如何测试信号发生器的失真度？

测试信号发生器的失真度是评估其输出信号质量的关键步骤，失真度（Total Harmonic Distortion, THD）反映了输出信号中谐波成分相对于基波的幅度比例。以下是详细的测试方法、步骤及注意事项：

一、测试原理

失真度测试的核心是分析信号发生器输出信号的频谱，通过测量基波（主信号）和谐波（2次、3次等）的幅度，计算谐波总能量与基波能量的比值。公式为：

其中，V1为基波幅度，V2,V3,…,Vn为各次谐波幅度。

二、测试设备准备

1. 信号发生器：待测设备，需设置输出频率、幅度和波形（如正弦波）。
2. 频谱分析仪：用于分析信号频谱，推荐带宽覆盖待测信号及其谐波（如测试1kHz信号时，频谱仪带宽需≥100kHz）。
3. 衰减器：若信号幅度超过频谱仪输入范围，需使用衰减器（如20dB或30dB）降低信号电平。
4. 同轴电缆：低损耗、高屏蔽性能的电缆（如RG-223或RG-400），减少外部干扰。
5. 负载匹配器：确保信号发生器输出端与频谱仪输入端阻抗匹配（通常为50Ω）。

三、测试步骤

1. 连接设备

• 将信号发生器的输出端通过同轴电缆连接至频谱仪的输入端。
• 若信号幅度较大，在连接线中串联衰减器（如20dB），避免频谱仪输入过载。
• 确保所有连接器紧固，避免接触不良引入噪声。

2. 设置信号发生器参数

• 频率：选择待测频率（如1kHz、10kHz、1MHz等），覆盖信号发生器的常用工作范围。
• 幅度：设置输出幅度为频谱仪可测量的合理范围（如-10dBm至0dBm），避免信号过小导致信噪比不足。
• 波形：选择正弦波（失真度测试通常针对正弦波）。

3. 配置频谱分析仪

• 中心频率：设置为待测信号频率（如1kHz）。
• 扫描宽度（Span）：根据谐波次数调整（如测试1kHz信号的5次谐波，Span需≥5kHz）。
• 分辨率带宽（RBW）：选择较小值（如10Hz或100Hz）以提高频谱分辨率，但需平衡测量时间。
• 参考电平：设置为略高于信号幅度（如+10dBm），确保信号显示在频谱仪屏幕中央。
• 输入衰减：根据信号幅度调整（如0dB或10dB），避免输入过载。

4. 测量失真度

• 手动计算法：
  1. 观察频谱仪显示的频谱，标记基波（V1）和谐波（V2,V3,…）的幅度。
  2. 记录各次谐波的幅度值（单位：dBm或V）。
  3. 将谐波幅度转换为线性值（如V=10(dBm/20)），代入THD公式计算。
• 自动测量法：
  • 部分频谱仪支持THD自动测量功能（如Keysight N9020B MXA信号分析仪），可直接读取THD值。
  • 操作步骤：进入“失真分析”模式，选择“THD”参数，频谱仪将自动计算并显示结果。

5. 重复测试

• 在不同频率点（如1kHz、10kHz、100kHz）重复上述步骤，验证信号发生器在全频段的失真性能。
• 记录各频率点的THD值，生成失真度曲线。

四、注意事项

1. 避免外部干扰

• 测试环境需远离强电磁干扰源（如手机、Wi-Fi路由器）。
• 使用屏蔽电缆和金属屏蔽箱（如Keysight 8410C）减少空间耦合干扰。

2. 确保信号纯净

• 信号发生器输出端需连接50Ω负载（如频谱仪输入端），避免反射导致失真。
• 若信号发生器支持，启用“纯净信号模式”（如Keysight 33600A系列的“Low Distortion”模式）。

3. 频谱仪校准

• 测试前对频谱仪进行频率和幅度校准（如使用Keysight ECAL校准套件）。
• 确保频谱仪的频率响应平坦（±0.5dB以内），避免幅度测量误差。

4. 衰减器选择

• 衰减器的衰减量需根据信号幅度调整，避免信号过小导致信噪比不足（如SNR<40dB时，THD测量误差可能超过10%）。

5. 谐波次数限制

• 通常测试至5次或7次谐波即可覆盖主要失真成分，更高次谐波幅度通常可忽略。

五、典型测试案例

案例1：测试1kHz正弦波的THD

1. 连接设备：信号发生器 → 20dB衰减器 → 频谱仪。
2. 设置参数：
   • 信号发生器：频率1kHz，幅度0dBm，正弦波。
   • 频谱仪：中心频率1kHz，Span 10kHz，RBW 10Hz。
3. 测量结果：

   • 基波（1kHz）：-10dBm（线性值0.316V）。

   • 2次谐波（2kHz）：-50dBm（线性值0.00316V）。

   • 3次谐波（3kHz）：-60dBm（线性值0.001V）。

   • 计算THD：

案例2：验证信号发生器的线性度

1. 测试不同幅度下的THD：
   • 设置信号发生器输出幅度为-20dBm、-10dBm、0dBm，分别测量THD。
   • 若THD随幅度增加而显著上升（如从0.1%升至1%），可能表明输出放大器非线性严重。
2. 测试不同频率下的THD：
   • 在1kHz、10kHz、100kHz下测量THD，验证信号发生器在全频段的失真性能。

六、总结与建议

• 选择合适工具：优先使用支持THD自动测量的频谱仪（如Keysight N9020B、R&S FSW），可大幅提高测试效率。
• 控制测试环境：在屏蔽室内测试，避免环境噪声干扰。
• 定期校准：每季度对信号发生器和频谱仪进行校准，确保测量准确性。
• 参考标准：若需符合行业标准（如IEC 61000-4-3），需按照标准规定的测试方法（如使用特定滤波器、带宽等）进行测试。