分析传感器

阅读:756发布:2020-10-29

专利汇可以提供分析传感器专利检索,专利查询,专利分析的服务。并且本 发明 是检测一对导体上 信号 波形 的设备。该设备包括连接到端接阻抗的电容性 耦合器 ,且适合于放在导体附近,将导体信号电容性耦合到相关的端接阻抗。本发明还包括分别响应端接阻抗处的信号的第1和第2缓冲 放大器 ,以在其第1和第2输出提供放大的信号差。而且本发明还包括具有用线连接到缓冲放大器的 电池 电源的实用模 块 ,以在远离缓冲放大器的 位置 给缓冲放大器供电。,下面是分析传感器专利的具体信息内容。

1、检测一对导体上的信号波形的设备,包括:
第1和第2电容性耦合器,每个都连接到相关的端接阻抗,且每个都适合 于放置在两个导体中的一个相关导体附近,以分别把来自相关导体的信号波形 的第1和第2取样信号电容性耦合到相关的端接阻抗;
第1和第2缓冲放大器,分别响应在第1和第2电容性耦合器的端接阻抗 处的第1和第2取样信号,以分别在其第1和第2输出提供放大后的第1和第 2取样信号之差;和
实用模,包括用线连接到缓冲放大器的电池电源,用于在远离缓冲放大 器的位置处给缓冲放大器供电。
2、根据权利要求1的设备,其中:
每个电容性耦合器还包括导电屏蔽,每个导电屏蔽被相对于其相关的电容 性耦合器空间隔开地;
第1和第2缓冲放大器供给与从它们各自的第1和第2电容性耦合器收到 的取样信号极性相同的第1和第2等效取样信号;和
每个导电屏蔽接收来自多个缓冲放大器中共同相关的一个缓冲放大器的等 效取样信号,从而导电屏蔽的电压信号电势大致等于它的相关电容性耦合器的 电压信号电势。
3、根据权利要求2的设备,其中,第1和第2缓冲放大器每个均是运 算放大器。
4、根据权利要求3的设备,其中,
与第1和第2缓冲放大器相关的每个端接阻抗包括在一接点串联连接的两 个电阻器;
每个运算放大器在其非反相信号输入接收来自它的相关电容性耦合器的取 样信号;和
第1和第2缓冲放大器中的每一个还包括在一个终端连接器处串联连接到 运算放大器的输出以及在另一终端连接器处连接到两个电阻器接点的电阻器和 电容器。
5、根据权利要求1的设备,还包括外壳,用于封装电容性耦合器和缓冲 放大器,该电容性耦合器适合于由操作者放到一个或多个导体附近。
6、根据权利要求5的设备,其中,第1和第2电容性耦合器每个均与外 壳表面上形成的两个凹槽中的一个相关凹槽配准,该凹槽适合于容纳该对导体 中的单个导体,以使每个导体与相关的一个电容性耦合器配准地放置。
7、根据权利要求6的设备,其中,外壳还包括夹紧组件,用于与相关电 容性耦合器配准地夹持各个导体。
8、根据权利要求1的设备,其中,每个电容性耦合器是电容器。
9、根据权利要求1的设备,其中,电池电源是调节过的电压源。
10、根据权利要求1的设备,其中,电池电源还包括:
给缓冲放大器供电的电压源;和
连接到该电压源的调节器,适合于测量和响应在该电压源处的低电压
11、根据权利要求10的设备,其中,电池电源还包括连接到调节器的指 示器,以指示在电压源处存在低电压。
12、检测一对导体上的信号波形的设备,包括:
第1和第2电容性耦合器,每个都连接到相关的端接阻抗,每个耦合器适 于放置在两个导体中的一个相关导体附近,以分别将来自相关导体的信号波形 的第1和第2取样信号电容性耦合到相关的端接阻抗;
第1和第2缓冲放大器,分别响应在第1和第2电容性耦合器的端接阻抗 处的第1和第2取样信号,以在其第1和第2输出供给第1和第2已调节信号; 和
第3和第4缓冲放大器,包括第1和第2输入,分别响应第1和第2已调 节信号,以在其第3和第4输出分别提供放大后的第1和第2已调节信号之差。
13、根据权利要求12的设备,其中,第1和第2缓冲放大器的第1和第 2输出每个均连接到相关的第2端接阻抗。
14、根据权利要求13的设备,其中,
每个电容性耦合器还包括导电屏蔽,每个导电屏蔽被相对于其相关的电容 性耦合器空间隔开地;
第1和第2缓冲放大器提供与从它的各个第1和第2电容性耦合器收到的 取样信号极性相同的第1和第2已调节信号;和
每个导电屏蔽接收来自多个缓冲放大器中共同相关的一个缓冲放大器的调 节过的取样信号,从而导电屏蔽的电压信号电势大致等于它相关的电容性耦合 器的电压信号电势。
15、根据权利要求14的设备,其中,缓冲放大器每个均是运算放大器。
16、根据权利要求15的设备,其中:
与电容性耦合器相关的每个端接阻抗包括在接点串联连接的两个电阻器;
第1和第2缓冲放大器的每个运算放大器在其非反相的信号输入接收来自 其相关的电容耦合器的取样信号;和
第1和第2缓冲放大器每个还包括在一个终端连接器串联连接到运算放大 器的输出和在另一终端连接器连接到两个电阻器的接点的电阻器和电容器。
17、根据权利要求13的设备,其中,第3和第4缓冲放大器每个均是运 算放大器。
18、根据权利要求17的设备,其中:
每个运算放大器在其非反相的输入接收来自其相关的第1和第2缓冲放大 器的已调节信号;和
每个运算放大器还包括从输出连接到反相输入的电阻器。
19、根据权利要求18的设备,还包括连接在运算放大器的反相输入之间 的电阻器。
20、根据权利要求19的设备,其中,连接在运算放大器的反相输入之间 的电阻器的阻抗是可调节的。
21、根据权利要求12的设备,还包括外壳,用于封装电容性耦合器和缓 冲放大器,该电容性耦合器适合于由操作者放在一个或多个导体附近。
22、根据权利要求21的设备,其中,第1和第2电容性耦合器每个均与 外壳表面上形成的两个凹槽中的一个相关凹槽配准,该凹槽适合于容纳该对导 体中的单个导体,以便使每个导体与一个相关电容性耦合器配准地放置。
23、根据权利要求22的设备,其中,外壳还包括夹紧组件,用于与相关 电容性耦合器配准地夹持各个导体。
24、根据权利要求12的设备,其中,每个电容性耦合器是电容器。
25、根据权利要求12的设备,还包括一个有调节过的电压源的电池电源。
26、根据权利要求12的设备,还包括:
电池电源,包括:
给缓冲放大器供电的电压源;和
连接到该电压源的调节器,适合于测量和响应在该电压源处的低电压。
27、根据权利要求26的设备,其中,电池电源还包括连接到调节器的指 示器,用于指示在电压源处存在低电压。
28、检测一对导体上信号波形的设备,包括:
第1和第2电容性耦合器;每个耦合器都连接到相关的端接阻抗,且每个 都适合于放置在两个导体中的一个相关导体附近,以分别将来自相关导体的信 号波形的第1和第2取样信号电容性耦合到相关的端接阻抗;
第1和第2缓冲放大器,分别响应在第1和第2电容性耦合器的端接阻抗 处的第1和第2取样信号,以便在其第1和第2输出供给第1和第2已调节信 号;和
第1和第2运算放大器,每个非反相输入分别连接到第1和第2运算放大 器的第1和第2输出,每个运算放大器包括连接在输出和反相输入之间的电阻 器,和连接在每个运算放大器的反相输入之间的电阻器,以便在其第3和第4 输出处分别供给放大后的第1和第2已调节信号之差。
29、根据权利要求28的设备,其中,第1和第2缓冲放大器的第1和第 2输出每个均连接到相关的第2端接阻抗。
30、根据权利要求29的设备,其中:
每个电容性耦合器还包括导电屏蔽,每个导电屏蔽被相对于其相关的电容 性耦合器空间隔开地;
第1和第2缓冲放大器提供与从它们各自的第1和第2电容性耦合器收到 的取样信号极性相同的第1和第2已调节信号;和
每个导电屏蔽接收来自多个缓冲放大器中共同相关的一个缓冲放大器的已 调节信号,从而导电屏蔽的电压信号电势大致等于它相关的电容性耦合器的电 压信号电势。
31、根据权利要求30的设备,其中,缓冲放大器每个均是运算放大器。
32、根据权利要求31的设备,其中:
与电容性耦合器相关的每个端接阻抗包括在接点串联连接的两个电阻器;
第1和第2缓冲放大器的每个运算放大器在其非反相信号输入接收来自它 的相关电容性耦合器的取样信号;和
第1和第2缓冲放大器中的每个还包括在一个终端连接器串联连接到运算 放大器输出和在另一终端连接器连接到两个电阻器的接点的电阻器和电容器。
33、根据权利要求28的设备,其中,连接在运算放大器的反相输入之间 的电阻器的阻抗是可调节的。
34、根据权利要求28的设备,还包括外壳,用于封装电容性耦合器和缓 冲放大器,该电容性耦合器适于由操作者放到一个或多个导体附近。
35、根据权利要求34的设备,其中,第1和第2电容性耦合器每个都与 外壳表面形成的两个凹槽中的一个相关凹槽配准,该凹槽适合于容纳该对导体 中的单个导体,以便使每个导体与一个相关电容性耦合器配准地放置。
36、根据权利要求35的设备,其中,外壳还包括夹紧组件,用于与相关 电容性耦合器配准地夹持各个导体。
37、根据权利要求28的设备,其中,每个电容性耦合器是电容器。
38、根据权利要求28的设备,还包括一个有调节过的电压源的电池电源。
39、根据权利要求28的设备,还包括:
电池电源,包括:
给缓冲放大器供电的电压源;和
连接到该电压源的调节器,适合于测量和响应在该电压源处的低电压。
40、根据权利要求39的设备,其中,电池电源还包括连接到调节器的指 示器,它指示在电压源处存在低电压。
41、一种在全频谱上检测一对导体的信号波形的方法,包括:
将来自导体的传输信号的第1和第2取样信号电容性耦合到端接阻抗;
调节在端接阻抗处的取样信号,以供给第1和第2等效取样信号;
放大第1和第2等效取样信号之差;和
在远端位置给缓冲放大器供电。
42、根据权利要求41的方法,其中,耦合步骤还包括:
用导电屏蔽来屏蔽电容性耦合装置,以把取样信号上的静电作用减至最 小;
将等效取样信号加到导电屏蔽上,以使取样信号上的漏电流作用减至最 小。
43、根据权利要求42的方法,其中,调节步骤包括将来自端接阻抗的取 样信号呈送到运算放大器的非反相输入。
44、根据权利要求43的方法,其中,耦合步骤还包括:
提供从非反相信号输入至地的端接阻抗,作为两个串联连接的电阻器与运 算放大器共模输入阻抗并联;和
用从输出到两个电阻器的接点的串联连接的第3电阻器和电容器自举每个 运算放大器。
45、根据权利要求41的方法,其中,放大步骤包括将每个第1和第2等 效取样信号中每个分别呈送到第1和第2运算放大器的非反相输入。
46、根据权利要求45的方法,其中,放大步骤还包括:
提供在第1和第2运算放大器的反相输入之间的阻抗;和
提供来自每个第1和第2运算放大器的每个输出至它的相关的反相输入的 阻抗反馈。
47、根据权利要求41的方法,还包括:
用外壳封装电容性耦合装置、调节装置和放大装置;和
使外壳适合于放在一个或多个导体附近。
48、根据权利要求41的方法,其中,供电步骤包括:
调节加到缓冲放大器的电源电压;和
向操作者指示在电压源处存在低电压。

说明书全文

技术领域

发明涉及电子信号分析器,更具体涉及用于检测网络信号的存在和传输 协议的非接触信号分析器。

背景技术

通过诸如公众交换电话网(PSTN)、互联网、专用局域网和广域网(LAN 和WAN)的通信网传输电子话音、视频和数据信号是已知技术。网络通信媒 体可以是诸如同轴电缆、双绞线对、或光纤电缆的有线线路、或诸如蜂窝或射 频(RF)传输的无线传输。安装的网络大多数是有线线路,最通用类型的有线 线路是非屏蔽的双绞线对线。
操作中,网络供不同用户同时共享访问,且信号以数字和模拟格式的两种 格式出现,在如PSTN中此两种信号经常一起出现,在网络频带宽度的不同频 段中同时传输。而且,不同的网络数字式装置,如计算机,电话和视频显示器 要求有不同的信号带宽(每秒比特)。它们甚至有不同的传输和接收信号带宽, 如在互联网通信或数据检索操作中,下载数据量远远超过上载命令。这就要用 不同的数字式传输协议来适应,如不对称的数字用户线(ADSL)和综合业务 数字网(ISDN),PSTN服务提供者将它们用于互联网通信。总之,单导体对 可同时进行几个全双工信号交换,每一个在不同的频段有不同的数字信号带 宽,而且,模拟格式和数字格式可能组合。
除LAN以外的其它网络互连以提供网外通信。经用于互联网协议(IP) 网的网桥和/或路由器,经本地和中心局PSTN电话交换机实现互连。全部互连 网络的信号业务流经这些交换点,由于必须监测网络信号业务以确定性能趋势 或隔离和维修故障,所以,IP网和电话技术人员必须在不同的地方对网络信号 业务抽样,以确定业务图形,而且还必须分析已传输信号的波形特性,以便进 行质量控制。该质量监测包括审计特定数字信号协议的传输保真度。
现有技术公开了确定网络信号的存在和传输协议的各种信号分析器。这些 分析器访问网络信号的方式不同。某些方式是侵入性的,传感器用尖锐的探针 刺入导线绝缘而与该导线对进行物理电接触。电话网络技术人员使用的这样的 一种类型被叫做“钉床”,其中包含有多个与缆芯线啮合且进行物理接触的固 定安装的探针。这种物理接触会引起信号噪声,在音频信号传输的情况下,噪 声本身以听得见的声音明显地呈现给网络用户,或者,引起的噪声干扰足以中 断和终止数字信号传输。尽管听得见的干扰令人烦恼,但终止数字传输和引起 的数据丢失会有更严重的后果。
也已经有现有技术的非接触传感器,它们与来自导体对的传输信号感应耦 合,能避免物理连接引起的问题。但是,感应耦合传感器还有缺点。一个缺点 是它的有限的信号灵敏度。有一些适合用在检测高电流信号中的电流敏感器 件,但它们在检测低功率信号中的使用受到限制,诸如在网络和电话信号的情 况下。第2个缺点是捡拾电感(或线圈)产生的反向电磁(emf)进入信号 流。这会作为噪声出现在线路上,因而可能破坏信号或造成信号波形失真。
因而需要能为信号分析器获取双绞线对导体上传输的信号波形的高保真取 样的信号传感器。

发明内容

本发明的一个目的是提供一种分析传感器,它能给信号分析器提供双绞线 对网络信号的高保真波形取样。本发明的另一目的是提供这样的高保真分析传 感器,它还具有容易连接到双绞线对导体而使用的特性。本发明的又一目的是 提供这样一种分析传感器,它具有高度完整地连接到双绞线对导体的能力。本 发明的又一目的是提供这样一种能便携使用的分析传感器。
按本发明的一个方案,提供一种分析传感器,它能检测一对导体上的信号 波形,和放大第1与第2信号波形之差。还按照本发明,本发明包括第1和第 2电容性耦合器,每个耦合器连接到相关的端接阻抗,且每个耦合器适合与两 个导体中的一个相关导体相邻,以把来自相关导体的信号波形的第1和第2取 样信号分别电容性耦合到相关的端接阻抗。还按本发明,本发明包括第1和第 2缓冲放大器,它们分别响应在第1和第2电容性耦合器的端接阻抗的第1和 第2取样信号,以在其第1和第2输出处分别提供放大的第1与第2取样信号 之差。此外,还按本发明,本发明包括实用模,它包括用线连接到缓冲放大 器的电池电源,以给距其有一定距离的位置处的缓冲放大器供电。
按本发明的第2方案,分析传感器包括第1和第2电容性耦合器,每个耦 合器连接到端接阻抗,且适合于位于与两个导体中的一个相关导体相邻的位 置,以把来自相关导体的信号波形的第1和第2取样信号分别电容性耦合到相 关的端接阻抗。还按本发明,本发明包括分别响应第1和第2电容性耦合器的 端接阻抗处的第1和第2取样信号的第1和第2缓冲放大器,以在其第1和第 2输出处提供第1和第2条件信号。还按本发明,本发明包括第3和第4缓冲 器,它们分别包括响应第1和第2条件信号的第1和第2输入,以在其第3和 第4输出处提供放大的第1与第2条件信号之差。
按本发明第3方案,分析传感器包括用于封装电容性耦合器和缓冲放大器 的外壳。电容性耦合器适合于由操作者放在一个或多个导体附近。还按本发明, 外壳在每个电容性耦合器配准的表面上有凹槽。还按本发明,外壳包括夹紧组 件,用于在与相关耦合器配准时夹持每个导体。
按本发明第4方案,分析传感器的电池电源包括给缓冲放大器供电的电压 源。还按本发明,电池电源包括连接到电压源的调节器,适合于测量和响应电 压源的低电压。还按本发明,电池电源还包括连接到调节器的指示器,用于指 示在电压源存在低电压。
通过以下参见附图对本发明优选实施例的详细描述,本发明的这些和其它 目的、特征和优点将变得更清楚。

附图说明

图1是按本发明的分析传感器的优选实施例的透视图;
图2是图1所示实施例的一个元件的平面图;
图3是沿图2中3-3截线的图2所示元件的另一平面图;
图4是沿图2中4-4截线的图2所示元件的又一平面图;
图5是图2所示元件的部分示意图;
图6是图1所示实施例中另一元件的示意图,为方便起见图6被分成图6A、 6B、6C以及6D;以及
图7是着重说明图1所示分析传感器实施例的操作特性的透视图。

具体实施方式

参见图1,本发明的分析传感器20用电容性传感器非侵入性地取样在双绞 线对22信号导体24、26上传输的微分数字信号协议,在呈送给信号分析器28 (剖视图中所示)之前通过宽带信号调节电路准确复制该取样的波形。取样信 号协议包括:在约28KHz至约772KHz频率范围操作的T-1信号,在约25KHz 至约1100KHz频率范围操作的ADSL协议信号,在上至约100KHz的频率上 操作的ISDN信号,和在约28KHz至1,024KHz频率范围操作的E1协议信号 (欧洲版本的T-1)。取样信号的总的频率范围是25KHz至1100KHz。信号分 析器28本身的类型是已知的,如Fluke型635信号分析器,或本领域技术人员 已知的、用于分析网络信号传输以确定信号质量和/或网络性能的许多厂商型号 的信号分析器中任何其它一种。
优选实施例中,完整的分析传感器20包括两个模块,探针30和实用模块 32。探针30取样有线信号,调节它们,放大它们并把它们在线34上供给实用 模块32。实用模块32使探针30的输出信号输送到信号分析器,并向它自己和 探针30供给调节过的电池功率。此外,实用模块32设有指示器,给操作者指 示电池222和探针30的状态。这两个模块实施例使传感器探针重量减到最小, 这进而使导体对22上的重量负荷减至最小。它允许用线把电池222连接到探 针内的电路,以在远离探针内电路的位置给该探针内的电路供电。但是,应该 知道,用户能任选两个模块实施例,单个模块中也能包封整个分析传感器20。
正如对图2-5的描述,探针30电容性地耦合在每个导体24、26上传输的 共模信号,以在探针的信号调节电路的输入处复制微分信号波形。这是用放在 构成电容器的导体24、26中的一个相关导体附近的导电板来实现的。电容性 耦合是非侵入的,它不妨碍导体的物理整体性,它绝不会破坏信号传输或使传 输的信号波形失真。导电板以阻抗端接,电容器信号电流流过阻抗,以供给电 压信号,该电压信号是导体上已传输信号的可缩放的复制。
优选实施例中,传感器的导电板表面积大大超过导体截面积,以简化探针 30的定位。但是,正如本领域技术人员公知的,只有与导体配准的导电板的平 面表面才提供电容耦合。与导电板对准的缆芯线的截面积限制单个导体板和与 它相关的导体所形成的耦合电容值,并且就22-24AWG大小的缆芯线而言,其 电容值在低于1皮法拉(1×10-12法拉)的量级上。因此,对规定的应用而言, 如果认为必要,就减小传感器导电板尺寸,而且,导电板本身是非平面的导体。
此外,分析传感器20的优选实施例中,传感器探针有外壳38,它把探针 导电板和信号调节电路封装在壳内,该壳是用已知类型的不导电材料,如ABS 塑料制成。外壳38有多个外壳特征,使它能极有效地用来读出双绞线对导体 上的信号。这些特征包括容易在双绞线对22的紧密缠绕的导体24、26之间插 入的锥形“筒”前端40,在电话标准下,每个纵长英尺(running foot)上有几 百股双绞线对22的紧密缠绕导体24、26。外壳还包括夹紧组件42、44,它通 过插入筒40来相对探针的两个导电板中的一个相关导电板在适当位置抓住和 物理夹持每个单独的导体,如图2所示。
图7示出探针外壳38的筒形部分,夹具42、44处于打开位置,由此露出 与每个夹具相关的凹槽46、48。夹具枢转固定件50、52和与每个夹具42、44 关联的轴端54、56结合而形成每个凹槽46、48。当筒40在夹具处于打开位置 而插入时,导体滑过相应的轴端54、56并固定在凹槽中。闭合夹具便将导体 捕获在凹槽中;对着筒表面牢固地定位。
在保证探针30稳定地物理连接到导体24、26(图1)的同时,这也在探 针的导电板与相关的导体铜线之间形成大致固定的间隔。正如已知的,该间隔 确定了耦合电容值,该电容值与导电板之间的距离成反比地增大。因而,本探 针外壳设计提供基本上可再现的、基本上最小的距离,这进而能提供基本上可 再现的且一致的耦合电容值。
在图示的优选实施例中,用弹簧加载夹具42、44的可移动夹片58、60。 给端部62、64(图1)加一个相对凹槽46、48的力使夹片58、60打开,去掉 该力则弹簧闭合。但是本领域技术人员应知道其它类型和结构的夹具也能满足 实际应用的要求。例如,可机械安装夹片58、60,以在打开或闭合的位置进行 双稳态操作。在该情况下,操作者在枢转固定件的相对侧给该夹片施压就能简 单地改变状态。
图2至4画出沿3个不同轴的探针30的平面图。这些图没画成是定标的。 图2是外壳38的侧视图,它有筒形部分40和在表面安装的夹紧组件42、44, 以及至实用模块32的探针互连线34(见图1)。而且,为便于理解探针内部元 件的近似位置,示出了外壳38内的传感器的导电板66、68(图中剖面线所示)。 用电介质材料隔板70(用剖面线画出以便在视觉上区分)把导电板隔开。还画 出了探针的内部电路板72和它的安装的元件。
正如可看见的,导电板66、68的至少一部分表面区域位于夹紧组件42、44 的凹槽46、48中。如从导体24、26的横截面所示的,导电板面积基本上大于 导体直径,沿着外壳38的部分长度(见图2)和宽度(见图3)大大超出凹槽 46、48的范围地延伸。
图3是沿图2中线3-3取的平面图,由此示出夹紧组件42的夹片58的表 面。如图2所示,剖视图中画出的内部元件更便于理解传感器的内部元件的近 似摆放。图3中,唯一可见的内部元件是电容板66。图4是沿图2中4-4线取 的平面图,它画出了把探针内部元件封在外壳38中用的后盖74。
图5是探针30(见图1)的外壳38中设置的、电路板72上的导电板组件 76和信号调节及放大电路78的示意图。导电板组件76包括电容性耦合器80、 82,每个电容性耦合器包括导电板84、86和相关的导电屏蔽88、90。用诸如 电介质的不导电材料层92、94使各个导电板84、86与它们相关的屏蔽88、90 隔开。如下所述,优选实施例中导电板84、86和屏蔽88、90是相同的导电材 料,最好用铜。这两个电容耦合器80、82设在外壳中,使屏蔽88、90彼此相 邻,但用不导电材料96隔开。
每个导电板84、86都电端接于信号调节电路78中的负载阻抗。图示实施 例中的端接负载阻抗等于与旁路电阻104、106和108、110并联的运算放大器 100、102的非反向(+)输入96、98的输入阻抗,它们连接在非反向(+)输 入与信号地112(“COM”)之间。放大器100、102的类型是已知的,例如, Analog Devices有限公司制造和销售的8052型运算放大器(“OP Amp”),它的 信号带宽约为70MHz。该类型的OP Amp的较宽带宽允许它以最小的可察觉 失真通过1100KHz的最大频率协议信号,但是,要知道,也能用各种其它的 已知型号的OP Amp,如本领域技术人员已知的,具有相同的或更高带宽和共 模输入阻抗的OP Amp。
优选实施例中,放大器100、102被配置为闭合回路、单位增益、电压跟 随器,电压跟随器在它们的输出114、116处提供公共极性、等于电容器极板84、 86上出现的各电压的单位增益。尽管期望导电板84、86的端接阻抗最大,以 使信号灵敏度最大,高带宽型8052运算放大器也用双极型晶体管,它在放大 器的非反向输入(96,98)产生高偏置电流。运算放大器的共模输入阻抗范围 是太欧姆(1012欧姆),并且对于所有实际目的该阻抗是无穷大的。为防止放大 器饱和,必须限制接在信号地112与放大器100、102的非反向输入之间的电 阻器104、106和108、110的DC电阻值。但是,必须给电容性耦合的取样信 号供给高端接阻抗。
因而给每个放大器100、102提供“自举功能”,以提供“明显”的更高的 阻抗端接,以保证有足够的读出信号灵敏度,而且允许用较低阻抗值的电阻器。 通过串联的电阻器-电容器组合118、120(用于放大器100)和122、124(用 于放大器102)反馈来自放大器输出114、116的信号,该自举功能使串联电阻 器104、106和108、110的总的表观阻抗增大。该自举串联电阻器-电容器组合 将放大器输出信号的成比例超前反馈(proportional-lead feedback)分别提供给 电阻器104、106和108、110的接点126,128。放大器输出(114、116)到相 关接点(118、120)的比例信号增益大致等于电阻值之比:R106/R118(对于 放大器100)和R110/R122(对于放大器102)。
在操作实例中,用阻值为220×103欧的电阻器104和108,阻值为4.7×103 欧的电阻器106、110,阻值为2.2×103欧的电阻器118、122和容量为0.01微 法的电容器120、124,得到的成比例的反馈增益是47000/49200,或大致为单 位增益。结果,电阻器104、108有大致相同的极性,每端的信号大小大致相 同,引起电阻器电流下降一个量,该量与电阻器之比R106/R118(对于放大器 100)和R110/R122(对于放大器102),或47000/2200=21.36成比例。
导电屏蔽89、90使它们相关的导电板84、86与环境射频(RF)能量和其 它环境静电作用隔离,由此提高探针的信号灵敏度。优选实施例中,该屏蔽被 电连接到与其相关的运算放大器100、102的输出114、116。由于放大器的输 出信号的大小和极性基本上与其各导电板上的信号瞬时大小相等,所以作用是 将屏蔽保持在与其相关的导电板大致相同的电势。
这有几个好处。运算放大器的低输出阻抗使环境静电作用对屏蔽基本上无 影响,因而使其导电板的屏蔽作用最大,且屏蔽与导电板之间的基本上零的微 分电场使它们之间的耦合电容减至最小。同样,屏蔽的低阻抗端接使导电板之 间的信号交叉耦合减至最小。组合作用是使传感器的信号灵敏度达到最大。
电容器130、132把放大器100、102的输出114、116处的各个取样的和调 节的共模信号连接到运算放大器134、136的非反向输入141、143。电容器130、 132阻断可能存在的任何直流(DC)信号。本实施例中的运算放大器134、136 是8052型运算放大器。运算放大器134、136还对输出114、116提供进一步 调节和放大。该8052型运算放大器还允许以最小的可察觉失真通过在1100KHz 的最大频率协议信号,但是应了解,也能用诸如本领域技术人员公知的有相同 或更高带宽和共模输入阻抗的其它公知型号的运算放大器。
优选实施例中,OP Amp134、136被配置成为给在非反向(+)输入出现的 电压供给信号增益。期望使输出141、143的端接阻抗最大,以使信号灵敏度 最大,高带宽8052型OP Amp用双极型晶体管,它在OP Amp非反向输入产 生高偏置电流。电阻器135、137为偏置电流提供DC路径,以防止OP Amp(134、 136)饱和。
用电阻器138、140和142以及电位器144配置OP Amp134、136以放大141、 143处的输入信号。放大是微分增益,两个导体24、26的两个信号之间的差的 增益。该增益要补偿探针30电容耦合到导体24、26引起的损耗。该增益可用 电位器(R144)调节。两个信号之间的该差增益基本上等于下式表示的电阻值 之比: 1 + R 138 + R 140 R 142 + R 144
在操作实例中,用阻值为10×103欧的电阻器138和140,电阻值为500 欧的电阻器142,电阻值为1.5×103欧的电位器144,根据电位器144的设定, 差信号增益范围是近似从400至10。在电位器设定为0欧的最低电阻处,差信 号增益是400。在电位器144设置为1.5×103欧的另一极端情况下,差信号增 益是10。本优选实施例中,OP Amp134、136必须能驱动6伏的峰峰值。
输出146、148分别连接到电阻器147和149。电阻器147、149的另一端 分别在连接器150连接到HBI和BLO。BHI和BLO信号经线路34和36通过实用 模块32到信号分析器28。本实施例中电阻器147和149的电阻值均为47欧。 电阻器147、149用来对线路34、36进行阻抗匹配。
连接在COM节点112与VB +和VB -之间的电容器131、133起旁路作用, 用于防止噪声使信号失真。在本优选实施例中,每个电容器131、133的电容 量是0.1微法。
在连接器150处探针30在标记为VB +和VB -的终端处接收来自实用模块32 的调节过的电池电压信号。VB +和VB -信号在串联电阻器152、154上给出,这 两个串联电阻器在它们的接点156处将提供每伏额定的1/2伏增益(normimal one-half volt-per-volt gain)转换以便提供1/2(VB +和VB -)的额定电压幅值。在 图示的实施例中,VB +=+7.5VDC,VB -=0VDC,因此接点156处的额定电压(EB) 通常是+3.75VDC。EB电压信号在线158上供给缓冲放大器162的非反向输入 160。优选实施例中,缓冲放大器162是与电阻器165和运算放大器167串联 的单位增益跟随器,它在其输出164一起供给+EB信号,该输出164被连接到 探针30中的COM(即“共用”)节点112,还连接到连接器150的COM终端 166。因此EB信号连接到实用模块32与探针30之间的线34的屏蔽(见图1)。 该屏蔽提供静电屏蔽。其电容量为1.0微法的电容器155连接在VB +和VB -之 间,和其电容量为0.1微法的电容器157连接在非反向输入160与VB -之间, 电容器155和157有稳定从实用模块32收到的电池电压信号的功能。
因而,正如已知的,为了图示清楚,在图5和6中各个运算放大器在它们 的电压源输入端连接到连接器150的供电电压信号VB +和VB -。由于本分析传 感器是便携式的,因此适合于现场使用,它可使用电池作能源。在VB +=+7.5VDC 和VB -=0VDC,COM=EB或+3.75VDC的情况下,运算放大器的额定0信号(静 态)电压输出等于1/2电池电压,即3.75VDC。但是,正如本领域技术人员所 了解的,也能用各种其它的电子电源,包括在特定用于运算放大器的范围内的、 有不同源电压大小的电池电源。
实用模块32用来给探针30供给调节过的电能,并且在电能低时向操作者 指示。现在参见图6,实用模块32在实用模块连接器172的终端300处接收来 自线34的COM(EB)信号,并通过实用模块30将其传到线36而把COM(EB) 信号传输到信号分析器28。为方便起见图6被分成图6A、6B、6C和6D。图 6A上最后的垂直线是与图6B上的第一垂直线相同的线。图6A上最后的平 线是与图6C上第一水平线相同的线。图6B上的最后水平线是与图6D上的第 一水平线相同的线。在实用模块连接器172的终端304、306处从线34接收信 号BHI和BLO且通过实用模块32将其送到线36以便传输到信号分析器28。为 便于处理,COM(EB)信号与BHI和BLO信号通过实用模块32,但是其它实施 例中,这些信号也可以与实用模块32隔开。
实用模块32有控制来自电池222的电能的功能。本实施例中电池222由 “AA”大小的电池构成,它供给+9.0DC伏。或者可以使用其它已知类型的电 源。电池222的电能连续供给监视截止-导通开关308(已知技术的瞬时开关) 的状态的电路。电池222连续供电的电路是触发器(318和336)、反相器(310、 322、328、356、366和380),和“与非”(368,370、372和374)。调节 器338给包括探针30的其它电路供电。开关308从电池222的低电势电压VB -312连接到反相器310的输入。当起动开关308时,在反相器310的输入处的 电压从高变到低,使D触发器318的Q输出改变状态。在触发器318的Q输 出进入高状态时,在显示实用模块32和探针30已导通的供电状态下,D触发 器336打开,触发器336的Q输出处于低电压状态。同时,触发器318的反相 的Q输出处于低电压状态,它允许调节器338打开。
D触发器318、336有已知类型,诸如由国家半导体公司制造和销售的4013 型D触发器。而且,反相器310、328、356、366和380也有已知类型,诸如 由国家半导体公司制造和销售的CMOS型-反相器。
而且,通过使D触发器318的Q输出处于高状态,而从电池给驱动器供 电,以驱动LED402、404、406和警报器408。警报器408是声音换能器,在 本实施例中它是8欧姆。警报器408在起动时振荡,这将在以下描述。当调节 器的输出下降到其额定电压的95%时,它被起动。由于当供给95%的电能时不 能保证从探针30来的测试精度,所以该信号很重要。
当触发器318的Q输出设定到低状态时,触发器336的反相输出设定在高 状态。该设定打开调节器338,用于调节电压。调节器338给探针30供给7.5V 电压。本例中,当调节器338打开时,LED404(本实施例中的绿LED)点亮; 由此向操作者指示调节器338打开。
为实现所述的触发器318的输出,用电阻器305、324和电容器316、326 配置触发器318。电阻值为220×103欧的电阻器305连接在VB -和至反相器310 的输入之间。其电容量为0.1微法的电容器316连接在至反相器310的输入与 VB -之间。电阻器305用来保持从反相器310输入的高电压电平直至开关308 起动为止。要求该高电平电压输入以使触发器被无意地计时。而且,电阻器305 和电容器316组合工作,以保证开关308起动时到触发器318的输入不跳动。 触发器318的D输入在接点410连接到触发器318的反相的Q。分别用446、 448和450表示的触发器318的设定、复位和接地均连接到VB -。触发器318 的Q输出在接点414连接到电阻器324,在本实施例中阻值为1×106欧,和该 Q输出还连接到输入反相器322。反相器322的输出连接到电阻器412。电阻 器412的另一终端连接器在接点416连接到pnp双极结晶体管(BJT)330的 基极。电阻器324的另一终端连接器在接点418连接到反相器328的输入。电 容器326也在接点418连接到接点418。电容器326的另一终端连接器连接到 VB -312。电阻值为10×104欧的电阻器332的一个终端连接器连接到接点410, 另一终端连接器连接至npn BJT334的基极。BJT330的发射极在接点303连接 到VB +。BJT334的发射极连接到时钟输入和触发器336的D输入以及VB -312。 反相器328的输出连接到触发器336的复位。
本实施例中,触发器336的反相的Q输出连接到电阻值为47×103欧的电 阻器343的一个终端连接器。电阻器343的另一终端连接器在接点418连接到 调节器338的截止(shutdown)(SD)输入。调节器338是已知类型,如国家 半导体公司制造和销售的2953型电压调节器。BJT334的集电极也连接到接点 418。调节器338的4个接地管脚均连接到VB -,以便散热。调节器338的COMP 输入在接点420连接到电阻器345、347。本实施例中,电阻值为220×103欧 的电阻器345的另一终端连接器连接到VB +。在此实施例中电容量为1.0微法 的电容器422连接在VB +和VB -之间。调节器338的输入在接点424连接到VB +。 接点424连接到二极管340的阳极。二极管340的阴极连接到接点432。本实 施例中,调节器338的COMP输出在接点426连接到电阻值为100×103欧的 电阻器342的终端连接器。电阻器342的另一终端连接器连接到电阻器344。 调节器338的输出连接到接点428,它还连接到电容器348、350和电阻器352 中各个的终端连接器。电容器350的电容量是10微法。电容器348的容量是100 皮法(pf)。电阻器352的电阻值是612×103欧。电容器348的另一终端连接 器在接点430连接到调节器338的反馈。而且,电阻器352的另一终端连接器 连接到接点430。本实施例中,电阻值为120×103欧的电阻器354连接到VB - 和接点430。电容器346连接到接点432和VB -。
除给探针30供给调节过的电能外,调节器338还供给操作者能从指示器 察觉到的电池管理信号。当电池222的调节过的电压降到额定值的95%时,误 差信号341进入低电平有效。出现该情况时,触发器336的反相的Q输出343 进入低状态。这使调节器338关闭,且在VB +和VB -处给探针断电。这时LED404 也关闭。当误差信号341有效时,红色LED406和警报器408打开,指示用户 探针30关闭且调节器338已降到其额定值的95%。
调节器338供给的另一管理信号要指示电池222在低信号349处是低的。 该功能用电阻器345和347的电阻值编程到调节器338中。电阻器345的电阻 值是220×103欧,电阻器347的电阻值是39×103欧。电池222有接近两小时 的电源剩余时低信号349变成有效。当该信号有效时,引起绿色LED404和黄 色LED402闪烁。闪烁速率由反相器366和380的振荡器配置确定,这在以下 还会描述。该状态下,调节器338不关闭,且探针30继续正常工作。
本实施例中,低信号被编程为在约8.2V的电压起动。在该电压下,本实 施例中用的电池222预期有约2小时的工作寿命剩余。在用电阻器345、347 构成的该结构中,用于获得期望电池电压的电阻值由下式给出:
本实施例中,电阻器345、347达到约8.2V的期望的电池电压。
如果在操作探针30同时开关308起动,则加电过程要反过来。即,调节 器338和触发器336关闭。该模式中,用电池供电的唯一电路是开关308的监 测电路。
控制所述电池管理信号的逻辑电路或指示器包括:“与非”门368、370、372 和374结构。指示器是LED402、404、406和警报器408。到“与非”门368 的一个输入连接到接点432,另一输入连接到接点426。“与非”门368的输出 连接到“与非”门370的输入。本实施例中,“与非”门370的另一输入在接 点434连接到电阻值为100×103欧的电阻器376的一端。“与非”门374的输 入连接到接点434。“与非”门370的输出在接点442连接到“与非”门372 的输入。本实施例中,“与非”门374的另一输入连接到电阻值为100×103欧 的电阻器380的一端。电阻器380的另一端连接到触发器336的Q输出。
本实施例中,接点434连接到电阻值为100×103欧的电阻器376的终端。 电阻器376的另一终端在接点436连接到反相器366、380的结构的输出。该 结构是上述的振荡器。该结构产生方波以使操作者容易观察。LED402起动时 由于振荡器作用在该频率下LED402闪烁。而且,在警报器408起动时在该频 率下发声和不发声。接点436连接电容量为0.1微法的电容器364和反相器366 的输出。本实施例中,电容器364的另一终端连接器在接点438连接到电阻值 为1×106欧的电阻器358,和电阻值为47.5×103欧的电阻器362。电阻器358 的另一终端连接器连接到反相器380的输入。反相器380的输出在接点440连 接到反相器366的输入。
pnp BJT394、396、398和npn BJT400的结构用作LED(402、404、406) 和警报器408的驱动器。BJT394、396、398的发射极连接到BJT330的集电极。 本实施例中,其电阻值为3.3×103欧的电阻器382将“与非”门370的输出 连接到BJT394的基极。本实施例中,电阻值为3.3×103欧的电阻器386将“与 非”门372的输出连接到BJT396的基极。本实施例中,电阻值为1.5×103欧 的电阻器390将“与非”门374的输出连接到BJT398的基极。其电阻值为1.0 ×103欧的电阻器384将BJT394的集电极连接到LED402的阳极。电阻值为1.0 ×103欧的电阻器388将BJT396的集电极连接到LED404的阳极。电阻值为1.0 ×103欧的电阻器392将BJT398的集电极连接到LED406的阳极。BJT400的 基极在接点444连接到BJT398的集电极。BJT400的发射极连接到警报器408 的一端。警报器408的另一端和LED402、404和406的阳极连接到VB -。
信号通过连接器218呈送到线36而到达信号分析器28。图1所示线36终 端连接器220是适用于规定的信号分析器的多种已知连接器中的任何一种,通 常包括电话工业中用的标准BANTAM 314型连接器。 
如上所述,双绞线对22上的取样的传输信号中的幅度可能有大变化。造 成这样的其中的原因是附接的传感器探针与最接近的网络中继发射机之间的距 离,环境静电和电磁效应,而且用某些紧密地双绞线对安排来获得最佳电容性 耦合的能力。为了使这些环境下能达到最佳的信噪比,给导电板84、86配备 有单个导电屏蔽88、90(见图5)。考虑到环境噪声是信噪比的单个最大的降 低者,给探针30最好加一个附加的有效屏蔽。
再参见图2-5,可沿传感器探针外壳38(见图2)的内表面设置有效屏蔽。 优选实施例中,该添加的有效屏蔽可采用沿诸如外壳内部表面236和238的各 个导电板66、68附近的、外壳内部的多个分隔区淀积的导电材料分隔层的形 式。之后,各个导电表面材料电连接到相关导电板缓冲放大器的输出(图5中 100、102),或电连接到相关导电板的有效屏蔽。可用任何多个已知的材料和 用任何已知的方法,例如,用导电粘接带或导电聚酯,设置这些导电材料层。
尽管已用优选实施例展示和描述了发明,但本领域技术人员应了解,在不 脱离所附权利要求书界定的发明精神和范围的前提下,还能对所公开的实施例 的形式和细节做各种改变、省略和添加。
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