数字调制与解调芯片nRF401

数字调制与解调芯片nRF401
目录
一、数字调制与解调芯片nRF401概述
二、数字调制与解调芯片nRF401的工作原理
三、数字调制与解调芯片nRF401的管脚和主要技术指标
1、数字调制与解调芯片nRF401的管脚描述
2、管脚定义
3、封装尺寸
4、数字调制与解调芯片nRF401的电气特性
四、数字调制与解调芯片nRF401的工作方式和时序切换
1 接收/ 发送方式切换
2 通道选择
3 待机方式到接收/ 发送切换
4 加电到发射模式切换
5 上电到接收模式切换
五、数字调制与解调芯片nRF401的外围电路设计
一、数字调制与解调芯片nRF401概述
nRF401是一个为433MHz ISM 频段设计的真正单片UHF 无线收发芯片，它采用FSK 调制解调技术。

nRF401 最高工作速率可以达到20K，发射功率可以调整，最大发射功率是+10dBm。

天线接口设计为差分天线，以便于使用低成本的PCB 天线，nRF401 还具有待机模式，这样可以更省电和高效。

nRF401 的工作电压范围可以从2.7-5V。

它要求非常少的外围元件（约10个），无需声表滤波器、变容管等昂贵的元件，只需要便宜且易于获得的4MHz晶体，收发天线合一。

无需进行初始始化和配置，不需要对数据进行曼彻斯特编码，有两个工作频宽（433.92/434.33MHz）,工作电压范围可以从2.7-5V，还具有待机模式，可以更省电和高效。

nRF401仅有20个管脚，较少的管脚以及较小的封装，有利于减少PCB面积降低成本，适合便携式产品的设计，也有利于开发和生产。

二、数字调制与解调芯片nRF401的工作原理
nRF401的原理框图如下：
图1、nRF401 内部结构及外部连接元器件框图
在nRF401 内部结构中, LNA 是低噪声放大器。

当nRF401 工作在接收方式时, 它接收来自天线的RF 信号, 然后通过DEM 解调后从DOUT 端输往控制器, 从而实现无线接收数据。

PA 是功率放大器。

当nRF401工作在发送方式时, 来自DIN 端的准备以无线方式输出的数据经调制后通过PA 成为RF 信号, 然后在天线上发射, 从而实无线发送数据。

DIN 和DOUT 可以连接到控制器的位数据输入/ 输出端( 例如RxD 和TxD 等) 。

nRF401 频率源由来自OSC 的基频通过PLL 和VCO 频率合成器产生, 晶体谐振频率取4.0MHz。

合成环形滤波器外接。

VCO 外接电感可选22nH。

三、数字调制与解调芯片nRF401的主要技术指标
1、数字调制与解调芯片nRF401的管脚描述如下：
2、管脚定义如下：
图2 nRF401 管脚定义图
3、封装尺寸：
nRF401采用SSOIC封装（单位mm）
4、数字调制与解调芯片nRF401的电气特性如下：
测试条件：VDD=+3V DC,VSS=0V,TA=-25 to +85°
四、数字调制与解调芯片nRF401的工作方式和时序切换
nRF401 有接收、发送和待机三种工作方式, 它们分别由图〈1 〉所示的TXEN、CS 和PWR- UP 三个输入信号的不同组合确定。

1 接收/ 发送方式切换
控制器通过改变TXEN 实现接收/ 发送方式切换, TXEN=1 为发送方式, TXEN=0 为接收方式。

如图〈2 〉所示, 当从接收切换到发送时, 控制器送到DIN 的待发送数据至少在TXEN 从“0 ”到“1 ”1ms 后才有效。

当从发送切换到接收时, 至少在TXEN 从“1 ”到“0 ”3ms 后,控制器才能从DOUT 接收到准确数据。

2 通道选择
CS 用于选择不同通道。

当CS=0 时, 选择工作频率为433.92MHz的1 号通道。

当CS=1 时, 选择工作频率为434.33MHz 的2 号通道。

3 待机方式到接收/ 发送切换
待机方式是芯片在非工作状态时的省电模式, 它通过清除PWR- UP( PWR- UP=0 ) 实现。

如图〈3 〉所示。

当由待机状态切换到接收工作状态( PWR- UP=1且TXEN=0 ) 时, DOUT 有效出现3ms 滞后。

当由待机状态切换到发送工作状态( PWR- UP=1 且TXEN=1 ) 时, DIN
有效出现2ms 滞后。

接受到发送
发送到接收
图3
4.加电到发射模式切换
从加电到发射模式过程中为了避免开机时产生干扰和辐射在上电过程中TXEN 的输入脚必须保持为低以便于频率合成器进入稳定工作状态当由上电进入发射模式时TXEN 必须保持1ms 以后才可以往DIN 发送数据见图4.
图4
5.上电到接收模式切换
从上电到接收模式过程中芯片将不会接收数据DOUT 也不会有有效数据输出直到电压稳定达到2.7V 以上并且至少保持5ms 如果采用外部振荡器这个时间可以缩短到3ms 见图5。

图5
五、数字调制与解调芯片nRF401的外围电路设计
天线输入输出：
ANT1 和ANT2 是接收时LNA 的输入，以及发送时功率放大器的输出。

连接nRF401 的天线是以差分方式连接到nRF401 的。

在天线端推荐的负载阻抗是400Ω。

图6 是一个典型的采用差分天线方式原理图。

功率放大器输出是两个开路输出三极管，配置成差分配对方式，功率放大器的VDD 必须通过集电极负载，当采用差分环型天线时，VDD 必须通过环型开线的中心输入，如图6所示。

一个50 的单端天线或测试仪器也可以通过一个差分转换匹配网络
连接到nRF401，如图7 所示.
图6
图7
图7 中的180nH 电感，要求自谐振频率大于433MHz，适合使用的电感型号已经列在表6中。

根据具体应用不同，在50 RF 输入输出处，可能需要LC 匹配网络。

单端天线到nRF401的连接，也可以采用一个81的RF线圈匹配阻抗。

RF 线圈必须有一个中心抽头连接到VDD。

RF 输出功率:
调整RF 偏压电阻R3 可以调节输出发射功率，最大发射功率可以调整到+10dBm，图8 表示
的发射功率和电阻值的关系。

图9 表示发射功率与电流的关系。

图8
图9
PLL 环路滤波器：
PLL 环路滤波器是一个单端二阶滤波器推荐的滤波器元件参数为C3=820pF ，C4=15nF ，R2=4.7K ，如图6所示。

VCO 电感：
芯片的VCO 电路需要外接一个VCO 电感。

这个电感是非常关键，的需要一个高质量的Q 值 >45@433MHZ ，精度2%，合适的电感型号如下表所示。

请看后面关于PCB 的布局和电感的放置位置的说明。

晶体的规格：
f=4.0000MHz 晶振并联谐振频率
O C ≦5pF 晶振等效电容
ESR ≦150ohm 晶振串联等效电阻
L C ≦14pF 等效负载电容包括PCB 上分布电容
在图10 中实际的负载电容L C :
''''12111222''12.,=C ,C L PCB PCB C C C C C C C C C =+=++其中
1C 、2C 是应用原理图中所示的0603的贴片电容，1PCB C 和2PCB C 是PCB 上的分布电容。

图10
与单片机共用一个晶振：
图11 表示了nRF401 与单片机共用一个晶体的连接方式。

需要注意的是从单片机引入的晶体走线不能离数据线或者控制线太近。

图11
发射接收模式选择
TXEN 选择发射或接收工作模式
TXEN = 1 时选择发射模式
TXEN = 0 时选择接收模式
频道选择
CS 选择工作频道
CS = 0 时选择1 频道（f1 = 433.92MHz）
CS = 1 时选择2 频道（f2 = 434.33Mhz）
工作模式真值表
Din 和Dout
Din 是数据发送脚，连到该脚的电平必须是CMOS 电平，最高速率是20K，无需进行数据编码。

DIN= “1”→ f = f0+△f
DIN= “0”→ f=f0- △f
DOUT 是解调输出脚标准的CMOS 电平输出
f0+ △f → DOUT = “1”
f0- △f→ DOUT = “0”
节能控制:
PWR UP 选择工作模式和待机模式
PWR UP = 1 选择正常工作模式
PWR UP = 0 选择待机模式
发送和接收频率问题:
为了获得最好的RF 性能，发射和接收频率误差不能超过70ppm（30KHz）。

这就要求晶体的稳定度不能低于±35PPM，频率的差异将会导至接收机灵敏度产生-12dB/倍程的损失。

例如一个±20ppm 频率精度和在温度范围内±25PPM 稳定度的晶体，最大的频率误差将会超过±45ppm。

如果发射机和接收机工作在不同的温度环境，在最差的情况下两边的误差将会超过90ppm，其结果将会导致接收机灵敏度下降将近5dB。