信号发生器如何用于放大器增益测量？

信号发生器是测量放大器增益的关键工具，通过提供已知输入信号并配合示波器或电压表测量输出信号，可精确计算增益。以下是详细步骤、注意事项及优化技巧：

一、测量原理

放大器增益（Av）定义为输出信号幅度与输入信号幅度的比值，通常以分贝（dB）表示：

其中：

• Vin：信号发生器输入到放大器的电压幅度。
• Vout：放大器输出端的电压幅度。

二、测量步骤

1. 准备工作

• 设备清单：
  • 信号发生器（输出阻抗匹配放大器输入阻抗）。
  • 放大器（待测设备，需确认输入/输出阻抗、带宽、最大输出幅度）。
  • 示波器或电压表（带宽需覆盖信号频率，精度优于0.5%）。
  • 同轴电缆（50Ω特性阻抗，适用于高频）或探头（10X探头适用于高电压或高频）。
  • 匹配电阻（若需阻抗转换，如将高阻输出转换为50Ω）。
• 参数确认：
  • 信号发生器输出阻抗（通常为50Ω或高阻）。
  • 放大器输入阻抗（需远大于信号发生器输出阻抗，避免负载效应）。
  • 放大器输出阻抗（需远小于测量设备输入阻抗，如示波器1MΩ输入）。

2. 连接设备

• 信号发生器 → 放大器输入：
  • 使用同轴电缆将信号发生器输出端连接到放大器输入端。
  • 若信号发生器输出阻抗为50Ω，且放大器输入阻抗较高（如10kΩ），可直接连接；若放大器输入阻抗为50Ω，需确保信号发生器输出阻抗匹配（或通过匹配网络转换）。
  • 接地处理：将同轴电缆屏蔽层与放大器输入端接地端连接，形成完整回路。
• 放大器输出 → 测量设备：
  • 使用同轴电缆或探头将放大器输出端连接到示波器/电压表输入端。
  • 若使用探头，需根据信号幅度选择衰减比（如1X/10X），并在测量设备中补偿。

3. 设置信号发生器

• 信号类型：选择正弦波（最常用，便于分析幅度和相位）或方波（测试瞬态响应）。
• 频率设置：
  • 初始测试：选择放大器中心频率（如音频放大器选1kHz，射频放大器选1GHz）。
  • 频响测试：逐步改变频率（如对数扫描），记录增益随频率的变化。
• 幅度设置：
  • 初始测试：从低幅度（如10mV）开始，避免放大器饱和或失真。
  • 线性测试：逐步增加幅度，观察输出是否线性增长（用于测量1dB压缩点）。
• 输出阻抗：
  • 若信号发生器支持，设置为与放大器输入阻抗匹配（如50Ω输出接50Ω输入）。

4. 设置测量设备

• 示波器设置：
  • 耦合方式：DC耦合（测量直流分量）或AC耦合（仅测量交流分量）。
  • 垂直灵敏度：调整至信号幅度占屏幕2/3以上，避免削波。
  • 触发设置：选择与输入信号同步的触发源（如CH1触发），确保波形稳定。
  • 带宽限制：若测量高频信号，启用示波器带宽限制功能（如20MHz低通滤波）以减少噪声。
• 电压表设置：
  • 量程：选择自动量程或手动设置至略大于预期输出幅度。
  • 输入阻抗：确保电压表输入阻抗远大于放大器输出阻抗（如1MΩ vs. 50Ω）。

5. 测量与计算

• 静态增益测量：

  1. 信号发生器输出固定频率和幅度的正弦波（如1kHz，10mV）。

  2. 记录示波器/电压表测量的输入幅度（Vin）和输出幅度（Vout）。

  3. 计算增益：

• 动态增益测试（频响曲线）：
  1. 固定输入幅度（如10mV），逐步改变信号频率（如从10Hz到放大器带宽上限）。
  2. 记录每个频率点的输出幅度，绘制增益-频率曲线。
  3. 观察增益平坦度、带宽（如-3dB带宽）和峰值响应。
• 线性度测试（1dB压缩点）：
  1. 固定信号频率（如1GHz），逐步增加输入幅度（如从-40dBm到0dBm）。
  2. 记录输出幅度，观察增益是否随输入幅度增加而下降（压缩现象）。
  3. 确定输出幅度比理想线性响应低1dB时的输入功率（即1dB压缩点）。

三、注意事项

1. 阻抗匹配

• 问题：阻抗不匹配会导致信号反射、幅度衰减和失真。
• 解决方案：
  • 信号发生器输出阻抗为50Ω时，放大器输入阻抗应为50Ω（或通过匹配网络转换）。
  • 使用50Ω同轴电缆并缩短线缆长度。
  • 在高频测试中，避免使用长探头线，改用同轴探头或差分探头。

2. 避免失真

• 问题：输入幅度过大可能导致放大器饱和或削波。
• 解决方案：
  • 初始测试时使用低幅度信号（如10mV），逐步增加至接近放大器最大输出幅度。
  • 观察输出波形是否对称，若出现削波，降低输入幅度。

3. 接地环路干扰

• 问题：多设备共地可能导致电流环路，引入噪声。
• 解决方案：
  • 使用隔离变压器或差分探头隔离接地。
  • 断开不必要的接地连接，采用单点接地。

4. 噪声抑制

• 问题：环境噪声或设备本底噪声可能影响测量精度。
• 解决方案：
  • 使用屏蔽电缆和金属外壳设备。
  • 开启示波器的平均采样模式（如16次平均）以减少随机噪声。
  • 在低电平测量时，使用低噪声电压表或锁相放大器。

四、优化技巧

1. 使用自动测试系统

• 软件控制：通过LabVIEW、Python或MATLAB编写脚本，自动控制信号发生器输出参数（频率、幅度）并记录示波器数据。
• 批量测试：快速生成增益-频率曲线或压缩点测试结果。

2. 差分信号测量

• 场景：测量差分放大器（如运算放大器、音频功放）的增益。
• 方法：
  • 使用差分探头或双通道示波器，将正负端分别连接至放大器输出端。
  • 设置示波器数学运算（CH1-CH2）计算差分信号幅度。

3. 频谱分析

• 场景：分析放大器谐波失真或杂散信号。
• 方法：

  • 使用信号发生器输出单频信号（如1kHz）。

  • 开启示波器的FFT功能，观察输出信号频谱（如二次谐波、三次谐波幅度）。

  • 计算总谐波失真（THD）：

其中$V_1$为基波幅度，$V_2, V_3, cdots$为谐波幅度。

五、示例：音频放大器增益测量

1. 连接：
   • 信号发生器（正弦波，1kHz，10mV）→ 音频放大器输入端。
   • 放大器输出端 → 示波器CH1（10X探头）。
2. 测量：

   • 示波器显示输出幅度为1V（峰峰值）。

   • 计算增益：

3. 频响测试：
   • 固定输入幅度10mV，扫描频率从20Hz到20kHz。
   • 记录增益变化，确认音频放大器在20Hz-20kHz范围内增益平坦（±1dB）。

通过以上方法，可高效、准确地测量放大器增益，并分析其频率响应、线性度和失真特性。