1.数字电路与RF电路的潜在矛盾
RF模块和数字(微控制器)电路可能各自工作良好,但是一旦将两者放在同一块电路板并用同一电源供电就有可能会使事情变得复杂,很多用户都会有这样的经历,购买时在我公司本部测试非常正常,通讯(遥控)距离很远,但和自己的电路放到一起时情况就不理想或非常糟糕.这是因为数字信号线的电平通常会在地电压和电源电压之间摆动.对于大多数应用,其摆幅大约为3~5V.数字信号的切换时间是很快的,通常在纳秒级范围内.由于信号大幅度的快速切换,使之包含了大量高频成分,它与信号切换的频率不同.还有,石英晶体的高次谐波幅度常常也很高,更头疼的是N次谐波的频率有可能就是RF模块的工作频率或本振频率。在模拟电路端,从天线输入到射频接收器的信号可能小于1uVrms.因此,数字和RF信号可能相差100万倍(120dB).这说明,如果模拟和数字信号不能正确的分隔,微弱的RF信号可能会被破坏,导致射频特性变差甚至毫无作用.
2.RF电路和数字电路做在同块PCB上时的常见问题
不能充分的隔离敏感线路和噪声信号线是常常出现的问题.
如上所述,数字信号具有高的摆幅并包含大量高频谐波.如果PCB板上的数字信号布线邻近敏感的模拟信号,高频谐波可能会耦合过去.RF器件的最敏感节点通常为锁相环(PLL)的环路滤波电路,外接的压控振荡器(VCO)电感,晶振基准信号和天线端子,电路的这些部分应该特别仔细处理.
3.供电电源噪声和工作电压
由于输入/输出信号有几伏的摆幅,数字电路对于电源噪声(<50mV)一般可以接受.而RF电路对于电源噪声却相当敏感,尤其是对毛刺电压和其它高频谐波.因此,在包含RF(或其它模拟)电路的PCB板上的电源线布线必须比在普通数字电路板上布线更加仔细,应避免采用自动布线.同时也应注意到,微控制器(或其它数字电路)会在每个内部时钟周期短时间突然吸入大部分电流,这是由于现代微控制器都是采用CMOS技术设计的.因此,假设一个微控制器以1MHz的内部时钟频率运行,它将以此频率从电源提取(脉冲)电流,如果不采取合适的电源去耦,必将引起电源线上的电压毛刺.如果这些电压毛刺到达电路RF部分的电源引脚,严重的可能导致工作失效,因此必须保证将模拟电源线与数字电路区域隔开.
工作电压的选取也直接影响到RF电路正常工作与否,高频模块中各种接收模块和FSK发射模块对工作电压要求比较严,偏离正常的工作电压都将改变电路的工作点使之特性变坏甚至无法工作。
4.不合理的地线
RF电路板应该总是布有与电源负极相连的地线层.如果处理不当,可能产生一些奇怪的现象.对于一个数字电路设计者来说这也许难于理解,因为大多数数字电路功能表现良好,即使没有地线层.而在RF频段,即使一根很短的线也会如电感一样作用.粗略计算,每毫米长度的电感量约为1nH, 434MHz时10mmPCB线路的阻抗约为27欧姆.如果不采用地线层,大多数地线将会较长.电路将无法保证设计特性.
5.天线对其它模拟和数字部分的辐射
在包含射频和其它部分的电路中这一点经常被忽略.除了RF部分,板上通常还有其它模拟和数字电路.例如,许多微控制器内置模数转换器(ADC)用于测量模拟输入,电池电压或其它参数.如果RF发射模块的天线位于此PCB附近(或就在此PCB上),发出的高频信号可能会到达ADC的模拟输入端.不要忘记任何电路线路都可能如天线一样发出或接收RF信号.如果ADC输入端处理不合理,RF信号可能在ADC输入的ESD二极管内自激,从而引起ADC的偏差.同样,和RF发射模块一同使用的还有各种数字调制电路,如编码IC或各种MCU等,如果天线放置不当从天线反馈回来的高频信号和调置信号迭加在一起就可能改变最终发出的无线电信号,从而使得接收端无法解码。
6.实用提示
以下给出在大多数RF应用中的一些通用设计和布线策略.然而,遵循实际采用中的RF器件的布线建议更为重要.
①RF设计者的最佳技巧:一个可靠的地线层面!
当设计有RF元件的PCB时总是应该采用一个可靠的地线层.其目的在于在电路中建立一个有效的0V电位点使所有的器件容易去耦.供电电源的0V端子应直接连接在此地线层.由于地线层低的阻抗,已被去耦的两个节点间将不会产生信号耦合.对于板上多个信号幅值可能相差达120dB,这一点非常重要.
在表面贴装的PCB上(SMT工艺)),所有信号布线在元件安装面的同一面,地线层则在其反面.理想的地线层应覆盖整个PCB(除了天线PCB下方).如果采用两层以上的PCB,地线层应放置在邻近信号层的层上(如元件面的下一层).
另一个好方法是将信号布线层的空余部分也用地线平面填充.这些地线平面必须通过多个过孔与主地线层面连接.请注意由于旁边接地点的存在引起电感的特性改变.
②缩短至地线层的连线
所有对地线层的连接必须尽量短.接地过孔应放置在(或非常接近)元件的焊盘处.决不要让两个地信号共用一个接地过孔.这可能导致由于过孔连接阻抗在两个焊盘之间产生串扰.
③RF去耦
去耦电容应该放置在尽可能靠近引脚的位置.每个需要去耦的引脚处都应采用电容去耦.采用高品质的陶瓷电容,介电类型最好是"NP0", "X7R"在大多数应用中也能较好工作.理想的选择电容值应使其串联谐振等于信号频率.例如434MHz时,SMD贴装的100pF电容将良好工作.此频率时,电容的容抗约为4欧姆.过孔的感抗也在同样范围.串联的电容和过孔对于信号频率形成一个陷波滤波器,使之能有效的去耦.868MHz时,33pF电容是一个理想的选择.除了RF去耦的小值电容,一个大值电容也应放置在电源线路上去耦低频.可选择一个2.2uF陶瓷或10uF的钽电容.
④电源的星形布线
星形布线是模拟电路设计中众所周知的技巧(如图示).分开到各模块的电源线都直接来自供电电源.在这种情况下,星形布线意味着电路的数字部分和RF部分应有各自的电源线路,这些电源线应在靠近IC处分别去耦.这是一个隔开来自数字部分和来自RF部分电源噪声的有效方法.如果将有严重噪声的模块置于同一电路板上,可以将电感或小阻值电阻(10欧姆)串联在电源线和模块之间.并且必须采用至少10uF的钽电容作这些模块的电源去耦.这样的模块如RS-232驱动器或电容降压后经整流的直流电源及开关电源稳压器.
⑤PCB布局
为减小来自噪声模块及周边模拟部分的干扰,各电路模块在板上的排布是重要的.应总是将敏感的模块(RF部分和天线)远离噪声模块(微控制器和RS-232驱动器)以避免干扰.
⑥屏蔽其它模拟部分
如上所述,RF信号在发送时会对其它敏感模拟电路模块如ADC造成干扰.大多数问题发生在较低的工作频段(如27MHz)以及高的功率输出水平.400MHz以上的频率很少造成问题.然而,用RF去耦电容(100pF)连接到地来去耦敏感点是一个好的设计习惯.
⑦天线的处理
天线可以整体做在PCB上或通过阻抗匹配将之引出。惯例中环形天线设计应用于相对较窄的带宽.这有助于抑制强的不需要的信号以免干扰接收.应注意到环形天线(正如所有其它天线)可能收到由附近噪声信号线路容性耦合的噪声.它会干扰接收器,也可能影响发送器的调制.因此在天线附近一定不要排布数字信号线路,并建议在天线周围保持自由空间.接近天线的任何物体都将构成调谐网络的一部分而导致天线调谐偏离预想的频点,使发射范围(距离)减小.
对于所有的各种天线必须注意这一事实,电路板的外壳(外围包装)也可能影响天线调谐,因此将天线安装在外壳时最终调谐天线是很重要的.同时应注意去除天线面积处的地线层面,否则天线不能有效工作.
二、无线数传模块开发注意事项:
无线发射模块必须用信号调制才能正常工作,常见的固定码编码器件如PT2262/2272,只要直接连接即可非常简单,因为是专用编码芯片,所以效果很好传输距离很远。
模块输出脚在模块内部通过一个上拉电阻+5V,使用的时候需要考虑解码器件的输入阻抗。
无线模块还有一种重要的用途就是配合单片机来实现数据通讯,这时有一定的技巧
1。合理的通讯速率
无线模块的最大传输数据速率为9.6KBs,一般控制在2.5k左右,过高的数据速率会降低接收灵敏度及增大误码率甚至根本无法工作。
2。合理的信息码格式
单片机和无线模块工作时,通常自己定义传输协议,不论用何种调制方式,所要传递的信息码格式都很重要,它将直接影响到数据的可靠收发。
码组格式推荐方案
前导码+同步码+ 数据帧
前导码长度应大于是10ms,以避开背景噪声,如采用0,1序列。
因为接收模块接收到的数据第一位极易被干扰(即零电平干扰)而引起接收到的数据错误。所以采用CPU编译码可在数据识别位前加一些乱码以抑制零电平干扰。
同步码主要用于区别于前导码及数据。有一定的特征,好让软件能够通过一定的算法鉴别出同步码,同时对接收数据做好准备。
数据帧不宜采用非归零码,更不能长0和长1。采用曼彻斯特编码或POCSAG码等,如下面的数据格式有一定检错功能:
3。单片机对接收模块的干扰
单片机模拟2262时一般都很正常,然而单片机模拟2272解码时通常会发现遥控距离缩短很多,这是因为单片机的时钟频率的倍频都会对接收模块产生干扰,
51系列单片机工作的时候,会产生比较强的电磁辐射,频率范围在9MHZ-900MHZ,因此它会影响任何此频率内的无线接收设备的灵敏度,解决的方法是尽量降低CPU 晶体的频率。测试表明:在1M晶体的辐射强度,只有12M晶体时的1/3,因此,如果把晶体频率选择在500K以下,可以有效降低CPU的辐射干扰。另外一个比较好的方法是:将接收模块通过一个3芯屏蔽电缆(地,+5V,DATA,屏蔽线的地线悬空)将模块引出到离开单片机2米以外,则不管51CPU使用那个频率的晶体,这种干扰就会基本消除。对于PIC单片机,则没有上述辐射干扰。可以任意使用。
还可以改用频点较高的接收频率,如433MHz就可增加遥控距离,或者需要采用一些抗干扰措施来减小干扰。比如单片机和遥控接收电路分别用两个5伏电源供电,将无线接收板单独用一个78L05供电,单片机的时钟区远离接收模块,降低单片机的工作频率,中间加入屏蔽等。
接收模块和51系列单片机接口时最好做一个隔离电路,能较好地遏制单片机对接收模块的电磁干扰。