设计指南 1955

快启动振荡器(FOX)提升了超外差性能


摘要 : Maxim在单片超外差接收器器件中开发出了一套独特的快速启动振荡器系统,针对300MHz至450MHz ISM (US)波段的应用,接收器通过缩短启动时间而有效节省了电池能量。快速启动振荡器允许更低占空比的接收器扫描。

简单RF数据传输的一个常见的应用是在当今大多数汽车中常见的遥控无钥匙门禁(RKE)系统,在这些系统中,可控制车门的开关,打开旅行箱,防盗报警。将来还可能应用RKE进行运距离汽车定位和启动。

RKE系统的工作很直观。它由类似钥匙扣的发射器(通常每人一个)和车上的接收器构成。工作频率一般是300MHz到450MHz,但在欧洲有些新系统考虑使用ISM频段分配的868MHz。通讯是单方向的,即数据仅从发射器到接收器。试用这一结构的最重要的原因是低价和使发射器里的电池的寿命尽可能长。

开始工作时,用户按下钥匙扣上的按钮,唤醒内部的单片机发出一串数据流进入RF发射器,数据流包括前导数据、实际命令(比如锁门)、用于车辆识别的信道码以保证你的钥匙不会打开别的车和一些校验位。如图1

图1. 在遥控无钥匙门禁系统中,按下发射扣上的键启动了一个短数据流的发送。
图1. 在遥控无钥匙门禁系统中,按下发射扣上的键启动了一个短数据流的发送。

完整的数据包(64位到128位)通常以2.4kHz至20kHz的速率发送,RF调制方式用键控幅移(ASK)或键控开关(OOK,即调制度为0%和100%的ASK)。这些调制方法降低了价格,延长了钥匙扣里的电池寿命。

低价和长电池寿命在这种应用中非常重要。当你考虑到这一系统使用的数量(几千万)时,低价是必须的。另外,电池寿命尽可能的长对发射器和接收器来说都很重要。

对钥匙扣发射器来说,电池寿命长意味着用户可以少换电池。理想的发射器电池应该和车的使用时间一样长,现在已经有这样的电池,但是你可能不愿意在自己的口袋或包里带一个很大的钥匙扣,小钥匙扣更方便,但是如果每两个月要换一次电池就不方便了。因此,现在的产品在尺寸适当的情况下,电池寿命一般在2到5年。

接收器的电池寿命同样重要。接收器必须一直开着,用户任何时候都可能发射命令。RKE接收器是由汽车的蓄电池(即用于启动汽车的电池)供电。如果接收器的用电消耗太高,电池就可能会没有足够的电力发动汽车。

从表面上看这种担心很愚蠢,汽车电池很大,而接收器的典型功耗只有1mA到5mA。日常使用中这么小的电流根本不要紧,但是如果你把汽车停在机场长达几个星期或更长,情况就不一样了。

汽车制造商由此来确定电池的容量。对某一个RKE系统,电池尺寸(容量)与接收器的功耗和持续工作时间的乘积成正比。因此,他们会预先警告你汽车是否存足了30天以上的电量。现在回到本文的主题-超外差接收器中的振荡器的快速启动是如何影响电池的寿命?

为了简化计算,我们采用了一些中间值。前面已经讨论过数据包和传输速率,假定数据包是100位,数据速率是10kHz (每位0.1ms)。那么发送100位需要10ms。为了节省电能,我们把接收器的工作分成时间片,只让它短时间地开启一下—l;仅仅足够用来判定是否有有效的传输。开启时间通常约占10%的时间。

由于接收器是分时工作的,我们必须提供额外的发送使接收器能检测出所需要的指令。通常是钥匙扣重复发送三次以上。如果总共发送4次,总的发送时间是4x10ms,40ms。接收器要动作,它必须至少要解码其中一次发送的100位(10ms)。

为了至少得到一个完整的传输,接收器必须轮巡工作、察看是否有有效数据(当然,接收器可以一直开着,但是这样耗电较大),给定的40ms数据包不会重复,因此我们必须轮询得足够频繁,这样才能得到其中的一次完整10ms传输。由此可得最大的轮巡时间间隔是30ms。

间隔不能太大,那样可能会错过接收命令。系统时序可能有中断,或者有干扰或其他噪声破坏了数据。保守一点估算,系统应该能接收至少两条完整的传输。因此我们把时间间隔设为20ms。每20ms接收器唤醒一次去解码数据流,如果有数据就解码,否则进入睡眠状态等到下一个20ms。

为了判断是否是有效数据,接收器至少需要7位到8位 数据,即0.75ms时间去解码信息,以此决定是否是发送器发送了所感兴趣的某一频率、某一格式的数据。因此,接收器必须每20ms唤醒约0.75ms。但很不幸,只有非常完美的接收器能达到这一水平。

接收器唤醒也需要时间,大多数接收器里的放大器能在很短的时间内稳定,但振荡器则做不到,压电晶体是一个电磁元件,它需要时间起振,需要更长的时间才能稳定在所需的频率上。

注意许多接收器的指标在这一点上含糊不清。重要的参数是从打开接收器开始到获得给定范围的振荡器频率(即稳定)的时间。其他参数,如IF输出时间,会产生一些误导,当振荡器开始振荡时IF就有输出了,但是接收器的频率还没有锁定在发射器的频率上,这种情况就像收音机调到90MHz,但却实际收到了92MHz,当然,收音机在工作,但它却没有收到你所要的东西。

一般超外差接收机能在2ms至5ms时间内启动并稳定下来。假定在我们的讨论中是2.25ms,另外还需要0.75ms时间用于数据解码,这样每20ms时间中需要3ms时间来检测钥匙扣发射的数据(图2)。MAX1470MAX1471MAX1473超外差接收机就不一样,它内置了一个快启动振荡器,通过维持晶体中的振荡来减少启动时间,因此把启动时间从2.25ms减到0.25ms。0.25ms加上0.75ms的数据解码时间,我们只需1ms时间来检测发射的数据,这些接收机只需原来的1/3时间完成同样的检测功能,节省了电能。

图2. 为了监测发射扣的发射,RKE接收器必须分配时间来唤醒、稳定、然后解码。
图2. 为了监测发射扣的发射,RKE接收器必须分配时间来唤醒、稳定、然后解码。

大多数的高性能超外差接收器(即有很高灵敏度)在5V工作时消耗5mA,MAX1470、MAX1471和MAX1473具有最好的灵敏度,而且是在3.3V供电下消耗5mA,低压工作非常省电:一般接收器要25mW;MAX1470、MAX1471和MAX1473只要16.5mW。考虑到工作时间,每20ms时间片中,一般超外差接收器需要25mW × 3ms = 75µJ;MAX1470、MAX1471和MAX1473只需要16.5mW × 1ms = 16.5µJ (图3)。由此可以看出省电的快速唤醒接收器能延长电池寿命4到5倍。

图3. 更短的唤醒时间也节能,就像降低供电电压一样。
图3. 更短的唤醒时间也节能,就像降低供电电压一样。

因此,对于给定的电池使用时间,我们可以使用更小的电池,同时可节省成本。另一方面,在消耗同样电能的情况下,可以检测得更频繁些,使发射器可以使用更小尺寸的电池。其原因是汽车电池大小主要是由启动电流和储能能力来决定,减小尺寸不一定能带来价格上的优势,但是减小发射器的电池就能带来很多优点,特别是应用在新的轮胎压力监控(TPM)系统中时。

TPM发射器基本上是一个放在轮胎中阀门杆上的发射扣,它测量轮胎气压和温度,发送一个数据包,就像无线钥匙扣一样。但是TPM信息发送得很频繁(相比按键再发送而言),因为你要即时检测到气压问题。为了检测缓慢漏气情况,系统需要在汽车停放时依然监测每个轮胎。

注意:不能在阀门杆上放置一个很大的电池,它会影响车轮平衡。但是接收器的电池也不能很容易更换,因此它应该比发射扣上的电池寿命长得多。由此可见对TPM来说低功耗的传输系统是基本的要求。虽然RKE发射器的设计人员会很自然考虑到低功耗,系统工程师知道提高接收器性能同样会增加功耗,因此,既要低功耗,又要提高接收器性能,没有比装备带快启动振荡器的超外差RKE接收器更好的选择了。

同样版本的文章发表在Planet Analog杂志2002年10月。