功率測(cè)量技術(shù)及其應(yīng)用

O 引言

功率測(cè)量用于測(cè)量電氣設(shè)備消耗的功率，廣泛應(yīng)用于家用電器、照明設(shè)備、工業(yè)用機(jī)器等研究開(kāi)發(fā)或生產(chǎn)線(xiàn)等領(lǐng)域中。本文重點(diǎn)介紹了幾種功率測(cè)量的方法及其具體應(yīng)用。

l 功率測(cè)量技術(shù)

測(cè)量功率有4種方法：

(1)二極管檢測(cè)功率法；

(2)等效熱功耗檢測(cè)法；

(3)真有效值/直流(TRMS/DC)轉(zhuǎn)換檢測(cè)功率法；

(4)對(duì)數(shù)放大檢測(cè)功率法。

下面分別介紹這4種方法并對(duì)各自的優(yōu)缺點(diǎn)加以比較。

1.1 利用二極管檢測(cè)功率法

用二極管檢測(cè)輸入功率的電路如圖l所示，圖l(a)為簡(jiǎn)單的半波整流、濾波電路，該電路的總輸入電阻為50Ω。D為整流管，C為濾波電容。射頻輸入功率PIN經(jīng)過(guò)整流濾波后得到輸出電壓U0。但是當(dāng)環(huán)境溫度升高或降低時(shí)U0會(huì)顯著變化。圖1(b)為經(jīng)過(guò)改進(jìn)后的二極管檢測(cè)輸入功率的電路，該電路增加了溫度補(bǔ)償二極管D2，可對(duì)二極管D1的整流電壓進(jìn)行溫度補(bǔ)償。二極管具有負(fù)的溫度系數(shù)，當(dāng)溫度升高時(shí)D1的壓降會(huì)減小，但D2的壓降也同樣地減小，最終使輸出電壓仍保持穩(wěn)定。

需要指出，二極管檢測(cè)電路是以平均值為響應(yīng)的，它并不能直接測(cè)量 輸入功率的有效值，而是根據(jù)正弦波有效值與平均值的關(guān)系來(lái)間接測(cè)量有效值功率的。顯然，當(dāng)被測(cè)波形不是正弦波時(shí)，波峰因數(shù)就不等于1．4142，此時(shí)會(huì)產(chǎn)生較大的測(cè)量誤差。

1．2 等效熱功耗檢測(cè)法

等效熱功耗檢測(cè)法的電路如圖2所示。它是把一個(gè)未知的交流信號(hào)的等效熱量和一個(gè)直流參考電壓的有效熱量進(jìn)行比較。當(dāng)信號(hào)電阻(R1)與參考電阻(R2)的溫度差為零時(shí)，這兩個(gè)電阻的功耗是相等的，因此未知信號(hào)電壓的有效值就等于直流參考電壓的有效值。R1、R2為匹配電阻，均采用低溫度系數(shù)的電阻，二者的電壓降分別為KU1和KU0。為了測(cè)量溫差，在R1、R2附近還分別接著電壓輸出式溫度傳感器A、B，亦可選用兩支熱電偶來(lái)測(cè)量溫差。在R1和R2上還分別串聯(lián)著過(guò)熱保護(hù)電阻。

盡管等效熱功耗檢測(cè)法的原理非常簡(jiǎn)單，但在實(shí)際應(yīng)用中很難實(shí)現(xiàn)，并且這種檢測(cè)設(shè)備的價(jià)格非常昂貴。

1.3 真有效值/直流(TRMS/DC)轉(zhuǎn)換檢測(cè)功率法

真有效值/直流轉(zhuǎn)換檢測(cè)功率法的最大優(yōu)點(diǎn)是測(cè)量結(jié)果與被測(cè)信號(hào)的波形無(wú)關(guān)，這就是“真正有效值”的含義。因此，它能準(zhǔn)確測(cè)量任意波形的真有效值功率。測(cè)量真有效值功率的第一種方法是采用單片真有效值/直流轉(zhuǎn)換器(例如AD636型)，首先測(cè)量出真有效值電壓電平，然后轉(zhuǎn)換成其真有效值功率電平。

另一種測(cè)量真有效值功率的電路框圖如圖3所示，該電路所對(duì)應(yīng)的典型產(chǎn)品為AD8361型單片射頻真有效值功率檢測(cè)系統(tǒng)集成電路。U1為射頻信號(hào)輸入端，U0為直流電壓輸出端。US端接2．7～5．5V電源，COM為公共地。IREF為基準(zhǔn)工作方式選擇端，PWDN為休眠模式控制端。FLTR為濾波器引出端，在該端與US端之間并聯(lián)一只電容器，可降低濾波器的截止頻率。SREF為電源基準(zhǔn)控制端。

從U1端輸入的射頻有效值電壓為U1，經(jīng)過(guò)平片器1產(chǎn)生一個(gè)與U12成比例的脈動(dòng)電流信號(hào)i，該電流信號(hào)通過(guò)由內(nèi)部電阻R1和電容C構(gòu)成的平方律檢波器獲得均方值電壓U12，輸入到誤差放大器的同相輸入端。利用平方器2與誤差放大器可構(gòu)成一個(gè)閉合的負(fù)反饋電路，將負(fù)反饋信號(hào)加到誤差放大器的反相輸入端進(jìn)行溫度補(bǔ)償。當(dāng)閉環(huán)電路達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，輸出電壓U0(DC)就與輸

入有效值功率PIN成正比。有關(guān)系式

式中：k為真有效值/直流轉(zhuǎn)換器的輸出電壓靈敏度，AD8361的k=7．5 mV/dBm。

這種檢測(cè)方法有以下優(yōu)點(diǎn)：第一，由于兩個(gè)平方器完全相同，因此在改變量程時(shí)不影響轉(zhuǎn)換精度；第二，當(dāng)環(huán)境溫度發(fā)生變化時(shí)，兩個(gè)平方器能互相補(bǔ)償，使輸出電壓保持穩(wěn)定；第三，所用平方器的頻帶非常寬，可從直流一直到微波頻段。

1．4 對(duì)數(shù)放大檢測(cè)功率法

對(duì)數(shù)放大檢測(cè)器是由多級(jí)對(duì)數(shù)放大器構(gòu)成的，其電路框圖如圖4所示。圖4中共有5個(gè)對(duì)數(shù)放大器(A～E)，每個(gè)對(duì)數(shù)放大器的增益為20dB(即電壓放大系數(shù)為lO倍)，最大輸出電壓被限制在為lV。因此，對(duì)數(shù)放大器的斜率ks=lV/20dB，即50mV/dB。5個(gè)對(duì)數(shù)放大器的輸出電壓分別經(jīng)過(guò)檢波器送至求和器(∑)，再經(jīng)過(guò)低通濾波器獲得輸出電壓U0。對(duì)數(shù)放大器能對(duì)輸入交流信號(hào)的包絡(luò)進(jìn)行對(duì)數(shù)運(yùn)算，其輸出電壓與kS、PIN的關(guān)系式為

式中：b為截距，即對(duì)應(yīng)于輸出電壓為零時(shí)的輸入功率電平值。

普通對(duì)數(shù)放大器的特性曲線(xiàn)僅適用于正弦波輸入信號(hào)。當(dāng)輸入信號(hào)不是正弦波時(shí)，特性曲線(xiàn)上的截距會(huì)發(fā)生變化，從而影響到輸出電壓值。此時(shí)應(yīng)對(duì)輸出讀數(shù)進(jìn)行修正。需要指出，盡管ADI公司生產(chǎn)的AD8362型單片射頻真有效值功率檢測(cè)器也屬于對(duì)數(shù)檢測(cè)功率法，但它通過(guò)采用獨(dú)特的專(zhuān)利技術(shù)能適用于任何輸入信號(hào)波形，并且特性曲線(xiàn)上的截距不隨輸入信號(hào)而變化。

2 單片直流功率測(cè)量系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

MAX42ll屬于低成本、低功耗、高端直流功率/電流測(cè)量系統(tǒng)，它是利用精密電流檢測(cè)放大器來(lái)測(cè)量負(fù)載電流，再利用模擬乘法器來(lái)計(jì)算功率的，因此并不影響負(fù)載的接地通路，特別適合測(cè)量電池供電系統(tǒng)的功率及電流值。檢測(cè)功率和電流的最大誤差均低于±1．5％，頻率帶寬為220kHz。被測(cè)源電壓的范嗣是4—28v。檢測(cè)電流時(shí)的滿(mǎn)量程電壓為100mV或150mV。電源電壓范嗣是2．7~5.5V，工作電流為670μA(典型值)。

MAX42ll A/B/C的簡(jiǎn)化電路如圖5所示，主要包括精密電流檢測(cè)放大器，25：1的電阻分壓器，模擬乘法器。外圍電路包括被測(cè)的4~28V源電壓，2．7～5.5V的芯片工作電壓，電流檢測(cè)電阻RSENSE和負(fù)載。其測(cè)量原理是利用精密電流檢測(cè)放大器來(lái)檢測(cè)負(fù)載電流，獲得與該電流成正比的模擬電壓，再將該電壓加至模擬乘法器，將負(fù)載電流與源電壓相乘后，從POUT端輸出與負(fù)載功率成正比的電壓。令功率檢測(cè)放大器的增益為G，RSENSE上的電壓為USENSE，RS+引腳的源電壓為URS+

，則有

MAX42l1A/B/C內(nèi)部的分壓器電阻，接到RS+端和模擬乘法器的輸入端。這種設(shè)計(jì)可精確測(cè)量電源負(fù)載的功率并為電源(例如電池)提供保護(hù)。從POUT端、IOUT端輸出的功率信號(hào)和電流信號(hào)，可分別經(jīng)過(guò)A/D轉(zhuǎn)換器送至單片機(jī)。理想情況下，最大負(fù)載電流在RSENSE兩端產(chǎn)生滿(mǎn)量程檢測(cè)電壓。選擇合適的增益，使電流檢測(cè)放大器既能獲得最大輸出電壓，又不會(huì)出現(xiàn)飽和。在計(jì)算RSENSE的最大值時(shí)，應(yīng)使RS+端與RS一端之間的差分電壓不超過(guò)滿(mǎn)量程檢測(cè)電壓。適當(dāng)增加RSENSE的電阻值，可提高USENSE，有助于減小輸出誤差。

3 單片真有效值射頻功率測(cè)量系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

對(duì)通信系統(tǒng)的要求是在發(fā)送端必須確保功率放大器能滿(mǎn)足發(fā)射的需要，并且輸出功率不超過(guò)規(guī)定指標(biāo)，否則會(huì)導(dǎo)致設(shè)備過(guò)熱損壞。因此，在發(fā)射機(jī)電路中必須增加射頻功率測(cè)量和功率控制電路。同樣，射頻功率測(cè)量對(duì)接收機(jī)也是必不可少的。根據(jù)有效值定義所計(jì)算出的功率就稱(chēng)為“真有效值功率”(True Root Mean Square Power)，簡(jiǎn)稱(chēng)“真功率”(True Power)。由于現(xiàn)代通信系統(tǒng)具有恒定的負(fù)載和阻抗源(通常為50Ω)，因此只需知道有效值電壓就能計(jì)算出功率，即可將功率測(cè)量轉(zhuǎn)化為對(duì)有效值電壓的測(cè)量。

傳統(tǒng)的射頻功率計(jì)或射頻檢測(cè)系統(tǒng)的電路復(fù)雜，集成度很低。最近，美國(guó)ADI公司相繼推出AD8361、AD8362和AD8318型全集成化的單片射頻真有效值功率測(cè)量系統(tǒng)，不僅能精確測(cè)量射頻(RF)功率，還可測(cè)量中頻(IF)、低頻(LF)功率。

AD8318是采用將晶片絕緣硅與超高速互補(bǔ)雙極型相結(jié)合的高速硅鍺制造工藝而制成的單片射頻功率測(cè)量系統(tǒng)。其內(nèi)部解調(diào)式對(duì)數(shù)放大器的輸出電壓與被測(cè)功率成正比，能精確測(cè)量1MHz～8GHz的射頻功率。適合測(cè)量于機(jī)和無(wú)線(xiàn)LAN基站的無(wú)線(xiàn)輸出功率。AD8318不僅遠(yuǎn)優(yōu)于傳統(tǒng)的產(chǎn)品，而且比模塊式測(cè)量系統(tǒng)具有更高的性?xún)r(jià)比，比采用二極管檢測(cè)功率法的精度更高。AD8318集高精度、低噪聲、寬動(dòng)態(tài)范圍等優(yōu)點(diǎn)于一身。AD8318在高達(dá)5.8GHz的輸入頻率下，測(cè)量精度優(yōu)于±ldB，動(dòng)態(tài)范圍是55dB；在8GHz時(shí)精度優(yōu)于±3dB，動(dòng)態(tài)范圍超過(guò)58dB。而輸出噪聲僅為它采用對(duì)數(shù)放大檢測(cè)功率法，對(duì)數(shù)斜率的額定值為一25mV/dB，并可通過(guò)改變UOUT、USET引腳之間反饋電壓的比例系數(shù)來(lái)進(jìn)行凋整。在從IN+端輸入信號(hào)時(shí)，截距功率電平為一25dB。AD8318的典型應(yīng)用電路如圖6所示。

AD8318是專(zhuān)為測(cè)量高達(dá)8 GHz的射頻功率而設(shè)計(jì)的，因此保持IN+、IN一引腳之間及各功能單元電路的絕緣性至關(guān)重要。AD8318的正電源端UPSI、UPS0必須接相同的電壓，由UPSI端為輸入電路提供偏置電壓，由UPSO端為UOUT端的低噪聲輸出驅(qū)動(dòng)器提供偏置電壓。AD8318內(nèi)部還有一些獨(dú)立的公共地。CMOP被用作輸出驅(qū)動(dòng)器的公共地。所有公共地應(yīng)接到低阻抗的印制扳地線(xiàn)區(qū)。允許電源電壓范圍是4．5～5．5V。C3～C6為電源退耦電容，應(yīng)盡量靠近電源引腳和地。

AD8318采用交流耦合、單端輸入方式。當(dāng)輸入信號(hào)頻率為lMHz～8GHz時(shí)，接在IN+、IN一端的耦合電容(C1、C2)可采用0402規(guī)格的lnF表面封裝式瓷片電容，耦合電容應(yīng)靠近IN+、IN-引腳。外部分流電阻R1(52．3Ω)與IN+端相配合，可提供一個(gè)具有足夠帶寬的50Ω匹配阻抗。AD8318的輸出電壓可直接送給數(shù)字電壓表(DVM)，亦可送至帶A/D轉(zhuǎn)換器的單片機(jī)(μC)。

4 結(jié)語(yǔ)

本文詳細(xì)介紹了常用的4種功率測(cè)量方法，并提供了直流功率測(cè)量系統(tǒng)和射頻功率測(cè)量系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案。