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

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:22

Thêm vào BST

Báo xấu

2
lượt xem 1
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Bài giảng "Đo điện tử": Chương 7 - Đo công suất tín hiệu, cung cấp cho sinh viên những kiến thức như: Đo công suất loại truyền dẫn; Đo công suất loại hấp thụ; Cảm biến đo công suất dùng nhiệt điện trở; Cảm biến đo công suất dùng cặp nhiệt điện; Cảm biến đo công suất dùng diod; Ảnh hưởng của sự phản xạ nhiều lần;... Mời các bạn cùng tham khảo!

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: 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: 1 T Công suất trung bình: = T  0 v(t ).i (t )dt
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: Ptải = Ptới - Pphản-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: Ptải = (Ptới - Pphản-xạ )/C Ví dụ: Ptới =100mW; Pphản-xạ = 60mW; hệ số ghép C = 0,001. Vậy công suất của tải: Ptải = (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 vrf và vc .Khi không có tín hiệu RF thì vrf = vc , khi công suất tăng sự sai biệt giữa vrf và vc tăng 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 C1 ngăn thành phần DC của tín hiệu; điện trở R lấy điện áp tín hiệu đưa vào diod; Tụ C2 trực 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 = CPrf (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
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 P0 đo 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 Pđo = 0 2 1 − g e Гg :Hệ số phản xạ của nguồn; Гe :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, tính công suất ở ngõ ra của mạch? P P2 − 15dB = 10 log 2 = 10 log → P2 = 150 mW 10 −1,5 = 4,7mW P1 150 mW 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: 10+14 - 3+ 35 = 56dB Chuyển đổi trị số dB sang trị số thường: 56dB = 10log(P2 /P1 ) P P log 2 = 5,6 → 2 = 10 5, 6  398100 P1 P1 *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 10-16 W
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  20 log 1V = 0dB 0,1V  20 log 0,1V = −20 dB 10V  20 log 10V = 20 dB Ngoài ra người ta còn dùng đơn vị dBmV/75Ω nghĩa là so với áp chuẩn trên tải 75Ω: v2 dBmV = 20 log 1mV