22-EFT.WP.Metrology.Instrument v1.0 | 第15章 用例与参考实现

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第15章 用例与参考实现

一句话目标：给出三类具代表性的端到端仪器计量方案（实验室标定台、RF 相位噪声链路、现场多仪器并行采集）的可执行蓝本，覆盖模式绑定、计量与时间对齐、契约与面板、审计与发布。

I. 范围与对象

1. 覆盖对象
   • 用例 A（实验室 DC 标定台）：SMU + DMM + TempChamber，用于低漂移器件的源测一体标定。
   • 用例 B（RF 相位噪声测量链）：Ref OCXO/Rb + SG + SA/SDR，侧重相位噪声与 Allan 偏差。
   • 用例 C（现场多仪器并行采集）：DAQ + 环境站 + 辐射计/摄影机，重视同步、背压与合规发布。
2. 共同输入
   仪器与链路元数据 manifest.instrument.*；同步遥测 offset/skew/J；计量遥测 U = k * u_c；运行 SLI。
3. 输出
   清洗后数据集 D_clean、计量与时间清单、契约评估报告、面板指标与签名发布包。

II. 名词与变量

• 通用：ts, tau_mono, offset, skew, J, rho, SLI, SLO, U, k, u_c, q_score。
• DC/低频：V_src, I_src, V_meas, R_dev, ENOB, TUR, guardband。
• RF：S_phi(f)（phase noise PSD），L(f)（dBc/Hz），sigma_y(tau)（Allan deviation），BW。
• 现场并行：chan/cap/q_len, throughput_sps, psi, W1。
• 量纲示例：unit(ts)="s", dim(ts)="[T]"；unit(V_src)="V", unit(I_src)="A"。

III. 公设 P715-*

• P715-1（时基一体化）：采集与聚合一律在 tau_mono 上评估，对外以 ts 发布，并记录 offset/skew/J 与 u(ts)。
• P715-2（计量优先）：若吞吐与计量冲突，先满足 U 与 TUR；必要时降采样或延长积分。
• P715-3（契约闭环）：入库前必须通过唯一性、单调性、量纲、漂移与 SLO 契约。
• P715-4（到达时两口径可追溯）：涉及路径/到达时的采集，必须并行记录两口径与 delta_form。
• P715-5（面板即合约）：面板字段与阈值是合规契约的投影，任何超限触发回退与审计。

IV. 最小方程 S715-*

• S715-1（TUR 与 guardband）：TUR = ( T_spec / U )，合格域 TUR ≥ TUR_min；guardband = c_g * U。
• S715-2（源/测一致性）：check_dim( V_meas - V_src ) = 0；| V_meas - V_src | ≤ guardband。
• S715-3（相位噪声与 Allan）：L(f) = 10 * log10( 0.5 * S_phi(f) )；sigma_y(tau) = sqrt( 0.5 * E[ ( y_{k+1} - y_k )^2 ] )。
• S715-4（稳定条件）：rho = lambda / mu < 1；drift_level = psi 或 W1 达阈值前不得发布。
• S715-5（到达时两口径差）：delta_form = | ( 1 / c_ref ) * ( ∫ n_eff d ell ) - ( ∫ ( n_eff / c_ref ) d ell ) | ≤ tol_Tarr。

V. 用例流程 M70-15

1. 用例 A：实验室 DC 标定台（SMU + DMM + TempChamber）
   • 就绪
     • standardize_names、repair_units；校核 unit(V/I/R) 与 dim(*)。
     • align_timebase：锁定 tau_mono，记录 offset/skew/J 与 u(ts)。
   • 操作
     • 步进源设定：V_src ∈ Grid；DMM 多读数 N_avg 并行温控 T_set；写入 RefCond。
     • 线性度与噪声评定：计算 INL/DNL, SNR, ENOB。
   • 校核
     | V_meas - V_src | ≤ guardband；TUR ≥ TUR_min；ENOB ≥ ENOB_min；psi ≤ psi_tol。
   • 落盘
     生成 manifest.instrument.dc，签名并冻结发布。
2. 用例 B：RF 相位噪声链（Ref + SG + SA/SDR）
   • 就绪
     主时钟选举与 PTP/SyncE 对时，offset/skew/J 达标；BW、RBW/VBW 配置固化。
   • 操作
     采集 I/Q；估计 S_phi(f) 与 L(f)；分窗计算 sigma_y(tau)。
   • 校核
     参考泄漏与地环抑制验证；floor(L)、远端斜率口径一致；sigma_y(tau) 落入目标包络。
   • 落盘
     manifest.instrument.rf，含 RBW/VBW/BW, Ref, sigma_y_curve, U 与面板切片。
3. 用例 C：现场多仪器并行（DAQ + Env + Radiometer/Camera）
   • 就绪
     通道与背压配置 chan/cap/q_len；rho_target 设定；freeze_release 策略预置。
   • 操作
     • 多流采集与对齐：time_align_for_stats；到达时两口径并行记录。
     • 分布对齐与降权：计算 psi/W1，触发 balance_distribution 或降权标注。
   • 校核
     sample_loss_rate ≤ tol_loss；ts_skew_p95 ≤ tol_skew；psi ≤ psi_tol。
   • 落盘
     manifest.instrument.field，含队列、时基、分布与环境 RefCond。

VI. 契约与断言 C70-15*（示例）

1. A-DC
   • timebase.ok：|offset| ≤ 1e-6 s, J_p95 ≤ 5e-7 s。
   • dc.metrology.ok：TUR ≥ 4, ENOB ≥ 18, |V_meas - V_src| ≤ 3 * U。
   • panel.ok：cmd_roundtrip_ms_p99 ≤ 50, rho < 0.85。
2. B-RF
   • rf.noise.ok：L(1kHz) ≤ L_spec_1k, L(10kHz) ≤ L_spec_10k。
   • allan.ok：sigma_y(tau) 在目标上/下包络内。
   • sync.ok：skew ≤ 1e-7, u(ts)_p95 ≤ 1e-6 s。
3. C-Field
   • stream.ok：sample_loss_rate ≤ 1e-4, rho < 0.9。
   • drift.ok：psi ≤ 0.1 且 W1 ≤ w1_tol。
   • arrival_forms.ok：delta_form ≤ tol_Tarr。

VII. 实现绑定 I70-15-*

• build_dc_bench(spec) -> session（装配与自检，输出 manifest.instrument.dc.meta）
• run_dc_cal(session, grid, T_set, N_avg) -> ds_dc, report
• analyze_dc(ds_dc) -> {INL, DNL, ENOB, TUR, U}
• rf_capture_iq(cfg) -> iq_stream
• estimate_phase_noise(iq_stream, cfg) -> {S_phi, L, sigma_y}
• field_multistream_collect(cfg) -> bundle
• time_align_for_stats(bundle, sync_ref) -> bundle'
• detect_and_balance_drift(bundle', rules) -> bundle'', drift_report
• evaluate_instrument_contract(reports, contracts) -> decision
• emit_instrument_manifest(all_reports, tag) -> manifest.instrument.*
  不变量：non_decreasing(ts)；check_dim(expr)=0；alpha_spent ≤ alpha_budget；delta_form ≤ tol_Tarr。

VIII. 交叉引用

• 时基与同步：见《EFT.WP.Metrology.TimeBase v1.0》第4–9章；《EFT.WP.Metrology.Sync v1.0》第3–8章。
• 清洗与发布：见《EFT.WP.Methods.Cleaning v1.0》第10章与附录 C。
• 统计与漂移：见《EFT.WP.Methods.CrossStats v1.0》第7、14章。
• 成像链路（用例 C）：见《EFT.WP.Methods.Imaging v1.0》第5、9、14章。

IX. 质量度量与风控

1. 面板建议
   • DC：V_err_p95, ENOB, TUR, U_p95, temp_stability。
   • RF：L(1kHz/10kHz/100kHz), sigma_y(tau_grid), RBW/VBW, u(ts)。
   • 现场：ts_skew_p95, J_p95, sample_loss_rate, rho, psi/W1。
2. 回退策略
   • warn：延长积分或降低采样；minor：切换 RBW/VBW 或启用参考锁定；
   • major：限流与重配；critical：切换冗余仪器、冻结发布与触发审计。

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