UHF ASK接收器的數(shù)據(jù)切片技術(shù)

幅度移鍵控 （ASK） 和開關(guān)鍵控 （OOK） 接收器用于間歇性低數(shù)據(jù)速率應(yīng)用，如 RKE、家庭安全、車庫門開啟器和遙控器。從遠(yuǎn)程發(fā)射器傳輸?shù)紸SK或OOK接收器的數(shù)據(jù)在數(shù)據(jù)切片器中重建。因此，數(shù)據(jù)切片器是 ASK 和 FSK 接收器的組成部分，根據(jù) FCC 第 260.470 部分的規(guī)則，這些接收器在 15MHz 至 231MHz 短程 UHF 頻段工作。本應(yīng)用筆記解釋了Maxim的UHF接收器（包括MAX1470、MAX1473和MAX1471）以及MAX7030和MAX7032等收發(fā)器的數(shù)據(jù)切片器的工作原理。

介紹

在最簡單的形式中，數(shù)據(jù)切片器是一個(gè)模擬比較器，用于將解調(diào)的ASK信號與閾值進(jìn)行比較。如果解調(diào)信號電壓超過閾值，比較器輸出將變?yōu)楦唠娖剑ǔ?a target="_blank">電源電壓。如果解調(diào)信號低于閾值，則比較器輸出變?yōu)榈碗娖剑ǔ榱惴虻亍?/p>

本應(yīng)用筆記回顧了數(shù)據(jù)切片的兩個(gè)方面：形成比較器閾值，以及防止比較器輸出在沒有信號時(shí)“抖動”。后一種操作通常稱為“靜噪”，可以通過在數(shù)據(jù)比較器的任一引腳上引入簡單的電壓偏移來完成。該失調(diào)可以直接來自電源或使用遲滯，遲滯是從數(shù)據(jù)切片器比較器反饋部分輸出電壓的過程。

我們將展示三種不同的閾值形成方法，以及三種引入靜噪的不同方法，所有這些都可以通過添加一些外部電阻和/或電容器來完成。

解調(diào)ASK信號

Maxim ASK接收器使用解調(diào)器，該解調(diào)器是精心設(shè)計(jì)的限幅IF放大器。該放大器產(chǎn)生的電壓與輸入IF信號功率的對數(shù)成比例。當(dāng)不存在信號時(shí)，放大器形成的電壓由靜態(tài)直流值和小時(shí)變噪聲電壓組成。圖1顯示了解調(diào)器輸出響應(yīng)ASK調(diào)制信號的波形。波形將在靜態(tài)電壓V之間來回切換0，當(dāng)信號被鍵關(guān)閉時(shí)，并且信號電壓，Vs，當(dāng)信號按鍵打開時(shí)。在MAX1473中，V0典型值約為 1.2V 和 Vs靈敏度范圍約為40mV，信號電平為非常高時(shí)約為1V。

圖1.ASK解調(diào)器輸出。

數(shù)據(jù)切片器框圖

圖2所示為MAX1473 ASK接收器的框圖。本應(yīng)用筆記重點(diǎn)介紹構(gòu)成數(shù)據(jù)切片器的三個(gè)運(yùn)算放大器和圖右下角的七個(gè)引腳。圖3中重新繪制了相同的功能塊，以更清楚地說明每個(gè)電路的功能。圖中電阻和電容的參考指示符與MAX1473評估板原理圖中的參考指示符相同。運(yùn)算放大器U1及其組件構(gòu)成Sallen-Key數(shù)據(jù)濾波器，用于平滑ASK解調(diào)器檢測到的幅度輸出。運(yùn)算放大器U2及其元件構(gòu)成數(shù)據(jù)切片器比較器，而峰值檢測運(yùn)算放大器U3及其元件構(gòu)成峰值檢測器輸出?，F(xiàn)在，我們可以專注于該電路的各個(gè)部分，以了解數(shù)據(jù)切片操作中的各種選項(xiàng)。

圖2.MAX1473 ASK接收器框圖

圖3.MAX1473中的數(shù)據(jù)切片器模塊框圖，包括外部元件

基本數(shù)據(jù)切片電路

圖4所示為最簡單的數(shù)據(jù)切片電路。數(shù)據(jù)濾波器DFO的輸出進(jìn)入數(shù)據(jù)切片器比較器DSP的正引腳，并通過簡單的RC低通濾波器在DSN處形成切片閾值電壓。當(dāng)檢測到并濾波的ASK信號DFO通過R1和C4形成的低通濾波器并建立時(shí)，DSN引腳的直流值介于該信號的最大和最小電壓之間。圖5顯示了使用電壓V的DSP和DSN上的波形0和 Vs從圖 1 。請注意，DSN處的穩(wěn)態(tài)電壓為V0+ Vs/2.當(dāng)接收到的數(shù)據(jù)流在數(shù)據(jù)包或幀的開頭（以前導(dǎo)碼或同步模式的形式）具有足夠的額外位時(shí)，該電路可以承受損失，而R1-C4電路充電到正確的切片閾值時(shí)，該電路可以承受損失。當(dāng)需要檢測序列的前一位時(shí)，DSN處形成閾值電壓的電路需要快速達(dá)到該電壓。這就是峰值檢測器可以提供幫助的地方。

圖5.DSN和DSP信號，用于基本數(shù)據(jù)切片閾值的形成。

具有快速閾值形成功能的數(shù)據(jù)切片器

在ASK接收器中增加來自峰值檢測器的電壓可以加速數(shù)據(jù)切片閾值DSN的形成。圖6中的電路說明了數(shù)據(jù)濾波器和峰值檢波器對DSN的貢獻(xiàn)如何結(jié)合起來產(chǎn)生快速響應(yīng)的閾值電壓。通過將DFO和PDOUT視為兩個(gè)獨(dú)立的電壓源，我們可以使用疊加技術(shù)（單獨(dú)找到每個(gè)源的響應(yīng)，然后添加響應(yīng)）來確定DSN的電壓。峰值檢波器的貢獻(xiàn)是通過C13和C4形成的電容分壓器的瞬時(shí)電壓跳躍。該電壓跳變衰減到由R1和R2形成的電阻分壓器確定的穩(wěn)態(tài)值。R1-C4低通濾波器的貢獻(xiàn)與基波數(shù)據(jù)切片器電路緩慢上升的閾值相同。通過仔細(xì)選擇兩個(gè)R和兩個(gè)C值，這兩個(gè)貢獻(xiàn)可以相互補(bǔ)充，并在DSN處形成閾值電壓，理想情況下，該閾值電壓立即跳到正確的閾值并保持在那里。

圖6.用于快速閾值形成的電路和波形。

圖7顯示了兩組不同電阻和電容的兩個(gè)DSN波形。在DSN處產(chǎn)生最接近瞬時(shí)跳躍的閾值電壓的組件組合遵循以下準(zhǔn)則：

圖7.使用峰值檢測器的組合DSN電壓與時(shí)間的關(guān)系。

我們可以通過一個(gè)具體的例子來說明 R 和 C 的選擇。對于4kbps NRZ的ASK數(shù)據(jù)速率，R1-C4低通濾波器的時(shí)間常數(shù)應(yīng)約為5位間隔，即5 x 0.25ms或1.25ms。R1 和 C4 的一個(gè)不錯(cuò)的選擇是：

R1 = 25 kΩ 和 C4 = 0.047 μF

我們選擇 C13 等于 C4，并使 R2 比 R1 大得多（因子 10 是好的）：

R2 = 250 kΩ 和 C13 = 0.047 μF

此選項(xiàng)將導(dǎo)致閾值電壓DSN從V跳升0到 V0+ Vs/2，然后穩(wěn)定為 V0+0.55Vs.

請注意，這種建立快速切片閾值的方法會在閾值中創(chuàng)建一個(gè)小錯(cuò)誤。此外，與閾值電壓從初始值到最終值的變化相關(guān)的時(shí)間常數(shù)（這是一個(gè)非常小的變化）由以下乘積給出：

時(shí)間常數(shù) = （R1 ||R2 x （C4 + C13））

這大約是R1-C4平滑電路時(shí)間常數(shù)的兩倍。我們可以通過減小每個(gè)電容器值來糾正這種變化，但這不是必需的。由于閾值在初始跳躍后變化很小，因此時(shí)間常數(shù)并不像缺乏峰值檢測器貢獻(xiàn)的電路中那樣重要。

帶雙峰檢測器的數(shù)據(jù)切片器

將單峰值檢測器與R-C平滑電路結(jié)合使用以形成切片閾值有一個(gè)小缺點(diǎn)：最終閾值與其理想值略有不同，理想值介于來自數(shù)據(jù)濾波器的最大和最小電壓之間。

使用最大和最小峰值檢測器是改善切片閾值快速建立的一種方法。MAX1471 ASK/FSK接收器、MAX7042 FSK接收器和MAX7030/MAX7031/MAX7032收發(fā)器具有最大和最小峰值檢波器，因此無需單路R-C平滑電路。 圖8顯示了這些峰值檢測器，每個(gè)檢波器都有一個(gè)外部電阻和電容。每個(gè)電容保持峰值電壓，每個(gè)電阻器為相關(guān)電容提供放電路徑。這種設(shè)計(jì)允許峰值檢波器動態(tài)跟蹤數(shù)據(jù)濾波器輸出電壓的任何峰值變化。最大和最小峰值檢波器可以一起使用，在數(shù)據(jù)流的最大和最小電壓電平之間的一個(gè)值處形成一個(gè)數(shù)據(jù)切片器閾值電壓。這些R-C對的RC時(shí)間常數(shù)應(yīng)設(shè)置為位間隔的五倍左右，就像本應(yīng)用筆記前面描述的簡單閾值平滑電路一樣。

圖8.具有最大和最小峰值檢測器的數(shù)據(jù)切片器電路。

如果某些因素導(dǎo)致基帶信號幅度發(fā)生顯著變化，例如AGC增益開關(guān)或上電瞬變，峰值檢波器可能會“捕獲”錯(cuò)誤電平。如果檢測到假峰，則切片水平不正確。由于RC時(shí)間常數(shù)的長度為幾位，因此峰值檢波器可能無法快速恢復(fù)。然而，帶有雙峰檢波器的Maxim接收器都至少有一個(gè)用于復(fù)位峰值檢波器輸出的配置：接收器暫時(shí)允許峰值檢波器跟蹤信號。在MAX7042 FSK接收器中，峰值檢波器通過暫時(shí)將ENABLE引腳拉低，然后將其返回到邏輯高電平設(shè)置來復(fù)位。MAX7030和MAX7031收發(fā)器以相同的方式復(fù)位峰值檢波器，但只要AGC功能改變狀態(tài)或T/R開關(guān)進(jìn)入接收狀態(tài)，也會復(fù)位峰值檢波器。MAX1471 ASK/FSK接收器和MAX7032 ASK/FSK收發(fā)器通過串行端口復(fù)位峰值檢波器，并在接收機(jī)進(jìn)入休眠模式時(shí)自動復(fù)位峰值檢波器。

向數(shù)據(jù)切片器添加基本靜噪

在沒有ASK信號的情況下，ASK檢波器輸出由具有時(shí)變噪聲電壓的直流電壓組成，其峰峰值約為20mV。當(dāng)數(shù)據(jù)切片器比較器在DSN閾值電壓上來回?cái)[動時(shí)，該噪聲電壓就會出現(xiàn)，導(dǎo)致比較器的輸出“顫振”，即在電源電壓和地之間快速隨機(jī)地來回跳動。這種行為通常會不必要地喚醒微處理器，有時(shí)會給電源線增加噪聲。阻止這種顫振的一種方法是使用簡單的靜噪電路，該電路在數(shù)據(jù)切片器的正（DSP）或負(fù)（DSN）引腳上增加一個(gè)小的直流偏移。

圖9顯示了使用電源作為直流偏移源的簡單靜噪電路。通常，您只需要一個(gè)大電阻，該電阻值是數(shù)據(jù)濾波器輸出DFO和比較器任一輸入引腳之間的電阻值的50至100倍。在圖9的第一個(gè)電路中，小失調(diào)被添加到DSP中。如果失調(diào)約為30mV，則會發(fā)生兩件事。首先，在沒有信號的情況下，DSP直流電壓上的噪聲永遠(yuǎn)不會使DSP電壓低于DSN的閾值水平;其次，DATAOUT引腳將保持高電平，即VDD.在圖9的第二個(gè)電路中，偏移量被添加到DSN中?，F(xiàn)在，DSP上直流電壓上的噪聲永遠(yuǎn)不會使DSP電壓超過DSN增加的閾值，并且DATAOUT引腳將保持低電平，即GND。靜噪電路會略微降低靈敏度（當(dāng)仔細(xì)選擇電阻分壓器時(shí)，靈敏度約為1dB至2dB），當(dāng)存在解調(diào)信號時(shí)，在DATAOUT處產(chǎn)生稍寬的正數(shù)據(jù)脈沖和稍窄的負(fù)數(shù)據(jù)脈沖。

圖9.兩個(gè)使用電源電壓的簡單靜噪電路。

雙峰檢波器的靜噪

使用上圖8中的雙峰檢測器可以形成另一個(gè)簡單的靜噪電路。使兩個(gè)電阻略微不相等會使閾值高于或低于兩個(gè)峰值電壓的中點(diǎn)，具體取決于哪個(gè)電阻更大。如果將門限設(shè)置為略高于中點(diǎn)30mV至50mV，則當(dāng)沒有信號存在時(shí)，DATAOUT引腳將保持低電平。類似地，如果閾值設(shè)置略低于中點(diǎn)，則當(dāng)沒有信號時(shí)，DATAOUT引腳將保持高電平。

向數(shù)據(jù)切片器添加電阻遲滯

您還可以使用一個(gè)大電阻將數(shù)據(jù)切片器的DATAOUT引腳連接到DSP引腳。圖10顯示了電阻遲滯的等效電路。這種方法與連接V的效果幾乎相同DD通過電阻器連接到 DSP 引腳。這里唯一的區(qū)別是，當(dāng)存在解調(diào)信號時(shí)，DSP處的小偏移僅在解調(diào)數(shù)據(jù)的正擺幅期間存在。因此，在 DATAOUT 處，正數(shù)據(jù)脈沖寬度的增加略小，因?yàn)檎龜?shù)據(jù)脈沖的前緣不會因偏移的存在而提前。

圖 10.用于靜噪功能的電阻遲滯電路。

向數(shù)據(jù)切片器添加容性遲滯

電容遲滯在DATAOUT信號的過度抖動和靜噪或電阻遲滯引起的靈敏度降低之間提供了折衷方案。容性遲滯電路如圖11所示。

與阻性遲滯一樣，DATAOUT信號的一小部分被反饋回DSP引腳，這次通過電容分壓器C7-C9。C10的典型電容值為7pf，C1000的典型電容值為9pf。添加到DSP的失調(diào)不同，因?yàn)樗且粋€(gè)瞬態(tài)失調(diào)，衰減的時(shí)間常數(shù)由下式給出：

R8 x （C9 + C7）

根據(jù)時(shí)間常數(shù)的長度，失調(diào)使DSP上的噪聲不會低于切片閾值，直到失調(diào)衰減。這有效地增加了 DATAOUT 引腳保持高電平的時(shí)間，從而降低了 DATAOUT 顫振的頻率。雖然電容遲滯不能完全消除顫振，但它減少了轉(zhuǎn)換次數(shù)。

請注意，C9的存在會在解調(diào)的ASK信號路徑中產(chǎn)生另一個(gè)R8的低通濾波器。與此濾波器時(shí)間常數(shù)相關(guān)的極點(diǎn)應(yīng)大于Sallen-Key數(shù)據(jù)濾波器的帶寬，以免濾波信號太慢。

圖 11.電容遲滯電路和波形。

審核編輯：郭婷