信号发生器、电子负载与稳压电源 Signal Generator, Electronic Load & Bench Supply
调试一个电路，万用表/示波器负责"看"，但还需要三样主动设备：稳压电源给电路供电并限流保护，信号发生器给输入端喂已知波形，电子负载在输出端模拟真实用电负载。三者配合，才能复现产品在真实负载下的行为；只测空载，很多问题根本不会出现。
这三样仪器都有一个"设定值不等于实际值"的陷阱：信号源显示 100 mVpp，接到 1 kΩ 放大器输入端可能是 190.5 mVpp，也可能是 95.24 mVpp，取决于它按 50 Ω 还是高阻标定；电子负载设 1 A 恒流，在 0.2 V 输出上可能根本拉不到 1 A；任意波形发生器标称 100 MS/s，不代表它能输出干净的 10 MHz 方波。本章按"源内阻 → 匹配 → 负载模式 → 动态测试 → 任意波形带宽"展开，每个设定值都给可复算的实际值。
本章符号：V_s 是信号源开路电动势（EMF，V）；R_s 是源内阻（\Omega）；R_L 是负载电阻（\Omega）；V_L 是负载端电压（V）；\Gamma 是反射系数；T_d 是电缆单向延迟（s）；I、V、P、R 分别是电子负载的电流（A）、电压（V）、功率（W）、等效电阻（\Omega）；f_s 是 AWG 采样率（Sa/s）。文中源内阻、电子负载最小电压、输出电容等为典型量级，具体以数据手册为准。
1 设计动机
现场一：信号源设 100 mVpp，放大器输入端却是 190.5 mVpp。 信号源按"50 Ω 负载"标定，显示 100 mVpp 时内部 EMF 是 200 mVpp；接到 1 kΩ 输入，分压得 200\times1000/1050=190.5\ \text{mVpp}，比设定值高 90.5%。放大器提前进入非线性，工程师却去查增益电阻。
现场二：5 V/1 A LDO 被电子负载拉出 0.9 V 跌落，判为"环路坏"。 负载从 0.1 A 跳到 1 A，LDO 环路要 10 µs 才响应；这 10 µs 里输出电容独自供电。10 µF 时 \Delta V=0.9\ \text{A}\times10\ \mu\text{s}/10\ \mu\text{F}=0.9\ \text{V}；换成 100 µF 只剩 0.09 V。跌落主要是电容和环路带宽，不一定是 LDO "坏了"。
现场三：100 MS/s AWG 生成 10 MHz 方波，看起来像正弦。 10 MHz 在一个周期内只有 10 个采样点，5 次谐波（50 MHz）正好落在奈奎斯特频率；重建滤波器再把高次谐波滤掉，边沿变成几 ns 到十几 ns 的圆角。"采样率 100 MS/s"与"能输出 10 MHz 方波"是两件事。
| 你想确认 | 先算 | 判据（工程经验值） |
|---|---|---|
| 源接负载后实际幅度 | V_L=V_sR_L/(R_s+R_L) | 先确认幅度按 50 Ω 还是高阻标定 |
| 要不要端接 | 电缆延迟 T_d 与上升时间 | T_d>t_r/6 时按传输线处理 |
| 电子负载能不能拉到设定电流 | 最小工作电压与功率 | 低于最小电压会退出恒流 |
| 动态跌落多大 | \Delta V=\Delta I\,t/C + ESR | 先看电容、ESR、环路响应 |
| 电源线会不会掉压 | V_{drop}=I R_{lead} | 大电流用远端采样 |
| AWG 能不能生成这个边沿 | BW 与 f_s、重建滤波器 | 边沿 t_r\approx0.35/BW |
| 波形细节够不够 | 每周期点数、垂直位数 | 方波至少 10~20 点/周期，看谐波 |
不算会摔在哪，四个带数字的代价：
- 幅度约定错，激励大 90.5%。 50 Ω 标定的 100 mVpp 接到 1 kΩ，实际 190.5 mVpp；放大器可能削顶、发热、失真，测出来的 THD 全是激励过大造成的。
- 电子负载模式错，测的不是电源。 CR 模式在电压跌落时自动减小电流，掩盖了电源的限流行为；CW 模式在低压时电流反升，可能触发过流保护。
- 动态测试不看电容/环路。 1 A 阶跃、10 µF、10 µs 响应，理论跌落 1 V；若只换 LDO 不换电容，问题照旧。
- AWG 带宽不够，边沿是假的。 100 MS/s、重建滤波器 40 MHz，上升时间约 8.75 ns；用它测 1 ns 边沿的电路，看到的全是 AWG 的响应。
2 定义与直观
2.1 三类"源"仪器
| 仪器 | 角色 | 关键设定 | 关键限制 |
|---|---|---|---|
| 稳压电源 Bench Supply | 供电，CV/CC | 电压、电流限、远端采样 | 输出电容、环路、线损 |
| 信号发生器 Function/AWG | 喂已知波形 | 频率、幅度、偏置、输出阻抗/负载 | 带宽、采样率、重建滤波 |
| 电子负载 Electronic Load | 吸电流/模拟负载 | CC/CV/CR/CW、动态斜率 | 最小电压、功率、散热 |
2.2 信号源的戴维南模型：50 Ω 不是"可选附件"
大多数函数发生器/任意波形发生器的输出级是一个理想电压源串一只 50 Ω 电阻。面板上的"Output Impedance: 50 Ω / High-Z"通常不是真的切换内阻，而是告诉仪器"我假设负载是多少"，从而决定显示幅度按哪种负载标定：
- 50 Ω 模式：显示值是"接 50 Ω 负载时的电压"，内部 EMF 是显示值的 2 倍。
- High-Z 模式：显示值是"开路/高阻负载时的电压"，内部 EMF 等于显示值。
实际内阻仍然是 50 Ω（少数仪器可切换 600 Ω 或其它，以手册为准）。"High-Z"是幅度参考，不是把内阻变成无穷大。 这一点是本章最重要的纠正：把"输出阻抗 50 Ω 或高阻"当成"内阻可切换"，会在分压计算上错一倍。
2.3 电子负载的四种模式
| 模式 | 行为 | 方程 | 典型用途 | 坑 |
|---|---|---|---|---|
| CC 恒流 | 无论电压多少，吸设定电流 | I=I_{set} | 测电源负载调整率、电池放电 | 低于最小电压会退出恒流 |
| CV 恒压 | 调节电流，把端口电压维持在设定值 | V=V_{set} | 测充电器/电池、模拟稳压源 | 不是电源，不能给 DUT 供电 |
| CR 恒阻 | 等效一只设定电阻 | I=V/R_{set} | 模拟电阻负载、启动/短路 | 电压低时电流自动变小 |
| CW 恒功率 | 保持 P=V I 恒定 | I=P_{set}/V | 模拟 DC-DC 恒功率负载 | 低压时电流反升，可能过流 |
电子负载是吸收功率的设备，功率全部变成热：P=V I。它不能替代电源，CV 模式只是"把端口电压拉到自己设定的值"，方向是吸电流，不是灌电流。
2.4 稳压电源：CV、CC 与远端采样
台式电源通常有 CV（恒压）和 CC（恒流）两个环路：正常工作时 CV 稳压；负载电流超过设定限值后，电源进入 CC，电压被拉低以限制电流。第一次上电把电流限设到预期值的 1.5~2 倍，是为了让短路/接反时电源自动限流，而不是让 DUT 吃满电流。
电源的"设定 5 V"到"DUT 端 5 V"之间还有导线和接触电阻：
V_{DUT}=V_{set}-I(R_{lead+}+R_{lead-})1 A 电流、0.05 Ω 总引线电阻，掉 50 mV；5 V 只剩 4.95 V。大电流/低电压场合要用远端采样（remote sense）：把 sense 线接到 DUT 端，电源自动补偿线损。
2.5 任意波形发生器：采样率、重建滤波、存储深度
AWG 的工作链是：波形存储 → DAC（按 f_s 更新）→ 重建滤波器 → 输出放大器。三个限制：
- 奈奎斯特：输出频率必须低于 f_s/2；实际可用上限通常是 0.4f_s 左右，因为重建滤波器有过渡带。
- 重建滤波器：把 DAC 的阶梯/镜像滤掉，但也会滤掉高次谐波，边沿变圆。
- 存储深度：T=M/f_s，决定一次能播放多长的任意波形。
DAC 的零阶保持（zero-order hold）本身还有 \operatorname{sinc} 滚降：
H(f)=\frac{\sin(\pi f/f_s)}{\pi f/f_s}在 f=0.4f_s 时 H=0.7568（-2.42\ \text{dB}），在 f=0.5f_s 时 H=0.6366（-3.92\ \text{dB}）。即使没有重建滤波器，高频幅度也已经掉了。
信号源是一个理想水泵串一根细管（50 Ω）：不管你怎么设定，水从细管出来时已经分掉一部分压力。负载越接近细管阻力（50 Ω），匹配越好；负载越轻（高阻），出口压力越接近水泵的全压。电子负载像一个可编程阀门：CC 是"无论水压多少，固定流量"；CV 是"无论流量多少，固定水压"；CR 是"固定开度"；CW 是"固定功率"。
类比的边界：水泵不会因为负载轻而"显示值翻倍"，信号源会，因为它的显示值是按 50 Ω 负载标定的。电子负载的阀门在低压下会关不死/开不够，CC 模式有最小工作电压，不是理想电流沉。
3 定量关系
3.1 源内阻分压：设定值、EMF 与负载电压
信号源的戴维南模型：
V_L=V_s\frac{R_L}{R_s+R_L}其中 V_s 是内部 EMF，R_s 是源内阻，R_L 是负载。若面板按 50 Ω 负载标定，显示值 V_{set} 满足：
V_{set}=V_s\frac{50}{R_s+50}当 R_s=50\ \Omega 时，V_s=2V_{set}。代入一般负载：
V_L=2V_{set}\frac{R_L}{50+R_L}几个关键值（V_{set}=100\ \text{mVpp}，50 Ω 标定）：
| R_L | V_L | 相对设定值 | 说明 |
|---|---|---|---|
| 50 Ω | 100 mVpp | 1.000× | 匹配，显示值就是负载值 |
| 100 Ω | 133.3 mVpp | 1.333× | 已明显偏高 |
| 1 kΩ | 190.5 mVpp | 1.905× | 接近翻倍，但不是翻倍 |
| 1 MΩ | 199.99 mVpp | 2.000× | 近似开路，翻倍 |
"50 Ω 源接高阻负载幅度翻倍"只在 R_L\gg50\ \Omega 时成立。 1 kΩ 时是 1.905 倍，100 Ω 时是 1.333 倍；把 1 kΩ 当"高阻"直接乘 2，会高估 5%。更关键的是：如果信号源设在 High-Z 模式，显示值本身就是 EMF，接 1 kΩ 时 V_L=100\times1000/1050=95.24\ \text{mVpp}，不是翻倍，而是低 4.76%。
3.2 匹配、反射与电缆
高频链路默认 50 Ω：源 50 Ω、电缆 50 Ω、负载 50 Ω。负载不等于 50 Ω 时，反射系数：
\Gamma=\frac{R_L-50}{R_L+50}驻波比：
VSWR=\frac{1+|\Gamma|}{1-|\Gamma|}回波损耗：
RL=-20\log_{10}|\Gamma|算例：1 kΩ 负载。
\Gamma=\frac{1000-50}{1000+50}=0.9048VSWR=\frac{1+0.9048}{1-0.9048}=20.0RL=-20\log_{10}(0.9048)=0.87\ \text{dB}失配损耗：
-10\log_{10}(1-0.9048^2)=0.74\ \text{dB}1 kΩ 对 50 Ω 系统是严重失配；低频（音频、传感器）可以按集总分压处理，高频（>10 MHz、长电缆）必须端接 50 Ω 或改用高阻探头/缓冲。
什么时候要端接？ 电缆单向延迟：
T_d=\frac{L}{v}同轴电缆 v\approx2\times10^8\ \text{m/s}，1 m 约 5 ns。按 T_d>t_r/6 判据，t_r<30\ \text{ns} 时就该考虑匹配；更严格地用往返延迟 2T_d=10\ \text{ns}，t_r<10\ \text{ns} 时反射明显。端接后，源端 50 Ω + 电缆 50 Ω + 远端 50 Ω，负载得到 V_{set}（50 Ω 标定），不再翻倍。
3.3 电子负载四模式的方程与边界
- CC：I=I_{set}，只要 V>V_{min}。V_{min} 典型 0.5~1 V（以数据手册为准）；低于它，MOSFET 进入线性区/无法维持电流，负载退出恒流。
- CV：V=V_{set}，负载吸收的电流由源决定：I=(V_{source}-V_{set})/R_{source}。它不能"把电压抬高"，只能"把电压拉低到设定值"。
- CR：I=V/R_{set}。5 Ω 在 5 V 时 1 A，在 1 V 时只有 0.2 A；它不是恒流，电源跌落后负载会自动"变轻"。
- CW：I=P_{set}/V。10 W 在 5 V 时 2 A，在 1 V 时要 10 A；低压时电流反升，容易触发过流/过功率保护。0 V 时无法维持功率。
功率与散热：
P=V I24 V、2 A 就是 48 W，全部变成热。电子负载的功率额定通常有温度降额曲线；环境温度高、散热差时，允许功率低于铭牌值。
3.4 动态拉载：电容、ESR 与环路
电子负载的动态模式让电流在 I_{low} 与 I_{high} 之间周期切换，用来测电源的负载瞬态响应。电压跌落由三部分组成：
- 电容电荷：环路来不及响应的时间 t_r 内，负载电流由输出电容提供：
- ESR：电流阶跃瞬间，电容 ESR 上的压降：
- 电缆/负载线电感：电流斜率 di/dt 在电感上产生尖峰：
算例：5 V/1 A，\Delta I=0.9\ \text{A}（0.1→1 A），环路响应 t_r=10\ \mu\text{s}，C=10\ \mu\text{F}，R_{ESR}=50\ \text{m}\Omega，负载线 L=1\ \mu\text{H}，di/dt=1\ \text{A}/\mu\text{s}。
\Delta V_C=\frac{0.9\times10\ \mu\text{s}}{10\ \mu\text{F}}=0.9\ \text{V}\Delta V_{ESR}=0.9\times0.05=0.045\ \text{V}\Delta V_L=1\ \mu\text{H}\times1\ \text{A}/\mu\text{s}=1\ \text{V}三者不是简单相加（时间尺度不同），但量级说明：10 µF 时，电容跌落就有 0.9 V；电缆电感尖峰 1 V；ESR 只有 45 mV。换成 100 µF，\Delta V_C=0.09\ \text{V}，电容项降 10 倍，但电感尖峰仍在。先看电容和布线电感，再看环路。
3.5 稳压电源：线损、负载调整率与限流
线损：
V_{drop}=I(R_{lead+}+R_{lead-})0.05 Ω、1 A 时 50 mV；5 V 输出到 DUT 只剩 4.95 V（−1%）。远端采样把 sense 线接到 DUT 端，电源把线损补回来；sense 线本身几乎不取电流，但要走 Kelvin 接法，避免 sense 点落在高电流路径上。
负载调整率：
\text{Load Regulation}=\frac{V_{no-load}-V_{load}}{\Delta I}5.000 V 空载、4.980 V/1 A：
\frac{5.000-4.980}{1}=0.020\ \text{V/A}=20\ \text{mV/A}相对值 0.020/5.000=0.4\%。这个指标要跟数据手册的测试条件（电流范围、温度、远端/本地采样）一起看。
限流： 第一次上电把 I_{limit} 设到预期工作电流的 1.5~2 倍，短路时电源进入 CC，电压跌落而不是电流爆炸。但限流不是保险丝：半导体器件在毫秒级过流下仍可能损坏，限流值要按器件绝对最大额定值留裕量。
3.6 AWG 的带宽、上升时间与存储
奈奎斯特与可用带宽：
f_{out}<0.5f_s实际受重建滤波器限制，常用上限 0.4f_s 左右。要输出上升时间 t_r 的边沿，需要：
BW\ge\frac{0.35}{t_r}算例：100 MS/s、重建滤波器 40 MHz。
t_r\approx\frac{0.35}{40\ \text{MHz}}=8.75\ \text{ns}想输出 1 ns 边沿，需要 BW\ge350\ \text{MHz}，采样率至少 1 GS/s（按 5 倍带宽则 1.75 GS/s 以上）。
每周期点数：
N_{pts}=\frac{f_s}{f_{out}}10 MHz、100 MS/s 时每周期 10 点；一个方波至少要保留 5 次谐波，10 点/周期刚好到 5 次谐波（50 MHz），再高就被采样/滤波削掉。要看得过去的方波，每周期 20~30 点更稳妥，或直接用更高采样率。
存储深度：
T_{play}=\frac{M}{f_s}1 M 点、100 MS/s 时 10 ms；1 kHz 波形可放 10 个周期，1 Hz 波形只有 0.01 个周期。低频任意波形要么加深存储，要么用序列/循环播放。
垂直分辨率： 理想 SNR：
SNR=6.02N+1.76\ \text{dB}14 位约 86.0 dB，8 位约 49.9 dB。位数影响小信号细节和量化噪声，不决定带宽。
4 典型计算
4.1 完整算例：50 Ω 源给 1 kΩ 放大器输入 100 mVpp
需求：信号源输出阻抗 50 Ω，放大器输入阻抗 1 kΩ，希望输入端得到 100 mVpp。信号源面板显示 100 mVpp（按 50 Ω 负载标定）。
第一步：内部 EMF。
V_s=2\times100\ \text{mVpp}=200\ \text{mVpp}第二步：接到 1 kΩ 的实际电压。
V_L=200\times\frac{1000}{50+1000}=190.5\ \text{mVpp}第三步：相对误差。
\frac{190.5-100}{100}=+90.5\%第四步：如果要让 V_L=100\ \text{mVpp}，面板该设多少？
V_{set}=\frac{V_L(R_s+R_L)}{2R_L}=\frac{100\times1050}{2\times1000}=52.5\ \text{mVpp}第五步：如果信号源设在 High-Z 模式呢？ 显示值就是 EMF：
V_L=100\times\frac{1000}{1050}=95.24\ \text{mVpp}要得到 100 mVpp，High-Z 模式应设：
V_{set}=100\times\frac{1050}{1000}=105\ \text{mVpp}结论： "100 mVpp"必须先问"按什么负载标定"。50 Ω 标定时实际 190.5 mVpp（高 90.5%）；High-Z 标定时实际 95.24 mVpp（低 4.76%）。前者是"翻倍"陷阱，后者是"1 kΩ 不是真正高阻"的残余分压。最稳妥的做法是：把信号源设 High-Z 模式，按 V_L=V_{set}R_L/(50+R_L) 算实际值，或用高阻缓冲器/仪表放大器提高输入阻抗。
功率检查。 50 Ω 标定、1 kΩ 负载，V_L=190.5\ \text{mVpp}：
V_{rms}=\frac{0.1905}{2\sqrt{2}}=0.0673\ \text{V},\qquad P=\frac{V_{rms}^2}{1000}=4.53\ \mu\text{W}信号源内部 50 Ω 上还有 I^2R_s 的功率，但总量都是 µW 级，不会让放大器发热；问题在电压幅度，不在功率。
输入电容的影响。 放大器输入 10 pF 与 1 kΩ 源构成极点：
f_p=\frac{1}{2\pi\times1000\times10\times10^{-12}}=15.9\ \text{MHz}100 kHz 时衰减 1/\sqrt{1+(0.1/15.9)^2}=0.99998，可忽略；10 MHz 时 0.846（−1.45 dB）；100 MHz 时 0.157（−16.1 dB）。音频/传感器应用不用担心，射频/高速应用必须把输入电容算进去。
4.2 算例：接 50 Ω 负载与接 1 MΩ 负载
50 Ω 标定、100 mVpp：
- R_L=50\ \Omega：V_L=200\times50/100=100\ \text{mVpp}，匹配。
- R_L=1\ \text{M}\Omega：V_L=200\times10^6/(50+10^6)=199.99\ \text{mVpp}，近似翻倍。
High-Z 标定、100 mVpp：
- R_L=50\ \Omega：V_L=100\times50/100=50\ \text{mVpp}，只有设定值的一半。
- R_L=1\ \text{M}\Omega：V_L=100\times10^6/(50+10^6)=99.995\ \text{mVpp}，基本等于设定值。
同一块表、同一个 100 mVpp，接 50 Ω 和接 1 MΩ 能差 4 倍（50 Ω 标定下 100 mV vs 200 mV；High-Z 标定下 50 mV vs 100 mV）。这就是为什么示波器/万用表读数与信号源设定值对不上时，第一步要查"负载设定"。
4.3 算例：电子负载动态拉载，5 V/1 A 电源跌多少
场景：5 V/1 A DC-DC，输出电容 10 µF，ESR 50 mΩ，环路响应 10 µs；电子负载 CC 动态 0.1 A↔1 A，斜率 1 A/µs，负载线 1 µH。
电容项：
\Delta V_C=\frac{0.9\times10\ \mu\text{s}}{10\ \mu\text{F}}=0.9\ \text{V}ESR 项：
\Delta V_{ESR}=0.9\times0.05=0.045\ \text{V}电感尖峰：
\Delta V_L=1\ \mu\text{H}\times1\ \text{A}/\mu\text{s}=1\ \text{V}判断：0.9 V 跌落对 5 V 是 18%，远超"2~3%"的工程目标；把电容加到 100 µF，电容项降到 0.09 V（1.8%），但 1 µH 负载线的 1 V 尖峰仍在——这时要先缩短负载线/加本地去耦，而不是继续加电容。
功率：5 V×1 A=5 W，电子负载要能吸 5 W；若用 24 V/2 A 测试，则是 48 W，注意散热和降额。
4.4 算例：电源线损与远端采样
场景：电源设 5.000 V，负载 1 A，引线总电阻 0.05 Ω。
V_{drop}=1\times0.05=0.050\ \text{V}V_{DUT}=5.000-0.050=4.950\ \text{V}相对误差 1%。若 DUT 是 3.3 V LDO，1% 的输入跌落可能还能工作；若 DUT 是 5 V±1% 的电路，已经到边界。远端采样把 sense 线接到 DUT 端，电源把输出抬到 5.05 V，DUT 端回到 5.00 V；但 sense 线断开会造成过压，要用带开路保护的电源。
4.5 算例：AWG 生成 10 MHz 方波的边沿
场景：100 MS/s、重建滤波器 40 MHz，生成 10 MHz 方波。
每周期点数：
N_{pts}=\frac{100\ \text{MS/s}}{10\ \text{MHz}}=10可用谐波：10 点/周期最多表示到 5 次谐波（50 MHz），而重建滤波器 40 MHz 把 4 次（40 MHz）以上削掉；实际边沿：
t_r\approx\frac{0.35}{40\ \text{MHz}}=8.75\ \text{ns}sinc 滚降：在 40 MHz（0.4f_s）：
H=\frac{\sin(0.4\pi)}{0.4\pi}=0.7568\quad(-2.42\ \text{dB})幅度已经掉 2.42 dB；到 50 MHz（0.5f_s）掉 3.92 dB。"100 MS/s 能生成 50 MHz 信号"只在正弦、且允许 4 dB 衰减的意义上成立；方波的 5 次谐波已经被削得很厉害。
存储：1 M 点、100 MS/s 可播放 10 ms；10 MHz 方波 10 ms 内有 100k 个周期，循环播放没问题；1 Hz 波形 10 ms 只有 0.01 个周期，必须加深存储或降低采样率。
4.6 算例：电子负载 CR/CW 在低压下的行为
CR 模式，R=5\ \Omega：
- 5 V：I=5/5=1\ \text{A}。
- 1 V：I=1/5=0.2\ \text{A}。
电源跌到 1 V 时，负载自动变轻；如果这是"短路测试"，CR 模式不会维持 1 A，测不到限流点。
CW 模式，P=10\ \text{W}：
- 5 V：I=10/5=2\ \text{A}。
- 1 V：I=10/1=10\ \text{A}。
- 0.5 V：I=20\ \text{A}，很可能超过负载/电源量程。
CW 模式在低压时电流反升，适合模拟"恒功率负载"（如 DC-DC 输入），但不适合做低压大电流的恒流测试。
4.7 算例：1 kΩ 负载在 100 MHz 的反射
场景：50 Ω 源、1 m 电缆、1 kΩ 负载，100 MHz。
\Gamma=\frac{1000-50}{1000+50}=0.9048VSWR=20.0,\qquad RL=0.87\ \text{dB}失配损耗 0.74 dB。电缆 T_d=5\ \text{ns}，往返 10 ns；100 MHz 周期 10 ns，反射波与入射波几乎反相/同相叠加，负载端电压会随电缆长度剧烈变化。低频时 1 kΩ 只是分压，高频时必须端接 50 Ω 或用高阻缓冲。
5 工程含义
5.1 按任务设置源与负载
| 任务 | 信号源设置 | 电子负载模式 | 关键检查 |
|---|---|---|---|
| 音频放大器测试 | High-Z 或按实际 R_L 算 | 不用 | 输入电容、幅度约定 |
| 传感器激励 | High-Z，低幅度 | 不用 | 源内阻、负载分压 |
| DC-DC 负载调整率 | 不用 | CC，多点电流 | 线损、远端采样、纹波 |
| DC-DC 动态响应 | 不用 | CC 动态，设定斜率 | 电容、ESR、环路、负载线 |
| 电池放电 | 不用 | CC 或 CR | 截止电压、温度、线损 |
| 充电器测试 | 不用 | CV 或 CC | 不能反灌，注意极性 |
| RF/高速链路 | 50 Ω，远端端接 | 不用 | 反射、电缆延迟、端接功率 |
| 任意波形激励 | 按 f_s、BW、存储设置 | 不用 | 每周期点数、重建滤波 |
5.2 幅度约定检查清单
- 信号源菜单的负载设定是 50 Ω 还是 High-Z？
- 实际负载是多少？1 kΩ 不是"高阻"，1 MΩ 才接近开路。
- 电缆/夹具的损耗和反射是否计入？
- 示波器/万用表测的是负载端还是源端？探头负载是否改变了电路？
- 需要精确幅度时，用 High-Z 模式 + 实际分压计算，或加高阻缓冲器。
5.3 电子负载选型与使用
- 电压/电流/功率三个量程都要覆盖，且注意低压大电流、高压小电流的不同限制。
- 最小工作电压：CC 模式在低压下可能拉不到设定电流；电池/CPU 低压测试要选低 V_{min} 型号。
- 动态斜率：要覆盖被测电源的环路带宽；斜率不够，测不出真实瞬态。
- 散热/降额：功率全部变热，按环境温度和安装方式降额；不要堵住风扇/散热孔。
- 极性/反灌：电子负载只能吸电流；接反/接电池可能损坏，确认是否有反接保护。
5.4 电源测试的顺序
- 空载设压、设限流，确认输出正确。
- 轻载（如 10%）看纹波、效率、静态功耗。
- 额定负载看负载调整率、温升。
- 动态拉载看跌落/过冲/恢复时间。
- 短路/过流看限流点与恢复。
- 关机/上电看浪涌、掉电时序。
5.5 AWG 的边界
- 输出频率低于 0.4f_s；方波/脉冲的边沿由重建滤波器和带宽决定，不由采样率单独决定。
- 每周期点数决定能保留到几次谐波；方波至少 10~20 点/周期，再看重建滤波器。
- 存储深度决定低频/长波形能播放多久；T=M/f_s。
- 垂直位数决定小信号细节，不决定带宽；14 位比 8 位多约 36 dB 理论 SNR。
- 输出幅度同样有 50 Ω/High-Z 约定，接负载后要重算。
5.6 安全与接地
- 台式电源/信号源的输出参考保护地（除非明确浮地/隔离）；把输出负端接到大地/其他电位前，先确认不会形成地环路。
- 电子负载的输入通常参考保护地；测浮地电源/电池时注意共模电压。
- 大功率负载的接线要按电流选线径，端子要拧紧；接触电阻发热可能烧端子。
- 测市电/高压时用隔离、差分探头和合适的 CAT 等级，见 安规认证 与 电气安全与触电防护。
6 常见坑
- 现象：信号源设 High-Z 后，接 1 kΩ 负载幅度仍比设定值低 4.76%；接 50 Ω 又只有一半。
- 原因：High-Z 只是幅度显示参考，实际内阻仍是 50 Ω；分压始终存在。
- 解决：按 V_L=V_sR_L/(R_s+R_L) 算；精确幅度用高阻缓冲器，或按实际负载反算设定值。
- 现象：放大器输出失真/发热，THD 测试很差；信号源显示只有 100 mVpp。
- 原因：50 Ω 标定的显示值是端接值，EMF 是 200 mVpp；1 kΩ 分压得 190.5 mVpp，高 90.5%。
- 解决：确认负载设定；50 Ω 模式下把设定值改成 52.5 mVpp，或切 High-Z 模式用 105 mVpp，或加缓冲。
- 现象：设 1 A，实际只有 0.3 A，负载显示"低电压"或进入非调节区。
- 原因：电子负载有最小工作电压（典型 0.5~1 V），低于它 MOSFET 无法维持恒流。
- 解决：查手册的 V_{min} 曲线；低压大电流测试选低 V_{min} 型号，或改用 CR/电阻负载。
- 现象：电源跌落后负载电流自动变小，看不到限流平台，误判"电源没有限流"。
- 原因：CR 是 I=V/R，电压跌一半，电流也跌一半；不是恒流。
- 解决：测限流/短路用 CC 模式；模拟电阻启动特性才用 CR。
- 现象：5 V/1 A 电源动态跌落 1 V，换 LDO 无效。
- 原因：10 µF 电容在 10 µs 响应内提供 0.9 A，跌落 0.9 V；1 µH 负载线再产生 1 V 尖峰。
- 解决：先加输出电容/降 ESR/缩短负载线，再评估环路；用示波器同时看 Vout 和负载电流。
- 现象：10 MHz 方波看起来像正弦，边沿 8~10 ns；DUT 的 1 ns 边沿测不出来。
- 原因：每周期 10 点，5 次谐波在奈奎斯特边缘；40 MHz 重建滤波器把边沿限制在 8.75 ns。
- 解决：按 BW\ge0.35/t_r 选 AWG；方波至少 10~20 点/周期，边沿要求高时用更高采样率/带宽。
7 自测题
50 Ω 信号源按 50 Ω 负载标定，设 100 mVpp，接 1 kΩ 负载，实际电压是多少？
EMF =200\ \text{mVpp}；V_L=200\times1000/1050=190.5\ \text{mVpp}，比设定值高 90.5%。1 kΩ 不是真正的高阻，"翻倍"只是近似；要得到 100 mVpp，50 Ω 模式设 52.5 mVpp。
同一信号源切到 High-Z 模式，设 100 mVpp，接 1 kΩ，实际多少？
High-Z 模式下显示值就是 EMF，V_L=100\times1000/1050=95.24\ \text{mVpp}，低 4.76%。要得到 100 mVpp，设 105 mVpp。High-Z 不改变 50 Ω 内阻，只改变幅度参考。
5 V/1 A 电源、10 µF 输出电容、环路响应 10 µs，0.1→1 A 阶跃的电容跌落是多少？
\Delta V=\Delta I\,t/C=0.9\times10\ \mu\text{s}/10\ \mu\text{F}=0.9\ \text{V}。换成 100 µF 是 0.09 V；还要加 ESR 和负载线电感的影响。
电子负载 CR 模式设 5 Ω，电源从 5 V 跌到 1 V，电流变多少？这说明什么？
I=5/5=1\ \text{A} 在 5 V；1 V 时 I=1/5=0.2\ \text{A}。CR 不是恒流，电压跌落时负载自动变轻；测限流点要用 CC 模式。
100 MS/s、40 MHz 重建滤波器的 AWG，输出 10 MHz 方波的上升时间约多少？
t_r\approx0.35/40\ \text{MHz}=8.75\ \text{ns}；每周期 10 点，5 次谐波在 50 MHz（奈奎斯特边缘），40 MHz 以上被滤波器削掉。要 1 ns 边沿，需要 ≥350 MHz 带宽、≥1 GS/s 采样率。
1 kΩ 负载接 50 Ω 系统，在 100 MHz 的反射系数、VSWR 和回波损耗是多少？
\Gamma=(1000-50)/(1000+50)=0.9048；VSWR=(1+0.9048)/(1-0.9048)=20.0；RL=-20\log_{10}(0.9048)=0.87\ \text{dB}。严重失配，高频必须端接 50 Ω 或加缓冲。
8 参考资料
- Keysight, Step Up Your Function Generator Experience and Knowledge：输出阻抗、幅度约定、任意波形与重建滤波。
- Tektronix, XYZs of Signal Generators Primer：采样率、重建滤波器、上升时间与波形保真度。
- Keysight, Electronic Load Fundamentals：CC/CV/CR/CW 模式、动态拉载与功率降额。
- Tektronix, Power Supply Measurement and Analysis：负载瞬态、纹波与接地测量方法。
- IEC 61010-1:2010+AMD1:2016：台式电源/电子负载的保护接地、安全类别与瞬态过电压要求。
相关章节：示波器：探头、触发、带宽与接地、万用表使用与测量技巧、逻辑分析仪、频谱仪与网络分析仪、LDO 线性稳压器、电源指标与测试、模拟信号与信号链概述、硬件调试方法论与上电检查。