Генераторы сигналов и достоверность малых величин

Бен Зарлинго (Ben Zarlingo)

Достичь высокой точности в малом значительно труднее, чем в большом

Недавно я занимался измерением чувствительности и обнаружил, что работать со слабыми сигналами очень трудно. Эта проблема весьма интересна, и я решил, что будет полезно поделиться с вами некоторыми интересными соображениями относительно декларируемых и реальных характеристик.
Я сразу признаю, что технические описания и детальные технические характеристики могут быть очень скучными. Перелопачивание всей этой информации может быть весьма утомительным, но именно из неё можно узнать, на какие значение технических характеристик можно рассчитывать, а некоторые из этих параметров являются основным критерием покупки контрольно-измерительного оборудования. Кроме того, подробные технические характеристики лучше чем неполные.

Измерение на пороге чувствительности демонстрирует роль и преимущества хорошего технического описания, которое помогает вам выполнять сложные измерения. Допустим, что вы хотите достичь чувствительности 1 мкВ, и вам нужен сигнал именно такого уровня с погрешностью не более ±1 дБ. В 50-омной системе один микровольт равен −107 дБм, а разница в 1 дБ означает всего 10 нВ.

В спецификации генератора СВЧ сигналов MXG серии X компании Keysight указана погрешность ±1,6 дБ и уровень выходной мощности до −90 дБм, чего для решения вышеописанной задачи явно недостаточно. Однако не следует забывать, что гарантируемые значения технических характеристик, указанные в спецификации, охватывают широкий диапазон условий эксплуатации, значительно шире того, с которым вы столкнётесь в данном случае.

Рис. 1. Зависимость погрешности уровня выходного сигнала генератора MXG от частоты (ГГц)

На этом рисунке показаны результаты измерения выходной мощности и статистическое распределение для нескольких СВЧ генераторов MXG в диапазоне 20 ГГц. Условия эксплуатации в этом случае очень щадящие по сравнению с условиями, для которых составляется спецификация.
Характеристики, которые вытекают из этого графика, весьма впечатляющи, – они значительно превосходят спецификацию в очень широком диапазоне частот и применимы к малым выходным уровням, которые как раз и нужны для измерения чувствительности. Погрешность почти всегда меньше ±0,1 дБ, что значительно лучше значения, указанного в спецификациях.
Кроме того, на графике показана статистическая информация, непосредственно относящаяся к нашим измерениям. Граничные значения параметров приведены для ±одного стандартного отклонения, а это даёт доверительный интервал 68 %, если считать распределение нормальным (гауссовским). Если я правильно понимаю математику, то погрешность ±0,2 дБ будет соответствовать двум стандартным отклонениям и доверительному интервалу больше 95 %. Достоверность, нужная вам для выполнения ваших измерений, может отличаться, но принцип будет тем же.
Вы можете измерить фактические характеристики контрольно-измерительного оборудования самостоятельно, и, зная их, решить Вашу измерительную задачу с помощью уже имеющегося приборов.