电梯电路中的数字信号

混合信号设备的来龙去脉

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模拟信号和数字信号明显不同，需要不同的工具、技术和知识体系来处理它们。 有人说模拟信号更容易理解，而其他人则在数字领域更舒服。 对于混合信号设备，例如电梯运动控制器 - 变频驱动器 (VFD)，两者的专业知识都是必不可少的。

电梯实际上是一个混合信号系统。 这意味着它使用数字和模拟信号进行操作。 通常嵌入在集成电路 (IC) 中的小型、相对简单的设备将模拟信号转换为数字信号。 它们被称为模数转换器 (ADC)。 数模转换器 (DAC) 执行相反的过程。 它们通常也嵌入在 IC 中。 正如我们将看到的，只要满足某些条件，这些转换就会非常迅速地发生而不会丢失信息。 在定义模拟和数字信号并描述它们在电梯系统中的功能之后，我们将讨论这些约束以及如何满足它们。

这是一个模拟信号的例子。 大多数人认为它是提供给世界各地住宅、商业和工业设施的电压的正弦波。 这不是 AC 波形的样子。 相反，它是在笛卡尔坐标中绘制的 AC 波形幅度与时间的关系图。 实际波形，例如声音波形，由以 700 mph 左右移动的空气密度的周期性变化组成。 这些空气密度的变化会影响我们耳朵的机制。 它们是模拟波形，可转换为数字信号以便在大脑中进行处理。 类似地，电模拟信号可以在笛卡尔坐标中绘制，并且它们具有与声波相似的外观，尽管正在映射的变化是电的。

模拟波形的定义特征是它们是连续的、平滑的过渡，除非原始信号碰巧突然跳跃。 事实上，模拟波形精确地符合原始信号。 这就是为什么它们被称为类比——它们是类比的。

这是数字信号的波形。 请注意，它的上升和下降（衰减）时间非常快。 在这些几乎瞬时的转换之间是相对平坦的高电平和低电平，在这种情况下由于噪声的存在而失真。 如果噪声的幅度不足以阻止接收器区分高逻辑电平和低逻辑电平，它会与发射器一起重建这个脉冲和其他脉冲，使它们再次成为理想波形。 因此，它们可以通过任意数量的连续发射器和接收器传播而不会丢失信息，尽管可能会在下游添加新的噪声，只要它不是压倒性的，所有这些。 这是数字传输的决定性优势。 在模拟中，噪声是累积的，而在数字中，它在阶段之间被消除。

您是否在大雨或暴风雪期间观看过卫星天线电视广播？ 画面非常清晰，即自动增益控制可以跟上减弱的信号，直到某一点画面破裂、冻结、破裂，看起来很奇怪。 这被称为像素化，这是数字级不再能够区分数字脉冲序列中的逻辑高电平和逻辑低电平的结果。

数字逻辑系列的数量不断发展，具有不同的逻辑高电平和逻辑低电平以及不同的阈值电平，它们被区分：

• 二极管逻辑
• 电阻晶体管逻辑
• 晶体管-晶体管逻辑
• 发射极耦合逻辑
• 集成注入逻辑  

还有很多其他的。 当逻辑系列的名称带有连字符时，如在电阻晶体管逻辑中，第一个设备适用于输入，第二个设备适用于输出。

数字 IC 的特性包括高电平输入电压，栅极将其识别为逻辑高电平 (1)； 低电平输入电压，被门识别为逻辑低（0）； 高电平输出电压，它是对应于逻辑高 (1) 的输出端可用的最小电压； 以及对应于逻辑低 (0) 的输出端可用的最大电压电平。

场效应晶体管 (FET) 是点接触晶体管的继承者，也是其子变体的祖先，金属氧化物半导体场效应晶体管 (MOSFET) 由一个有源通道组成，电荷载流子、电子或空穴通过该通道从 the source 到下水道。 尺寸、形状和电导率通过施加到栅极和源极端子的电压进行调制（模拟应用）或切换（数字应用）。 三个 FET 端子是：

• 源（S），载波通过它进入信道。 电流进入通道 the Source 被指定为 IS。
• 漏极 (D)，电荷载流子通过漏极离开通道。 在漏极处离开通道的电流被指定为 ID。 漏源电压为 VDS。
• 门 (G) 是调制（模拟）或切换（数字）IS 或 ID 的终端。

FET 中的源极、漏极和栅极类似于传统晶体管中的发射极、集电极和基极以及真空管三极管中的阴极、栅极和板（阳极）。 大多数 FET 中存在的第四个端子称为主体、基极或衬底。 它用于偏置 FET。

FET 预见了 MOSFET 的发明和非常广泛的使用。 主要区别在于 MOSFET 具有更坚固的栅极绝缘，适用于高达 2000 V 的高压应用。        

到目前为止，目前最常用的逻辑系列是金属氧化物半导体 (MOS) 逻辑，因为它的半导体尺寸小、IC 内的晶体管密度高、功耗低且在非常小的封装中对噪声具有抗扰性。

MOSFET 的独特之处在于其高度绝缘的栅极。 这种薄电解层的特点是高电容和低电导。 有一次，MOSFET 电解层是用金属氧化物制造的。 这已被非金属取代，但名称仍然存在。 由于栅极处有这种坚固的绝缘层，信号输入可以由高阻抗电压组成，该电压几乎不吸收电流，但会引起波动的电场来调节连接源极和漏极的通道的宽度和导电性。 因此，放大或开关可以像在标准晶体管中一样完成，但散热、功耗和对噪声的敏感性几乎为零。       

MOSFET 目前是 IC 中的基本器件，迄今为止在电路板上安装了大约 30 个六万亿（30 万亿）个单元。 如此大的数量是由于可以在单个 IC 基板上蚀刻超过 XNUMX 亿个 MOSFET，当然，全球每年销售的消费和工业设备总数也达到数十亿。 想想每年售出的所有手机、电脑和电器！             

在电梯运动控制器中，您可能会发现数十亿个 MOSFET，因此它们太小而无法看到或维修。 但是，在决定是否更换疑似损坏的电路板时，您应该了解电子设备的情况，这就是 MOSFET 发挥作用的地方。 MOSFET 最常用于互补金属氧化物半导体 (CMOS) 配置。

目前，几乎所有的 IC 都是 CMOS 配置的。 CMOS 用于模拟和数字应用，特别是作为数码相机中的模拟传感器。 CMOS 数字器件的定义特征是低功耗。 由于其中一个串联对关闭而另一个打开，因此 CMOS 配置消耗的电流非常少，除非在切换期间的短暂转换期间。 因此，散发的热量很少，可实现出色的小型化和超大规模集成。

CMOS 操作由所有 p 型金属氧化物半导体组成，其电源来自另一个 p-MOS 晶体管或来自电压源的输入。 同样，所有 n-MOS 晶体管的电源要么来自另一个 n-MOS 晶体管，要么来自地。 在 p-MOS 晶体管中，当向栅极施加低电压时，从源极到漏极的电阻低，当栅极施加高电压时，电阻高。 由于 n-MOSFET 和 p-MOSFET 采用互补配置，栅极和漏极均连接，因此实现了几乎为零的电流减少。 施加到栅极的高电压会导致 n-MOSFET 导通而 p-MOSFET 不导通，而栅极上的低电压会导致相反的情况。

栅极是并联的，而 p- 和 n- MOSFET 是串联的，这就是为什么除了过渡处非常短暂的尖峰外几乎没有电流或散热的原因，这可能是有问题的，尤其是在高频时，由于射频干扰设备的其他地方或附近。 这可以通过适当大小的屏蔽来缓解。 

如果您要研究数字电路，那么您肯定必须具备逻辑门的工作知识。 它们可能是理想化的或物理的设备。 两者都基于布尔函数，这是一种逻辑运算，实现为一个或多个二进制输入和一个二进制输出。

逻辑门通常使用二极管或晶体管构建。 替代物理实现基于真空管、电磁继电器、流体逻辑、气动逻辑、光学和量子实体。 多路复用器、寄存器、算术逻辑单元和计算机存储器主要由逻辑门组成，其中一个芯片中可能有超过一亿个。 自 100 年代以来，大多数逻辑门采用 CMOS 技术制造，使用 n-MOS 和 p-MOS 晶体管。

主要的逻辑门是：

真相表

• 输入 A：0     
• 输出 Q: 0
• 输入 A：1
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备注：

• 或：任何高输入都会产生高输出
• NOR：任何高输入都会产生低输出
• AND：任何低输入都会产生低输出
• NAND：任何低电平都会产生高输出 

触发器还有另外两个不那么异想天开的名字，锁存器和双稳态多谐振荡器。 它是内存的基本构建块，在最基本的二进制形式中，它有两种状态：开 (1) 和关 (0)。 触发器的进一步特征在于，它可以通过向控制输入施加信号来改变状态。 断电时，设备会记住其先前的状态。            

对于所有这些功能，触发器只能存储一位 0 信息。 所有这些都称为顺序逻辑。 该设备有许多应用，包括计数脉冲和将可变定时输入信号与参考定时信号同步。          

触发器可以是电平触发或边沿触发。 电平触发的触发器是异步的，而边沿触发的触发器是时钟的。 所有触发器都由门组成。

同步系统必须有时钟。 组成触发器忽略它们的输入，除了时钟信号或脉冲的转换。 然后，触发器改变或保持其输出信号，这取决于转换时输入信号的值。 它们可以在时钟上升沿或下降沿反转输出。         

放大器必须是同相的。 这可以通过级联偶数个反相级来实现。                

常见的触发器有置位复位 (SR)、延迟 (D) 和切换。 这些类型中最简单的是 SR，它由两个交叉连接的 NOR 或 NAND 门构成。 

在电梯维修中，我们经常关注 VFD 电机组件。 在 VFD、整流器和直流总线的上游和中间部分，电路是模拟的。 最后，在整流器阶段和电机上，它是数字的。 有人说模拟更容易理解，而对其他人来说数字更有意义。 要处理 VFD 电机组件，需要熟悉两者。 VFD 是所谓的混合信号设备。

让我们从 VFD 输入开始。 变频器和电机一般位于机房内，除非是无机房安装，此时电机位于轿厢顶部，锁定运动控制器和变频器位于顶层走廊。   

在任何情况下，带有断开外壳的供电器都位于电机的视线范围内，并且可切换的电源被馈送到 VFD。 该电源通常由 480 V 三相电源组成，应使用非接触式电压表仔细测量，以确定其在标称电压的 3% 以内，或在电机满载运行时的 5% 以内（如果可能） . 下面介绍了在 VFD 中安全工作的工具和程序。

整流器部分由六个二极管和三个电容器组成，有时还增加了电感器。 应根据需要检查、评估和更换这些组件。                   

在 480 V 系统上，直流母线传输 1.414 倍的线路电压，约为 678 V。这怎么可能？ 简单的答案是全波整流器的输出总是高于输入。 如果逆变器级和电机要可靠运行，您正在寻找的是一个漂亮、小型、无纹波的直流电。 在交流模式下使用手持式电池供电示波器或电压表检查直流母线。 这些仪器应该对高压直流上的小交流波形敏感。 如果您看到纹波，请返回整流器部分并仔细查看电路中的电容器和任何电感器。

然后，进入逆变器阶段。 在这里，发生的主要事情是将直流直流电压转换为具有不同频率和占空比的脉冲直流，可以调节交流电机的速度。

许多 VFD 具有通过错误代码（例如“F3”）报告故障情况的读数，可以通过查阅 VFD 服务手册来解释。 如果电源或直流总线出现故障，如上所述，诊断很简单。 逆变级稍微复杂一些，有时快速简便的解决方案是更换电路板。 这可能非常昂贵，但电梯维修的首要任务是让系统尽快启动并安全运行。

在逆变器部分，由于花里胡哨的泛滥，可能会出现一些并发症，应在维修手册中记录。 然而，基本系统相当容易理解。              

作为背景，几十年来，即使在尼古拉特斯拉的三相交流感应电机推出之后，电动电梯也只使用直流电机。 通过切换三相导体中的两个可以轻松地反转旋转，但在直流电机中速度控制要容易得多，调节电机电压很简单。 交流电机速度存在问题，因为降低电压会导致电机失速和过热。 也就是说，直到 1960 年代开发了 VFD。 然后发现，通过调整方波的频率和占空比，而不仅仅是电压，可以轻松地调节交流电机的速度，以实现平稳的楼层停止和检查模式下的操作。 如果提供高速轴承和足够的冷却，交流电机甚至可以以高于额定速度运行。

VFD 逆变器部分将直流母线的直流电转换为频率和/或占空比可调的方波。 通常，它的工作方式是将来自运动控制器的控制信号施加到六个称为晶闸管的固态 MOSFET 的控制端子。 这些是能够处理高达 2,000 V 的开关半导体。      

用于进行数字诊断的两种基本且非常便宜的工具是数字逻辑探头和数字脉冲发生器。 逻辑探头是一种手持式仪器，带有一个针尖电极，可以接触到数字电路中的任何点。 它检测数字脉冲的存在与否，并通过颜色编码的 LED 指示灯对其进行表征。 脉冲发生器是另一种带有针尖电极的手持式仪器，可以触摸到数字电路中的任何点。 它用于将数字信号注入到未连接到输入信号输入的导线或端子，以便可以评估该电路或组件的效果。         

需要专门的工具来处理和测量 VFD 电机组件中的电压和电流。 根据电压和可用故障电流，可能需要个人防护设备，从头盔、护目镜和高压手套到全套防护服。 在具有大量电梯的工业或重型商业环境中，设备外壳应标有电压和可用故障电流。 但是，可能存在以下危险：

• 标签可能已经过时，即服务和/或馈线可能已经升级，在不改变标签的情况下增加了故障电流。 之后，升级标签。

• 最好在接近任何高故障电流情况之前关闭电源。

• 即使断开电源，危险电压也可能存储在组件电容器或杂散电容中。 在 VFD 整流器部分尤其如此。

与电阻不同，电压和电流只能在通电电路上测量。 因此，非接触式测量工具是必不可少的。 小心接近！