使用矢量网络分析仪解决困难的电梯问题

设备可以帮助发现电梯设备中可能导致运动控制器长期停机的不兼容问题。

使多层建筑成为可能的 19 世纪早期电梯早于配电系统。 这些电梯由蒸汽驱动，广泛用于工业设施。 他们需要蒸汽工程师、电梯操作员和煤工，更不用说清洁和处理灰烬的需要了。 牵引电梯中的直流电机是一项巨大的改进。 通过一些简单的电气控制，可以反转电机的旋转并调节其速度，这在 1960 年代引入变频驱动器 (VFD) 之前的交流电机中是不可能的。

渐渐地，在整个 20 世纪及以后，电梯系统，如汽车，变得更加复杂，许多改进提高了安全性和效率。 首先是自动控制，取代了人类电梯操作员。 然后，在 1980 年代初期，VFD 可以控制交流感应电机的速度、方向和扭矩。 由于它们的无刷特性，这些电机使用寿命更长，需要的维护更少，并且造成的电磁干扰更少。 大约在同一时间，电梯运动控制器演变成现代形式：一台数字、完全可编程的计算机连接到建筑物的中央火警和自动喷水灭火系统，能够（通过两条自检冗余电话线）自动呼叫最近的火灾如果在井道、机房或附近检测到烟雾，请移至车站或其他指定位置。

如果电梯系统检测到轿门有问题，或者如果其中一扇走廊门没有牢牢锁住，电机的电源将被中断，并会应用制动器。 所有这一切都大大提高了安全性和可靠性，由一个复杂的电子传感器、控制和执行器系统监督。 最重要的是，当出现问题时，计算机运动控制器会关闭。 通常，仅通过重置控制器就可以恢复服务，但这并不总是首选的解决方案，因为同样的问题可能会再次发生。 最好在重置运动控制器之前找出问题所在，尽管这并不总是可行的。 例如，当一架喷气式飞机坠毁时，黑匣子可能会被摧毁； 类似地，可能指示前进路径的数据可能无法在运动控制器中断后继续存在。

因此，一种合理的方法首先包括目视检查接线和组件。 您可以打开运动控制器机柜并检查烧焦的电阻器、熔化的电容器、松动的端子等。有时，这可以隔离故障。 但是，如果组件过热到故障点，问题仍然存在：“故障是组件固有的，还是由于外部故障而施加的电压或负载过大？” 此外，不要忽视外部原因，例如环境热量、振动或对系统的过度要求。

这种检查可能会很快产生结果，但更多情况下，它无济于事，需要更专注的方法。 电子仪器的使用通常是有序的。 这可以包括简单的霓虹灯测试灯或万用表、示波器、频谱分析仪等，包括矢量网络分析仪 (VNA)。

根据罗德与施瓦茨的网站 (rohde-schwarz.com)，VNA 是最重要的射频 (RF) 和微波方法之一。 该公司提供范围广泛的多功能、高性能网络分析仪，频率高达 500 GHz，最多有 48 个端口。 这些仪器适用于分析无源和有源元件，例如滤波器、放大器、混频器和多端口模块。

泰克 TTR500 VNA 允许用户对所有电梯系统、传输线和单个组件进行精确测量。 它旨在测量反射系数、阻抗、导纳、回波损耗、插入损耗、增益或隔离度。 该仪器还适用于滤波器测量、天线匹配和调谐、放大器测量以及射频电缆和连接器测量等。

是德科技（前身为安捷伦，在此之前为惠普）制造高达 120 GHz 的网络分析仪，可使用频率扩展器将其扩展至 1.5 THz。 此外，它们还提供高达 50 GHz 的手持式 VNA。 其最先进的集成 VNA 的工作频率范围为 10 MHz 至 70 GHz（可扩展至 1.5 THz）。 它结合了三个具有低杂散发射和极低相位噪声的数据分发服务源。 可切换的后面板跳线启用信号调节硬件或将额外的测试设备路由到被测设备，而无需移动电缆。

矢量网络分析仪是一种昂贵的仪器——比高端数字存储示波器或频谱分析仪贵。 然而，Picotech 提供基于 PC 的 VNA，它由一个坚固的模块组成，该模块通过 USB 线连接到用户的 PC。 借助该公司的软件，该仪器利用 PC 惊人的处理和显示能力来表征在线设备、组件和传输线。 这对于发现可能导致长期运动控制器停机的电梯设备不兼容非常有用。

校准

校准设备不同于更全面的工厂校准，后者在示波器、频谱分析仪和 VNA 等敏感仪器上执行。 工厂校准通常在初次购买之前进行，随后每年或根据需要进行一次。 他们涉及将仪器送回制造商，在那里技术人员打开外壳并尽一切努力证明设备符合原始规格。

相比之下，VNA 现场校准由用户在每组新测量之前执行。 它完全在软件级别执行，无需打开外壳，只需几分钟。 通常一天执行数次（需要精确测量时）。 该手册提供了完整的说明。

在 PC 上安装软件后，必须完成电气连接。 如果需要精确测量，PC 和 VNA 模块都应预热约 30 分钟。

两种 Pico VNA 型号（6 GHz 和 8.5 GHz）都通过 USB 电缆连接到用户提供的 PC。 为了执行校准，制造商提供的电缆从模块中的端口 1 和端口 2 连接到被测设备。 Pico 提供两种连接到电缆的连接器，称为“套件”。 如果被测可插入设备有一个或两个公连接器，请使用带有公校准套件的母连接器。 如果被测设备有两个公头连接器，请为两个端口使用母头电缆和相同的公头套件。

然后，打开 Pico VNA 软件。 在 PC 屏幕的主菜单中，选择“工具和校准套件”。 单击“端口 1 套件”，为其插入数据并单击“应用”。 同样，单击“Load Port 2 Kit”，为其选择数据并单击“Apply”。 下一步是选择适合被测设备的校准套件。 例如，如果测试带有母头连接器的不可插入设备，请为 VNA 模块中的两个端口使用一个母头套件。

现场校准程序的下一阶段是设置校准参数。 在主窗口中，单击“校准”。 然后，执行以下步骤：

1. 设置扫描参数。 这就像设置频谱分析仪。
2. 应用这些值。
3. 选择所需的测量。
4. 执行校准步骤。
5. 单击应用校准。

校准期间使用的带宽设置在很大程度上决定了测量期间的可用动态范围。 要获得最快速度，请选择 10 kHz。 将校准功率设置为 +0 dBm。 将带宽设置为 140 kHz。 为获得最佳精度和大约 100 dB 的动态范围，请将校准带宽设置为 100 Hz。 将校准功率设置为 -3 dBm。 在测量期间将带宽设置为 100 kHz。

对于一般用途，速度快，动态范围约为 90 dB，将校准带宽设置为 1 kHz。 将校准功率设置为 0 dBm。 在测量期间将带宽设置为 10 Hz。 为获得最佳动态范围，请将校准带宽设置为 10 Hz。 将校准功率设置为 +6 dBm。 在测量期间将带宽设置为 10 Hz。

在所有情况下，校准平均应设置为“无”。 VNA 与计算机网络没有直接关系。 该术语早于计算机。 当计算机是占据一排排地板到天花板外壳的真空管机器时，该仪器被用于先进的电子实验室。 当时，“网络”被理解为指电力网络：通常是设备、组件和传输线。

现代 VNA

今天使用的 VNA 是一种通用仪器，可表征线性和非线性设备和组件，包括滤波器、电桥、衰减器、电缆、波导、天线、二极管、收发器、振荡器、放大器和晶体管等多种类型。 与许多电子仪器不同，VNA 不仅仅测量设备参数。 相反，它通过电缆向被测设备 (DUT) 的输入端提供通常为高频的信号。 然后它通过同一条电缆寻找并计时任何反射回来，很像雷达或时域反射计的方式。 时域反射计是一种通过观察反射波形来确定电线特性的电子仪器。 它可用于表征和定位金属电缆（例如，双绞线或同轴电缆）中的故障或定位连接器、印刷电路板或任何其他电气路径中的不连续性。

VNA 还连接到 DUT 的输出并表征它收到的任何响应。 此外，通过按下开关，用户可以让仪器将激励应用于 DUT 的输出、计时和表征反射，并监控输入。

早期的 VNA 使用一个或多个独立的外部 AFG，但日益小型化使制造商能够将所有东西都包含在一个外壳中。 最重要的是，VNA 可以对反射信号与总信号和传输信号与总信号的比率进行高精度测量。

有两种不同类型的网络分析仪。 标量网络分析仪 (SNA) 仅测量和表征幅度，而 VNA 测量和表征幅度和相位。 目前，VNA 远比 SNA 常见，因为在当今的高频电子产品中，更可能发生相移。 它可能是有意的（为实现特定目的而实施），也可能是无意的并需要缓解。 在任何一种情况下，其想法都是检测、测量和精确分类相移。

学习强化问题

使用以下学习强化问题来学习继续教育评估考试，该考试可在 www.elevatorbooks.com 或 p. 上在线获得。 本期第108期。

• Pico VNA 和 PC 如何连接？
• VNA 可以表征哪些设备？
• VNA 如何为 DUT 提供信号？
• VNA 和 SNA 之间有什么区别？
• 如何在没有示意图的情况下映射 VNA 组件？

高频（高于公用事业提供的 60 Hz）和相移以两种方式在电梯电子设备中发挥作用，这两种方式对维修技术人员和设计工程师都很重要。 这些与以下内容有关：

• 变频驱动的交流电梯驱动电机控制电路
• 无处不在的控制器局域网（CAN 总线）。

VFD 是一个独立的设备，它响应来自电梯运动控制器的命令，允许标准三相感应电机以高于或低于额定速度的速度运行并反转方向。 它还可以改变电机的扭矩并将运行状态（包括温度和其他参数）报告给运动控制器。 所有这些都是通过单个以太网或其他与主电源线不同的低压电路完成的。 这条控制线从运动控制器延伸到 VFD，后者是一个自治单元，可能位于也可能不位于运动控制器机柜内。 如果没有电气原理图，则可以沿着从机房的断路、通过 VFD 到三相驱动电机的重型电力线开始绘制组件。

与许多电子仪器不同，VNA 不仅仅测量设备参数。 相反，它通过电缆向被测设备的输入端提供通常为高频的信号。

CAN 总线是一种串行总线，作者在之前的文章“电梯 CAN 总线”（ELEVATOR WORLD，2017 年 1983 月）中介绍过。它由大型国际电子系统和部件制造商博世于 1991 年开始开发，最初用于汽车应用，但在 140 年应用于梅赛德斯-奔驰 WXNUMX 之后，它被广​​泛应用于卡车、建筑设备、飞机、船舶和电梯。CAN 总线串行数据传输高度可靠、经济高效，并且能耐受外部电气噪声。在最新的电梯技术中，CAN 总线可实现分布在整个电梯装置中的众多传感器之间的串行通信，终止于运动控制器。

所有传感器和执行器（称为节点）都通过具有 120 欧姆特性阻抗的双绞线导体连接到运动控制器。 CAN 高电平和 CAN 低电平信号要么被驱动到显性状态，要么被电阻器拉到隐性状态。 显性状态由逻辑 0 编码，隐性状态由逻辑 1 编码。具有较低标识符号 (ID) 的节点在总线上具有优先权。

在低频下，通过导体传输的信号波长总是远大于电路长度。 因此，传统的铜或铝导体足以承载电力。 电线的尺寸设计为具有足够的载流量，以便发射器和接收器之间的电流和电压不会发生变化。

在高频下，信号波长等于或小于导体长度。 在这种情况下，导体不再是一对电线； 相反，它们变成了传输线。 分隔导线的材料不仅是电绝缘材料，而且是介电层，就像在电容器中一样。 感兴趣的信号现在由一系列行波组成，而不是电子流。 这需要完全不同的测量仪器。

在高频下，包括设备、组件和传输线在内的网络特性需要测量相位和幅度。 由 SNA 执行的幅度测量是不够的。

VNA 中显示的相位失真揭示了群延迟，这是信号通过 DUT 的传输时间的度量，与频率并列。 它是通过比较输入信号的相位和输出信号的相位来计算的。 群延迟的任何变化都会引起失真，并且很可能表现为给定组件或电路的性能不佳。 在 VNA 分析中测量和显示线性相位和群延迟的偏差。 群延迟是检测相位失真的存在和量化相位失真的一种简单方法。

VNA 的一项重要功能是表征高频网络。 设备端口的简单电压和电流测量是不够的。 这是由于探头阻抗等原因。 此外，当短路和开路连接到有源器件时，有源器件可能会振荡或损坏。

在散射参数（S 参数）的开发中找到了解决方案。 这是指存在于行波中的增益、损耗和反射。 这些可以很容易地测量。 没有必要通过将有源 DUT 暴露于有害负载来损害它。 此外，可以级联测试多个设备的 S 参数。 如果需要，可以从 S 参数导出其他参数。 这些包括：

• 线性电网的导纳参数（Y 参数）
• 用于电流放大器的混合参数（h 参数）
• 阻抗参数（Z 参数）来描述线性电气网络的电气行为

VNA 使用四个部分来测量入射、反射和传输信号。 他们是 the source 用于刺激、信号分离设备、下变频和检测信号的接收器，以及用于解释输出的处理器和显示器。

The source 为被测系统提供刺激。 这通常包括一个扫频。 现代 VNA 具有在仪器内合成的内部源。 信号分离在测试集中完成。 该块执行两个功能：

1. 测量部分入射信号以供参考
2. 在 DUT 输入处分离入射和反射行波

信号检测块可由二极管检测器组成，该二极管检测器将射频信号电平转换为成比例的直流电平。 二极管检测器比调谐接收器便宜，提供宽带响应。 然而，它们的宽带响应限制了灵敏度，并使它们容易受到包括谐波在内的杂散信号的影响。 通过交流检测获得更准确的测量结果。

调谐接收器使用外差技术，将 RF 混频到用户更友好的中频 (IF)。 本机振荡器锁定到 RF 或 IF 信号，因此接收器始终调谐到 RF 信号。 模数转换和数字处理从 IF 信号中提取幅度和相位信息。

VNA 的显示处理器部分是向用户呈现反射和传输数据的地方。 突出的特征是标记； 限制线； 通过/失败指标； 线性和日志格式； 和网格图、极坐标图和史密斯圆图。 其中大部分内容不言自明，但我们将讨论广泛使用的史密斯圆图，它在 VNA 显示中占据显着位置。 史密斯圆图是一种极坐标图形计算器，可帮助 RF 工程师解决传输线和匹配电路问题。

该图表由 Phillip H. Smith (1905-1987) 和 T. Mizuhashi 设计，用于显示电子参数，例如阻抗、导纳、反射系数、S 参数、噪声系数圆、恒定增益轮廓和无条件稳定区域. 今天，基于软件的方法已经在很大程度上取代了物理图表，但它仍然出现在 VNA 显示中，对于组织仪器提供的信息很有用。 反射系数可以直接从图表中读取。

围绕它的圆周是一个以波长和度数分级的刻度。 它表示源和负载之间沿传输线的距离。 史密斯圆图使用标准反射系数公式来开发具有各种半径的圆的方程。 史密斯圆图是一组圆圈，每个圆圈位于相对于绘图的不同位置，每个圆圈代表恒定电阻或恒定电抗，这些参数包括恒定阻抗。