验证信号发生器的谐波失真和相位噪声是评估其输出信号纯净度和稳定性的关键实验。以下是分步骤的详细操作指南，结合具体工具和注意事项，帮助您高效完成测试。
一、谐波失真测试：验证信号纯净度
核心目标：测量输出信号中谐波分量（如2次、3次谐波）的幅度，计算总谐波失真（THD）或总谐波失真加噪声（THD+N）。
实验工具
- 信号发生器：待测设备（如Keysight 33600A，频率范围100μHz至20MHz）。
- 频谱分析仪：用于分离和测量谐波分量（如R&S FPC1500，频率范围5kHz至3GHz，分辨率带宽1Hz）。
- 衰减器：若信号幅度超过频谱分析仪输入范围（如30dB衰减器，处理+20dBm信号）。
- 低噪声同轴电缆：减少外部噪声干扰（如RG402，衰减0.5dB/m @ 1GHz）。
实验步骤
- 环境准备
- 温度：23℃ ± 3℃，避免温度漂移影响信号发生器输出。
- 电源：使用线性稳压电源（如Keysight E36313A，电压波动＜0.01%），减少电源噪声。
- 接地：所有设备共地，避免地环路干扰。
- 连接设备
- 信号发生器输出 → 衰减器（可选）→ 频谱分析仪输入。
- 示例：测试1kHz正弦波，幅度0dBm，频谱分析仪输入范围设为+10dBm（无需衰减器）。
- 配置信号发生器
- 频率：1kHz（音频频段典型值）。
- 幅度：0dBm（确保频谱分析仪可测量且不饱和）。
- 波形：正弦波（谐波失真测试需纯净基波）。
- 配置频谱分析仪
- 中心频率：设为基波频率（如1kHz）。
- 扫描范围（Span）：设为基波频率的10倍（如10kHz），覆盖前几次谐波。
- 分辨率带宽（RBW）：设为10Hz（提高频率选择性，减少噪声基底影响）。
- 参考电平：设为比基波幅度高10dB（如基波-10dBm，参考电平设为0dBm）。
- 迹线模式：选择“最大保持”（Max Hold）以捕获瞬态谐波。
- 测量谐波分量
- 启动信号发生器和频谱分析仪，等待测量稳定（约30秒）。
- 记录基波（1kHz）和各次谐波（2kHz、3kHz等）的幅度。
- 示例结果：
- 基波：0dBm
- 2次谐波：-60dBm
- 3次谐波：-70dBm
- 计算THD和THD+N
其中 $A_n$ 为第n次谐波幅度，$A_1$ 为基波幅度。
THD=20log10(110−60/20)2+(110−70/20)2=−60dBc （实际需包含更多谐波项，此处简化计算）
注意事项
- 避免频谱泄漏：确保信号发生器输出频率与频谱分析仪采样率同步（如使用整数倍关系）。
- 动态范围限制：若谐波幅度低于频谱分析仪噪声基底（如-120dBm），需延长平均时间（如10次平均）或降低RBW。
- 非线性失真：若信号发生器输出幅度过大（如＞+10dBm），可能引入额外失真，需降低幅度测试。
二、相位噪声测试：验证信号短期稳定性
核心目标：测量信号相位随时间变化的随机波动，通常以单边带相位噪声（SSB PN）表示，单位为dBc/Hz。
实验工具
- 信号发生器：待测设备（如R&S SMA100B，相位噪声低至-180dBc/Hz @ 10kHz偏移）。
- 相位噪声测试系统：集成频谱分析仪和相位噪声分析功能（如Keysight E5052B，频率范围10Hz至7GHz）。
- 低噪声放大器（LNA）：若信号幅度过低（如-100dBm），需放大至测试系统输入范围（如+10dBm）。
- 同轴电缆和适配器：确保低损耗和阻抗匹配（如50Ω）。
实验步骤
- 环境准备
- 屏蔽室：减少外部电磁干扰（如手机、Wi-Fi信号）。
- 温度控制：23℃ ± 1℃，避免热漂移影响相位稳定性。
- 电源：使用电池供电或线性稳压电源（减少电源噪声耦合）。
- 连接设备
- 信号发生器输出 → LNA（可选）→ 相位噪声测试系统输入。
- 示例：测试1GHz载波，幅度-20dBm，相位噪声测试系统输入范围设为-30dBm至+10dBm（无需LNA）。
- 配置信号发生器
- 频率：1GHz（射频频段典型值）。
- 幅度：-20dBm（避免测试系统饱和）。
- 调制：关闭所有调制（如AM、FM、PM），确保纯载波输出。
- 配置相位噪声测试系统
- 中心频率：设为载波频率（如1GHz）。
- 偏移频率范围：设为10Hz至100kHz（覆盖近端相位噪声）。
- 分辨率带宽（RBW）：自动或手动设为1Hz（提高频率选择性）。
- 平均次数：设为100次（降低随机噪声影响）。
- 迹线模式：选择“对数”（Log）显示，便于观察低电平噪声。
- 测量相位噪声
- 启动信号发生器和测试系统，等待测量稳定（约5分钟）。
- 记录不同偏移频率（如1kHz、10kHz）处的相位噪声值。
- 示例结果：
- 1kHz偏移：-120dBc/Hz
- 10kHz偏移：-140dBc/Hz
- 生成相位噪声曲线
- 测试系统通常自动生成相位噪声对数曲线（如dBc/Hz vs. 偏移频率）。
- 验证曲线是否符合信号发生器规格书（如R&S SMA100B在1GHz、10kHz偏移处相位噪声≤-175dBc/Hz）。
注意事项
- 载波抑制：确保测试系统能够抑制载波（如使用交叉相关技术），避免载波泄漏掩盖相位噪声。
- 偏移频率选择：近端（10Hz-1kHz）相位噪声反映振荡器短期稳定性，远端（＞1MHz）可能受测试系统本底噪声限制。
- 本底噪声校准：在测试前测量测试系统本底噪声（如关闭信号发生器），确保其低于待测信号相位噪声10dB以上。
三、实验优化与常见问题解决
- 谐波失真测试优化
- 问题：谐波幅度过低无法测量。
- 解决：增加信号发生器输出幅度（如从0dBm增至+10dBm），或降低频谱分析仪RBW（如从10Hz降至1Hz）。
- 相位噪声测试优化
- 问题：相位噪声曲线波动大。
- 解决：增加平均次数（如从10次增至100次），或使用屏蔽更好的同轴电缆（如半刚性电缆）。
- 工具替代方案
- 低成本替代：
- 谐波失真：使用示波器（如Rigol DS1054Z，带宽100MHz）进行FFT分析（精度较低，适合快速验证）。
- 相位噪声：使用锁相环（PLL）和低频频谱分析仪（如Siglent SSA3000X，频率范围9kHz至3.2GHz）间接测量（需复杂校准）。
四、总结与建议
- 高精度需求：选择专业相位噪声测试系统（如Keysight E5052B）和高性能信号发生器（如R&S SMA100B），确保测试结果可信度。
- 快速验证：使用频谱分析仪的“标记功能”直接读取谐波幅度，或依赖信号发生器自带的相位噪声测量选项（如Keysight 33600A支持有限相位噪声测试）。
- 数据记录：保存测试截图和原始数据，便于后续分析和对比规格书。
通过上述步骤，您可系统验证信号发生器的谐波失真和相位噪声，确保其输出信号满足通信、雷达、仪器校准等应用的高精度需求。
