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:
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
水平 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”
门(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
氨酯,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。