Rigol DG4000系列信號發生器的校準與誤差修正方法

一、引言

Rigol DG4000系列信號發生器是一款高性能的雙通道任意波形發生器，支持輸出正弦波、方波、鋸齒波、脈沖波等多種波形，頻率范圍覆蓋1 μHz至200 MHz，具備高精度、低失真和寬動態范圍等特點。為確保其在科研、測試和開發中的精度與可靠性，定期校準和誤差修正是必不可少的環節。校準可修正因溫度漂移、器件老化等因素導致的輸出誤差，提升信號源的整體性能。

二、校準前的準備工作

1. 環境要求

溫度：建議在23±2°C的恒溫環境中進行校準，避免溫度波動超過±1°C。

濕度：相對濕度控制在30%~70%范圍內，防止電路受潮或靜電積累。

電磁環境：遠離強電磁干擾源（如大功率電機、高頻設備等），使用屏蔽良好的實驗室環境。

2. 設備與材料

標準儀器：高精度頻率計數器（如Rigol FC8000）、示波器（帶寬≥500 MHz，如Rigol DS5000）、數字萬用表（如Fluke 8846A）。

校準源：已知精度的參考信號源（如Rigol DG1000Z）。

連接線材：低損耗同軸電纜（如SMA接頭，長度≤1米）。

3. 安全措施

確保信號發生器及所有設備接地良好，防止靜電損壞。

避免在設備通電狀態下插拔連接線。

佩戴防靜電手套，接觸內部電路時需先釋放靜電。

三、校準步驟

1. 基本設置與自檢

啟動信號發生器，預熱至少30分鐘。

進入“系統設置”菜單，選擇“自檢”功能，確認設備狀態正常（無報錯信息）。

設置輸出參數：關閉所有調制功能（如AM、FM、PM），選擇標準波形（正弦波）。

2. 頻率校準

步驟1：設置信號發生器輸出頻率為10 MHz（典型值），使用高精度頻率計數器測量實際輸出頻率。

步驟2：若測量值偏差超過±1 ppm（如實際輸出為10.000002 MHz），進入“頻率校準”菜單，調整“頻率修正系數”至偏差歸零。

步驟3：重復步驟1~2，覆蓋全頻率范圍（1 μHz至200 MHz），重點校準常用頻段（如10 kHz、1 MHz、10 MHz、100 MHz）。

3. 幅度校準

步驟1：設置輸出幅度為1 Vpp（峰峰值），使用示波器測量實際幅度。

步驟2：若偏差超過±1%（如實際為0.99 Vpp），通過“幅度校準”菜單調整“增益修正值”。

步驟3：重復步驟1~2，覆蓋不同幅度范圍（如10 mVpp、100 mVpp、10 Vpp、20 Vpp）。

注意事項：高幅度校準時需使用示波器的高阻抗輸入模式（≥1 MΩ），避免負載效應。

4. 波形失真校準

步驟1：輸出1 kHz正弦波，使用示波器的“波形失真度測量”功能（如DS5000的“THD”模式）。

步驟2：若THD超過技術指標（如典型值為-60 dBc），調整信號發生器的“波形優化”參數（如濾波帶寬、波形平滑系數）。

步驟3：必要時使用外部失真校準工具（如Rigol DG-CAL套件）進行高級修正。

四、誤差修正方法

1. 頻率誤差修正

溫度漂移補償：若設備在極端溫度環境下使用，可通過“溫度補償系數”功能（在“高級校準”菜單中）輸入實際溫度，系統自動修正頻率偏移。

晶體老化修正：長期使用后，內部晶體振蕩器可能老化，需定期（每年）使用外部參考源重新校準基準頻率。

2. 幅度誤差修正

非線性修正：對于大動態范圍輸出（如0.1 Vpp至20 Vpp）的幅度偏差，可通過分段校準（每10 dB為一檔）建立修正曲線，由軟件自動補償。

負載效應修正：若輸出阻抗與負載不匹配導致幅度下降，調整“輸出阻抗匹配”參數（如50 Ω或高阻模式）。

3. 波形失真修正

濾波器優化：通過調整內部低通濾波器截止頻率（如設置為輸出頻率的10倍），抑制高頻噪聲。

波形預失真處理：針對特定負載（如容性負載）導致的波形畸變，啟用“預失真補償”功能，反向修正輸出波形。

五、校準與修正后的驗證

1. 驗證測試

頻率精度驗證：輸出多個典型頻率（如1 kHz、10 MHz、100 MHz），使用頻率計數器驗證偏差是否在±0.5 ppm以內。

幅度精度驗證：從10 mVpp到20 Vpp輸出，示波器測量誤差不超過±0.5%。

失真度驗證：在1 kHz至100 kHz范圍內，THD應優于-60 dBc。

2. 數據記錄與分析

使用Excel或專用校準軟件記錄每次校準前后的數據，計算修正前后的誤差變化。

生成校準報告，包含環境參數、設備編號、校準日期、修正系數等信息。

通過嚴格的校準與誤差修正，可顯著提高Rigol DG4000系列信號發生器的輸出精度，確保其在高精度測試場景中的可靠性。建議根據使用頻率和環境條件，每6~12個月進行一次全面校準，并定期驗證關鍵指標。對于極端環境或關鍵應用，可增加校準頻率并采用外部標準源進行比對校準。