Microchip oferă acum două soluţii single-chip ce încorporează un nucleu PICmicro cu un emiţător integrat (UHF ASK/FSK) de 310 -470MHz pentru utilizarea în sisteme la distanţă fără taste (RKE, remote keyless entry) sau pentru alte aplicaţii. Acest articol trece în revistă funcţionarea top-level şi aplicaţii de bază pentru aceste produse. În trecut, legăturile radio pentru aceste sisteme denumite “control class” au fost foarte simple. Datorită limitărilor impuse de costuri, ele se bazau pe emiţătoare simple de tip LC sau SAW de tip On-Off Keyed (OOK), realizate din câteva piese şi un tranzistor, care oscila cu o frecvenţă modulată de tensiunea de alimentare, cu un cip pentru codare ce realiza detectarea apăsării tastei şi o codare simplă. Receptorul pentru acest emiţător simplu era un tip regenerativ LC sau SAW, ce poate fi implementat cu câteva tranzistoare.
Oferind tehnici de modulare mai sofisticate, noile microcontrolere pot fi folosite pentru multe aplicaţii, ce includ detectarea la distanţă (apă, gaz, electricitate), telecomenzi, sisteme pentru securitatea casei şi controlul accesului (RKE), detectarea presiunii în pneurile autovehiculelor, detectoare de fum, traductoare de nivel şi detectoare cu infraroşii la distanţă.
Modularea ASK/FSK
rfPIC12C509AG este un emiţător ASK (amplitude shift keying) ce se bazează pe PLL, iar rfPIC12C509AF poate face modulaţie ASK sau FSK (frequency shift keying). Dispozitivele necesită doar un condensator de bypass, un cuarţ şi un filtru pasiv în buclă RC de tip PLL pentru funcţionare. Cuarţul extern determină frecvenţa de transmisie în domeniul 310 – 470MHz cu ajutorul unui multiplicator 32x PLL. Partea de RF a dispozitivului include logica de control, circuitele de oscilaţie pentru cuarţ, un PLL (phase-locked loop), un oscilator controlat în tensiune (VCO, voltage-controlled oscillator) şi un amplificator de putere (PA, power amplifier). PLL este intrarea pentru PA, care are o ieşire diferenţială de tip colector în gol (open-collector). PA are ca sarcină o antenă implementată pe placă. Antenele single-enden de înaltă eficienţă pot fi acţionate de un transformator balanced-to-unbalanced (balun), ce are rol şi de filtru trece jos pentru atenuarea armonicilor. Ieşirea de putere este reglabilă de la -12 dBm la +2 dBm în şase trepte. PA este blocat până la amorsarea PLL, dar nu porneşte automat. PA trebuie să fie permis, lucru realizat prin alocarea unui pin PS/Data In.
Emiţătorul ASK/FSK UHF
Diferenţele între normele americane şi europene fac ca formatul ASK să fie mai folosit în Statele Unite, iar formatul FSK este mai folosit în Europa. rfPIC12C509AG permite o modulaţie ASK prin pornirea şi blocarea PA, fiind astfel realizate rate de date de la 0 la 40 kbps. rfPIC12C509AF permite ambele modulaţii, ASK sau FSK, folosind un comutator intern FSK pentru un al doilea condensator de sarcină pentru cuarţ, realizând astfel rate de date de la 0 la 20 kbps.
În figura 1 se poate vedea un rfPIC12C509AG/509AF, un PLL bazat pe un emiţător cu frecvenţa între 310 şi 470 MHz PLL cu un microcontroler PICmicro integrat.
Oscilatorul cu cuarţ
Oscilatorul cu cuarţ al oscilatorului se bazează pe un oscilator tradiţional Colpitts ce produce frecvenţa de referinţă pentru PLL.
Ambele oscilatoare cu cuarţ pentru rfPIC12C509AG şi rfPIC12C509AF pot fi configurate pentru funcţionare ASK. În figura 2.1 se poate vedea o parte din circuitul folosit pentru cuarţ, pentru generarea unei frecvenţe fixe, acesta fiind încorporat de circuitul aplicaţie ASK.
Condensatorul C1 este folosit pentru a ajusta capacitatea de sarcină a cuarţului şi deci pentru reglarea frecvenţei. În figura 2.2 acest lucru se poate vedea mai clar.
Oscilatorul cu cuarţ al rfPIC12C509AF poate fi configurat pentru funcţionare FSK.
În figura 3 se poate vedea un exemplu de circuit FSK în care modulaţia FSK se realizează cu ajutorul condensatoarelor C1 şi C2 ce modifică frecvenţa cuarţului.
Când DATAFSK = 1, FSK-OUT este în starea de înaltă impedanţă, cuplând efectiv numai condensatorul C1 la cuarţ, iar frecvenţa de emisie rezultantă este fMAX. Când DATAFSK = 0, FSKOUT este legat la VSSRF, iar condensatorul C2 va fi în paralel cu C1, frecvenţa de emisie fiind în acest caz fMIN. Alegerea valorii corespunzătoare pentru C1 şi C2 determină frecvenţa centrală şi deviaţia de frecvenţă. Condensatorul C1 determină fMAX , iar condensatoarele C1 şi C2 în paralel determină fMIN. Graficul din figura 4 arată această relaţie.
Frecvenţa centrală de emisie Fc este definită ca:
Frecvenţa de deviaţie de vârf a frecvenţei de emisie este definită ca:
Proiectarea sursei de curent PLL
Cel mai răspândit circuit PLL este “sursa de curent”. Avantajul sursei de curent faţă de filtrul activ în buclă este că se economiseşte un amplificator operaţional şi faptul că se obţine un zgomot de fază mai mic. Zgomotul de fază este mai mic pentru că sursa de curent funcţionează numai o fracţiune din timp în starea blocat, reducând astfel foarte mult zgomotul de la intrarea de control a VCO. Dispozitivul rfPIC oferă o flexibilitate mai mare prin folosirea unui filtru buclă “off die” realizat cu un rezistor şi două condensatoare. Proiectantul poate alege valorile pentru componente din notele de aplicaţie sau folosind ecuaţiile de mai jos. Schema bloc a unei surse de curent PLL este arătată în figura 5.
Ecuaţiile de bază pentru proiectarea sursei de curent PLL pot fi obţinute prin analiza domeniului de frecvenţă al sistemului standard de control. În cadrul acestei analize, variaţiile tensiunii, frecvenţei şi fazei în domeniul de frecvenţă sunt văzute ca mici variaţii ale semnalului în jurul punctului de funcţionare. Sistemul de control rămâne stabil dacă variaţia fazei pentru bucla totală este mai mic de 360 de grade pentru toate frecvenţele unde câştigul buclei este mai mare ca unu. O tehnică bună este punerea analizei într-o “formă normalizată de ordinul doi”, care permite definirea anumitor parametri ce fac ca funcţionarea buclei să fie uşor de înţeles. Parametrii de interes ai buclei sunt “frecvenţa naturală” wn şi “factorul de reducere” x. Frecvenţa naturală este de fapt frecvenţa la care bucla “oscilează”, dar lărgimea de bandă a buclei este proporţională cu ea şi de acelaşi ordin. Factorul de reducere arată mărimea marginii de fază şi a stabilităţii. Bucla este stabilă dacă x > 0, are cel mai mic timp de stabilizare dacă x = 0.707 şi are o oscilaţie vizibilă dacă x < 1. Aceşti parametri ai buclei, neglijând punctul de trecere al lui C2, sunt daţi de:
.jpg)
Din aceste ecuaţii de analiză obţinem următoarele ecuaţii de proiectare:
.jpg)
În aceste ecuaţii, C este C1 din figura 5. Practic este adăugat un al doilea condensator C2 în paralel cu circuitul serie RC al filtrului ideal al buclei de ordin doi, convertind bucla la ordinul trei şi adăugând o deviaţie suplimentară de fază.
Acest al doilea condensator suprimă zgomotul indus la frecvenţele de offset ale purtătorului egal cu frecvenţa de referinţă (frecvenţa de oscilaţie a cuarţului pentru rfPIC12C509A). Dacă C2 <=0.1C1, atunci bucla este aproximativ de ordin doi. În acest caz, ecuaţiile de mai sus sunt aproximativ corecte. Dacă este necesar, C2 poate avea valori până aproape de 0.3C1, dar este necesară simularea pentru asigurarea marginii de fază corecte pentru aceste valori mari ale lui C2. Pentru rfPIC12C509A este recomandată folosirea de frecvenţe naturale pentru buclă de la 100 kHz la 500 kHz. Timpul de stabilizare al buclei este de aproximativ trei ori inversul frecvenţei naturale, fiind astfel în domeniul 6 la 30 ms. Oscilatorul cu cuarţ necesită totuşi aproximativ 1 ms pentru oscilaţie, astfel că sunt dominante întârzierile ce apar la cuplarea sursei de alimentare. Calculele trebuie să ţină cont de aceste întârzieri.
În Tabelul 1 se pot vedea câteva valori tipice pentru filtrul buclei folosit de rfPIC12C509A pentru frecvenţele uzuale de 315 şi 434 MHz. Aceste valori au fost obţinute folosind ecuaţiile de mai sus, iar apoi s-a folosit SPICE pentru a vedea cât de mare poate fi C2 fără ca marginea de fază să fie prea mică. Pentru aceste calcule, sursa de curent are o valoare Ipd de 250 mA şi valoarea divizorului N de 32. Câştigul VCO, Ko, variază de la aproximativ 320 MHz/volt maxim la valoarea mai mică a domeniului (convertit la rad/sec/volt pentru ecuaţii) la un mimim de aproximativ 80 MHz/V la valoarea cea mai mare a domeniului.
Antene buclă pentru emiţătoare radio de domeniu mic
Proiectantul are control complet pentru proiectarea antenei, ce poate îndeplini factorul de formă cerut şi normele ţării în care va fi vândut produsul.
Antenele buclă mici sunt foarte potrivite pentru utilizarea în emiţătoare de buzunar. Proiectanţii le aleg pentru costul lor mic, pentru robusteţe fizică şi pentru performanţă în apropierea corpului uman. Mai mult, emiţătoarele de domeniu mic cum este rfPIC12C509AG au vizibilitate directă pentru antenele buclă mici, ce sunt foarte des implementate pe plăcile de circuite imprimate sub formă rectangulară sau circulară.
Este foarte uşor de calculat inductanţa şi capacitatea buclei. În practică totuşi, proiectarea antenei nu înseamnă doar calcularea acestor parametri. Antena trebuie adaptată, acordată şi proiectată pentru rejecţia suficientă a armonicilor în ţara unde se foloseşte. Din fericire, urmarea unei proceduri corecte de proiectare permite îndeplinirea acestor cerinţe la un cost foarte mic şi cu un număr mic de componente.
Antena buclă este de fapt un inductor cu o singură spiră. O estimare simplă dar destul de precisă a inductanţei unei antene buclă cu o singură spiră pe o placă de circuit imprimat este dată de:
unde m = 4p x 10-7, l este lungimea buclei, w este lăţimea benzii de cupru şi A este suprafaţa buclei.
De exemplu, pentru o buclă rectangulară de 20mm pe 30mm şi o lăţime a benzii de 2mm, avem o lungime de 0.1m, o suprafaţă de .0006m2, astfel că inductanţa este
Odată cunoscută inductanţa, proiectantul poate apoi calcula capacitatea necesară pentru aducerea la rezonanţă a buclei la frecvenţa de emisie. Prin rearanjarea ecuaţiei cunoscute pentru rezonanţa circuitului LC, găsim:
.jpg)
unde L este inductanţa antenei buclă, w =2pf şi f este frecvenţa de emisie.
De exemplu, folosind antena noastră de 20mm pe 30mm şi presupunând o frecvenţă de emisie de 434MHz, se poate calcula capacitatea necesară pentru oscilaţie buclei ca:
Norme şi specificaţii de proiectare
Înţelegerea normelor asociate cu specificaţiile pentru emiţătoare de date UHF de domeniu mic poate fi dificilă, deoarece normele normele nu sunt scrise într-o manieră clară şi sunt deseori găsite în mai multe documente. Este responsabilitatea proiectantului/furnizorului să asigure că produsele îndeplinesc standardele de telecomunicaţii locale. Nu vă alarmaţi – dacă urmaţi procedurile corecte de proiectare, dispozitivele rfPIC vor permite realizarea de proiecte ce îndeplinesc normele FCC Part 15 americane şi normele ERC 70-03E şi EN 300 220-1 europene. Notele de aplicaţii de la Microchip trebuie să prezinte extrase specifice ale normelor necesare şi modul în care vor afecta proiectarea sistemului şi a antenei folosind microcontrolerele rfPIC.
Willem Hijbeek, Farron Dacus, Jan van Niekerk şi Steven Bible
Microchip Technology Inc.
www.microchip.com