全集成射频发射芯片测试及LED遥控的实现*

张笑瑜 ，李湘春 ，朱逸轩 ，杨佳佳 ，王 棵 ，胡 锦

（1.湖南大学 物理与微电子科学学院，湖南 长沙 410082；2.苏州锐控微电子有限公司，江苏 苏州 215000）

在远程控制市场，射频遥控是目前应用最广泛的手段之一，具有功耗低、可靠性高及成本低等优点[1]。传统射频遥控系统大多需要外部晶体振荡器用于频率发生器，为数据处理设备产生时钟信号，并且为特定系统提供基准信号。用有源电路取代晶体振荡器可以极大减少电子系统成本、功耗和体积，有着非常广阔的市场应用前景[2]。

本文介绍了一种自主研发的全集成315 MHz/433 MHz射频发射单芯片RC112，内部集成了振荡器模块、编码模块及功率发射模块。利用FPGA加给编码电路时钟信号，用示波器和频谱仪对该芯片样片进行测试，采用超再生接收电路搭建了LED开关遥控控制系统。系统可实现便捷照明，节约能源，减少成本。

1 全集成射频发射单芯片结构与原理

RC112是一款自主研发的基于 0.18μm CMOS工艺、全集成的315 MHz/433 MHz射频发射单芯片。工作电压范围宽(2.5 V～5.5 V)，在不加任何辅助设计时辐射水平仍远在FCC Part15 Class B标准之下，不仅避免了对其他敏感电路的干扰，还降低了系统设计难度。此外，其内置的关断功能使待机电流最小化，还集成了输出端过流保护、片内过温保护和电源欠压异常保护等功能。

其结构框图如图1所示，芯片最多可有12 bit(A0～All)三态地址端，可提供 531 441种地址码。其中4 bit(D0～D3)数据位与地址位复用。OSC1与 OSC2之间接振荡电阻R，其振荡频率由电阻R和芯片内部的电容决定。控制电路控制编码发生器进行编码，设定的地址码、数据码及同步码组成串行数据帧，然后经过逻辑电路、调制电路形成调制波，经功率放大器放大由PAOUT脚输出。SEL为315 MHz/433 MHz选择控制端，PDN为芯片使能端，高电平有效。

图1 RC112内部结构图

芯片内部集成的高频振荡器采用自补偿技术对温度和工艺进行检测并校准，不需要额外的修调。通过电压运算电路产生一个随温度和工艺变化的控制电压，这个控制电压必须随着温度升高而升高，并且近似是2次关系[3]。

功率放大器包括控制电路、输入缓冲电路、工艺补偿偏置电路、功率放大级、输出匹配电路。控制电路用以控制整个功率放大器的工作，输入缓冲电路用以提高输入信号的驱动能力，偏置电路用以给功率放大管提供偏置，功率放大级用以将输入功率放大，输出匹配电路用以匹配输出阻抗。其采用的偏置电路具有温度和工艺补偿效果，保证了功率放大管具有良好的温度和工艺稳定性，同时具有较强的电源抑制能力，使得功率放大器能在更大的范围内保持线性输出，提高了功率放大器的线性度[4]。

2 芯片测试

RC112测试芯片采用SOP封装，根据测试的需要增加了一些PAD。其中编码电路的时钟信号需要外接引入，测试中由FPGA产生，通过按下FPGA上的按键开关控制编码电路时钟信号的有无，定型的芯片编码时钟信号可由片内振荡器分频得到。发射端在正常工作时至少发射4帧数据。为测量发射电路的有效距离，测试中采取编码电路工作时持续发射的模式，接收解码芯片采用非锁存型，当接收端的LED灯开始闪烁时说明达到发射的极限距离。实际产品只需接收端采用锁存型解码芯片即可实现遥控开关触点短暂接触控制。通过时域和频域测量可以得出有关噪声、频率偏移、发射功率变化等参数指标。

2.1 编码时钟生成及有效距离测试

经调试，芯片编码电路的所需时钟频率为250 kHz，通过按键控制这个脉冲的有无，以测试发射电路的功能及有效距离。编码脉冲信号要求上升/下降时间不大于10 ns。一般的信号发生器难以达到这个要求，利用FPGA可以方便地解决这一问题。测试所用的FPGA实验板时钟频率是50 MHz，将由按键开关控制的250 kHz脉冲信号程序下载到FPGA实验板即可得到所需编码时钟信号。

通过设计按键控制程序实现对机械开关的控制。在QuartusⅡ环境下运用Verilog语言进行设计。当机械触点断开、闭合时，由于机械触点的弹性作用，在闭合及断开的瞬间均伴随有一连串的抖动，抖动时间大约5～10 ms，所以必须增加防抖动控制。Verilog设计流程图如图2所示，其主要思路是：设 key1为按键输入信号，为了检测开关的抖动，定义key_in为2 bit二进制寄存器类型变量，在时钟的下降沿或者复位信号的上升沿到来时，不断检测key1是否有输入，利用key_in＜={key_in[0]，key1}实现左移，同时将输入key1值送入低位。key_in按位“异或”作为判断条件，当有按键动作时，32 bit寄存器型变量cnt置零。当连续两个时钟周期key1的值不变时，cnt开始计数，若计数没有达到 500 000（t=cnt×1/50 000 000=10 ms），key_in就变为 10或 01，则说明输入发生了变化，cnt置零重新开始计数；若在10 ms内输入没有变化，则可以认为按键稳定，取稳定后再延迟10 ms的key1值去控制250 kHz脉冲的有无。250 kHz脉冲由200进制计数器对50 MHz时钟进行200分频得到。程序中设置FPGA实验板上的LED3指示250 kHz编码脉冲信号的有无，LED4指示按键状态。ModelSim仿真结果如图3所示。

图2 key1控制的250 kHz脉冲产生流程图

图3 key1控制的250 kHz脉冲仿真波形

测试结果：按下按键key1，FPGA板上LED3亮，同时接收端LED灯亮；再次按下key1，FPGA板上LED3灭，同时接收端LED灯灭。重复若干次，测试可靠。不断移远LED接收装置的距离，当移至50 m时，接收端LED灯开始闪烁，所以无线遥控有效距离为50 m。

2.2 波形测试与分析

波形测试与分析主要包括时域和频域分析。时域测量调制信号波形，观察发射的数据帧及噪声大小情况；频域测量不同温度下频率稳定度以及对发射功率的影响。

图4 示波器的调制信号ASK波形

通过示波器测得的ASK调制信号波形如图4所示。由波形可知，12位地址编码为011110010100，与发射端测试板地址编码跳线设置一致，最后一位单窄脉冲为同步码，表示一帧数据传送完毕。调制波中“毛刺”较多，说明噪声比较大，这是下一步流片需改进之处。2、3次谐波处于-15 dBm～-25 dBm之间，也可进一步降低。当然随着噪声的降低，各次谐波也将随之降低。

常温条件下(tt工艺角时)，通过信号分析仪得到的载波频谱如图5所示。信号分析仪中标识点设在315.000 MHz，在该点的输出功率达9.30 dBm。用手持频率计在天线附近可直观地观测无线发射的载波频率，测得的值为315.323 MHz。当然，手持频率计自身就有误差。

图5 常温条件频谱仪的载波频谱

ss工艺角时，对芯片RC112进行液氮处理得到-37.7℃的低温环境，测试所得波形如图6所示，其输出频率为314.780 MHz，该点的输出功率为7.05 dBm。

图6 低温下频谱仪的载波频谱

ff工艺角时，对芯片RC112进行加热处理得到93.0℃的高温环境，测试所得波形如图7所示，得到其输出频率为314.354 MHz，该点的输出功率为4.53 dBm。高温时的频率偏差和增益降低比低温时稍大，但最大频率偏差约为0.2%，满足设计指标要求，高温时增益可进一步提高。

图7 高温下频谱仪的载波频谱

3 射频发射LED遥控系统的实现

基于RC112制作的射频发射LED遥控系统由发射器和接收器组成。发射端采用全集成315 MHz/433 MHz射频发射芯片RC112，只需接很少的外围元件。接收端通过超再生检波电路接收来自发射端的调制信号并解调成发射端发出的数据帧，经PT2272进行解码，再通过PT2272的VT端及数据端高低电平来控制LED的发光。

发射部分采用3 V电池供电，根据需要可对1～6路LED灯进行遥控。图8为发射端4路控制接线示意图。由于用到4个数据端，地址端为8 bit(A0～A7)，可接高电平、低电平以及悬空来组成地址码，接收端解码芯片的地址必须与发送端一致才能正常工作。无按键按下时，发射系统不耗电；当有按键按下时，RC112上电工作，其内部的振荡器起振，通过内部的编码电路、控制电路、驱动电路将串行数据帧调制至315 MHz的载波上，经功率放大后发射ASK调制波。

图8 发射端4路控制接线示意图

系统的接收模块采用超再生检波式接收器，实际上它是一个受间歇振荡控制的高频振荡器，采用电容三点式振荡器，振荡频率和发射器的发射频率一致。解码芯片PT2272的地址编码与发射模块中RC112芯片的地址编码一一对应。接收模块接收到编码信号后送到PT2272，其地址码经过两次比较核对后，PT2272的VT脚才输出高电平，同时与RC112内部的编码器相对应的数据脚也输出高电平。如果RC112连续发送编码信号，PT2272 VT端和相应的数据脚便连续输出高电平。发射端停止发送编码信号，PT2272的VT端便恢复为低电平状态。

通过制作4块调试好的超再生接收模块，设置4个接收端的地址码与发射端一致，每个模块的PT2272的数据端依次分别接上LED，用RC112组成的发射器上的4个按键实现了对4个接收端上LED灯的分别遥控。实际中可根据需要选用锁存型还是非锁存型的解码芯片PT2272。

在遥控系统中，石英晶振是一个应用广泛的重要模块，通过集成片上振荡器代替石英晶振可以节约成本，并减小电子系统的体积。本文介绍的全集成射频发射芯片RC112集成了编码电路、振荡器及功率发射电路，经测试，该芯片满足设计要求，输出功率为9.30 dBm，频率偏差小于0.2%。但是仍存在一些需改进之处，如噪声偏大、极端条件下稳定性和增益有待进一步提高等。基于全集成单芯片RC112的LED控制系统在降低成本方面将具有极大的市场竞争力。

[1]李旭梅，黄俊，刘鸿.基于零中频的声表面波射频识别收发机的设计[J].电子技术与应用，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]李庆山，胡锦，李湘春.带温度与工艺补偿的新型振荡器[J].固体电子学与进展，2013，33(4)：340-345.

[4]胡锦，乐春玲，李湘春.一种带工艺补偿偏置的功率放大器：中国，CN103199799A[P].2013-07-10.