如何測試（shì）信號發（fā）生器的失真度？

測試信號發生器的失真度是評估（gū）其輸出信號質量的關鍵步驟，失真度（Total Harmonic Distortion, THD）反映了輸出信號中諧波成分相對於基波的幅度比（bǐ）例。以下是詳細的測試方法、步驟及注意事項：

一、測試原理

失真度測試的核心是分（fèn）析信號發生器輸出信號的頻（pín）譜，通過測量基波（主信號）和（hé）諧波（bō）（2次、3次（cì）等）的幅（fú）度，計算諧波總（zǒng）能（néng）量與基波能量的（de）比值。公式為：

其中，V1為基波（bō）幅（fú）度，V2,V3,…,Vn為各次諧波幅（fú）度。

二、測（cè）試（shì）設備準備

1. 信（xìn）號發生（shēng）器：待測（cè）設（shè）備，需設置輸出頻率、幅度和（hé）波形（如正弦波）。
2. 頻譜分析儀：用於分析信號頻譜，推薦帶寬覆（fù）蓋待測信號及其諧波（如測試1kHz信號時，頻譜（pǔ）儀帶（dài）寬需≥100kHz）。
3. 衰減器：若信號幅度超過頻（pín）譜儀輸入範圍，需使用（yòng）衰（shuāi）減器（如20dB或30dB）降低信號電平。
4. 同軸電（diàn）纜：低損耗、高屏蔽性能的電纜（如RG-223或RG-400），減少外部幹擾。
5. 負載匹配（pèi）器：確（què）保信號發（fā）生器輸出端與頻譜儀輸入端阻抗匹（pǐ）配（通常為50Ω）。

三、測試步驟

1. 連接設備

• 將信（xìn）號發生器的輸出端通過同軸電纜連接至頻譜儀的輸入端。
• 若信號幅度較大，在連接線中串聯（lián）衰減器（如20dB），避免頻譜儀輸入過載。
• 確保所有連接器（qì）緊固，避免接觸不良（liáng）引入噪聲。

2. 設置信號（hào）發生器參數

• 頻率：選擇待測頻率（如1kHz、10kHz、1MHz等），覆蓋信號發生器的常用工（gōng）作範圍。
• 幅度（dù）：設置輸出幅度（dù）為頻譜儀可測（cè）量的合理範圍（如（rú）-10dBm至0dBm），避免信號過小導致信噪比不足。
• 波形：選擇正弦波（失真度（dù）測試通常針對（duì）正弦波）。

3. 配置頻譜分析儀

• 中心頻率：設置為待測信號頻率（如1kHz）。
• 掃（sǎo）描寬度（Span）：根據諧波次數調整（如測試（shì）1kHz信號的5次（cì）諧波，Span需≥5kHz）。
• 分辨率帶寬（RBW）：選擇較小值（如10Hz或100Hz）以提高頻譜分辨率，但需平衡測量時間。
• 參考電（diàn）平：設置為略高於（yú）信號幅度（如+10dBm），確保信號顯示在頻譜儀屏幕中央。
• 輸入衰減（jiǎn）：根（gēn）據（jù）信號幅度調整（如0dB或10dB），避免輸入過載。

4. 測量失真度

• 手動計算法：
  1. 觀（guān）察頻譜儀顯示的頻譜，標記（jì）基波（V1）和諧波（V2,V3,…）的幅度。
  2. 記錄各次諧波的幅度值（單位：dBm或V）。
  3. 將諧波幅度轉（zhuǎn）換為線性值（如V=10(dBm/20)），代入THD公式計（jì）算。
• 自動（dòng）測（cè）量法：
  • 部分頻譜儀支持THD自動測量功能（如Keysight N9020B MXA信號分析儀），可直接（jiē）讀取THD值。
  • 操作（zuò）步驟：進入“失真分析”模式，選擇（zé）“THD”參數，頻譜儀將自動計算並顯示結果（guǒ）。

5. 重複測試

• 在（zài）不（bú）同頻率點（如1kHz、10kHz、100kHz）重複上述步驟（zhòu），驗證信號發（fā）生器在全頻段的失真性能。
• 記錄各頻率點的THD值，生成失（shī）真度曲線。

四、注（zhù）意事項

1. 避免外部幹擾

• 測試環境需遠（yuǎn）離強電磁幹擾源（如手機、Wi-Fi路由器）。
• 使用屏蔽（bì）電纜和（hé）金屬屏蔽箱（如Keysight 8410C）減少空間耦合幹擾。

2. 確保信號純淨

• 信號發生器輸出端（duān）需連接50Ω負載（如頻譜儀輸入端），避免反射導致失真。
• 若信號發生器支持，啟用“純淨信號模式”（如Keysight 33600A係列的“Low Distortion”模式）。

3. 頻譜儀校準

• 測（cè）試前對頻譜儀進行頻率和幅度校準（zhǔn）（如使用Keysight ECAL校準套件）。
• 確保頻譜儀的頻率響應平坦（±0.5dB以內），避免幅度測量（liàng）誤差。

4. 衰減（jiǎn）器選擇

• 衰減器的衰減量需根據信號幅度調整，避（bì）免（miǎn）信號過小導致信噪比不足（zú）（如SNR<40dB時，THD測量誤差可能超過10%）。

5. 諧波次數限製

• 通常（cháng）測試至5次或7次諧波即可覆蓋主要失真成分，更高次諧波幅度（dù）通常可忽略。

五、典型測試案（àn）例

案例1：測試1kHz正（zhèng）弦波的THD

1. 連接設備（bèi）：信號發生器 → 20dB衰減器 → 頻譜儀。
2. 設置參數（shù）：
   • 信號發生器：頻率（lǜ）1kHz，幅度0dBm，正弦波。
   • 頻（pín）譜儀：中心頻率1kHz，Span 10kHz，RBW 10Hz。
3. 測量結果：

   • 基波（1kHz）：-10dBm（線性值0.316V）。

   • 2次諧波（2kHz）：-50dBm（線性值0.00316V）。

   • 3次諧波（3kHz）：-60dBm（線性值（zhí）0.001V）。

   • 計算THD：

案例2：驗證信號發生（shēng）器的線性度

1. 測（cè）試不同幅度下的（de）THD：
   • 設置信號發生器輸出幅度為-20dBm、-10dBm、0dBm，分別測量THD。
   • 若THD隨幅度增加而顯著上升（如從0.1%升至1%），可（kě）能表明輸出放大器非線性（xìng）嚴重。
2. 測試不同頻率下的THD：
   • 在1kHz、10kHz、100kHz下測量THD，驗（yàn）證信號發生器在全頻段的失真性能。

六、總結與建議

• 選擇（zé）合適（shì）工具：優先使用支持THD自動測量的頻（pín）譜儀（如Keysight N9020B、R&S FSW），可大幅（fú）提高測試效率。
• 控製測試環境：在屏蔽室內測試，避免環境噪聲幹擾。
• 定（dìng）期校準：每季度對信（xìn）號發生（shēng）器和頻譜儀進行校準（zhǔn），確（què）保測（cè）量準確性。
• 參考標準：若需符合行業標準（如IEC 61000-4-3），需按照（zhào）標準規定的測（cè）試方法（如使用特定濾波器、帶寬等）進行測試（shì）。