如何用示波器精准测量信号发生器的输出幅度波动?

使用示波器精准测量信号发生器的输出幅度波动，需结合硬件设置优化、测量方法选择和误差补偿技术。以下是分步骤的详细指南，涵盖关键操作和注意事项：

一、测量前准备：硬件与连接优化

1. 示波器选择与配置

• 带宽要求：示波器带宽应≥信号频率的5倍（如测量100MHz信号，需≥500MHz带宽），避免高频分量衰减导致幅度测量误差。
• 垂直分辨率：优先选择12位或更高分辨率的示波器（如Keysight InfiniiVision 3000T X系列），减少量化噪声影响。
• 探头选择：
  • 低频信号（<1GHz）：使用无源探头（如10:1探头），注意补偿调整（用示波器自带的探头补偿工具）。
  • 高频信号（≥1GHz）：选用有源差分探头（如Tektronix P7500系列），降低寄生电容影响。
  • 小信号（<1mV）：使用低噪声前置放大器（如Stanford Research SR560）提升信噪比。

2. 信号发生器输出设置

• 输出阻抗匹配：将信号发生器输出阻抗设置为50Ω（若示波器输入阻抗为50Ω），避免阻抗失配导致反射和幅度波动。
• 输出电平稳定：预热信号发生器30分钟以上，待温度稳定后再测量（尤其是晶体振荡器或PLL锁相环电路）。
• 调制功能关闭：禁用AM/FM/PM调制，确保输出为纯净正弦波或方波（根据测试需求选择）。

3. 连接方式优化

• 同轴电缆选择：使用低损耗同轴电缆（如RG-402或Times Microwave LMR-240），长度尽量短（<1m）以减少衰减。
• 接地处理：
  • 示波器探头地线采用“短接环”或“刀片式”接地（避免长地线引入环路噪声）。
  • 信号发生器与示波器共用同一接地参考点（如同一电源插座的接地端）。

二、示波器参数设置：精准捕捉幅度波动

1. 垂直档位（Volts/div）

• 原则：信号幅度占垂直刻度的50%~80%（如信号峰峰值2V，设置Volts/div为500mV/div）。
• 避免：信号超出屏幕范围（导致削波）或幅度过小（信噪比降低）。

2. 时基（Time/div）

• 长周期波动：设置Time/div为信号周期的10~100倍（如1kHz信号，Time/div=1ms/div~100μs/div）。
• 短周期波动：使用示波器的“余辉”功能（如Keysight InfiniiVision的“Infinite Persistence”）或“趋势图”模式（如R&S RTO的“Trend Plot”）。

3. 触发设置

• 稳定触发：选择信号边沿触发（如上升沿），调整触发电平至信号幅度的50%。
• 高级触发：若波动为周期性调制（如AM信号），使用“调制触发”模式（如Tektronix MSO64的“Modulation Trigger”）。

4. 测量模式选择

• 峰峰值测量：直接读取示波器自动测量的“Pk-Pk”值（适用于稳定信号）。
• 统计功能：启用示波器的“统计模式”（如LeCroy HDO的“Math→Statistics”），获取幅度最大值、最小值、标准差等参数。
• 直方图分析：绘制幅度分布直方图（如R&S ScopeRider的“Histogram”功能），识别波动类型（如随机噪声或周期性调制）。

三、误差补偿与校准

1. 垂直系统校准

• 步骤：
  1. 断开探头输入，将探头短接至示波器校准端子。
  2. 运行示波器自校准程序（如Keysight InfiniiVision的“Utility→Calibrate”）。
  3. 恢复探头连接，输入已知幅度信号（如信号发生器输出1Vpp），验证测量值与设定值一致。

2. 探头衰减补偿

• 无源探头：用示波器自带的探头补偿工具调整补偿电容（使方波平顶无过冲或下冲）。
• 有源探头：按探头手册进行偏置电压校准（如Tektronix P7500的“DC Offset Calibration”）。

3. 频率响应补偿

• 高频衰减修正：若示波器带宽有限，需应用频率响应校正（FRC）滤波器（如LeCroy HDO的“FRC On/Off”选项）。
• 探头负载效应：对于高频信号，使用示波器的“S参数补偿”功能（如Keysight UXR-Series的“Real-Time S-Parameter Compensation”）。

四、高级测量技巧

1. 相位噪声与幅度噪声分离

• 方法：
  1. 使用双通道示波器，同时测量信号幅度和相位（需相位参考信号）。
  2. 通过“X-Y”模式绘制李萨如图形，分析幅度与相位的耦合关系。
  3. 对幅度噪声单独进行FFT分析（如R&S RTO的“Spectrum”模式），识别调制频率成分。

2. 长时间记录与后处理

• 数据记录：使用示波器的“Segmented Memory”或“Deep Memory”功能（如Siglent SSA3000X的“140Mpts记忆深度”），连续记录数小时数据。
• 离线分析：导出数据至PC，用MATLAB或Python编写脚本计算幅度波动指标（如标准差、峰峰值变化率）。

3. 对比测量法

• 参考信号源：引入一台高精度参考信号发生器（如Fluke 9500B），同时测量待测信号和参考信号的幅度波动。
• 差分测量：用示波器的“Math→A-B”功能计算两信号幅度差，消除系统共模噪声。

五、典型案例分析

案例1：测量10MHz信号的0.1dB幅度波动

• 挑战：0.1dB波动对应幅度变化仅1.15%，需高精度测量。
• 解决方案：
  1. 使用12位示波器（如Keysight MSOX3104T）和低噪声探头（如Tektronix P6139B）。
  2. 设置垂直档位为100mV/div，时基为100μs/div，启用统计模式获取标准差。
  3. 通过FFT分析确认波动频率（如100Hz调制），针对性优化电源滤波。

案例2：捕捉GHz信号的瞬态幅度跌落

• 挑战：瞬态跌落持续时间<1μs，需高采样率捕获。
• 解决方案：
  1. 使用20GSa/s示波器（如R&S RTO2064）和差分探头（如P7520）。
  2. 设置触发条件为“幅度跌落>10%”，启用“Segmented Memory”记录多次事件。
  3. 通过眼图分析（Eye Diagram）量化跌落对信号质量的影响。

六、总结：关键步骤与注意事项

1. 硬件优先：选择足够带宽、分辨率的示波器和低损耗探头，确保信号完整传输。
2. 校准彻底：执行垂直系统、探头衰减和频率响应校准，消除系统误差。
3. 测量科学：根据波动类型（随机/周期性）选择统计模式或直方图分析。
4. 环境控制：避免电磁干扰（如将示波器远离开关电源）和温度漂移（如恒温实验室）。

通过上述方法，可实现信号发生器输出幅度波动的精准测量，误差控制在±0.05dB以内（典型值），满足高精度测试需求。