頻譜分析儀測量不確定度評(píng)估

1、五十九、頻譜分析儀不確定度評(píng)估1 儀器設(shè)備說明名稱使用規(guī)格信號(hào)發(fā)生器范 圍: -120dBm15dBm范 圍:5kHz3000MHz測量接收機(jī)范 圍: -127dBm30dBm范 圍: 150kHz2.05GHz 被測對(duì)象：頻譜分析儀，頻率：(0.11300)MHz，電平：（+10-127）dBm2 中心頻率測量不確定度評(píng)定2.2.1校準(zhǔn)方法將待校頻譜分析儀與高頻信號(hào)發(fā)生器對(duì)接,由高頻信號(hào)發(fā)生器輸出信號(hào)輸入到待校頻譜分析儀進(jìn)行測量,在待校頻譜分析儀上讀得相應(yīng)的示值.4.2.2校準(zhǔn)系統(tǒng)示意圖待校頻譜分析儀高頻信號(hào)發(fā)生器2.2.3數(shù)學(xué)模型設(shè)待校頻譜分析儀中心頻率示值為Y, 信號(hào)發(fā)生器輸出信號(hào)頻率為

2、X ,則兩者比較得偏移量D,待校頻譜分析儀中心頻率示值誤差可表示為:D =Y -X2.2.4不確定度來源分析及不確定度評(píng)定在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下,Y不確定度主要來源于待校頻譜分析儀頻率的示值測量重復(fù)性，分辨力；X不確定度主要來源于高穩(wěn)頻率標(biāo)準(zhǔn)的日頻率穩(wěn)定度、信號(hào)發(fā)生器的調(diào)節(jié)細(xì)度引入的不確定度等.2.2.4.1 由待校件的重復(fù)性給出的標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量u(Y1) A類不確定度將被校頻譜分析儀掃頻寬度置100kHz，信號(hào)發(fā)生器輸出頻率為1000MHz的正弦波信號(hào)給待校頻譜分析儀,并讀取其示值,進(jìn)行10次等精度測量,所得資料如下表所示.999.989999.989999.988999.989999.99099

3、9.989999.888999.987999.988999.987由計(jì)算公式: ，計(jì)算各測量值的重復(fù)性引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度如下表所示：評(píng)定點(diǎn)(MHz)標(biāo)準(zhǔn)不確定度(MHz)10000.00102.2.4.2 由待校件的分辨力給出的標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量u(Y2) B類不確定度待校件測量1000MHz頻率時(shí)的分辨力為0.001MHz，其區(qū)間半寬度值為：0.0005MHz，假設(shè)其在區(qū)間內(nèi)屬均勻分布，故：MHz=0.00029MHz, 則待校件分辨力引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度評(píng)定如下表所示: 評(píng)定點(diǎn)(MHz)分辨力(MHz)標(biāo)準(zhǔn)不確定度(MHz)10000.0012.9×10-42.2.4.3由信號(hào)發(fā)生器

4、的調(diào)細(xì)度給出的不確定度分量u B類不確定度信號(hào)發(fā)生器輸出頻率為1000MHz時(shí)的輸出值為1000.0000MHz，調(diào)細(xì)度為0.0001MHz，在區(qū)間的半寬度值為：0.00005，假設(shè)其在區(qū)間內(nèi)為均勻分布，故：u=0.00005/=0.000029MHz,則由高頻信號(hào)發(fā)生器的調(diào)節(jié)細(xì)度給出的標(biāo)準(zhǔn)不確定度如下表所示：評(píng)定點(diǎn)(MHz)調(diào)細(xì)度(MHz)標(biāo)準(zhǔn)不確定度(MHz)10000.00012.9×10-52.2.5 合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度2.2.5.1 靈敏系數(shù)由數(shù)學(xué)模型: =Y-X；則靈敏系數(shù)ci為: ； 則待校頻譜分析儀與高穩(wěn)頻率標(biāo)準(zhǔn)各分量的靈敏系數(shù)可表示為:； 2.2.6 合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度

5、的評(píng)定:根據(jù)方差公式: 則代入各靈敏系數(shù)，可簡化為：1.04*10-3MHz此,各評(píng)定點(diǎn)的合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度如下表所示:評(píng)定點(diǎn)(MHz)合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度(MHz)10001.04×10-32.2.8 標(biāo)準(zhǔn)不確定度匯總表綜上所述，各校準(zhǔn)點(diǎn)的標(biāo)準(zhǔn)不確定度可匯總?cè)缦拢?000MHz 標(biāo)準(zhǔn)不確定度匯總表不確定度分量不確定度來源分類概率分布包含因子標(biāo)準(zhǔn)不確定度u(xi)（MHz）靈敏系數(shù)Ci|Ci|·u(xi) （MHz）待校件u(Y)u(Y1)測量重復(fù)性A11.0×10-311.0×10-3u(Y2)分辨力B均勻2.9×10-412.9×10-

6、4u(X3)標(biāo)準(zhǔn)件調(diào)節(jié)細(xì)度B均勻2.9×10-5-12.9×10-5合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度uc =1.04×10-3 MHz2.2.9 擴(kuò)展不確定度評(píng)定取置信概率p=95%,k=2,根據(jù)擴(kuò)展不確定度公式,相對(duì)擴(kuò)展不確定度可由擴(kuò)展不確定度U除以被檢頻率值得到，由此，評(píng)定點(diǎn)的擴(kuò)展不確定度及其相對(duì)擴(kuò)展不確定度如下表所示：評(píng)定點(diǎn)(MHz)合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度(MHz)包含因子擴(kuò)展不確定度(MHz)相對(duì)擴(kuò)展不確定度10001.04×10-322.08×10-32.08×10-62.2.10 測量不確定度的報(bào)告與表示：綜合以上所述,取置信概率為p=95%

7、, 則頻譜分析儀中心頻率(1000MHz)測量結(jié)果的相對(duì)擴(kuò)展不確定度: Urel =1.9×10-6， k =2 3 參考電平測量不確定度評(píng)估3.1 校準(zhǔn)方法:將信號(hào)發(fā)生器的輸出信號(hào)直接輸入到待校頻譜分析儀來校準(zhǔn)頻譜分析儀參考電平的誤差.以下分析高頻信號(hào)發(fā)生器和測量接收機(jī)校準(zhǔn)頻譜分析儀參考電平為0dBm時(shí)的測量不確定度.3.2 校準(zhǔn)系統(tǒng)示意圖:高頻信號(hào)發(fā)生器待校頻譜分析儀測量接收機(jī)3.3 數(shù)學(xué)模型:將高頻信號(hào)發(fā)生器的輸出信號(hào)輸入到測量接收機(jī),再將此信號(hào)輸入到待校頻譜分析儀,. 頻譜分析儀的參考電平標(biāo)稱值為P,標(biāo)準(zhǔn)儀器的輸出實(shí)際值為PS,，故參考電平誤差表示為：PDPPS3.4不確定度

8、來源分析及不確定度評(píng)定 在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下,P不確定度主要來源于待校頻譜分析儀頻率的測量重復(fù)性；Ps 不確定度主要來源于測量系統(tǒng)引入的不確定度、高頻信號(hào)發(fā)生器的調(diào)節(jié)細(xì)度引起的不確定度；3.4.1由待校件的重復(fù)性給出的標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量u(P)選取基準(zhǔn)參考電平和參考電平刻度線后，將頻譜分析儀參考電平設(shè)為0 dBm，調(diào)節(jié)高頻信號(hào)發(fā)生器輸出電平，使屏幕顯示波形波峰穩(wěn)定在參考電平刻度位置，再將高頻信號(hào)發(fā)生器的輸出信號(hào)輸入到測量接收機(jī)，記錄測量值，計(jì)算參考電平誤差，重復(fù)10次，進(jìn)行10次等精度測量，所得資料如下表所示：0.350.05-0.040.36-0.070.250.260.240.04-0.01測量結(jié)

9、果取1次讀數(shù),根據(jù)公式： u(P1)=0.1654dBm；即0.0380mW，相對(duì)1mW為3.80%，因此u(t1)=3.80%,計(jì)算各測量值的重復(fù)性引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度如下表所示，評(píng)定點(diǎn)(dBm)標(biāo)準(zhǔn)不確定度03.80%由于是調(diào)節(jié)待校頻譜分析儀之波形位置,讀取信號(hào)發(fā)生器標(biāo)準(zhǔn)值，所以待校頻譜分析儀讀數(shù)分辨力所引起的不確定度已包含在復(fù)現(xiàn)性條件下所得測量列的分散性中,故不必再分析.3.4.2由測量接收機(jī)的校準(zhǔn)證書給出的不確定度分量u(m3) B類不確定度 校準(zhǔn)證書給出的測量接收機(jī)在測量功率電平0 dBm時(shí)的不確定度為0.001dB,轉(zhuǎn)化為電平數(shù)在0dBm檔即0.00023mW,相對(duì)1mW即0.023

10、%由置信概率為95%,則:u(m3)=0.023%/2=0.012%3.4.3由測量接收機(jī)測量分辨率引入的不確定度分量u(m4) B類不確定度測量接收機(jī)功率電平測量分辨力為0.01dBm,轉(zhuǎn)化為電平數(shù)在0dBm檔即0.0023mW,相對(duì)1mW即0.23%,屬均勻分布,則u(m4)=0.07%3.4.4由高頻信號(hào)發(fā)生器的調(diào)細(xì)度引入的不確定度分量 u(Ps2) B類不確定度由于高頻信號(hào)發(fā)生器輸出電平時(shí)的調(diào)細(xì)度為0.1dBm，轉(zhuǎn)化為電平數(shù)在0dBm檔即0.023mW，相對(duì)1mW即2.3%，在區(qū)間內(nèi)的半寬度值為1.15%，假設(shè)其在區(qū)間內(nèi)屬均勻分布，則：u(Ps2);則由E4421B的調(diào)細(xì)度引入的不確定

11、度如下表所示：評(píng)定點(diǎn)(dBm)調(diào)細(xì)度(dBm)標(biāo)準(zhǔn)不確定度00.10.67%3.5 合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度的評(píng)定3.5.1 靈敏系數(shù)由數(shù)學(xué)模型: =Y-X；則靈敏系數(shù)ci為: ； 則待校頻譜分析儀與高頻信號(hào)發(fā)生器各分量的靈敏系數(shù)可表示為:； 3.5.2 合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度的評(píng)定:根據(jù)方差公式: 則代入各靈敏系數(shù)，可簡化為：0.0312由此,各評(píng)定點(diǎn)的合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度如下表所示:評(píng)定點(diǎn)(dBm)合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度00.03123.6 標(biāo)準(zhǔn)不確定度匯總表綜合以上所述,可將各標(biāo)準(zhǔn)不確定度分項(xiàng)源概括如下表 標(biāo)準(zhǔn)不確定度一覽表標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量不確定度來源標(biāo)準(zhǔn)不確定度值(%)C iu(t)測量重復(fù)性3.8013.80u(t)信號(hào)發(fā)生器的調(diào)節(jié)細(xì)度0.67-10.67u(m3)證書不確定度0.012-10.012u(m2)測量分辨力0.07-10.07合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度 uc=3.86%3.7 擴(kuò)展不確定度評(píng)定:取置信概率p=95%,k=2,根據(jù)擴(kuò)展不確定度公式,