驗(yàn)證信號(hào)發(fā)生器的諧波失真和相位噪聲是評(píng)估其輸出信號(hào)純凈度和穩(wěn)定性的關(guān)鍵實(shí)驗(yàn)。以下是分步驟的詳細(xì)操作指南，結(jié)合具體工具和注意事項(xiàng)，幫助您高效完成測(cè)試。
一、諧波失真測(cè)試：驗(yàn)證信號(hào)純凈度
核心目標(biāo)：測(cè)量輸出信號(hào)中諧波分量（如2次、3次諧波）的幅度，計(jì)算總諧波失真（THD）或總諧波失真加噪聲（THD+N）。
實(shí)驗(yàn)工具
- 信號(hào)發(fā)生器：待測(cè)設(shè)備（如Keysight 33600A，頻率范圍100μHz至20MHz）。
- 頻譜分析儀：用于分離和測(cè)量諧波分量（如R&S FPC1500，頻率范圍5kHz至3GHz，分辨率帶寬1Hz）。
- 衰減器：若信號(hào)幅度超過(guò)頻譜分析儀輸入范圍（如30dB衰減器，處理+20dBm信號(hào)）。
- 低噪聲同軸電纜：減少外部噪聲干擾（如RG402，衰減0.5dB/m @ 1GHz）。
實(shí)驗(yàn)步驟
- 環(huán)境準(zhǔn)備
- 溫度：23℃ ± 3℃，避免溫度漂移影響信號(hào)發(fā)生器輸出。
- 電源：使用線(xiàn)性穩(wěn)壓電源（如Keysight E36313A，電壓波動(dòng)＜0.01%），減少電源噪聲。
- 接地：所有設(shè)備共地，避免地環(huán)路干擾。
- 連接設(shè)備
- 信號(hào)發(fā)生器輸出 → 衰減器（可選）→ 頻譜分析儀輸入。
- 示例：測(cè)試1kHz正弦波，幅度0dBm，頻譜分析儀輸入范圍設(shè)為+10dBm（無(wú)需衰減器）。
- 配置信號(hào)發(fā)生器
- 頻率：1kHz（音頻頻段典型值）。
- 幅度：0dBm（確保頻譜分析儀可測(cè)量且不飽和）。
- 波形：正弦波（諧波失真測(cè)試需純凈基波）。
- 配置頻譜分析儀
- 中心頻率：設(shè)為基波頻率（如1kHz）。
- 掃描范圍（Span）：設(shè)為基波頻率的10倍（如10kHz），覆蓋前幾次諧波。
- 分辨率帶寬（RBW）：設(shè)為10Hz（提高頻率選擇性，減少噪聲基底影響）。
- 參考電平：設(shè)為比基波幅度高10dB（如基波-10dBm，參考電平設(shè)為0dBm）。
- 跡線(xiàn)模式：選擇“最大保持”（Max Hold）以捕獲瞬態(tài)諧波。
- 測(cè)量諧波分量
- 啟動(dòng)信號(hào)發(fā)生器和頻譜分析儀，等待測(cè)量穩(wěn)定（約30秒）。
- 記錄基波（1kHz）和各次諧波（2kHz、3kHz等）的幅度。
- 示例結(jié)果：
- 基波：0dBm
- 2次諧波：-60dBm
- 3次諧波：-70dBm
- 計(jì)算THD和THD+N
其中 $A_n$ 為第n次諧波幅度，$A_1$ 為基波幅度。
THD=20log10(110?60/20)2+(110?70/20)2=?60dBc （實(shí)際需包含更多諧波項(xiàng)，此處簡(jiǎn)化計(jì)算）
注意事項(xiàng)
- 避免頻譜泄漏：確保信號(hào)發(fā)生器輸出頻率與頻譜分析儀采樣率同步（如使用整數(shù)倍關(guān)系）。
- 動(dòng)態(tài)范圍限制：若諧波幅度低于頻譜分析儀噪聲基底（如-120dBm），需延長(zhǎng)平均時(shí)間（如10次平均）或降低RBW。
- 非線(xiàn)性失真：若信號(hào)發(fā)生器輸出幅度過(guò)大（如＞+10dBm），可能引入額外失真，需降低幅度測(cè)試。
二、相位噪聲測(cè)試：驗(yàn)證信號(hào)短期穩(wěn)定性
核心目標(biāo)：測(cè)量信號(hào)相位隨時(shí)間變化的隨機(jī)波動(dòng)，通常以單邊帶相位噪聲（SSB PN）表示，單位為dBc/Hz。
實(shí)驗(yàn)工具
- 信號(hào)發(fā)生器：待測(cè)設(shè)備（如R&S SMA100B，相位噪聲低至-180dBc/Hz @ 10kHz偏移）。
- 相位噪聲測(cè)試系統(tǒng)：集成頻譜分析儀和相位噪聲分析功能（如Keysight E5052B，頻率范圍10Hz至7GHz）。
- 低噪聲放大器（LNA）：若信號(hào)幅度過(guò)低（如-100dBm），需放大至測(cè)試系統(tǒng)輸入范圍（如+10dBm）。
- 同軸電纜和適配器：確保低損耗和阻抗匹配（如50Ω）。
實(shí)驗(yàn)步驟
- 環(huán)境準(zhǔn)備
- 屏蔽室：減少外部電磁干擾（如手機(jī)、Wi-Fi信號(hào)）。
- 溫度控制：23℃ ± 1℃，避免熱漂移影響相位穩(wěn)定性。
- 電源：使用電池供電或線(xiàn)性穩(wěn)壓電源（減少電源噪聲耦合）。
- 連接設(shè)備
- 信號(hào)發(fā)生器輸出 → LNA（可選）→ 相位噪聲測(cè)試系統(tǒng)輸入。
- 示例：測(cè)試1GHz載波，幅度-20dBm，相位噪聲測(cè)試系統(tǒng)輸入范圍設(shè)為-30dBm至+10dBm（無(wú)需LNA）。
- 配置信號(hào)發(fā)生器
- 頻率：1GHz（射頻頻段典型值）。
- 幅度：-20dBm（避免測(cè)試系統(tǒng)飽和）。
- 調(diào)制：關(guān)閉所有調(diào)制（如AM、FM、PM），確保純載波輸出。
- 配置相位噪聲測(cè)試系統(tǒng)
- 中心頻率：設(shè)為載波頻率（如1GHz）。
- 偏移頻率范圍：設(shè)為10Hz至100kHz（覆蓋近端相位噪聲）。
- 分辨率帶寬（RBW）：自動(dòng)或手動(dòng)設(shè)為1Hz（提高頻率選擇性）。
- 平均次數(shù)：設(shè)為100次（降低隨機(jī)噪聲影響）。
- 跡線(xiàn)模式：選擇“對(duì)數(shù)”（Log）顯示，便于觀察低電平噪聲。
- 測(cè)量相位噪聲
- 啟動(dòng)信號(hào)發(fā)生器和測(cè)試系統(tǒng)，等待測(cè)量穩(wěn)定（約5分鐘）。
- 記錄不同偏移頻率（如1kHz、10kHz）處的相位噪聲值。
- 示例結(jié)果：
- 1kHz偏移：-120dBc/Hz
- 10kHz偏移：-140dBc/Hz
- 生成相位噪聲曲線(xiàn)
- 測(cè)試系統(tǒng)通常自動(dòng)生成相位噪聲對(duì)數(shù)曲線(xiàn)（如dBc/Hz vs. 偏移頻率）。
- 驗(yàn)證曲線(xiàn)是否符合信號(hào)發(fā)生器規(guī)格書(shū)（如R&S SMA100B在1GHz、10kHz偏移處相位噪聲≤-175dBc/Hz）。
注意事項(xiàng)
- 載波抑制：確保測(cè)試系統(tǒng)能夠抑制載波（如使用交叉相關(guān)技術(shù)），避免載波泄漏掩蓋相位噪聲。
- 偏移頻率選擇：近端（10Hz-1kHz）相位噪聲反映振蕩器短期穩(wěn)定性，遠(yuǎn)端（＞1MHz）可能受測(cè)試系統(tǒng)本底噪聲限制。
- 本底噪聲校準(zhǔn)：在測(cè)試前測(cè)量測(cè)試系統(tǒng)本底噪聲（如關(guān)閉信號(hào)發(fā)生器），確保其低于待測(cè)信號(hào)相位噪聲10dB以上。
三、實(shí)驗(yàn)優(yōu)化與常見(jiàn)問(wèn)題解決
- 諧波失真測(cè)試優(yōu)化
- 問(wèn)題：諧波幅度過(guò)低無(wú)法測(cè)量。
- 解決：增加信號(hào)發(fā)生器輸出幅度（如從0dBm增至+10dBm），或降低頻譜分析儀RBW（如從10Hz降至1Hz）。
- 相位噪聲測(cè)試優(yōu)化
- 問(wèn)題：相位噪聲曲線(xiàn)波動(dòng)大。
- 解決：增加平均次數(shù)（如從10次增至100次），或使用屏蔽更好的同軸電纜（如半剛性電纜）。
- 工具替代方案
- 低成本替代：
- 諧波失真：使用示波器（如Rigol DS1054Z，帶寬100MHz）進(jìn)行FFT分析（精度較低，適合快速驗(yàn)證）。
- 相位噪聲：使用鎖相環(huán)（PLL）和低頻頻譜分析儀（如Siglent SSA3000X，頻率范圍9kHz至3.2GHz）間接測(cè)量（需復(fù)雜校準(zhǔn)）。
四、總結(jié)與建議
- 高精度需求：選擇專(zhuān)業(yè)相位噪聲測(cè)試系統(tǒng)（如Keysight E5052B）和高性能信號(hào)發(fā)生器（如R&S SMA100B），確保測(cè)試結(jié)果可信度。
- 快速驗(yàn)證：使用頻譜分析儀的“標(biāo)記功能”直接讀取諧波幅度，或依賴(lài)信號(hào)發(fā)生器自帶的相位噪聲測(cè)量選項(xiàng)（如Keysight 33600A支持有限相位噪聲測(cè)試）。
- 數(shù)據(jù)記錄：保存測(cè)試截圖和原始數(shù)據(jù)，便于后續(xù)分析和對(duì)比規(guī)格書(shū)。
通過(guò)上述步驟，您可系統(tǒng)驗(yàn)證信號(hào)發(fā)生器的諧波失真和相位噪聲，確保其輸出信號(hào)滿(mǎn)足通信、雷達(dá)、儀器校準(zhǔn)等應(yīng)用的高精度需求。
