如何测试信号发生器的抖动性能?

测试信号发生器的抖动性能是评估其输出信号稳定性的关键步骤，尤其在高速通信、精密测量等场景中，抖动会直接影响系统性能。以下是详细的测试方法及步骤：

一、测试前准备

1. 选择测试设备
   • 示波器：需具备高带宽（至少为信号频率的5倍）、低噪声底（≤1mV）和抖动分析功能（如时间间隔误差TIE分析）。推荐使用Keysight DSOX1204G（70MHz带宽）或R&S RTO2000系列（4GHz带宽）。
   • 相位噪声分析仪：用于测量信号的相位抖动，如Keysight E5052B或R&S FSWP。
   • 误码率测试仪（BERT）：通过统计误码率间接评估抖动对系统的影响，适用于通信系统测试。
2. 连接测试环境
   • 使用低损耗同轴电缆（如RG-405）连接信号发生器与示波器，避免电缆引入额外抖动。
   • 确保测试环境温度稳定（±1℃），减少热漂移影响。
   • 接地良好，避免地环路噪声。

二、抖动测试方法

方法1：示波器直接测量法

1. 设置示波器参数
   • 带宽：设置为信号频率的5倍以上（如测试1GHz信号，带宽需≥5GHz）。
   • 时基：根据信号周期调整，确保捕获足够数量的周期（如100个周期）。
   • 触发模式：选择“边沿触发”或“眼图触发”，稳定显示信号。
2. 捕获波形并分析抖动
   • 捕获信号波形后，使用示波器的“抖动分析”功能（如Keysight的Jitter Analysis或R&S的Jitter Measurement）。
   • 测量参数包括：
     • 周期抖动（Period Jitter）：信号周期的随机变化。
     • 峰峰值抖动（Pk-Pk Jitter）：抖动的最大范围。
     • RMS抖动：抖动的均方根值，反映抖动的统计特性。
   • 示例：某信号发生器输出1GHz信号，示波器测量显示RMS抖动为2ps，峰峰值抖动为10ps。
3. 眼图分析（可选）
   • 对高速串行信号（如PCIe、USB），通过示波器生成眼图，观察眼图张开度。眼图闭合程度反映抖动和噪声的综合影响。
   • 理想眼图应张开清晰，若眼图“眯眼”或出现交叉，说明抖动过大。

方法2：相位噪声分析仪法

1. 连接设备
   • 将信号发生器输出接入相位噪声分析仪的输入端口。
   • 设置分析仪中心频率与信号频率一致（如10GHz）。
2. 测量相位噪声
   • 分析仪会输出相位噪声谱密度（dBc/Hz），通过积分计算得到相位抖动（RMS值）。
   • 公式：RMS相位抖动=∫f1f2L(f)⋅df，其中L(f)为相位噪声谱密度，f1和f2为积分带宽（如10Hz-10MHz）。
3. 转换为时间抖动
   • 若需时间抖动（秒），使用公式：时间抖动（RMS）=2πf相位抖动（RMS），其中f为信号频率。
   • 示例：10GHz信号，相位抖动为-80dBc/Hz@10kHz，计算得时间抖动约为1.6ps。

方法3：误码率测试法（间接评估）

1. 连接BERT与信号发生器
   • 将信号发生器输出接入BERT的输入端口，BERT生成伪随机码（如PRBS-31）并发送回信号发生器（闭环测试）。
2. 设置测试参数
   • 信号速率：与信号发生器输出频率一致（如10Gbps）。
   • 测试时间：至少1分钟，确保统计有效性。
3. 分析误码率
   • 若误码率（BER）高于预期（如>1e-12），可能由抖动引起。
   • 结合示波器或相位噪声分析仪进一步定位抖动来源。

三、测试后分析

1. 数据对比
   • 将测量结果与信号发生器规格书对比（如规格书声明RMS抖动≤5ps，实际测量为3ps，则符合要求）。
   • 若超标，需检查测试环境（如电缆、接地）或设备状态（如校准有效期）。
2. 抖动来源分析
   • 随机抖动（RJ）：由热噪声等随机因素引起，服从高斯分布。
   • 确定性抖动（DJ）：由电源噪声、串扰等周期性因素引起，可通过频谱分析定位。
   • 使用示波器的“抖动分解”功能（如Keysight的Jitter Separation）区分RJ和DJ。
3. 优化建议
   • 若随机抖动过大，可降低信号发生器输出幅度或改善散热。
   • 若确定性抖动过大，需检查电源质量或屏蔽干扰源。

四、注意事项

1. 校准设备：测试前需对示波器、相位噪声分析仪进行校准，确保测量准确性。
2. 避免饱和：示波器垂直刻度需合理设置，避免信号截断导致测量误差。
3. 多次测量：对关键参数（如RMS抖动）进行多次测量取平均，减少随机误差。