脉冲时间测量技术

本文旨在通过研究用于构建不同系统的各种元素的特征和配置，提供对时间测量方法及其在工程系统中的实现的透彻理解。它探索了时间量化的各种技术，并将波形合成和操作的基本方法与功能电路联系起来。虽然简要介绍了发射器和接收器，但本文深入研究了用于时间测量的组件。此外，它还阐述了实现精确的时间解调需要执行时间调制、时间微分和控制等过程。

图 1：RC 正弦波振荡器、平方放大器和阻塞振荡器脉冲发生器示例

传输和接收

脉冲传输

在利用脉冲时间技术的距离测量系统中，必须发射简短的矩形波形。通常，高压开关用于将电源瞬时连接到射频振荡器。对于精确的时间测量，开关波形的精确复制和传输脉冲的快速上升至关重要。较短的脉冲(通常在 0.05 至 0.1 微秒之间)有利于提高距离分辨率。值得注意的是，采用更快的脉冲有时会导致射频振荡器工作不稳定。

讨论了三种类型振荡器(300 MHz 磁控管、2 MHz 三极管和 16 kHz 定时振荡器)中振荡的建立。与定时振荡器相比，射频 (RF) 振荡器需要更多周期才能达到全振幅。在磁控管中，振荡迅速上升，受到开关波形的限制，但足以满足大多数距离测量的需要。发射机有意限制振荡累积，以防止干扰无线电通信。为了精确测量时间，需要仔细控制脉冲形状。 16 kHz 振荡器中振荡的启动涉及中断初始条件以实现一个周期的一小部分的启动时间。虽然工作频率为 30 至 60 kHz 的振荡器可以实现类似的性能，它在脉冲射频振荡器中不太常见，因为脉冲射频振荡器的累积受到调谐电路的品质因数和振荡器负阻的影响。

磁控管中开关波形开始和 RF 振荡启动之间的延迟非常小(小于 1 纳秒)，但这种延迟在其他振荡器中可能更为明显。这种延迟必须考虑到测距系统的校准中，因为这种延迟在短持续时间和长持续时间内的波动都可能导致严重的不准确性。通过在谐振频率附近注入低电平连续波 (CW) 信号可以很大程度上减轻短期波动，这也有助于减少延迟。该技术在 200 MHz 左右的频率下特别有效。参与校准测距设备的工程师必须仔细管理各种振荡器的时间延迟，以确保精确测量并最大限度地减少错误。

脉冲的接收

发射的脉冲传播到反射器并以光速返回接收器。来自小型静止目标的反射会导致最小的波形失真，而来自较大或更复杂目标的反射可能会由于物体多个表面的反射造成的干扰而导致显着的失真。

带宽和上升时间

提高通信系统中的信噪比和整体系统性能，特别是在距离测量应用中，需要优化接收器带宽和脉冲持续时间。然而，来自信噪比限制和晶体管特性的限制对接收器带宽施加了限制，通常落在 10 至 20 MHz 的范围内。这种有限的带宽直接影响距离测量系统的精度。为了实现最佳信噪比，接收器带宽和脉冲持续时间之间的关系由公式 t = 1.2 BW 控制，其中 t 是以微秒为单位的脉冲持续时间，BW 表示以兆赫为单位的中频带宽。与这种理想相关性的任何偏差只会导致信噪比的边际下降。从本质上讲，微调接收器带宽和脉冲持续时间对于最大限度地提高通信设置中的信号质量和系统效率至关重要，尤其是涉及距离测量任务的通信设置。

延迟时间

考虑接收器的延迟时间对于精确的距离校正至关重要，因为它取决于系统的带宽和放大器配置。系统内此延迟的一致性和可预测性对于确保统一和可靠的功能至关重要。此延迟引入了 15 至 60 米的恒定偏移，具体取决于接收器带宽及其包含的级数量等变量。对于具有六级或七级的单调谐放大器，可以使用公式 T d = 0.6 / BW来估计延迟。在具有相同级数的双调谐放大器的情况下，延迟大约是单调谐放大器值的两倍。

延迟随信号幅度的变化

选择接收器带宽时要考虑的另一个关键方面是信号幅度变化对接收脉冲时间延迟的影响。在设计用于监测船舶或飞机等移动目标的雷达系统中，干扰现象会产生显着的信号波动。此外，由于雷达系统的角度扫描过程，回波信号常常会经历幅度调制。

增益控制

通过在接收器中采用自动增益控制 (AGC)，可以显着减轻信号幅度变化带来的误差，从而稳定平均信号幅度。这对于减少范围误差至关重要，特别是当信号波动发生在接近脉冲重复率的频率时。 AGC 对于最大限度地减少信号变化和干扰造成的误差、确保最佳的距离测量精度和系统性能至关重要。通过增益设置的动态调制，系统补偿幅度变化，提高时间测量精度并降低对外部噪声的敏感性。然而，AGC 可能无法完全消除由信号强度变化引起的接收器延迟偏差，因为增益的变化会影响接收器带宽和时间延迟。

差异化

脉冲整形或脉冲微分电路与高增益放大的结合可用于加速接收器输出信号的上升时间。然而，这种方法并没有对测量精度产生任何明显的改进

同步

同步是将时间调制系统和时间解调系统之间的时间参考对齐到相同或故意偏移已知量的过程。距离测量的精度依赖于一致的同步。同步方法有多种，通过射频脉冲发生器进行同步就是其中之一。

零位校准

解决射频脉冲传输和解调过程启动之间的固定或可变延迟对于精确的时间测量至关重要。实现准确的时间同步需要纠正这些延迟，这些延迟可能会因时间或热影响而波动。零校准程序对于识别和纠正受时间、热或其他影响设备的外部因素影响的任何延迟至关重要。距离测量的参考点理想地对应于从零距离检测回波的情况，因为这是不可行的，所以通常使用放置在已知距离(大约300 m)处的反射器进行校准。将系统与公认的基准(例如晶体控制振荡器)对齐，有助于确定准确的调零，考虑所有可能的错误。

时间调制

波形和时间间隔：在工程中，波形描述信号如何随时间变化。每个波形都有不同的点，可以测量这些点之间的时间并分配特定值。

时间间隔的调制：某些电路，称为时间调制电路，可以根据外部信号调整或调制波形点之间的时间间隔。这意味着电路会根据信号的特性改变时序。

时间调制电路：时间调制电路根据输入信号x改变时间间隔T，建立表示为T = F(x)的关系

传递函数：将输入信号x与时间间隔T联系起来的函数F(x)称为传递函数。它定义了电路如何根据输入修改时序。

工程师可以设计出能够动态调整时间间隔以响应变化的输入信号的复杂电路，从而促进不同工程领域的适应性和多功能性。

单尺度时间调制：时间调制表示两个波形或波形片段之间的时间间隙的改变。初始信号或部分称为“参考脉冲”，后续信号或部分称为“调制脉冲”。这种定时变化发生的持续时间称为“调制范围”。该持续时间通常比雷达系统中观察到的脉冲重复间隔短，以便于在脉冲之间重置波形发生器。在某些情况下，例如脉冲通信系统，调制范围可能会小得多。如果电路使用一次性调制器并包括两个定时信号：一个用于同步，一个用于时间调制，则该电路被称为“单尺度”。这些定时信号在脉冲重复间隔期间都不重复，确保系统内精确的时间控制和同步。

多尺度时间调制：使用来自高精度振荡器(例如晶体或 LC 控制振荡器)的固定脉冲，可以将时间调制范围细分为更精细的间隔。这些脉冲允许精确的时间细分，但实际的时间调制需要变化的控制信号。为了提高精度，可以使用由固定脉冲之一触发的时间调制电路来在脉冲间隔之间进行微调。在“双尺度”系统中，粗时间调制器和精细时间调制器一起工作，以实现整个调制范围内的精确定时控制。该配置使用三个定时信号：一个用于固定脉冲，两个用于粗调和微调。通过增加调制范围内的细分可以实现更高的时间调制精度。这强调了精确的时间细分在实现最佳时序控制和同步方面的重要性。在多尺度系统中，采用定时波形的相位调制来生成固定脉冲，允许连续相移以实现脉冲之间的平滑插值。该技术提高了基于时间的系统的准确性和控制。

元件特性

正弦波的产生和测量

RC、LC 和石英晶体电路对于产生精确定时的正弦波至关重要。这些标准利用不同的组件和原理来实现精确的波浪生成：

RC 电路： RC 电路结合使用电阻器和电容器来生成波形。它们广泛用于确定各种波形形状的斜率，例如三角形、指数、双曲线和抛物线。

LC 电路： LC 电路利用电感器和电容器来产生正弦波。在确定正弦波周期方面，LC 电路与石英和 RC 电路的精度进行了比较

石英晶体电路：石英晶体电路利用石英的压电特性来产生稳定的正弦波。在测量正弦波周期时，将石英电路的精度与 RC 和 LC 电路进行比较。每个电路的精度取决于所采用的具体组件和原理，RC 电路在斜率测量方面表现出色，而石英/LC 电路则提供卓越的周期确定能力。

温度系数

计时装置的热稳定性至关重要，尤其是在航空应用中。石英晶体在这方面表现出色，其温度系数仅为每摄氏度百万分之几。相比之下，诸如电感电容 (LC) 和电阻电容 (RC) 组合等计时器件往往对温度更加敏感。例如，碳电阻器和纸电容器在 40°C 的温度范围内可能会出现 5% 至 10% 的变化。然而，通过使用精心选择的云母电容器(呈现负温度系数)和绕线电阻器(呈现正温度系数)组合，可以实现每摄氏度 10 到 20 ppm 的总体温度系数。凭借严格的质量控制，LC 组合还可以达到每摄氏度百万分之五的温度系数。为了确保最大的精度，建议对所有三种类型的定时标准进行恒温调节，这种方法已在通信发射机中实施多年。紧凑且高效的温度控制装置可支持这种调节。

晶体管

波的斜率或持续时间的准确确定取决于精密定时电路和负反馈放大器。然而，生成精确的定时标记涉及将信号波的幅度与参考电压进行比较。当这些电压匹配时，高增益非线性晶体管放大器会通过生成尖锐脉冲来快速响应，这一过程称为“幅度比较”。负责该脉冲的电路称为“幅度比较器”。尽管如此，由于老化、电压漂移或类似晶体管之间的不一致等因素造成的变化可能会在精确确定电压相等的精确时刻时产生重大误差。

规格准确度

制造和质量控制的进步使石英晶体的精度优于百万分之一，使其成为高度可靠的组件：

相比之下，电感器 (L)、电容器 (C) 和电阻器 (R) 等标准无源元件的精度要低得多。

标准组件

根据选择参数，无线电电路中使用的碳电阻器和纸电容器的公差通常为 5%、10% 或 20%。

精密零件

云母电容器、绕线电阻器和磁导率调谐电感器提供更严格的容差，通常约为 1%。

为了在 LC 和 RC 基准中实现更高的精度，它们通常根据石英标准进行校准，以确保精确调整正弦周期和三角波斜率。这种校准方法比直接元件测量更有效，因为它可以补偿杂散电容和电路行为的变化。此外，采用具有稳定增益的负反馈环路可以精确控制波形线性度，从而实现极其精确的波形生成和整形。

概括

本文讨论了工程师如何利用脉冲时间测量技术，重点关注生成和检测脉冲的组件和过程。它涵盖了短时脉冲的传输以及激活期间振荡器(产生重复信号的电路)的行为。目标是生成精确、快速的脉冲，这对于准确确定距离至关重要，尽管由于时间延迟和信号可变性，管理这些脉冲带来了挑战。

本文进一步解释了信号接收以及接收器带宽(系统可以处理的频率范围)和信号上升时间(脉冲幅度增加的速度)等参数如何影响整体系统性能。自动增益控制 (AGC) 等技术有助于稳定信号强度，但不能消除所有错误。为了确保测量精度，系统需要时间同步，并通过零校准来纠正脉冲传输和接收之间的任何固定或波动的延迟。

时间调制涉及根据外部输入调整脉冲之间的间隔。工程师利用电路来调制时序，以提高复杂应用中的精度。各种定时组件，包括 RC(电阻器-电容器)、LC(电感器-电容器)和石英晶体电路，可生成稳定、清晰的波形。石英晶体以其准确性和温度稳定性而闻名，而其他组件的性能可能会因热变化而变化。

最后，晶体管和其他电路元件在生成精确脉冲方面发挥着至关重要的作用，尽管它们需要仔细调整以避免引入错误。

结论

本文深入探讨了工程系统中精确时间测量所需的方法和组件，特别是那些依赖脉冲定时来完成距离测量等任务的系统。清楚地了解振荡器、脉冲和信号的行为对于精度至关重要。同步、时间调制和定时组件的仔细管理等技术有助于确保准确性。石英晶体等具有高精度的组件对于维持可靠的测量至关重要，并且持续的技术进步不断提高这些系统的精度。