驗證信號發(fā)生器的諧波失真和相位噪聲是評估其輸出信號純凈度和穩(wěn)定性的關(guān)鍵實驗。以下是分步驟的詳細操作指南，結(jié)合具體工具和注意事項，幫助您高效完成測試。

一、諧波失真測試：驗證信號純凈度

核心目標：測量輸出信號中諧波分量（如2次、3次諧波）的幅度，計算總諧波失真（THD）或總諧波失真加噪聲（THD+N）。

實驗工具

• 信號發(fā)生器：待測設(shè)備（如Keysight 33600A，頻率范圍100μHz至20MHz）。
• 頻譜分析儀：用于分離和測量諧波分量（如R&S FPC1500，頻率范圍5kHz至3GHz，分辨率帶寬1Hz）。
• 衰減器：若信號幅度超過頻譜分析儀輸入范圍（如30dB衰減器，處理+20dBm信號）。
• 低噪聲同軸電纜：減少外部噪聲干擾（如RG402，衰減0.5dB/m @ 1GHz）。

實驗步驟

1. 環(huán)境準備
   • 溫度：23℃ ± 3℃，避免溫度漂移影響信號發(fā)生器輸出。
   • 電源：使用線性穩(wěn)壓電源（如Keysight E36313A，電壓波動＜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。
2. 連接設(shè)備
   • 信號發(fā)生器輸出 → 衰減器（可選）→ 頻譜分析儀輸入。
   • 示例：測試1kHz正弦波，幅度0dBm，頻譜分析儀輸入范圍設(shè)為+10dBm（無需衰減器）。
3. 配置信號發(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量且不飽和）。
   • 波形：正弦波（諧波失真測試需純凈基波）。
4. 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）。
   • 跡線模式：選擇“最大保持”（Max Hold）以捕獲瞬態(tài)諧波。
5. 測量諧波分量
   • 啟動信號發(fā)生器和頻譜分析儀，等待測量穩(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
6. 計算THD和THD+N

   • THD公式：

其中 $A_n$ 為第n次諧波幅度，$A_1$ 為基波幅度。

• THD+N公式：在THD基礎(chǔ)上加入噪聲分量（測量總功率減去基波和諧波功率）。

• 示例計算：

（實際需包含更多諧波項，此處簡化計算）

注意事項

• 避免頻譜泄漏：確保信號發(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），需延長平均時間（如10次平均）或降低RBW。
• 非線性失真：若信號發(fā)生器輸出幅度過大（如＞+10dBm），可能引入額外失真，需降低幅度測試。

二、相位噪聲測試：驗證信號短期穩(wěn)定性

核心目標：測量信號相位隨時間變化的隨機波動，通常以單邊帶相位噪聲（SSB PN）表示，單位為dBc/Hz。

實驗工具

• 信號發(fā)生器：待測設(shè)備（如R&S SMA100B，相位噪聲低至-180dBc/Hz @ 10kHz偏移）。
• 相位噪聲測試系統(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）：若信號幅度過低（如-100dBm），需放大至測試系統(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）。

實驗步驟

1. 環(huán)境準備
   • 屏蔽室：減少外部電磁干擾（如手機、Wi-Fi信號）。
   • 溫度控制：23℃ ± 1℃，避免熱漂移影響相位穩(wěn)定性。
   • 電源：使用電池供電或線性穩(wěn)壓電源（減少電源噪聲耦合）。
2. 連接設(shè)備
   • 信號發(fā)生器輸出 → LNA（可選）→ 相位噪聲測試系統(tǒng)輸入。
   • 示例：測試1GHz載波，幅度-20dBm，相位噪聲測試系統(tǒng)輸入范圍設(shè)為-30dBm至+10dBm（無需LNA）。
3. 配置信號發(fā)生器
   • 頻率：1GHz（射頻頻段典型值）。
   • 幅度：-20dBm（避免測試系統(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。
4. 配置相位噪聲測試系統(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）：自動或手動設(shè)為1Hz（提高頻率選擇性）。
   • 平均次數(shù)：設(shè)為100次（降低隨機噪聲影響）。
   • 跡線模式：選擇“對數(shù)”（Log）顯示，便于觀察低電平噪聲。
5. 測量相位噪聲
   • 啟動信號發(fā)生器和測試系統(tǒng)，等待測量穩(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
6. 生成相位噪聲曲線
   • 測試系統(tǒng)通常自動生成相位噪聲對數(shù)曲線（如dBc/Hz vs. 偏移頻率）。
   • 驗證曲線是否符合信號發(fā)生器規(guī)格書（如R&S SMA100B在1GHz、10kHz偏移處相位噪聲≤-175dBc/Hz）。

注意事項

• 載波抑制：確保測試系統(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，遠端（＞1MHz）可能受測試系統(tǒng)本底噪聲限制。
• 本底噪聲校準：在測試前測量測試系統(tǒng)本底噪聲（如關(guān)閉信號發(fā)生器），確保其低于待測信號相位噪聲10dB以上。

三、實驗優(yōu)化與常見問題解決

1. 諧波失真測試優(yōu)化
   • 問題：諧波幅度過低無法測量。
   • 解決：增加信號發(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）。
2. 相位噪聲測試優(yōu)化
   • 問題：相位噪聲曲線波動大。
   • 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）。
3. 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）進行FFT分析（精度較低，適合快速驗證）。
     • 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）間接測量（需復雜校準）。

四、總結(jié)與建議

• 高精度需求：選擇專業(yè)相位噪聲測試系統(tǒng)（如Keysight E5052B）和高性能信號發(fā)生器（如R&S SMA100B），確保測試結(jié)果可信度。
• 快速驗證：使用頻譜分析儀的“標記功能”直接讀取諧波幅度，或依賴信號發(fā)生器自帶的相位噪聲測量選項（如Keysight 33600A支持有限相位噪聲測試）。
• 數(shù)據(jù)記錄：保存測試截圖和原始數(shù)據(jù)，便于后續(xù)分析和對比規(guī)格書。

通過上述步驟，您可系統(tǒng)驗證信號發(fā)生器的諧波失真和相位噪聲，確保其輸出信號滿足通信、雷達、儀器校準等應(yīng)用的高精度需求。