功率測量技術(shù)及其應(yīng)用

      首先介紹了利用二極管、等效熱功耗、真有效值／直流轉(zhuǎn)換器及對數(shù)放大器檢測功率的方法，然后分別闡述直流功率測量系統(tǒng)、射頻功率測量系統(tǒng)的設(shè)計。

      引言
   

      功率測量用于測量電氣設(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)用機器等研究開發(fā)或生產(chǎn)線等領(lǐng)域中。本文重點介紹了幾種功率測量的方法及其具體應(yīng)用。

      l 功率測量技術(shù)
   

      測量功率有4種方法：
    (1)二極管檢測功率法；
    (2)等效熱功耗檢測法；
    (3)真有效值/直流(TRMS／DC)轉(zhuǎn)換檢測功率法；
    (4)對數(shù)放大檢測功率法。
    下面分別介紹這4種方法并對各自的優(yōu)缺點加以比較。

      1.1 利用二極管檢測功率法
   

      用二極管檢測輸入功率的電路如圖l所示，圖l(a)為簡單的半波整流、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)過整流濾波后得到輸出電壓U0。但是當環(huán)境溫度升高或降低時U0會顯著變化。圖1(b)為經(jīng)過改進后的二極管檢測輸入功率的電路，該電路增加了溫度補償二極管D2，可對二極管D1的整流電壓進行溫度補償。二極管具有負的溫度系數(shù)，當溫度升高時D1的壓降會減小，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，二極管檢測電路是以平均值為響應(yīng)的，它并不能直接測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)系來間接測量有效值功率的。顯然，當被測波形不是正弦波時，波峰因數(shù)就不等于1．4142，此時會產(chǎn)生較大的測量誤差。

       1．2 等效熱功耗檢測法
   

        等效熱功耗檢測法的電路如圖2所示。它是把一個未知的交流信號的等效熱量和一個直流參考電壓的有效熱量進行比較。當信號電阻(R1)與參考電阻(R2)的溫度差為零時，這兩個電阻的功耗是相等的，因此未知信號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測量溫差。在R1和R2上還分別串聯(lián)著過熱保護電阻。

        盡管等效熱功耗檢測法的原理非常簡單，但在實際應(yīng)用中很難實現(xiàn)，并且這種檢測設(shè)備的價格非常昂貴。

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

        真有效值／直流轉(zhuǎn)換檢測功率法的最大優(yōu)點是測量結(jié)果與被測信號的波形無關(guān)，這就是“真正有效值”的含義。因此，它能準確測量任意波形的真有效值功率。測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。
   

        另一種測量真有效值功率的電路框圖如圖3所示，該電路所對應(yīng)的典型產(chǎn)品為AD8361型單片射頻真有效值功率檢測系統(tǒng)集成電路。U1為射頻信號輸入端，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為電源基準控制端。

       從U1端輸入的射頻有效值電壓為U1，經(jīng)過平片器1產(chǎn)生一個與U12成比例的脈動電流信號i，該電流信號通過由內(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)成一個閉合的負反饋電路，將負反饋信號加到誤差放大器的反相輸入端進行溫度補償。當閉環(huán)電路達到穩(wěn)定狀態(tài)時，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。
   

       這種檢測方法有以下優(yōu)點：

       第一，由于兩個平方器完全相同，因此在改變量程時不影響轉(zhuǎn)換精度；

       第二，當環(huán)境溫度發(fā)生變化時，兩個平方器能互相補償，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 對數(shù)放大檢測功率法
   

       對數(shù)放大檢測器是由多級對數(shù)放大器構(gòu)成的，其電路框圖如圖4所示。圖4中共有5個對數(shù)放大器(A～E)，每個對數(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，對數(shù)放大器的斜率ks=lV／20dB，即50mV／dB。5個對數(shù)放大器的輸出電壓分別經(jīng)過檢波器送至求和器(∑)，再經(jīng)過低通濾波器獲得輸出電壓U0。對數(shù)放大器能對輸入交流信號的包絡(luò)進行對數(shù)運算，其輸出電壓與kS、PIN的關(guān)系式為
   

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

       普通對數(shù)放大器的特性曲線僅適用于正弦波輸入信號。當輸入信號不是正弦波時，特性曲線上的截距會發(fā)生變化，從而影響到輸出電壓值。此時應(yīng)對輸出讀數(shù)進行修正。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器也屬于對數(shù)檢測功率法，但它通過采用獨特的專利技術(shù)能適用于任何輸入信號波形，并且特性曲線上的截距不隨輸入信號而變化。

       2 單片直流功率測量系統(tǒng)的設(shè)計
   

       MAX42ll屬于低成本、低功耗、高端直流功率/電流測量系統(tǒng)，它是利用精密電流檢測放大器來測量負載電流，再利用模擬乘法器來計算功率的，因此并不影響負載的接地通路，特別適合測量電池供電系統(tǒng)的功率及電流值。檢測功率和電流的最大誤差均低于±1．5％，頻率帶寬為220kHz。被測源電壓的范嗣是4—28v。檢測電流時的滿量程電壓為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的簡化電路如圖5所示，主要包括精密電流檢測放大器，25：1的電阻分壓器，模擬乘法器。外圍電路包括被測的4~28V源電壓，2．7～5.5V的芯片工作電壓，電流檢測電阻RSENSE和負載。其測量原理是利用精密電流檢測放大器來檢測負載電流，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，將負載電流與源電壓相乘后，從POUT端輸出與負載功率成正比的電壓。令功率檢測放大器的增益為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)計可精確測量電源負載的功率并為電源(例如電池)提供保護。從POUT端、IOUT端輸出的功率信號和電流信號，可分別經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換器送至單片機。理想情況下，最大負載電流在RSENSE兩端產(chǎn)生滿量程檢測電壓。選擇合適的增益，使電流檢測放大器既能獲得最大輸出電壓，又不會出現(xiàn)飽和。在計算RSENSE的最大值時，應(yīng)使RS+端與RS一端之間的差分電壓不超過滿量程檢測電壓。適當增加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量系統(tǒng)的設(shè)計
   

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

      傳統(tǒng)的射頻功率計或射頻檢測系統(tǒng)的電路復(fù)雜，集成度很低。最近，美國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量系統(tǒng)，不僅能精確測量射頻(RF)功率，還可測量中頻(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量系統(tǒng)。其內(nèi)部解調(diào)式對數(shù)放大器的輸出電壓與被測功率成正比，能精確測量1MHz～8GHz的射頻功率。適合測量于機和無線LAN基站的無線輸出功率。AD8318不僅遠優(yōu)于傳統(tǒng)的產(chǎn)品，而且比模塊式測量系統(tǒng)具有更高的性價比，比采用二極管檢測功率法的精度更高。AD8318集高精度、低噪聲、寬動態(tài)范圍等優(yōu)點于一身。AD8318在高達5.8GHz的輸入頻率下，測量精度優(yōu)于±ldB，動態(tài)范圍是55dB；在8GHz時精度優(yōu)于±3dB，動態(tài)范圍超過58dB而輸出噪聲僅為它采用對數(shù)放大檢測功率法，對數(shù)斜率的額定值為一25mV／dB，并可通過改變UOUT、USET引腳之間反饋電壓的比例系數(shù)來進行凋整。在從IN+端輸入信號時，截距功率電平為一25dB。AD8318的典型應(yīng)用電路如圖6所示。

       AD8318是專為測量高達8 GHz的射頻功率而設(shè)計的，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)動器提供偏置電壓。AD8318內(nèi)部還有一些獨立的公共地。CMOP被用作輸出驅(qū)動器的公共地。所有公共地應(yīng)接到低阻抗的印制扳地線區(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。當輸入信號頻率為lMHz～8GHz時，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(μC)。

       4 結(jié)語
   

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