Đo lường điện chi tiết

Môn học: Đo lường điện

Bài 9

Đo công suất

1/52


Nội dung

Phần I: Khái niệm chung
Phần II: Các phương pháp đo
2/52


PhÇn I

Kh¸i niÖm chung

Phép đo công suất

Các đơn vị đo công suất
Các loại công suất

3/52


Phép đo công suất
CS là tham số quan trọng của các
thiết bị thu phát thông tin, đài điều

khiển tên lửa, trạm ra đa, động cơ
và máy phát điện, máy phát tín
hiệu đo lường

Phạm vi đo rộng:
 từ 10-18 W đến 109 W

Mỗi đối tượng đo có thành phần
công suất đặc trưng xác định
4/52


Tầm quan trọng của các mức CS
CS ra là một chỉ tiêu quan trọng
trong thiết kế và đánh giá chất
lượng hoạt động của các hệ thống.

CS quá thấp
–

Tín hiệu sẽ bị che lấp bởi tạp âm

CS quá cao
Méo phi tuyến
– Tăng độ phức tạp thiết kế, giá thành
thiết bị, giảm độ tin cậy
–

Các thiết bị RF và viba thường làm
việc ở gần c/s giới hạn, nguy cơ

hỏng hóc cao  đo CS là rất cần
thiết

RL 0.0 dBm
ATTEN 10 dB
10 dB / DIV

START 150 MHz
RB 3.00 MHz

VB 300 kHz

STOP 1.150 GHz
ST 13.89 msec

Thậm chí tệ hơn!

5/52


Phép đo công suất ở các tần số khác nhau
DC: CS thường được đo gián tiếp
P = U.I = U2/RL = I2.RL
Tần số thấp: CS thường được đo
gián tiếp
P = U.I = U2/RL = I2.RL

+

U

Z

±

S

R

L

I
Z

S

R

L

V

I

Tần số cao (> 1GHz): CS thường
được đo trực tiếp
U và I thay đổi theo vị trí trên đường
truyền, trong khi P không thay đổi

Z

S

R

L

Z

O

V Inc
VR

6/52


Khái niệm công suất
Lý thuyết mạch: p(t) = u(t)i(t)
I
Với tải tùy ý
P = UI cosφ
cosφ – hệ số CS

Với tải thuần trở
P = UI

p(t)

+ R

U
-

Thành phần AC của CS

Định nghĩa CS: năng
lượng truyền trong
một đơn vị thời gian,
lấy trung bình qua
nhiều chu kỳ của tần
số liên quan thấp nhất

Thành phần DC (trung bình) của CS

Biên độ

i(t)

t

u(t)
7/52


Các đơn vị đo công suất
Đơn vị CS: Oát (W)
1W = 1 joule/sec
Hệ SI: W là một đơn vị cơ bản 1 volt = 1 W/A

 P 

Số đo CS tương đối: dexibel (dB) P (dB)  10log10 

P
 Re f 
Dễ biểu diễn bằng số: VD +63 dB ÷ -153 dB gọn hơn so với
2 × 10+6 W ÷ 0.5 × 10-15 W
Dễ biểu diễn tăng ích - suy giảm của các hệ thống ghép
tầng: thay phép nhân (W) = phép cộng & trừ (dB)

Số đo CS tuyệt đối: dBm

 P 
P (dB)  10 log10 

1
mW


8/52


Các loại công suất
Tín hiệu liên tục

Tín hiệu điều
chế xung
Tín hiệu điều
chế dạng khác
(VD: xung Gauss)

Công suất trung bình
(Average Power)

Công suất xung
(Pulse Power)

Công suất đường
bao đỉnh
(Peak Envelope
Power)

9/52


Công suất trung bình
(Average Power)

Thông dụng, do thuận
tiện về thiết bị đo và độ
chính xác cao
Từ CS trung bình  có
thể suy ra CS xung và
CS đường bao đỉnh
(nếu biết dạng sóng)

Lấy trung bình qua một vài chu kỳ điều chế

thời gian

Lấy trung bình qua nhiều xung thu được

10/52


Công suất xung (Pulse Power)
VD: bộ KĐ đang hoạt động gần mức đầu vào cực đại  cần
biết lượng vượt quá (overshoot) ở sườn lên của xung 
cần đo CS xung
C/S đỉnh

Biên độ đỉnh xung
Overshoot

điểm 90%
của biên độ

điểm 50%
của biên độ

C/S trung bình
Biên độ đáy xung

điểm 10%
của biên độ

Độ rộng xung

t

Risetime

Falltime

Offtime

T = CK lặp lại của xung
11/52


Công suất xung (tiếp theo)
Lấy trung bình mọi biến đổi bất thường trên đỉnh xung.
• Lý thuyết Pxg 

1

t

u(t )i (t )dt

t

(1)

 khó đo ở RF

0

• Thực tế

Ptb

Pxg 
f .t

(2)

 Dễ đo hơn ở RF
 Đo CS trung bình, từ đó
tính ra CS xung

Ptb – chỉ số trên máy đo CS trung bình; f – tần số lặp lại của xung; t độ rộng của xung tính theo mức 0,5 chiều cao đỉnh xung
f.t (Duty Cycle) – thời gian mức cao trong 1 chu kỳ

CS xung cũng có thể đo bằng máy Phân tích CS đỉnh
(Peak Power Analyzer)
12/52


Công suất đường bao đỉnh
(Peak Envelope Power)
CS xung định nghĩa cho xung chữ nhật  với các xung dạng khác
(VD: xung Gauss), cần đo CS đường bao đỉnh
CS đường
bao đỉnh

Pxg tính theo (2)
Pxg tính theo (1)

điểm 50%
của biên độ

CS tức thời ở t = t1

Xung Gauss và các loại CS khác nhau
13/52


Công suất đường bao đỉnh
(tiếp theo)
CS đường bao đỉnh: giá trị cực đại của CS đường
bao (envelope power)
CS đường bao: lấy trung bình CS trong khoảng thời
gian << 1/ fm
fm là thành phần có tần số cao nhất của dạng sóng điều
chế.
Yêu cầu về thời gian lấy trung bình:
(1) << chu kỳ của tần số điều chế cao nhất
(2) >> chu kỳ RF

14/52


Công suất đường bao đỉnh
(tiếp theo)

Đo CS đường bao đỉnh bằng máy Phân tích CS
đỉnh (Peak Power Analyzer)
 Dùng MHS hiển thị liên tục CS đường bao (với một bộ

tách sóng có Ura ~ Pvào)  hình ảnh là hồ sơ công suất
(power profile) của dạng xung



CS đường bao đỉnh là giá trị cực đại của CS đường bao

Khi các xung chữ nhật là hoàn hảo  CS đường bao
đỉnh = CS xung  máy phân tích CS đỉnh có thể
dùng để lấy đặc tính đầy đủ của dạng sóng này

15/52


Tóm tắt về các loại công suất
Đối với tín hiệu liên tục:
CS trung bình = CS xung = CS đường bao đỉnh

CS trung bình thông dụng nhất vì thiết bị đo dễ
sử dụng; độ chính xác cao; các chỉ tiêu kỹ thuật
có thể theo dõi được
Thông thường, CS xung và CS đường bao đỉnh
có thể được tính ra từ CS trung bình (nếu biết
dạng sóng)

16/52


Các thiết bị đo công suất RF và viba
Máy phân tích tín hiệu vec-tơ (Vector Signal Analyzer)
Máy phân tích phổ (Spectrum Analyzer)
Máy phân tích mạng RF (RF Network Analyzer)
Máy phân tích công suất (Power Analyzer)

Máy đo công suất dùng cảm biến (Power Meter with
Sensor), còn gọi là Oatmet (Wattmeter)
Máy đo CS dùng cảm biến (so với các thiết bị khác):
 Thông thường, có ĐCX cao nhất
 Không có khả năng chọn lọc tần số

17/52


o CS hp th v CS truyn thụng
o CS hp thụ: Đo CS tiêu th trên tải hòa hợp của PTĐ; Tải
của PTĐ hấp thụ toàn bộ CS của nguồn phát khi nguồn phát đú
không mắc tải ngoài
Ngun
CS
cn o

ng truyn

Ti
hp th

Bin i
nng lng

Thit b
ch th
Oỏt một

o CS truyn thông: Đo CS trên đờng truyền tới tải thực;

Tải của PTĐ chỉ hấp thụ một phần năng lợng của nguồn phát
Ti
hp th

Bin i
nng lng

Thit b
ch th
Oỏt một

Ngun
CS
cn o

ng truyn

B
phn
ghộp

ng truyn

18/58

Ti
thc

18/52

Phần II

Các phơng pháp đo công suất
c im chung ca o CS tn s cao:
Bin i CS v mt i lng trung gian ri o i lng ú

2.1 PP nhiệt lợng
2.2 PP dùng chuyển đổi Hall
2.3 PP đo điện áp trên tải thuần trở
2.4 PP dựa trên tác động cơ học của sóng điện từ
2.5 PP dùng in tr nhit

19/52


2.1 Ph¬ng ph¸p nhiÖt lîng
Nguyên tắc: biến đổi năng lượng điện từ thành
nhiệt năng (trên điện trở hay vật liệu cách điện
có tổn hao)
Chế tạo oát mét nhiệt lượng (calorimet), đo
CS hấp thụ

Còn gọi là phương pháp Calo
Dải đo 5 W đến 1000 W

20/52


Phơng pháp nhiệt lợng mét

Các thành phần của nhiệt lợng mét:
Nguồn nớc tạo ra dòng nớc chảy qua phần tử nung
(tải hấp thụ)
Thiết bị đo hiệu nhiệt độ (2 cp nhit)
Thit b o lu tốc nớc

21/52


Phơng pháp nhiệt lợng
Nhiệt lợng Q tỏa ra nớc:
Q = V (T2o T1o) = V. To
V - thể tích nớc chảy qua phần tử nung
To - hiệu nhiệt độ của nớc chảy ra và chảy vào
Theo định luật Jule-Lens: nhiệt lợng tỏa ra từ phần tử
nung có điện trở R do dòng điện I chạy qua trong thời
gian t:
Q = 0,24 I2.R.t = 0,24 P.t
P CS cần đo
Suy ra:
V T 0
P .
4,17 v.T 0
t 0, 24
với v = V/t là lu tốc nớc
22/52


Phơng pháp nhiệt lợng
Nếu giữ v = const CS cần đo đợc xác định trực tiếp

thông qua hiệu hai nhiệt độ To có th khắc độ trực
tiếp thang đo của microampemét theo CS
Sai số (tổng cộng khoảng 5 10%)
Lu tốc nớc không ổn định
Sai số của phép đo hiệu nhiệt độ
Phối hợp trở kháng giữa nguồn CS và vật nung
Truyền nhiệt ra môi trờng xung quanh

23/52


Ph¬ng
ph¸p nhiÖt
lîng

Sơ đồ oát mét nhiÖt lîng trong thùc tÕ
24/52


2.2 Phơng pháp sử dụng hiệu ứng Hall
Bộ chuyển đổi Hall: Bản

Điện áp
EH

bán dẫn đơn tinh thể
(germani hoặc silic)

Bn bỏn
dn n

tinh th

2 cặp cực:
Cặp dòng (D-D) đợc cấp
dòng DC hoặc AC
Cặp áp (H-H): cho điện áp ~
(dòng điện * từ cảm tác động
vuông góc lên bề mặt của bản
bán dẫn tinh th)

H

D

H

Dòng điện

D
i

VD: bộ chuyển đổi Hall 1 chiều

25/52