使用示波器测量信号发生器输出信号的失真度，需结合示波器的频谱分析功能（如FFT）或时域波形分析，并配合适当的测试设置和数学计算。以下是详细的步骤、方法及注意事项：
一、失真度的定义与测量原理
失真度（Total Harmonic Distortion, THD）表示信号中谐波分量总功率与基波功率的比值，通常以百分比表示：
其中，V1为基波幅值，V2,V3,⋯,Vn为各次谐波幅值。
测量原理：
- 时域法：通过示波器采集波形，计算波形与理想正弦波的偏差。
- 频域法：利用FFT将时域信号转换为频谱，直接测量谐波分量幅值。
二、测量步骤（以频域法为例）
1. 硬件连接
- 示波器设置：
- 使用无源探头（如×10探头）连接信号发生器输出端与示波器通道。
- 确保探头衰减比与示波器设置一致（如探头×10，示波器设置为×10）。
- 接地处理：
- 探头接地环尽量靠近信号源输出端，减少环路干扰。
- 避免长接地线引入噪声（可使用短接地弹簧）。
2. 示波器基本设置
- 垂直设置：
- 调整电压刻度（如500mV/div），使波形占满屏幕的60%~80%。
- 开启带宽限制（如20MHz），抑制高频噪声。
- 水平设置：
- 采样率设置为信号频率的5~10倍（如1kHz信号，采样率≥10kSa/s）。
- 记录长度（存储深度）需足够长以支持FFT分析（如1M点）。
- 触发设置：
- 使用边沿触发，触发电平设在波形中间值。
- 开启触发稳定功能（如R&S RTO示波器的“UltraStable”模式）。
3. FFT频谱分析
- 开启FFT功能：
- 进入示波器的“Math”或“FFT”菜单，选择当前通道作为输入。
- 设置FFT窗口函数（如汉宁窗Hanning，减少频谱泄漏）。
- 中心频率与跨度：
- 中心频率设为信号基波频率（如1kHz）。
- 跨度（Span）设为基波频率的5~10倍（如5kHz~10kHz），以覆盖前几次谐波。
- 分辨率带宽（RBW）：
- RBW设为信号频率的1%（如1kHz信号，RBW=10Hz），提高谐波测量精度。
4. 测量谐波分量
- 标记谐波峰：
- 使用示波器的光标（Cursor）功能，标记基波（V1）和各次谐波（V2,V3,⋯）的幅值。
- 示例：对于1kHz信号，标记1kHz（基波）、2kHz（二次谐波）、3kHz（三次谐波）等。
- 计算THD：
THD=10.012+0.0052×100%≈1.12%
三、时域法测量（辅助验证）
若示波器不支持FFT或需快速验证，可通过时域波形分析估算失真：
- 采集波形：
- 理想正弦波拟合：
- 使用示波器的“波形拟合”功能（如R&S RTO的“Sine Fit”），计算实际波形与理想正弦波的RMS误差。
- 估算THD：
- THD≈（误差电压/基波电压）×100%（粗略估算，精度低于频域法）。
四、关键注意事项
1. 示波器性能要求
- 带宽：示波器带宽需≥信号频率的3~5倍（如测量10MHz信号，需≥50MHz带宽）。
- 垂直分辨率：8位示波器可区分约0.4%的幅值变化，12位示波器精度更高（如R&S RTO2000系列）。
- 噪声底：示波器本底噪声应<信号幅值的1%（如测量1V信号，噪声<10mV）。
2. 测试条件优化
- 平均次数：
- 开启示波器的“平均”功能（如16次平均），降低随机噪声影响。
- 探头校准：
- 信号幅度：
- 信号幅度保持在示波器量程的50%~80%，避免削波或量化误差。
3. 常见误差来源
- 频谱泄漏：
- 原因：信号频率与FFT采样率不整除。
- 解决方案：调整采样率或使用整周期采样（如信号周期数=FFT点数/跨度）。
- 谐波折叠：
- 原因：谐波频率超过示波器带宽或采样率的一半（奈奎斯特频率）。
- 解决方案：提高示波器带宽或采样率。
- 背景噪声：
- 原因：电源噪声、探头耦合噪声。
- 解决方案：使用电池供电示波器，缩短探头接地线。
五、典型应用场景与THD要求
六、实践建议
- 使用专业软件：
- 如R&S RTO示波器的“THD分析”功能，可自动计算并显示THD结果。
- 对比测试：
- 与频谱分析仪（如Keysight N9020B）的测量结果对比，验证示波器精度。
- 长期监测：
- 对关键信号（如电源输出）进行THD连续监测，捕捉偶发失真。
总结
通过示波器的FFT功能测量信号发生器输出信号的THD，需重点关注示波器带宽、垂直分辨率、FFT设置，并优化测试条件（如平均次数、探头接地）。频域法是主流方法，时域法可作为辅助验证。实际测试中，需结合应用场景的THD要求，选择合适的示波器型号（如12位高精度示波器）和测试参数。
