CN110133467B - 一种超宽动态范围信号的高精度测量方法 - Google Patents

一种超宽动态范围信号的高精度测量方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及信号测量领域，具体是一种超宽动态范围信号的高精度测量方法，其包括将被测信号分别与大、小两种信号测量电路连接；上述两种信号测量电路同时对被测信号进行测量；当被测信号为大信号时，取大信号测量电路的测量数据作为测量结果；当被测信号为小信号时，取小信号测量电路的测量数据作为测量结果。本发明通过增加一种测量臂，也即用两种测量臂同时测量信号，在测量大信号时，取大信号测量臂的测量结果，在测量小信号时，取小信号测量臂的测量结果。该技术消除了量程切换时间，在全量程范围内确保测试数据的高精度，为准确还原IGBT的开关过程、精确计算IGBT的功率损耗提供可靠数据。

Description

一种超宽动态范围信号的高精度测量方法
技术领域
本发明涉及信号测量领域，特别涉及一种超宽动态范围信号的高精度测量方法。
背景技术
大功率IGBT测试中，需要精确获取IGBT的截止电压和导通电压以及截止电流和导通电流，以便准确还原IGBT的开关过程，精确计算IGBT的功率损耗。大功率IGBT的导通电压一般为mV级，导通电流一般为kA级，截止电压一般为kV级，截止电流一般为mA级，电压的动态范围甚至会超过10000，目前的测试设备无法保证在如此宽的动态范围内的测量精度都满足要求，因此极小的导通电压的测量误差将会导致计算的导通损耗与实际值产生较大的偏差。这就对现有的测试技术提出了严峻的挑战。
为解决动态范围与测量精度的矛盾，目前多采用量程切换的方法来实现，该方法将被测信号分为大信号和小信号，在测量大信号时采用大量程的测量电路，在测量小信号时采用小量程的测量电路，这样能够确保大信号和小信号的测试结果都精确可靠。但是在IGBT的工作频率较高时，开通时间和关断时间很短，量程切换时间将会影响开关过程的测量精度，甚至会存在开关过程完成后，量程切换的操作还没有完成的情况，这将造成较大的测量误差，降低测试数据的可信度。
发明内容
针对上述技术问题，本发明提供一种超宽动态范围信号的高精度测量方法，该方法能够消除量程切换时间，精确测量快速变化的测量信号。
本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：一种超宽动态范围信号的高精度测量方法，其包括以下步骤：
（1）将被测信号分别与大、小两种信号测量电路连接；
（2）上述两种信号测量电路同时对被测信号进行测量；
（3）当被测信号为大信号时，取大信号测量电路的测量数据作为测量结果；当被测信号为小信号时，取小信号测量电路的测量数据作为测量结果。
作为优选，所述被测信号为IGBT集射极电压
Figure 994778DEST_PATH_IMAGE002
，所述大信号测量电路包括与IGBT集电极、发射极分别电连接的两个大信号测量臂，所述小信号测量电路包括与IGBT集电极、发射极分别电连接的两个小信号测量臂；其中一个大信号测量臂和一个小信号测量臂组成集电极测量电路，另一个大信号测量臂和另一个小信号测量臂组成发射极测量电路，四个测量臂在公共端接地。
作为优选，其中一个大信号测量臂包括电阻
Figure 426765DEST_PATH_IMAGE004
和
Figure 206502DEST_PATH_IMAGE006
，测量结果为
Figure 601712DEST_PATH_IMAGE008
；另一个大信号测量臂包括电阻
Figure 275138DEST_PATH_IMAGE010
和
Figure 97601DEST_PATH_IMAGE012
，测量结果为
Figure 380946DEST_PATH_IMAGE014
。
作为优选，其中一个小信号测量臂包括电阻
Figure 579846DEST_PATH_IMAGE016
和
Figure 248725DEST_PATH_IMAGE018
，测量结果为
Figure 304405DEST_PATH_IMAGE020
，另一个小信号测量臂包括电阻
Figure 58735DEST_PATH_IMAGE022
和
Figure 904069DEST_PATH_IMAGE024
，测量结果为
Figure 427454DEST_PATH_IMAGE026
。
作为优选，差分信号
Figure 857298DEST_PATH_IMAGE028
和
Figure 364503DEST_PATH_IMAGE030
作为测量结果，该测量结果通过后级测量电路后分别传输至微处理器处理；为保护后级测量电路，差分信号
Figure 639627DEST_PATH_IMAGE032
需并联两个反向串联的稳压二极管
Figure 283097DEST_PATH_IMAGE034
和
Figure 431313DEST_PATH_IMAGE036
。
作为优选，大信号测量臂测量得到的电压值为：
Figure 160235DEST_PATH_IMAGE038
（1）
选取电阻
Figure 301366DEST_PATH_IMAGE040
、
Figure 799344DEST_PATH_IMAGE042
，则式（1）可简化为：
Figure 570990DEST_PATH_IMAGE044
（2）
小信号测量臂测量得到的电压值为：
Figure 833213DEST_PATH_IMAGE046
（3）
选取电阻
Figure 715719DEST_PATH_IMAGE048
、
Figure 927257DEST_PATH_IMAGE050
，则式（3）可简化为：
Figure 869805DEST_PATH_IMAGE052
（4）
其中被测信号集射极电压小于20V时为小信号、大于20V时为大信号；且
Figure 307740DEST_PATH_IMAGE054
，
Figure 744669DEST_PATH_IMAGE056
，两个稳压二极管
Figure 217238DEST_PATH_IMAGE034
和
Figure 393005DEST_PATH_IMAGE036
的稳压值都为2.5V。
本发明具有以下优点：
1、采用无缝自动量程转换技术，测量范围宽。
2、在测量范围内，保证各个测量点的测量精度一致。
3、消除了量程切换时间，在信号快速变化时仍然能够精确测量。
4、测试平台简单且容易搭建，可操作性强。
附图说明
图1是IGBT在一个开关周期内的开关过程。
图2是本发明的电路图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例详细介绍本发明，在此本发明的示意性实施例以及说明用来解释本发明，但并不作为对本发明的限定。
本发明提供了一种超宽动态范围信号的高精度测量方法，其包括将被测信号分别与大、小两种信号测量电路连接；上述两种信号测量电路同时对被测信号进行测量；当被测信号为大信号时，取大信号测量电路的测量数据作为测量结果；当被测信号为小信号时，取小信号测量电路的测量数据作为测量结果。该方法通过两种电路同时测量，从而获得高精度的测量数量，不仅适用于IGBT，还适用于各种宽动态范围的信号测量。
以下以IGBT为例，详细说明：
如图1，图中A代表集射极电压
Figure 318235DEST_PATH_IMAGE058
，B代表集电极电流
Figure 542543DEST_PATH_IMAGE060
，在t1时间段IGBT处于关断状态，在t2时间段IGBT处于开通过程，在t3时间段IGBT处于导通状态，在t4时间段IGBT处于关断过程。当IGBT关断时，截止电压
Figure 915625DEST_PATH_IMAGE062
，当IGBT导通时，导通电压
Figure 199976DEST_PATH_IMAGE064
。
本技术规定信号分类法则为：当被测信号小于20V时定义为小信号，当被测信号大于20V时定义为大信号。下面以大功率IGBT的集射电压
Figure 612502DEST_PATH_IMAGE066
为测量对象，搭建图2所示测量电路，图中1和3为大信号测量臂，2和4为小信号测量臂，5为被测IGBT，6为保护电路，1和2组成集电极测量电路，3和4组成发射极测量电路，四个测量臂在公共端接地。大信号测量臂1包括电阻
Figure 702818DEST_PATH_IMAGE068
和
Figure 884401DEST_PATH_IMAGE070
，测量结果为
Figure 887123DEST_PATH_IMAGE072
，小信号测量臂2包括电阻
Figure 786946DEST_PATH_IMAGE074
和
Figure 415373DEST_PATH_IMAGE076
，测量结果为
Figure 717042DEST_PATH_IMAGE078
，大信号测量臂3包括电阻
Figure 77616DEST_PATH_IMAGE080
和
Figure 776319DEST_PATH_IMAGE082
，测量结果为
Figure 146121DEST_PATH_IMAGE084
，小信号测量臂4包括电阻
Figure 99033DEST_PATH_IMAGE086
和
Figure 896088DEST_PATH_IMAGE088
，测量结果为
Figure 504924DEST_PATH_IMAGE090
，差分信号
Figure 491466DEST_PATH_IMAGE092
和
Figure 502147DEST_PATH_IMAGE094
作为测量结果，通过后级测量电路后分别传输至微处理器进行处理，保护电路6由反向串联的稳压二极管
Figure 532420DEST_PATH_IMAGE034
和
Figure 628552DEST_PATH_IMAGE036
组成，用于钳位
Figure 340156DEST_PATH_IMAGE096
的电压值。
首先对大信号测量臂进行分析，测量得到的电压值如式（1）
Figure 540366DEST_PATH_IMAGE098
（1）
选取电阻
Figure 679223DEST_PATH_IMAGE100
、
Figure 324968DEST_PATH_IMAGE102
，则式（1）可简化为
Figure 574684DEST_PATH_IMAGE104
（2）
为避免烧坏后级测量电路，取测量电路的量程为2.5V，也即
Figure 559957DEST_PATH_IMAGE106
的最大值
Figure 682765DEST_PATH_IMAGE108
，若
Figure 753489DEST_PATH_IMAGE110
，则由式（2）可得到
Figure 806896DEST_PATH_IMAGE112
。
若用大信号测量臂测试截止电压
Figure 708993DEST_PATH_IMAGE114
，则代入式（2）可得
Figure 189653DEST_PATH_IMAGE116
，要保证此时的测量准确度为0.2%是非常困难的。为解决该问题，有必要对信号进行分量程测量，需要在原测量臂的基础上增加一种小信号测量臂，对小信号测量臂进行分析，测量得到的电压值如式（3）
Figure 793678DEST_PATH_IMAGE118
（3）
选取电阻
Figure 650776DEST_PATH_IMAGE120
、
Figure 345062DEST_PATH_IMAGE122
，则式（3）可简化为
Figure 58941DEST_PATH_IMAGE124
（4）
将
Figure 104257DEST_PATH_IMAGE126
和
Figure 499466DEST_PATH_IMAGE128
代入式（4）可得
Figure 861309DEST_PATH_IMAGE130
。
为避免测量大信号时小信号测量臂产生的高电压烧毁后级测量电路，需在小信号测量臂的信号输出端并联两个反向串联的稳压二极管
Figure 949350DEST_PATH_IMAGE034
和
Figure 278700DEST_PATH_IMAGE036
，当被测电压大于20V时，
Figure 477601DEST_PATH_IMAGE096
的取值稳定为2.5V。综上可知对大信号测量臂和小信号测量臂的元器件的具体要求为：（1）需满足
Figure 880900DEST_PATH_IMAGE132
，
Figure 451428DEST_PATH_IMAGE134
且
Figure 205757DEST_PATH_IMAGE136
；（2）需满足
Figure 5086DEST_PATH_IMAGE138
，
Figure 528471DEST_PATH_IMAGE140
且
Figure 958315DEST_PATH_IMAGE142
；（3）稳压二极管
Figure 747411DEST_PATH_IMAGE034
和
Figure 288114DEST_PATH_IMAGE036
的稳压值都为2.5V。
本发明通过增加一种测量臂，也即用两种测量臂同时测量信号，在测量大信号时，取大信号测量臂的测量结果，在测量小信号时，取小信号测量臂的测量结果。该技术消除了量程切换时间，在全量程范围内确保测试数据的高精度，为准确还原IGBT的开关过程、精确计算IGBT的功率损耗提供可靠数据。本方法适用于对各种宽动态范围的信号进行测量。
实施例
参考图1与图2，以
Figure 931585DEST_PATH_IMAGE066
为测量对象，在IGBT的一个开关周期内的具体实现方法。
当IGBT处于导通状态时，
Figure 125805DEST_PATH_IMAGE144
，此时
Figure 854727DEST_PATH_IMAGE146
，
Figure 933542DEST_PATH_IMAGE148
，微处理器取
Figure DEST_PATH_IMAGE149
作为测量结果；
当IGBT处于关断过程时，
Figure DEST_PATH_IMAGE151
将从导通电压快速上升为关断电压，在上升过程中若
Figure DEST_PATH_IMAGE153
，则
Figure DEST_PATH_IMAGE155
，
Figure DEST_PATH_IMAGE157
，微处理器取
Figure DEST_PATH_IMAGE159
作为测量结果，若
Figure DEST_PATH_IMAGE161
，则
Figure DEST_PATH_IMAGE163
，
Figure DEST_PATH_IMAGE165
，微处理器取
Figure DEST_PATH_IMAGE167
作为测量结果；
当IGBT处于关断状态时，
Figure DEST_PATH_IMAGE169
，此时
Figure DEST_PATH_IMAGE171
，
Figure DEST_PATH_IMAGE173
，微处理器取
Figure 54688DEST_PATH_IMAGE174
作为测量结果；
当IGBT处于开通过程时，
Figure 560756DEST_PATH_IMAGE176
将从关断电压快速下降为导通电压，在下降过程中若
Figure 776973DEST_PATH_IMAGE178
，则
Figure 472528DEST_PATH_IMAGE180
，
Figure 825012DEST_PATH_IMAGE182
，微处理器取
Figure DEST_PATH_IMAGE183
作为测量结果，若
Figure DEST_PATH_IMAGE185
，则
Figure DEST_PATH_IMAGE187
，
Figure DEST_PATH_IMAGE189
，微处理器取
Figure DEST_PATH_IMAGE191
作为测量结果。

Claims (1)

1.一种超宽动态范围信号的高精度测量方法，其特征包括以下步骤：
(1)将被测信号分别与大、小两种信号测量电路连接；
(2)上述两种信号测量电路同时对被测信号进行测量；
(3)当被测信号为大信号时，取大信号测量电路的测量数据作为测量结果；当被测信号为小信号时，取小信号测量电路的测量数据作为测量结果；所述被测信号为IGBT集射极电压VCE，所述大信号测量电路包括与IGBT集电极、发射极分别电连接的两个大信号测量臂，所述小信号测量电路包括与IGBT集电极、发射极分别电连接的两个小信号测量臂；其中一个大信号测量臂和一个小信号测量臂组成集电极测量电路，另一个大信号测量臂和另一个小信号测量臂组成发射极测量电路，四个测量臂在公共端接地；其中一个大信号测量臂包括电阻RH和RL，测量结果为V+；另一个大信号测量臂包括电阻RH1和RL1，测量结果为V-；其中一个小信号测量臂包括电阻R′H和R′L，测量结果为V+′，另一个小信号测量臂包括电阻R′H1和R′L1，测量结果为V-′；差分信号Vo＝V+-V-和Vo′＝V+′-V-′作为测量结果，该测量结果通过后级测量电路后分别传输至微处理器处理；差分信号Vo′并联两个反向串联的稳压二极管DW0和DW1；大信号测量臂测量得到的电压值为：
Figure FDA0003057064870000011
选取电阻RL＝RL1、RH＝RH1，则式(1)可简化为：
Figure FDA0003057064870000012
小信号测量臂测量得到的电压值为：
Figure FDA0003057064870000021
选取电阻R′L＝R′L1、R′H＝R′H1，则式(3)可简化为：
Figure FDA0003057064870000022
其中被测信号集射极电压小于20V时为小信号、大于20V时为大信号；
且RH＝1999RL，R′H＝7R′L，两个稳压二极管DW0和DW1的稳压值都为2.5V。
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