Bài giảng Đo điện tử - Chương 7: Đo công suất tín hiệu

Chương7:Đo công suất tín hiệu

7.1.Tổng quát.

7.2.Đo công suất loại truyền dẩn.

7.3.Đo công suất loại hấp thụ.

7.4.Cảm biến đo công suất dùng nhiệt điện trở.

7.5.Cảm biến đo công suất dùng cặp nhiệt điện.

7.6.Cảm biến đo công suất dùng diod.

7.7.Ảnh hưởng của sự phản xạ nhiều lần.

7.8.Đặc tính của thiết bị đo công suất.

7.9.Đo công suất theo thang Logarith.

7.1.Tổng quát về đo công suất

• Công suất là năng lượng truyền dẩn qua phần tử hay hệ thống.

Hoặc công suất là năng lượng được một phần tử hấp thu để

sau đó phần tử này chuyển đổi ra dạng năng lượng khác.

• Có nhiều yếu tố ảnh hưởng đến kỷ thuật đo công suất như:

-Khoảng tần số của tín hiệu đo công suất.-Trị số công suất tín

hiệu nhỏ hay lớn. -Độ chính xác mong muốn. Chính vì vậy một

thiết bị đo công suất không thể cùng lúc đáp ứng các yêu cầu

trên. Có 2 cách thức đo công suất tín hiệu:

• Đo công suất truyền qua thiết bị đo đi từ nguồn đến tải (đo

công suất truyền dẩn).

• Đo công suất hấp thu bằng phần tử (đo công suất hấp thu)

• Đối với tín hiệu thay đổi tuần hoàn theo thời gian:

T

1

T

_{Công suất trung bình:}= v(t).i(t)dt



0

7.2.Đo công suất loại truyền dẩn

• Thiết bị đo công suất được mắc giữa nguồn và tải.

1.Đối với tín hiệu có tần số thấp hoặc DC: Đề cập ở chương 5.

2.Đối với tín hiệu tần số vô tuyến (RF):Thiết bị đo công suất được

ghép với bộ định hướng để xác định chiều truyền dẩn năng

lượng: tín hiệu tới đo công suất tới, tín hiệu phản xạ đo công

suất phản xạ .Phần tử ghép đáp ứng sự truyền dẩn tín hiệu mà

không cần để ý đến pha của tín hiệu qua bộ ghép.

Công sất tín hiệu RF cung cấp cho tải: P_tải= P_tới- P_phản-xạ

Ảnh hưởng của bộ ghép cũng phải được khảo sát, khi phần tử

này được lắp sẳn trong thiết bị đo ảnh hưởng này đã được tính

toán sẳn và đã được hiệu chỉnh nên chỉ đo và đọc kết quả.

3.Đối với tín hiệu có tần số vi ba

Thông thường sử dụng bộ ghép định hướng kết nối với mạch đo

công suất tín hiệu truyền dẩn qua. Tầm đo công suất loại này thay

đổi từ vài miliwatt đến kilowatt. Giới hạn chính là bộ ghép định

hướng ở bên ngoài cho nên phụ thuộc vào hệ số ghép C.

Công suất tín hiệu vi ba đo được:

P_tải= (P_tới- P_phản-xạ)/C

Ví dụ: P_tới=100mW; P_phản-xạ= 60mW; hệ số ghép C = 0,001.

Vậy công suất của tải:

P_tải= (100mW-60mW)x1000 = 40watt.

Lưu ý: Hệ số ghép C còn được tính theo đơn vị dB (decibel):

10logC. Ví dụ C = 0,001; 10log(0,001) = -30dB.

Hệ số ghép C được nhà sản xuất cho phụ thuộc vào tầm tần số

tín hiệu hoạt động, thường có trị số từ -3dB đến -60dB

7.3.Đo công suất loại hấp thu

Thông thường thiết bị đo loại hấp thụ gồm 2 phần tử:

-Cảm biến đo công suất tín hiệu tần số thấp nối vào dây dẩn,

công suất hấp thu tạo ra tín hiệu DC tỉ lệ với công suất cần đo.

-Mạch đo công suất bao gồm mạch khuếch đại và mạch xử lý tín

hiệu để cho ra kết quả. Mạch đo từ đơn giản (thay đổi tầm đo

bằng tay) đến mạch đo phức tạp hơn (tầm đo tự động).

Cảm biến đo công suất được kết nối với dây dẩn sóng đồng trục

hoặc ống dẩn sóng có tần số từ 50MHz đến 40GHz.

Độ hấp thu và độ hao mất do không điều hợp của cảm biến sẽ

làm thay đổi độ nhạy, khi đo phải dùng hệ số hiệu chỉnh.

Khi dùng cách đo loại hấp thu phải biết hệ số hiệu chỉnh để điều

chỉnh kết quả đo đọc được hoặc nếu có sự thay đổi hệ số khuếch

đại thì phải tính toán để điều chỉnh lại kết quả đo.

7.4.Cảm biến nhiệt điện trở bán dẩn

• Đặc tính: Cảm biến là các hợp chất oxid kim loại có trị số tuyệt

đối độ nhạy nhiệt α lớn (α < 0); giá trị nhiệt điện trở là hàm theo

nhiệt độ tương ứng với công suất tín hiệu đưa vào cảm biến.

Hình trên là đặc tuyến điện trở theo công suất của thermistor

ứng với thông số nhiệt độ môi trường.

Mạch nguyên lý đo công suất dùng thermistor

Mạch dùng 2 thermistor T được xem như mắc song song khi

dùng với tín hiệu RF và được mắc nối tiếp vào cầu đo. Khi công

suất tín hiệu RF đưa vào thay đổi thì điện trở của thermistor thay

đổi dẩn đến điện áp ra cầu đo thay đổi tương ứng. Ví dụ công

suất tín hiệu tăng lên, nhiệt điện trở giảm, điện áp ra của cầu

tăng dẩn đến điện áp ra bộ chỉ thị tăng đồng thời hồi tiếp dòng

phân cực về cung cấp cho cầu để giữ cầu ổn định.

Mạch bù nhiệt độ môi trường

• Vì cảm biến thermistor phụ thuộc vào nhiệt độ môi trường nên

phải dùng bộ thứ 2 để bù sự thay đổi nhiệt độ môi trường khi

đo như hình trên. Hai bộ cảm biến này có cùng 1 vỏ bảo vệ để

có cùng nhiệt độ môi trường nhưng mạch điện cách ly nhau.

Mạch đo công suất dùng thermistor có bù nhiệt

Sơ đồ khối mạch đo công suất dùng thermistor gồm các khối

chức năng như hình trên,kết quả là dòng điện qua bộ chỉ thị M

phản ảnh công suất đo thì tỉ lệ với sự sai biệt giữa v_rfvà v_c.Khi

không có tín hiệu RF thì v_rf= v_c, khi công suất tăng sự sai biệt

giữa v_rfvà v_ctăng mà không phụ thuộc nhiệt độ môi trường.

Tầm đo: công suất 1µW đến 10mW; tần số 100KHz đến 100GHz

7.5.Cảm biến đo công suất dùng cặp nhiệt điện

• Đây là cảm biến có tầm đo rộng (công suất và tần số), độ trôi

và tỉ số sóng đứng nhỏ, cấu tạo cảm biến có thành phần điện

trở để khi nhận công suất tín hiệu sẽ biến thành nhiệt cung cấp

cho cặp nhiệt điện, điện trở này được thiết kế có trị số điều hợp

tổng trở với dây dẩn tín hiệu. Phần tử nhiệt điện cấu tạo cảm

biến là hợp chất vàng và chất bán dẩn silicium loại n còn điện

trở bằng vật liệu nitride tantalum có cấu tạo nhỏ và mỏng và có

thể hoạt động tần số lớn hơn 40GHz.

Độ nhạy cảm biến khoảng 160µV/mW và ngưỡng độ nhạy là 1µW

tương ứng điện áp nhỏ nhất 0,16µV cho nên mạch khuếch đại

dùng cho mạch đo dùng phương pháp chopper

1:Cặp nhiệt điện; 2:Chopper; 3:Khuếch đại ½ sóng; 4:Khuếch đại

½ sóng; 5:Khuếch đại và mạch giảm; 6:Tách sóng; 7:khuếch

đại DC; 8:Mạch đa hài; 9:Mạch dao động chuẩn. Bộ cảm biến

đo gồm 2 cặp nhiệt điện: một nhận công suất tín hiệu và một

chỉ nhận nhiệt độ môi trường để bù nhiệt.Tầm đo từ 1µW đến

100mW.Thường máy đo có nguồn chuẩn để hiệu chỉnh hệ số

khuếch đại hoặc khi thay đổi cảm biến cặp nhiệt điện.

7.6.Cảm biến đo công suất dùng diod

• Diod làm cảm biến đo công suất tín hiệu nhỏ hoặc rất nhỏ

được mắc như hình: Tụ C₁ngăn thành phần DC của tín hiệu;

điện trở R lấy điện áp tín hiệu đưa vào diod; Tụ C₂trực thông

tín hiệu RF.

• Điện áp ra của diod là hàm số theo công suất tín hiệu vào.

• Dòng qua diod rất nhỏ (µA) khi điện áp vào nhỏ (mV), quan hệ

giữa dòng và áp theo qui luật bình phương. Khi đó:

Điện áp ngõ ra diod: V₀= CP_rf(tuyến tính).

Như vậy diod được chế tạo thành cảm biến đo công suất phải

đáp ứng tần số tín hiệu và hoạt động theo luật bình phương.

• Công suất tín hiệu từ 0,1µW đến 10µW (diod hoạt động theo

luật bình phương) điện áp ra tuyến tính theo công suất vào.

• Từ 10µW đến 1mW điện áp ra phi tuyến theo công suất vào.Từ

1mW trở đi thì càng phi tuyến hơn, nếu công suất thay đổi 100

lần thì điện áp ra thay đổi 10 lần(diod hoạt động ở vùng tuyến

tính của đặc tuyến V- I.

Trong vùng luật bình phương (P<10µW) công suất không phụ

thuộc vào dạng tín hiệu. Ngoài vùng này, diod chỉ công suất gần

đúng đối với tín hiệu sin (từ 10µW đến 1mW), phần còn lại của

đặc tuyến từ 1mW đến 100mW trị số điện áp ra phải bình phương

để chỉ thị công suất đo.

Đối với tín hiệu bất kỳ hoặc tín hiệu điều biên thì phải giảm nhỏ

công suất để hoạt động ở vùng luật bình phương của diod.

Trong trường hợp tín hiệu đo công suất có sóng hài hoạt động

trong vùng luật bình phương thì điện áp ra có thể tăng hoặc giảm

đi và bằng từ 0,9 đến 1,1 lần điện áp có tần số cơ bản (tín hiệu

không bị méo dạng).

Trong trường hợp tín hiệu đo công suất có sóng hài hoạt động

trong vùng tuyến tính của đặc tuyến V-I của diod, khi đo công suất

thì phải bình phương điện áp ra. Như vậy công suất chỉ thị có sai

số đến 20% trị số thực do sóng hài gây ra.

7.7.Ảnh hưởng của sự phản xạ nhiều lần.

Độ chính xác của các phương pháp đo công suất tín hiệu ngoài

việc phụ thuộc vào đặc tính của cảm biến và mạch đo nó còn phụ

thuộc vào sự điều hợp tổng trở với dây dẩn tín hiệu.

Theo điều kiện lý tưởng thì nguồn tín hiệu và tải (cảm biến) phải

điều hợp hoàn toàn với dây dẩn lúc đó độ chính xác của phương

pháp đo có được theo đặc tính của cảm biến và mạch đo.

Nếu nguồn công suất hoặc cảm biến không điều hợp thì hai phản

xạ này làm sai lệch kết quả đo vì vậy sự tương tác do sự phản xạ

của nguồn công suất và cảm biến đo cần phải được xem xét..

Gọi công suất thực P₀đo được khi có sự điều hợp hoàn toàn

ngược lại P là công suất đo được khi không có sự điều hợp ta có:

P

0

P =

đo

2

1−_g_e

Г_g:Hệ số phản xạ của nguồn; Г_e:Hệ số phản xạ của tải

7.8.Đặc tính của thiết bị đo công suất

1.Đặc tính của cảm biến đo:

-Tần số hoạt động của cảm biến phải đáp ứng được tần số của

tín hiệu đo.Cảm biến đo có tầm tần số rộng thường đắt tiền.

-Công suất đo tối đa của cảm biến. Công suất đo không được

vượt quá trị giá này.

-Tỉ số sóng đứng (SWR) đặc trưng cho sự phản xạ. Cảm biến có

SWR nhỏ sẽ làm giảm sai số gây ra do sự phản xạ của cảm biến

-Độ chính xác của sự hiệu chỉnh.Ảnh hưởng trực tiếp đến độ

chính xác của kết qủa đo.

-Hệ số ghép (trường hợp có bộ ghép).Nhà sản xuất phải cung

cấp để điều chỉnh kết quả đo từ trị số đọc được trên máy.

-Độ định hướng truyền chỉ thị mức độ ngăn cách của bộ ghép

định hướng giữa công suất tới và công suất phản xạ, thường biểu

thị dưới dạng hao mất dB, ta phải dùng bộ ghép định hướng cao

-Độ hao mất: Công suất hấp thu của cảm biến bị suy giảm do sự

hao mất công suất do bộ ghép.Nếu lượng hao mất được biết thì

việc hiệu chỉnh kết quả sẽ chính xác hơn.

2.Đặc tính của mạch đo:

-Độ chính xác của mạch đo: Sự ổn định của mạch khuếch đại và

độ chính xác của tầm đo ảnh hưởng đến độ chính xác của máy.

-Độ trôi điểm không và nhiễu ảnh hưởng đến độ chính xác .Khi sử

dụng cảm biến có độ nhạy lớn sẽ giảm thiểu được ảnh hưởng

các yếu tố này cho mạch đo.

-Tầm đo: Đặc tính cho biết tầm đo nhỏ nhất và tầm đo lớn nhất

của công suất tín hiệu. Mức đo lớn nhất phụ thuộc vào cảm biến,

mức đo nhỏ nhất bị khống chế do ảnh hưởng của độ trôi và tín

hiệu nhiễu.

-Đáp ứng về thời gian: Thời gian cần thiết phải có để hoàn thành

qui trình đo cho đến khi kết quả đo được chỉ thị. Thời gian đáp

ứng tăng lên ở tầm đo nhỏ, để cải thiện ta dùng cảm biến có độ

nhạy lớn.

7.9.Đo công suất theo thang LOGARITH

1.Tỉ số công suất theo đơn vị decibel (dB):

Tính tỉ số công suất theo đơn vị bel:

bel = log (P₂/P₁); P₁: công suất tín hiệu vào; P₂: công suất tín

hiệu ra

Trong thực tế ta thường dùng đơn vị dB:

dB = 10 log (P₂/P₁).

Ví dụ :Công suất vào 150mW đi qua mạch giảm đi -15dB, tí nh

công suất ở ngõ ra của mạch?

P

→ P =150mW 10^−1,5= 4,7mW

2

−15dB =10log =10log

2

P

150mW

1

Decibel thường được sử dụng cho các phần tử tuyến tính như

mạch giảm, mạch khuếch đại để tính độ giảm hoặc độ lợi, nên

nếu có nhiều tầng khuếch đại ghép với mạch giảm theo dạng nối

tiếp thì ta dùng phép cộng đại số cho các số hạng có đơn vị dB

Ví dụ: anten có độ lợi 10dB nối với mạch khuếch đại có độ lợi

14dB, sau đó đưa qua dây dẩn tín hiệu có độ giảm -3dB sau đó

đưa vào mạch khuếch đại có độ lợi 35dB. Tính độ lợi theo dB và

theo trị số thường khi tín hiệu đi qua hệ thống nói trên?

Độ lợi toàn bộ của hệ thống:

Chuyển đổi trị số dB sang trị số thường: 56dB = 10log(P₂/P₁)

10+14 - 3+ 35 = 56dB

P

5,6

log = 5,6 → =10  398100

2

P

1

*Đơn vị dBm: Được định nghĩa: dBm = 10log(P₂/1mW).Như vậy

dBm cũng được dùng để chỉ công suất tín hiệu.

*Đơn vị khối (VU): (lĩnh vực truyền tin) cũng được so sánh với

công suất 1mW trên tải 600Ω của tín hiệu sin (1VU=1dBm).

Trong các lĩnh vực khác nhau như âm thanh, tiếng ồn người ta

còn dùng các đơn vị khác như:

dBW = dB so với chuẩn 1W; dBk = dB so với chuẩn 1kW;

dBrap = db so với chuẩn 10^-16W

2.Tỉ số điện áp theo đơn vị decibel

Decibel còn được dùng để so sánh điện áp 2 tín hiệu:

dB = 20log(v₂/v₁)

v₁: điện áp tín hiệu vào

v₂: điện áp tín hiệu ra

Trong thực tế người ta còn dùng dB để chỉ điện áp của tín hiệu

như trong các vôn kế điện tử đo tín hiệu:

1V  20log1V = 0dB

0,1V  20log 0,1V = −20dB

10V  20log10V = 20dB

Ngoài ra người ta còn dùng đơn vị dBmV/75Ω nghĩa là so với áp

chuẩn trên tải 75Ω:

v₂

dBmV = 20log

1mV