大，輸出匹配電路用以匹配輸出阻抗。其采用的偏置電路具有溫度和工藝補償效果，保證了功率放大管具有良好的溫度和工藝穩定性，同時具有較強的電源抑制能力，使得功率放大器能在更大的范圍內保持線性輸出，提高了功率放大器的線性度[4]。

2 芯片測試

RC112測試芯片采用SOP封裝，根據測試的需要增加了一些PAD。其中編碼電路的時鐘信號需要外接引入，測試中由FPGA產生，通過按下FPGA上的按鍵開關控制編碼電路時鐘信號的有無，定型的芯片編碼時鐘信號可由片內振蕩器分頻得到。發射端在正常工作時至少發射4幀數據。為測量發射電路的有效距離，測試中采取編碼電路工作時持續發射的模式，接收解碼芯片采用非鎖存型，當接收端的LED燈開始閃爍時說明達到發射的極限距離。實際產品只需接收端采用鎖存型解碼芯片即可實現遙控開關觸點短暫接觸控制。通過時域和頻域測量可以得出有關噪聲、頻率偏移、發射功率變化等參數指標。

2.1 編碼時鐘生成及有效距離測試

經調試，芯片編碼電路的所需時鐘頻率為250 kHz，通過按鍵控制這個脈沖的有無，以測試發射電路的功能及有效距離。編碼脈沖信號要求上升/下降時間不大于10 ns。一般的信號發生器難以達到這個要求，利用FPGA可以方便地解決這一問題。測試所用的FPGA實驗板時鐘頻率是50 MHz，將由按鍵開關控制的250 kHz脈沖信號程序下載到FPGA實驗板即可得到所需編碼時鐘信號。

通過設計按鍵控制程序實現對機械開關的控制。在QuartusⅡ環境下運用Verilog語言進行設計。當機械觸點斷開、閉合時，由于機械觸點的彈性作用，在閉合及斷開的瞬間均伴隨有一連串的抖動，抖動時間大約5～10 ms，所以必須增加防抖動控制。Verilog設計流程圖如圖2所示，其主要思路是：設 key1為按鍵輸入信號，為了檢測開關的抖動，定義key_in為2 bit二進制寄存器類型變量，在時鐘的下降沿或者復位信號的上升沿到來時，不斷檢測key1是否有輸入，利用key_in＜={key_in[0]，key1}實現左移，同時將輸入key1值送入低位。key_in按位“異或”作為判斷條件，當有按鍵動作時，32 bit寄存器型變量cnt置零。當連續兩個時鐘周期key1的值不變時，cnt開始計數，若計數沒有達到 500 000（t=cnt×1/50 000 000=10 ms），key_in就變為 10或 01，則說明輸入發生了變化，cnt置零重新開始計數；若在10 ms內輸入沒有變化，則可以認為按鍵穩定，取穩定后再延遲10 ms的key1值去控制250 kHz脈沖的有無。250 kHz脈沖由200進制計數器對50 MHz時鐘進行200分頻得到。程序中設置FPGA實驗板上的LED3指示250 kHz編碼脈沖信號的有無，LED4指示按鍵狀態。ModelSim仿真結果如圖3所示。

圖2 key1控制的250 kHz脈沖產生流程圖

圖3 key1控制的250 kHz脈沖仿真波形

測試結果：按下按鍵key1，FPGA板上LED3亮，同時接收端LED燈亮；再次按下key1，FPGA板上LED3滅，同時接收端LED燈滅。重復若干次，測試可靠。不斷移遠LED接收裝置的距離，當移至50 m時，接收端LED燈開始閃爍，所以無線遙控有效距離為50 m。

2.2 波形測試與分析

波形測試與分析主要包括時域和頻域分析。時域測量調制信號波形，觀察發射的數據幀及噪聲大小情況；頻域測量不同溫度下頻率穩定度以及對發射功率的影響。

圖4 示波器的調制信號ASK波形

通過示波器測得的ASK調制信號波形如圖4所示。由波形可知，12位地址編碼為011110010100，與發射端測試板地址編碼跳線設置一致，最后一位單窄脈沖為同步碼，表示一幀數據傳送完畢。調制波中“毛刺”較多，說明噪聲比較大，這是下一步流片需改進之處。2、3次諧波處于-15 dBm～-25 dBm之間，也可進一步降低。當然隨著噪聲的降低，各次諧波也將隨之降低。

常溫條件下(tt工藝角時)，通過信號分析儀得到的載波頻譜如圖5所示。信號分析儀中標識點設在315.000 MHz，在該點的輸出功率達9.30 dBm。用手持頻率計在天線附近可直觀地觀測無線發射的載波頻率，測得的值為315.323 MHz。當然，手持頻率計自身就有誤差。

圖5 常溫條件頻譜儀的載波頻譜

ss工藝角時，對芯片RC112進行液氮處理得到-37.7℃的低溫環境，測試所得波形如圖6所示，其輸出頻率為314.780 MHz，該點的輸出功率為7.05 dBm。

圖6 低溫下頻譜儀的載波頻譜

ff工藝角時，對芯片RC112進行加熱處理得到93.0℃的高溫環境，測試所得波形如圖7所示，得到其輸出頻率為314.354 MHz，該點的輸出功率為4.53 dBm。高溫時的頻率偏差和增益降低比低溫時稍大，但最大頻率偏差約為0.2%，滿足設計指標要求，高溫時增益可進一步提高。

圖7 高溫下頻譜儀的載波頻譜

3 射頻發射LED遙控系統的實現

基于RC112制作的射頻發射LED遙控系統由發射器和接收器組成。發射端采用全集成315 MHz/433 MHz射頻發射芯片RC112，只需接很少的外圍元件。接收端通過超再生檢波電路接收來自發射端的調制信號并解調成發射端發出的數據幀，經PT2272進行解碼，再通過PT2272的VT端及數據端高低電平來控制LED的發光。

發射部分采用3 V電池供電，根據需要可對1～6路LED燈進行遙控。圖8為發射端4路控制接線示意圖。由于用到4個數據端，地址端為8 bit(A0～A7)，可接高電平、低電平以及懸空來組成地址碼，接收端解碼芯片的地址必須與發送端一致才能正常工作。無按鍵按下時，發射系統不耗電；當有按鍵按下時，RC112上電工作，其內部的振蕩器起振，通過內部的編碼電路、控制電路、驅動電路將串行數據幀調制至315 MHz的載波上，經功率放大后發射ASK調制波。

圖8 發射端4路控制接線示意圖

系統的接收模塊采用超再生檢波式接收器，實際上它是一個受間歇振蕩控制的高頻振蕩器，采用電容三點式振蕩器，振蕩頻率和發射器的發射頻率一致。解碼芯片PT2272的地址編碼與發射模塊中RC112芯片的地址編碼一一對應。接收模塊接收到編碼信號后送到PT2272，其地址碼經過兩次比較核對后，PT2272的VT腳才輸出高電平，同時與RC112內部的編碼器相對應的數據腳也輸出高電平。如果RC112連續發送編碼信號，PT2272 VT端和相應的數據腳便連續輸出高電平。發射端停止發送編碼信號，PT2272的VT端便恢復為低電平狀態。

通過制作4塊調試好的超再生接收模塊，設置4個接收端的地址碼與發射端一致，每個模塊的PT2272的數據端依次分別接上LED，用RC112組成的發射器上的4個按鍵實現了對4個接收端上LED燈的分別遙控。實際中可根據需要選用鎖存型還是非鎖存型的解碼芯片PT2272。

在遙控系統中，石英晶振是一個應用廣泛的重要模塊，通過集成片上振蕩器代替石英晶振可以節約成本，并減小電子系統的體積。本文介紹的全集成射頻發射芯片RC112集成了編碼電路、振蕩器及功率發射電路，經測試，該芯片滿足設計要求，輸出功率為9.30 dBm，頻率偏差小于0.2%。但是仍存在一些需改進之處，如噪聲偏大、極端條件下穩定性和增益有待進一步提高等。基于全集成單芯片RC112的LED控制系統在降低成本方面將具有極大的市場競爭力。

[1]李旭梅，黃俊，劉鴻.基于零中頻的聲表面波射頻識別收發機的設計[J].電子技術與應用，2013，39（2）：9-11.

[2]LAM C C S.A review of the recent development of MEMS and crystal oscillators and their impacts on the frequency control products industry[C].IEEE Ultrasonics Symp.，USA，2008：694-704.

[3]李慶山，胡錦，李湘春.帶溫度與工藝補償的新型振蕩器[J].固體電子學與進展，2013，33(4)：340-345.

[4]胡錦，樂春玲，李湘春.一種帶工藝補償偏置的功率放大器：中國，CN103199799A[P].2013-07-10.