所有負責測試系統的工程師都有責任保證測量結果的精度和可復驗性?？蓮万炐?，其重要性甚至大于純粹的精度，是確保設計成功以及制造和運營持續的關鍵因素。測試系統中，可復驗性也是系統包含儀器保證性能的基礎，對網絡分析儀、信號分析儀、功率計、示波器和信號發生器等關鍵儀器來說尤其重要。如果某個參數超限，測量結果將受到負面影響。
精確、專業且可信賴的校準能夠保證可靠和可復驗的結果。校準及計量方法是工程學的一個子學科，受過相關培訓的工程師數量相對較少。幸運的是，熟悉一些基礎概念能夠幫助改善測量性能，增強對結果的理解，最終降低根據測量結果決策的風險。
滿足測量要求
一套測試系統支持一個測試計劃，關鍵的第一步是確定表征被測器件性能需要的基礎技術指標。每項技術指標都涉及一系列的測試、容限和精度要求。制定測試計劃時應包括硬件選擇，以保證必要的特性和功能。工程師的責任是全面理解不同硬件選擇的優勢與缺陷以及平衡。
然而，工程師通常對保持所有設備保證技術指標需要的校準和維修服務重視不足，簡單地認為定期校準可以滿足保證長期測量完整性的需求。實際上，測試設備性能將隨著年限的增加而變化，甚至可能出現故障。校準不是一件普通商品，確保長期測量可復驗性的過程不是簡單的“狀態設置”。采用前瞻性方法不僅可以顯著改善測試系統的精度和可復驗性，而且能夠降低測量超限風險，提高系統的實際精度，進而幫助確保被測器件的性能，提升整體制造效率。
圖 1 理解標稱 DANL 和 TOI 性能可以幫助優化雜散搜索
應用校準改善雜散測量
下面我們將通過應用信號分析儀的雜散信號測量實例演示如何增強測量結果信心。這是一次演示而非雜散測量教程。所有類型的射頻和微波應用都無法避免多余的雜散信號，例如無線通信、雷達和電子戰。很多雜散源于日益擁擠的頻譜環境，雜散可能出乎意料或在意料之中。其他雜散信號可能源于被測器件本身。如果器件包含多個發射機且物理間隔距離較近，雜散可能較為嚴重。兩臺發射機之間的距離越近，干擾的可能性和程度越高。部分測得雜散可能源于頻譜或信號分析儀本身，因為不同制造商控制分析儀自身對測量結果影響的能力不盡相同。
總的來說，雜散可能導致很多潛在問題。在雷達系統中，雜散可能影響系統測量微小回波信號的能力，降低屏幕顯示結果的可信度。接收天線自身生成的雜散可能暴露其存在和位置，導致敏感性現場任務失敗。因此，執行測量時，關鍵問題在于確定出現的雜散是否真實。
搜索雜散通常需要避免大信號的干擾來查找小信號。因此，無雜散動態范圍和靈敏度將成為選擇儀器的關鍵技術指標。由于雜散信號頻率通常未知，搜索雜散信號需要從寬頻帶頻譜測量開始。輸入衰減的最佳設置取決于最寬間隔中最大信號的幅度。寬間隔加上可能存在的大信號，很多低電平信號可能由于頻率分辨率和實際本底噪聲等原因而無法測得。增加可用動態范圍需要盡可能降低并保證充分的輸入衰減，以避免分析儀生成的信號干擾測量，例如諧波和互調。分辨率帶寬（RBW）設置應當合理，以降低分析儀本底噪聲，并分辨間隔較近的雜散，同時保證測量速度。
驗證雷達激勵產生器的無雜散動態范圍（SFDR）是一個不錯的實例。載波基準頻率為 10 GHz。激勵產生器的無雜散動態范圍相比載波（-80 dBc）必須低 80 dB，因此 +15 dBm 輸出電平的激勵器 SFDR 為 -65 dBm。這是被測器件的關鍵技術指標。表征這些參數需要依賴于信號分析儀的動態范圍，而動態范圍取決于噪聲和雜散技術指標。假設信號分析儀的顯示平均噪聲電平（DANL）為 -148 dBm。DANL 通常以 1 Hz 分辨率帶寬為標準，使用 10 kHz 分辨率帶寬時的實際 DANL 為 -108 dBm。剩余響應的技術指標為 -100 dBm 或以下。與之相關的三階互調（TOI）為 -90 dBm。理解預期 DANL（非硬性技術指標）和 TOI 的平衡十分重要，可以幫助設置合理的雜散測量輸入衰減和混頻器電平（參見圖 1）。除了常用技術指標，了解不同分析儀的實際性能也可以有所幫助。分析儀性能高于、低于還是與技術指標一致？如果優于技術指標，性能提升了多大的幅度？這些是幫助工程師解讀分析儀實際測量結果的重要信息。
圖 2 雜散信號測量應用軟件顯示的被測器件雜散信號測量結果
回到最根本的問題，我看到的雜散信號是否真實？結合能夠改善實際測量性能的信息，我們可以很容易地解答這個問題。例如，應用校準結果可以改善測量性能和速度。圖 2 是信號分析儀雜散信號測量應用軟件顯示的結果。表格視圖顯示了雜散編號、測量范圍、雜散頻率、雜散幅度和用戶輸入的測量限制。
對比被測器件測量結果與信號分析儀的實際校準數據能夠幫助我們應用現有知識調整測量設置，從而增強對測量結果的信心。表 1 顯示的是高性能信號分析儀校準后的測量數據。最大雜散出現在 1.1 GHz，電平 -105.25 dBc。因此，調整衰減和分辨率帶寬設置可以降低本底噪聲，進一步確定顯示信號的真實性。
借助校準數據增強性能
完整校準應當能夠測試并驗證儀器所有可能配置條件下的全部保證技術指標。然而，并非所有校準服務都可以提供如此全面的測試。這是一個很難實現的任務。例如，校準典型的中等性能信號分析儀需要 36 類測試，才能確保儀器性能符合預期。完成所有測試后，實驗室還需要提供可追溯至（符合）公認校準標準的完整測量報告。驗證測試、測試結果和標準一致性也是確保分析儀符合保證技術指標的重要步驟。圖 3 是一份能夠幫助改善測量性能的校準報告實例。表格包含了信號分析儀的測得頻率響應，包括測量不確定度和適合的儀器技術指標。該數據可以幫助獲得更精確的被測器件技術指標、增加制造裕量、提升測試效率和改善產品良率。在研發領域，該數據能夠幫助優化設計，并避免協調不同團隊不一致的測試結果。
圖 3 儀器校準數據可以幫助解讀測量結果。
盡管通常有一名工程師負責保證測量性能，但他/她一般不是唯一能夠獲取校準服務的人員。以下建議能夠確保公司獲得需要的校準，并避免導致儀器性能低于預期的風險。首先，明確校準預期很重要，即確定每次校準時必須驗證的儀器保證性能參數。確保其他人明確“性能驗證”標準也很重要。即使經過調整，這也并不等同于真正的校準。實際上，每次校準都驗證所有已安裝選件的全部保證技術指標能夠獲得更佳的結果。如果需要進一步的保證，校準時應包括以下內容：
· 審計校準報告
· 完整的測試結果
· 所有校準設備列表并確保已經過測試
· 確認校準符合可追溯性要求
最后，確定“保險”的經濟價值。例如，能夠滿足或高于目標良率可以減少被測器件廢品率和返工量。此類信息可以幫助管理和采購人員重視高質量校準的價值。
結論
選擇可以信賴的校準服務提供商是保證測試儀器性能符合預期的最佳方法。高質量校準等于測試效率和裕量以及產品良率。在航空航天與國防領域，高質量校準可以增加任務成功的幾率。所有情況下，可靠的校準都可以確保一致的測量結果，幫助工程師更輕松地確定產品或設計問題，從而保證開發和制造效率。