脈沖時間測量技術(shù)

本文旨在通過研究用于構(gòu)建不同系統(tǒng)的各種元素的特征和配置，提供對時間測量方法及其在工程系統(tǒng)中的實現(xiàn)的透徹理解。它探索了時間量化的各種技術(shù)，并將波形合成和操作的基本方法與功能電路聯(lián)系起來。雖然簡要介紹了發(fā)射器和接收器，但本文深入研究了用于時間測量的組件。此外，它還闡述了實現(xiàn)精確的時間解調(diào)需要執(zhí)行時間調(diào)制、時間微分和控制等過程。

圖 1：RC 正弦波振蕩器、平方放大器和阻塞振蕩器脈沖發(fā)生器示例

傳輸和接收

脈沖傳輸

在利用脈沖時間技術(shù)的距離測量系統(tǒng)中，必須發(fā)射簡短的矩形波形。通常，高壓開關(guān)用于將電源瞬時連接到射頻振蕩器。對于精確的時間測量，開關(guān)波形的精確復(fù)制和傳輸脈沖的快速上升至關(guān)重要。較短的脈沖(通常在 0.05 至 0.1 微秒之間)有利于提高距離分辨率。值得注意的是，采用更快的脈沖有時會導(dǎo)致射頻振蕩器工作不穩(wěn)定。

討論了三種類型振蕩器(300 MHz 磁控管、2 MHz 三極管和 16 kHz 定時振蕩器)中振蕩的建立。與定時振蕩器相比，射頻 (RF) 振蕩器需要更多周期才能達到全振幅。在磁控管中，振蕩迅速上升，受到開關(guān)波形的限制，但足以滿足大多數(shù)距離測量的需要。發(fā)射機有意限制振蕩累積，以防止干擾無線電通信。為了精確測量時間，需要仔細控制脈沖形狀。 16 kHz 振蕩器中振蕩的啟動涉及中斷初始條件以實現(xiàn)一個周期的一小部分的啟動時間。雖然工作頻率為 30 至 60 kHz 的振蕩器可以實現(xiàn)類似的性能，它在脈沖射頻振蕩器中不太常見，因為脈沖射頻振蕩器的累積受到調(diào)諧電路的品質(zhì)因數(shù)和振蕩器負阻的影響。

磁控管中開關(guān)波形開始和 RF 振蕩啟動之間的延遲非常小(小于 1 納秒)，但這種延遲在其他振蕩器中可能更為明顯。這種延遲必須考慮到測距系統(tǒng)的校準中，因為這種延遲在短持續(xù)時間和長持續(xù)時間內(nèi)的波動都可能導(dǎo)致嚴重的不準確性。通過在諧振頻率附近注入低電平連續(xù)波 (CW) 信號可以很大程度上減輕短期波動，這也有助于減少延遲。該技術(shù)在 200 MHz 左右的頻率下特別有效。參與校準測距設(shè)備的工程師必須仔細管理各種振蕩器的時間延遲，以確保精確測量并最大限度地減少錯誤。

脈沖的接收

發(fā)射的脈沖傳播到反射器并以光速返回接收器。來自小型靜止目標的反射會導(dǎo)致最小的波形失真，而來自較大或更復(fù)雜目標的反射可能會由于物體多個表面的反射造成的干擾而導(dǎo)致顯著的失真。

帶寬和上升時間

提高通信系統(tǒng)中的信噪比和整體系統(tǒng)性能，特別是在距離測量應(yīng)用中，需要優(yōu)化接收器帶寬和脈沖持續(xù)時間。然而，來自信噪比限制和晶體管特性的限制對接收器帶寬施加了限制，通常落在 10 至 20 MHz 的范圍內(nèi)。這種有限的帶寬直接影響距離測量系統(tǒng)的精度。為了實現(xiàn)最佳信噪比，接收器帶寬和脈沖持續(xù)時間之間的關(guān)系由公式 t = 1.2 BW 控制，其中 t 是以微秒為單位的脈沖持續(xù)時間，BW 表示以兆赫為單位的中頻帶寬。與這種理想相關(guān)性的任何偏差只會導(dǎo)致信噪比的邊際下降。從本質(zhì)上講，微調(diào)接收器帶寬和脈沖持續(xù)時間對于最大限度地提高通信設(shè)置中的信號質(zhì)量和系統(tǒng)效率至關(guān)重要，尤其是涉及距離測量任務(wù)的通信設(shè)置。

延遲時間

考慮接收器的延遲時間對于精確的距離校正至關(guān)重要，因為它取決于系統(tǒng)的帶寬和放大器配置。系統(tǒng)內(nèi)此延遲的一致性和可預(yù)測性對于確保統(tǒng)一和可靠的功能至關(guān)重要。此延遲引入了 15 至 60 米的恒定偏移，具體取決于接收器帶寬及其包含的級數(shù)量等變量。對于具有六級或七級的單調(diào)諧放大器，可以使用公式 T d = 0.6 / BW來估計延遲。在具有相同級數(shù)的雙調(diào)諧放大器的情況下，延遲大約是單調(diào)諧放大器值的兩倍。

延遲隨信號幅度的變化

選擇接收器帶寬時要考慮的另一個關(guān)鍵方面是信號幅度變化對接收脈沖時間延遲的影響。在設(shè)計用于監(jiān)測船舶或飛機等移動目標的雷達系統(tǒng)中，干擾現(xiàn)象會產(chǎn)生顯著的信號波動。此外，由于雷達系統(tǒng)的角度掃描過程，回波信號常常會經(jīng)歷幅度調(diào)制。

增益控制

通過在接收器中采用自動增益控制 (AGC)，可以顯著減輕信號幅度變化帶來的誤差，從而穩(wěn)定平均信號幅度。這對于減少范圍誤差至關(guān)重要，特別是當信號波動發(fā)生在接近脈沖重復(fù)率的頻率時。 AGC 對于最大限度地減少信號變化和干擾造成的誤差、確保最佳的距離測量精度和系統(tǒng)性能至關(guān)重要。通過增益設(shè)置的動態(tài)調(diào)制，系統(tǒng)補償幅度變化，提高時間測量精度并降低對外部噪聲的敏感性。然而，AGC 可能無法完全消除由信號強度變化引起的接收器延遲偏差，因為增益的變化會影響接收器帶寬和時間延遲。

差異化

脈沖整形或脈沖微分電路與高增益放大的結(jié)合可用于加速接收器輸出信號的上升時間。然而，這種方法并沒有對測量精度產(chǎn)生任何明顯的改進

同步

同步是將時間調(diào)制系統(tǒng)和時間解調(diào)系統(tǒng)之間的時間參考對齊到相同或故意偏移已知量的過程。距離測量的精度依賴于一致的同步。同步方法有多種，通過射頻脈沖發(fā)生器進行同步就是其中之一。

零位校準

解決射頻脈沖傳輸和解調(diào)過程啟動之間的固定或可變延遲對于精確的時間測量至關(guān)重要。實現(xiàn)準確的時間同步需要糾正這些延遲，這些延遲可能會因時間或熱影響而波動。零校準程序?qū)τ谧R別和糾正受時間、熱或其他影響設(shè)備的外部因素影響的任何延遲至關(guān)重要。距離測量的參考點理想地對應(yīng)于從零距離檢測回波的情況，因為這是不可行的，所以通常使用放置在已知距離(大約300 m)處的反射器進行校準。將系統(tǒng)與公認的基準(例如晶體控制振蕩器)對齊，有助于確定準確的調(diào)零，考慮所有可能的錯誤。

時間調(diào)制

波形和時間間隔：在工程中，波形描述信號如何隨時間變化。每個波形都有不同的點，可以測量這些點之間的時間并分配特定值。

時間間隔的調(diào)制：某些電路，稱為時間調(diào)制電路，可以根據(jù)外部信號調(diào)整或調(diào)制波形點之間的時間間隔。這意味著電路會根據(jù)信號的特性改變時序。

時間調(diào)制電路：時間調(diào)制電路根據(jù)輸入信號x改變時間間隔T，建立表示為T = F(x)的關(guān)系

傳遞函數(shù)：將輸入信號x與時間間隔T聯(lián)系起來的函數(shù)F(x)稱為傳遞函數(shù)。它定義了電路如何根據(jù)輸入修改時序。

工程師可以設(shè)計出能夠動態(tài)調(diào)整時間間隔以響應(yīng)變化的輸入信號的復(fù)雜電路，從而促進不同工程領(lǐng)域的適應(yīng)性和多功能性。

單尺度時間調(diào)制：時間調(diào)制表示兩個波形或波形片段之間的時間間隙的改變。初始信號或部分稱為“參考脈沖”，后續(xù)信號或部分稱為“調(diào)制脈沖”。這種定時變化發(fā)生的持續(xù)時間稱為“調(diào)制范圍”。該持續(xù)時間通常比雷達系統(tǒng)中觀察到的脈沖重復(fù)間隔短，以便于在脈沖之間重置波形發(fā)生器。在某些情況下，例如脈沖通信系統(tǒng)，調(diào)制范圍可能會小得多。如果電路使用一次性調(diào)制器并包括兩個定時信號：一個用于同步，一個用于時間調(diào)制，則該電路被稱為“單尺度”。這些定時信號在脈沖重復(fù)間隔期間都不重復(fù)，確保系統(tǒng)內(nèi)精確的時間控制和同步。

多尺度時間調(diào)制：使用來自高精度振蕩器(例如晶體或 LC 控制振蕩器)的固定脈沖，可以將時間調(diào)制范圍細分為更精細的間隔。這些脈沖允許精確的時間細分，但實際的時間調(diào)制需要變化的控制信號。為了提高精度，可以使用由固定脈沖之一觸發(fā)的時間調(diào)制電路來在脈沖間隔之間進行微調(diào)。在“雙尺度”系統(tǒng)中，粗時間調(diào)制器和精細時間調(diào)制器一起工作，以實現(xiàn)整個調(diào)制范圍內(nèi)的精確定時控制。該配置使用三個定時信號：一個用于固定脈沖，兩個用于粗調(diào)和微調(diào)。通過增加調(diào)制范圍內(nèi)的細分可以實現(xiàn)更高的時間調(diào)制精度。這強調(diào)了精確的時間細分在實現(xiàn)最佳時序控制和同步方面的重要性。在多尺度系統(tǒng)中，采用定時波形的相位調(diào)制來生成固定脈沖，允許連續(xù)相移以實現(xiàn)脈沖之間的平滑插值。該技術(shù)提高了基于時間的系統(tǒng)的準確性和控制。

元件特性

正弦波的產(chǎn)生和測量

RC、LC 和石英晶體電路對于產(chǎn)生精確定時的正弦波至關(guān)重要。這些標準利用不同的組件和原理來實現(xiàn)精確的波浪生成：

RC 電路： RC 電路結(jié)合使用電阻器和電容器來生成波形。它們廣泛用于確定各種波形形狀的斜率，例如三角形、指數(shù)、雙曲線和拋物線。

LC 電路： LC 電路利用電感器和電容器來產(chǎn)生正弦波。在確定正弦波周期方面，LC 電路與石英和 RC 電路的精度進行了比較

石英晶體電路：石英晶體電路利用石英的壓電特性來產(chǎn)生穩(wěn)定的正弦波。在測量正弦波周期時，將石英電路的精度與 RC 和 LC 電路進行比較。每個電路的精度取決于所采用的具體組件和原理，RC 電路在斜率測量方面表現(xiàn)出色，而石英/LC 電路則提供卓越的周期確定能力。

溫度系數(shù)

計時裝置的熱穩(wěn)定性至關(guān)重要，尤其是在航空應(yīng)用中。石英晶體在這方面表現(xiàn)出色，其溫度系數(shù)僅為每攝氏度百萬分之幾。相比之下，諸如電感電容 (LC) 和電阻電容 (RC) 組合等計時器件往往對溫度更加敏感。例如，碳電阻器和紙電容器在 40°C 的溫度范圍內(nèi)可能會出現(xiàn) 5% 至 10% 的變化。然而，通過使用精心選擇的云母電容器(呈現(xiàn)負溫度系數(shù))和繞線電阻器(呈現(xiàn)正溫度系數(shù))組合，可以實現(xiàn)每攝氏度 10 到 20 ppm 的總體溫度系數(shù)。憑借嚴格的質(zhì)量控制，LC 組合還可以達到每攝氏度百萬分之五的溫度系數(shù)。為了確保最大的精度，建議對所有三種類型的定時標準進行恒溫調(diào)節(jié)，這種方法已在通信發(fā)射機中實施多年。緊湊且高效的溫度控制裝置可支持這種調(diào)節(jié)。

晶體管

波的斜率或持續(xù)時間的準確確定取決于精密定時電路和負反饋放大器。然而，生成精確的定時標記涉及將信號波的幅度與參考電壓進行比較。當這些電壓匹配時，高增益非線性晶體管放大器會通過生成尖銳脈沖來快速響應(yīng)，這一過程稱為“幅度比較”。負責該脈沖的電路稱為“幅度比較器”。盡管如此，由于老化、電壓漂移或類似晶體管之間的不一致等因素造成的變化可能會在精確確定電壓相等的精確時刻時產(chǎn)生重大誤差。

規(guī)格準確度

制造和質(zhì)量控制的進步使石英晶體的精度優(yōu)于百萬分之一，使其成為高度可靠的組件：

相比之下，電感器 (L)、電容器 (C) 和電阻器 (R) 等標準無源元件的精度要低得多。

標準組件

根據(jù)選擇參數(shù)，無線電電路中使用的碳電阻器和紙電容器的公差通常為 5%、10% 或 20%。

精密零件

云母電容器、繞線電阻器和磁導(dǎo)率調(diào)諧電感器提供更嚴格的容差，通常約為 1%。

為了在 LC 和 RC 基準中實現(xiàn)更高的精度，它們通常根據(jù)石英標準進行校準，以確保精確調(diào)整正弦周期和三角波斜率。這種校準方法比直接元件測量更有效，因為它可以補償雜散電容和電路行為的變化。此外，采用具有穩(wěn)定增益的負反饋環(huán)路可以精確控制波形線性度，從而實現(xiàn)極其精確的波形生成和整形。

概括

本文討論了工程師如何利用脈沖時間測量技術(shù)，重點關(guān)注生成和檢測脈沖的組件和過程。它涵蓋了短時脈沖的傳輸以及激活期間振蕩器(產(chǎn)生重復(fù)信號的電路)的行為。目標是生成精確、快速的脈沖，這對于準確確定距離至關(guān)重要，盡管由于時間延遲和信號可變性，管理這些脈沖帶來了挑戰(zhàn)。

本文進一步解釋了信號接收以及接收器帶寬(系統(tǒng)可以處理的頻率范圍)和信號上升時間(脈沖幅度增加的速度)等參數(shù)如何影響整體系統(tǒng)性能。自動增益控制 (AGC) 等技術(shù)有助于穩(wěn)定信號強度，但不能消除所有錯誤。為了確保測量精度，系統(tǒng)需要時間同步，并通過零校準來糾正脈沖傳輸和接收之間的任何固定或波動的延遲。

時間調(diào)制涉及根據(jù)外部輸入調(diào)整脈沖之間的間隔。工程師利用電路來調(diào)制時序，以提高復(fù)雜應(yīng)用中的精度。各種定時組件，包括 RC(電阻器-電容器)、LC(電感器-電容器)和石英晶體電路，可生成穩(wěn)定、清晰的波形。石英晶體以其準確性和溫度穩(wěn)定性而聞名，而其他組件的性能可能會因熱變化而變化。

最后，晶體管和其他電路元件在生成精確脈沖方面發(fā)揮著至關(guān)重要的作用，盡管它們需要仔細調(diào)整以避免引入錯誤。

結(jié)論

本文深入探討了工程系統(tǒng)中精確時間測量所需的方法和組件，特別是那些依賴脈沖定時來完成距離測量等任務(wù)的系統(tǒng)。清楚地了解振蕩器、脈沖和信號的行為對于精度至關(guān)重要。同步、時間調(diào)制和定時組件的仔細管理等技術(shù)有助于確保準確性。石英晶體等具有高精度的組件對于維持可靠的測量至關(guān)重要，并且持續(xù)的技術(shù)進步不斷提高這些系統(tǒng)的精度。