专利名称：非接触信号分析器的制作方法
技术领域：
本发明涉及电子信号分析器领域，具体涉及用于检测网络信号的存在和传送协议的非接触信号分析器。本申请是1999年11月5日提交的No 09/435,533号申请的部分继续申请。
在操作上，网络为不同的用户提供同时的共享存取，且信号呈现为既有数字方式也有模拟方式，它们通常一起存在的。比如在PSTN中，数字方式和模拟方式的数据在网络频率带宽的不同分段同时传送。并且，不同的网络数字设备，比如计算机、电话和视频显示器，具有不同的信号带宽(比特/秒)需求。它们甚至具有不同的传送和接收信号带宽，比如在互联网通信或数据检索操作的情况下，下载的数据量远远超过上载的命令。这是通过使用不同的数字传送协议来适应的比如PSTN服务提供者用来提供互联网通信的非对称数字用户线(ADSL)、综合业务数字网(ISDN)。总结来说，单个的导线对能够同时支持多个全双工信号交换，各在不同的频率带宽分段、使用不同的数字信号带宽，还可能结合数字方式和模拟方式。
除了LAN以外的网络相互连接来提供网络间的通信。对于网际协议(IP)网络，这种互连是通过使用网桥和/或路由器来提供的，而对于PSTN，则通过本地和中心局电话交换机来提供。所有的互联网络信号通信量通过这些交换点流动。既然需要监视网络信号通信量来确定性能趋势或隔离和修理故障，对于IP网络和电话技术人员两者来说，就都需要在一条通信线上确定一种特定信号格式(模拟或数字)的存在，并且需要监视信号的质量。这样的质量监视既包括检查音频传送的音调质量，也包括检查一种特定数字协议的传送保真度。网络质量标准，比如用于PSTN的BELLCORE标准，需要监视和故障隔离操作发生时，信号中断最小。因此，理想情况下，技术人员使用的工具必须既能有效地确定信号的位置，又能不中断信号通信量。
现有技术公开了各种类型的信号分析器，用来确定网络信号的存在和传送协议。这些分析器存取网络信号的方式各异。一些是侵入式的，即传感器通过尖的探针刺穿电线的绝缘层与导体对实体电接触。电话网络技术人员采用的这样的方法被称为“钉床(bed of nails)”，这是由于这样的方法包括多个与导体线接合并实体接触的固定安装的探针。这种实体接触产生了信号噪音。在音频信号传送情况下，该噪音对于网络用户呈现为可以听见的声音；或者它可能导致噪声干扰足以打断或中断数字信号的传送。尽管听得见的干扰是恼人的，而数字传送的中断及其导致的数据丢失则具有更严重的后果。
现有技术中也有从导体对感应耦合传送信号的非接触传感器，从而避免了实体接触导致的问题。然而，感应耦合的传感器也有缺点。一个缺点是其有限的信号灵敏度。它们是电流敏感器件，适合用于检测大电流信号，但是在低功率信号的检测中，比如在网络和电话信号的检测中，它们的作用有限。第二个缺点是由拾音(pick-up)感应器(或线圈)进入数据流产生的反向电动势(emf)。这表现为线上噪音，它可能打断信号或使波形失真。
因此，需要有一种非接触信号检测器，它能够提供与低功率(低电平)线路信号的高信号分辨率耦合，而不干扰信号的传送。
发明内容
本发明的一个目的是提供一种能够检测导体上的模拟和/或数字信号传送的信号传感器，而使对信号质量的影响不可察觉，也不打断传送的完整性。本发明的另一个目的是提供一种能够提供高保真度信号捕获的传感器，而不需要与信号传送携带导体进行实体接触。本发明的再一个目的是提供一种能够执行多种不同的数字信号协议的信号捕获的非接触高保真度传感器，同时可能需要与各种型号的协议分析器一道使用。本发明的再一个目的是在手持设备配置中提供这样的能够被技术人员容易地操作和使用的非接触高保真度信号传感器。
根据本发明，非接触传感器包括具有至少一个导电板的电容探针，其中当导电板被放置接近信号携带导体时，其把在导体上传送的信号的采样电容性耦合到识别所采样信号格式的分析器电路。进一步，根据本发明，信号传感器包括信号调节器电路，其位于导电板和信号分析器电路之间，用来把高阻抗终端提供给电容性耦合的采样信号、并把低采样信号源阻抗提供给信号分析器电路，从而向传感器提供高度的信号灵敏度。
仍然根据本发明，信号传感器包括导电屏蔽，其被放置在接近导电板的地方但空间上是分离的。导电屏蔽被电连接到信号调节电路的信号输出，以维持屏蔽具有基本上和导电板相同的电势，从而使板屏蔽环境静电效应，以进一步提高传感器信号灵敏度。仍然根据本发明，传感器包括具有第一和第二导电板的电容探针，其中每个电容板适合于放置到接近关联的一对信号导体中的一个，来电容性耦合关联导体传送信号的采样，传感器进一步包括差分信号调节电路，用于向分析器电路提供输出信号，其中输出信号正比于第一和第二板的耦合信号的差分和，从而进一步提高了传感器的信噪比。仍然根据本发明，探针导电板的尺寸和形状是可选的，且不限于平面器件，但它们本身可能包括线导体。
本发明的传感器既可以是单板传感器配置，也可以是双板传感器配置。双板传感器配置允许使用差分模式信号检测和调节，因而滤去了在单板配置中存在的普通模式噪声，并且提供了高信号保真度和高信噪比。然而，无论对于模拟信号格式还是数字信号格式，单板配置提供了适当程度的检测准确度和信号保真度，但信噪比较低。因为本实施例不需要是两个传感器，所以不需要差分信号调节电路不是必须的，从而导致了总体的低造价。
无论在单板还是双板的实施例中，导电板都通过空间临近放置的导电屏蔽来屏蔽杂散静电效应。屏蔽维持与导电板基本上相同的电势，以最小化由于空间接近导致的电容效应。屏蔽到信号调节电路的低输出阻抗的电连接同时把附带的噪声迂回到信号地，这样就远离了板。另外，从板到信号调节电路的电信号路径，比如印刷线路板(PCB)的导电轨迹，也通过“轨迹屏蔽”屏蔽了杂散效应。轨迹屏蔽淀积在PCB上，位于信号携带轨迹和信号调节电路之间，且电连接到静电屏蔽上。因此，它在同样的电势具有与屏蔽同样低的阻抗信号回路，它的作用是防止通过PCB的、从信号轨迹到信号调节电路的电流泄漏，从而维持了传感信号的强度。
传感器的分析电路在很宽的频率范围内、在几个数字信号协议中既能够检测模拟信号，又能够检测数字信号。它们包括对于模拟声音信号，从大约300Hz到大约3000Hz；对于ADSL，从大约25KHz到大约1100KHz；对于T1信号，从大约28KHz到大约772KHz，对于E1信号(欧洲等价标准的T1信号)，从大约28KHz到大约1024KHz；或者总的传感器带宽1100KHz。
根据下面对于本发明的优选实施例的详细的描述，以及如附图中所示，这些和其他本发明的目的、特性和优势将会更加清楚。
附图简要说明
图1是用于说明本发明的操作原理的象征性示意图；图2是本发明的非接触信号分析器的优选实施例的示意框图；图3是图2的实施例的一个元件的示意框图；图4是图2的实施例的可选实施例的示意框图；图5是能够与图2中所示的非接触传感器分析器实施例一道使用的一个外壳的实际实施例的透视图；图6是与图2中描述的传感器实施例一道使用的部分印刷线路板布局的一部分象征性、一部分透视的示意图；以及图7是图2和图4的传感器实施例的一个元件的可选实施例的示意图。
差分信号的峰-峰电压小于5伏，并且由于线阻和沿着线对的长度方向的杂散寄生电容的原因，其典型值在2伏的量级。在图1中，杂散寄生电容由集总电容30和32仿真表示。导体(有线线路)电阻与寄生电容的电阻一起提供了建立了导体对的频率带宽的低通滤波器。
如果一个或多个导电板34和36，被放置接近导体21和22，则这些单独的板与附加的导体结合到一起，形成了一个电容器。它们是空气介质电容器，其分别提供了从导体对20的单独导体21和22到线38和40的信号传送路径。板的位置必须足够接近导体，但是并不限于如图所示的那样位于导体的中间。同样的，也应理解，术语导电板用于以口语的方式描述它们的电容功能，但是不假定它们限于平面设备或限于任何特定的几何形状。它们的几何形状和尺寸是可选的，并且它们本身甚至可能包含线导体。
如果线38和40通过电阻阻抗42和44连接到信号地46，则通过寄生电容30和32返回到信号导体21和22，存在一个封闭信号路径。这个单独的由板34和36耦合的、显现在电阻42和44两端的电压信号是单边的，例如是非差分的，就象以模拟和数字信号26和28的形式在导体对20上的信号智能被载波信号偏置出现在线38和40上，其中载波信号包括可能出现在每个导体21和22上的任何静止电压潜在信号。这个载波信号由波形50表示，它包括被模拟和数字波形26和28调制的载波信号52。作为选择，在线38和40上的信号提供给一个求和接合点54，在此把两个信号相加，从而消去对于每个导体都相同的静止电压潜在信号，并且恢复成差分形式，如波形56所示。
本发明基于这种电容耦合原理，并且在图2中示意性图解了优选实施例。现在参考图2，非接触信号分析器60包括信号传感器62、信号调节器64和信号分析器66。在优选实施例中，信号传感器62包括两个信号探针68和70，其中每个分别采取导电电容板72和74的形式，其中导电电容板72和74通过非导电材料层80和82与相应的导电屏蔽76和78分开。如下面所述，在优选实施例中，电容板72和74与屏蔽76和78是同样的材料，这种材料最好是铜。两个信号探针被实体排列以使屏蔽76和78相互接近，但通过非导电材料83被分开。
电容板72和74各自电终端于一负载阻抗，在优选实施例中，这两个负载电阻分别等效于运算放大器88和90的非反向(+)输入84和86的输入阻抗与分路电阻92和94的并联，其中分路电阻92和94与信号地95相连。放大器88和90是已知的类型，比如以MicroAmplifierTM商标、由BURR-BROWN公司制造和销售的运算放大器OPA2340或OPA4340。众所周知，运算放大器是具有高开环增益的有源放大器，其中增益可以用于闭环配置，以建立所需的比例增益传递函数。在本传感器应用中，参考型号的运算放大器的两个决定性特性是其带宽和高共模输入阻抗。本领域普通技术人员熟知的其它具有相同的或更高的带宽和共模输入阻抗的运算放大器型号和构造也可以使用。在本实施例中，放大器88和90中的每一个都被配置成闭环、单位增益，以及电压跟随器，其中电压跟随器在它们的输出端96和98提供相同的极性、等价于各自出现在电容板72和74上的单位增益。
为了最大化由板72和74结合线对导体21和22(图1)一起创建的耦合电容的信号灵敏度，同时最小化此耦合电容在导体对的总带宽上的影响，需要最大化板终端阻抗。如上所述，终端阻抗等效于运算放大器88和90的输入阻抗与分路电阻92和94的并联。放大器的共模输入阻抗在兆兆(1012)欧的范围内。对于所有实际的用途来说是无限的。因此，分路电阻值确定了终端阻抗值。
在优选实施例中，分路电阻是碳类型的，其优选值的范围在1.0至2.0千兆欧，且标称值为1.5千兆欧(1.5*109欧)。由单独的板及其相关导体形成的耦合电容的值受限于导体线与板重合的横截面积，且对于尺寸为22～24AGW的线，其数量级小于一个微微法拉(1*10-12法拉)。耦合电容和串联电阻的组合形成一高通滤波器，在106Hz处具有标称的-3db频率，从而在60Hz处提供了相当程度的衰减，同时能够通过PSTN音频信号带宽的300Hz到3000Hz的信号频率。
导电屏蔽76和78提供了电容器板72和74与周围的射频(RF)能量或其它环境静电效应之间一定程度的隔离，从而提高了由板72和74与线对导体之间形成的耦合电容的信号灵敏度。为了最大化屏蔽效果，通过把屏蔽76和78连接到各自相关的运算放大器88和90之一，屏蔽76和78实质上保持与其相关板相同的电势。既然已经知道运算放大器的输出阻抗基本上为零，屏蔽实际上不受感应静电效应的影响，且放大器的快速响应允许屏蔽电压能够接近相关板的瞬时跟踪电压，从而通过最小化屏蔽和板之间的差分电场来最小化屏蔽和板组合的电容效应。由于屏蔽76、78具有和其相关的板相同的电压，但通过到其相关的缓冲放大器88和90输出的连接，从而具有非常低的阻抗，屏蔽76和78也防止了它们的相关板的电势影响其它的板。
位于放大器88和90的输出的板电压通过电阻器100和102给出，其中电阻器100和102各自连接到放大器104的双输入。上述放大器可以与放大器88和90是相同或等价的类型，它配置成闭环差分放大器的功能，并且在其输出106提供了等效于两个板电压的差分。已经知道，在差分模式，放大器104在放大器88和90的输出端96和98为两个板电压中的每一个给出一个相等增益传递函数。这可以通过使串联电阻器100的电阻值等于串联电阻102的电阻值(R100＝R102)以及使放大器反馈电阻器108等于分路电阻110的值(R108＝R110)来实现。在放大器输出端96对于板电压的闭环增益因而等于反馈电阻器108与串联电阻器100的比值，在放大器输出端98对于板电压的闭环增益类似可以得出。基于所需的信号灵敏度和所需的电压比例因子，实际的闭环增益是可选的，且一般在1.0～2.0v/v的范围内。
在放大器104的输出端106的差分电压信号是单独导体21和22(参考图1)电压的差分和，且不考虑所有的普通周围感应电压或存在于每个导体的噪声信号，如60Hz的电源效应(例如图1中的周围噪声波形52)，且在输出端106的信号实质上是通过监视的导体所传送的声音、视频和/或数据信号内容。尽管不是必须的，在传感器检测和监视音频信号的场合，最好为操作者提供输出信号幅度的调整。为了提供这种调整功能，放大器的输出以最大电阻为5千欧的电位器的形式连接到信号灵敏度调节器112的输出，且调节器的另一端连接到信号地95。
可调整幅度的差分信号由电位器112的电刷输出端114提供，且通过缓冲放大器116提供给信号调节级64的信号输出118。放大器116具有和放大器88、90和104相同或等价的类型，且也配置成与放大器88和90相同的电压跟随器，从而在线118上提供与差分信号等效的单位增益和共同的极性。缓冲放大器也提供基本上为零的输出阻抗，其中输出阻抗首选电位器112在电刷输出端114提供的有限阻抗，因而对信号分析级66近似理想电压信号源。
将在线118上来自信号调节器64的差分输出电压提供给分析电路66。分析电路66检测模拟和数字信号中的任一个或者两个出现在采样信号中。由于显示的传感器的优选实施例用于与PSTN信号业务量有关的检测，且PSTN模拟和数字信号位于特定的频率范围内，则基于信号频率位于PSTN分配的模拟信号或数字信号的频带内，分析器66依赖于采样信号的频率滤波来识别指定的模拟或数字格式。尽管由于不区分数字协议，所以这可能具有定性分析的性质，当前的传感器维持了采样信号的保真度，从而如下面所述的那样，允许协议的定量分析。
模拟语音的信号频率在大约300Hz到大约3000Hz的范围内。数字T1协议信号工作在从大约28KHz到大约772KHz，实际的工作频率依赖于传送数据的给定比特码型。ADSL和ISDN协议的工作频率重叠，其中ISDN工作频率直到100KHz，而ADSL使用从25KHz到大约1100KHz的频率范围，用于从本地PSTN交换机向个人用户传送数据，并且使用从25KHz到大约200KHz的频率范围用于从个人用户向交换机传送数据。最后，欧洲版本的T1(即E1)工作在大约28KHz到大约1024KHz的频率范围。因此，用于数字信号传送的共用频率范围是25KHz到1100KHz。
现在参考图3，在分析器66的示意框图中，位于线118上的差分信号提供给低频带通滤波器120和高频带通滤波器122。滤波器120和122是有源的、两极带通滤波器，它们是已知的类型，比如Sallan-Key设计的滤波器，然而，本领域的普通技术人员认为，任何多个可选的设计滤波器能够适合使用。低通滤波器120的低端和高端-3db断点分别位于大约300Hz和3200Hz，以适应PSTN音频从300Hz到3200Hz的频率范围。在优选实施例中，高频带通滤波器122的-3db点位于大约25KHz和1100KHz，以适应共用数字信号频率范围。
可以说是显然的，设立滤波器120和122各自的带通频率范围来通过在它们指定工作信号带宽之内的信号频率，且滤去在它们分配的工作频带之外的信号频率。作为示例，在所描述的实施例中，高带通滤波器的低端-3db点只需要足够高以滤去在音频范围内的信号，且高端-3db点只需要足够高以通过高端频率数字信号。然而，低端-3db点设置在25KHz，为60Hz电源线频率提供了信号衰减的所需程度，且对于PSTN应用，不存在实际的原因将高端-3db点设置得高于指定的数字信号频带的顶端。
在300Hz到3200Hz范围内的信号频率通过低带通滤波器120且被高带通滤波器122所阻挡。来自滤波器120的输出信号被低带通音频前置放大器124所放大，且在线126上提出给视觉指示器128(比如发光二极管)和音频放大器130。音频放大器130和前置放大器124是已知类型的电路结构。在优选实施例中，放大器130把增强的音频信号提供给扬声器132，其中扬声器可以如相对于下面描述的图5那样，内建于传感器分析器的外壳内，作为另外一种选择，或者同时的，提供给任选的耳机134。选择开关136允许操作者选择来自放大器130的音频信号或者选择由单音发生器138产生的将要通过扬声器132或者耳机134播放的单音信号。提供音频音量控制140，用于允许调整扬声器132和耳机134的音量。
作为选择，数字信号通过高带通滤波器122，但是被低带通滤波器122所阻挡。通过的信号被标识为“数字信号”且被数字前置放大器142所放大。放大的信号提供到线143上且同时提供给数字信号视觉指示器144(比如LED)和单音发生器138。单音发生器138通过在线146上向音频放大器130提供能听得见的单音来响应数字信号波形的接收。如果选择开关在“数字”位置，这个单音传给扬声器132。
显然地，传感器向用户提供视觉和听觉信号来指示音频信号和数字信号中的一个或两个的存在。尽管视觉指示器总是使能的，使得在任何时刻同时存在音频和数字信号时，任何一个或两个视觉指示器能被点亮，听得见的通告最好限制为一个或另外一个，且能够由用户选择。作为选择，最好允许同时选择两个实际的音频信号和单音产生器信号，就象视觉指示的情况一样，在视觉指示的情况下，允许用户进一步判断如何提供指示，以提供不同的用户形式。
尽管差分采样和调节传送信号的样本的信号从共模噪声抑制和提高的信噪比中获益，如果可能，且是需要的，使用传感器作为共模器件。共模的实施例是单板配置，无论对于模拟信号形式还是数字信号形式，它提供了适当程度的检测准确度和信号保真度，但是具有较低的信噪比。由于共模去掉了一个板和一个差分放大器级，即它是低造价的传感器。
图4是一个共模非接触信号分析器的实施例的原理示意图，它包括一个新的传感器探针176、一个新的信号调节器178，和如图3所示的同样的信号分析器66。传感器探针176包括一个导电板180，其通过一个非导电材料层184与相应的导电屏蔽182空间分开。如差分实施例，电容板180和屏蔽182是同样的材料，最好是铜。
信号调节器178包括一个单运算放大器186，它也是已知的类型，比如由BURR-BROWN公司制造和销售的运算放大器OPA2340或OPA4340。如前面所述的有关图2中的双板配置的实施例，这种构造和类型的运算放大器对此种应用提供了足够高的共模输入阻抗和带宽。然而，为本领域的普通技术人员所知的其他构造和类型的具有同样的或更高的工作特性的放大器也可以应用。
放大器186被配置成闭环、单位增益电压跟随，其在放大器的非反向输入端188在信号线187上从板182接收传感信号，在输出端188提供相同的极性、等价于板信号电压的单位增益。如前所述，参考差分传感器的实施例，板的终端阻抗等效于放大器的共模输入阻抗和分路电阻190的阻抗的并联，其中放大器的共模输入阻抗在兆兆(1012)欧的范围内。由于放大器输入阻抗基本上是无限大的，分路电阻确定了终端阻抗值，且在优选实施例中，分路电阻是碳类型的，其最佳值的范围在1.0至2.0千兆欧，且标称值为1.5千兆欧(1.5*109欧)。
由单独的板及其相关导体形成的耦合电容的值受导体线与板重合的横截面积限制，且对于尺寸为22～24AGW的线，其数量级小于一个微微法拉(1*10-12法拉)。耦合电容和串联电阻的组合提供高通滤波器，在106Hz处具有标称的-3db频率。
导电屏蔽180执行与双板传感器中相同的功能，即把单板182与环境静电效应隔离。为了最大化其效果，把屏蔽180连接到电压跟随器186的输出188，从而被维持在与板182基本相同的电压。这样通过最小化屏蔽和板之间的差分电场来最小化屏蔽和板组合的电容效应。同样的，放大器186的低输入阻抗实质上使屏蔽免于感应静电效应。
图5是非接触传感器分析器的外壳的透视图，其中使用共同的标号来标示此图描述的与其它附图有的相同的元件。现在参考图5，非接触传感器分析器60(图2)包括外壳192，其最好采用已知类型的非导电材料，比如ABS塑料。外壳192包括一个适应于用户手持的手柄部分194，以及位于其末端的传感器探针62(图2)。外壳还包括一个控制面板区域196，在其中音频扬声器132(图3)和用户控制安装在一起，所述控制包括音频视觉指示器128(图3)、选择开关136(图3)、音量控制140(图3)和数字视觉指示器144(图3)。名牌区域198标示了制造厂商和型号类型。传感器探针62的一部分被剖开，以图示探针的导电板72和74的相对定位。
在优选实施例中，扬声器132的直径大约是1.5英尺，当提供听得见的单音和声音信号时，其振膜的循环位移引起传感器外壳192的实体振动。外壳以基本上等于音频的频率振动，从其相关的线路位移导电板，且产生一个对应的传感器耦合电容的周期性变化。其效果是在音频频率上调制传感信号，以及在调制信号和扬声器音频信号之间的微小相移，导致正向反馈信号条件，产生扬声器啸声。
为了消除上述问题，扬声器132通过使用弹力材料安装垫圈装配在扬声器边缘和外壳表面之间与外壳192机械隔离。通过把外壳内的传感器电路板密封在弹力材料敷层如低硬度氨基甲酸乙酯之内，来进一步减小振动效应，以阻尼电路板的机械振动。其它的方法可包括电延迟到扬声器的采样信号，在导电板使扬声器的音频产生对采样信号音频的相移，或者更简单的通过使用耳机。
外壳的振动性移动还可以导致与由于外壳的摩擦生电累积的静电荷有关的反馈条件。这种静电荷按振动(音频)频率周期性变化，也引入了正向反馈状态的可能性。摩擦生电可以通过使用应用在外壳表面的抗静电的局部剂来防止，特别是在探针所在的区域，以防止静电荷的转移和建立。在本领域，这种抗静电剂是共知的，通常是表面活性剂，比如稀释并分散到水或酒精中的季铵盐或权铵。表面活性剂还去除了表面污渍积累，有助于最小化摩擦生电效应和正向反馈条件的可能性。在优选实施例中，季铵氯化物，比如MARKSTAT AL-22在异丙醇中被稀释到大约50％。通过使机盒略微导电在10\6到10\10欧姆的范围内，可以达到同样的效果。通过往塑料中加入比如碳一类的导电颗粒也可以完成类似的效果。使用空气离子发生器可以解决这个问题。
如前所述，用于双板传感器的屏蔽76和78(图2)和用于单板传感器的屏蔽180(图4)，被连接到相关的缓冲放大器的信号输出端来为它们提供低终端阻抗，且使它们基本上和它们相应的板的信号电势相同。低终端阻抗提供了“地屏蔽”，以把板同局部静电效应隔离，相同的信号电势最小化传感信号电流通过在板和屏蔽之间所形成的电容的泄漏。上述这些屏蔽功能中的每一个提高了传感器的信号灵敏度。
由于板对于分路电阻(图2中的92和94、图4中的190)的高终端阻抗，也需要电屏蔽板和缓冲放大器输入端之间的信号线。尽管信号线的静电屏蔽是重要的，更需要注意的是经过安装有电路元件的基片材料的传感信号的泄漏，比如玻璃纤维材料印刷线路板(PCB)，或者其他材料的基片，包括陶瓷。图6是图4中所示的单板传感器实施例的典型PCB布局的部分200的一部分象征性、一部分透视的示意图，其中在图4和图6中相同的元件具有相同的标号。
在图6中，屏蔽180和导电板182淀积在PCB 202的反面。导电板和各种导电轨迹淀积在PCB的可见表面上，它们被图示为网状图形，以方便描述。信号线轨迹187把板182连接到缓冲放大器186的非反向信号输入端188。放大器的输出端189通过反馈轨迹被连接到其反向输入端206，且通过孔208连接到板，进而连接到位于PCB板反面的屏蔽180。同样通过孔208连接的还有轨迹屏蔽210，它运行在放大器186的底下，且在图6的实施例中，分成分支210A和210B，分别淀积在信号轨迹187的两边。在这个实施例中，焊盘211A和211B被提供用来允许分支轨迹屏蔽210A跨过与分路电阻190相连的信号轨迹。
分支轨迹屏蔽210A和210B被放置临近信号轨迹187且沿着板182的侧部212和214，其中板182面对着PCB 202的内部。轨迹屏蔽基本上和板和信号轨迹的电势相同，以沿着板的侧部212和214且沿着信号轨迹的运行长度提供有效的零电势区域。这样防止了任何的可能由于板和带有PCB板上其它电子元件的信号轨迹之间的电势差而发生的电流泄漏。在图6的实施例布局中，只有板侧部212和214与其它PCB元件接界，然而，如果额外的侧部暴露于其它PCB元件，则轨迹屏蔽也延伸到这些侧部。相反的，如果少于两个侧部暴露于其它PCB元件，轨迹屏蔽可以减少。在图6中，作为一个例子，如果PCB202没有元件布置在板边缘214的反面，则没有机会从板或信号轨迹在那个方向发生电流泄漏，且分支轨迹屏蔽210B可以去除。
如图6中进一步所示，屏蔽180伸展越过板182的位置，从而完全覆盖板，且也伸展经过放大器186的信号输入端。这是需要的，以确保信号输入电路屏蔽掉环境静电效应和PCB的层间的电流泄漏。如果需要，对于可能使用传感器的特定环境，也可以围绕分路电阻190提供轨迹屏蔽。也应该明白，在多层板配置中，屏蔽180也可能位于在电路板120之下的另外的电路板的表面上(没有示出)。
尽管屏蔽放置的描述和轨迹屏蔽的布局是结合图4中的单板实施例进行的，应该明白，同样的屏蔽也提供给图2的双板配置中的每个板。一般而言，屏蔽越好，传感器探针能够更好地重现从板的导体所耦合的信号。对于本领域的普通技术人员，用于建立必要的电连接的其它配置是容易理解的。同样的，尽管在优选实施例中信号轨迹187、轨迹屏蔽210、板182和屏蔽180包括铜，它们也可以是任何类型的电导材料要么是金属，要么是装入了导电颗粒的塑料。
尽管不同的传感器配置(双板和单板)的描述假定使用了平面导电板，也可以给传感器提供非平面的板，比如如图7所示的单板探针216，其形状适合如一根导线的信号导体218。探针216包括由绝缘层224分开的板220和屏蔽222。导体218容易地适合装在板220旁边，在两者之间提供了强信号耦合。作为选择，板220、屏蔽222和绝缘层224可以是能够围绕导体的弹性材料。对于板220和屏蔽222，这种材料可能是薄的金属(比如铜)；对于绝缘层224，这种材料可能是弹性塑料(比如聚亚安酯)。否则，探针216将包括同样的与信号调节电路的下游信号干扰，就如单板平面探针那样。
非平面探针(未视出)的双板实施例将具有两个探针，它们是图7中探针216所示的类型，其中每个探针具有相同的下游信号干扰，如图2的双板实施例描述的那样。这种类型的非平面探针的优点在于，导电板实际支住了电线且因此电容耦合相对强。第二个优点在于，屏蔽有效地把板同任何不是导体所在的电场中隔离出来，进一步地提高了灵敏度。然而，这样的配置也有缺点。它需要每根导线被分开处理。人们期望当器件被配置以重现导体上的信号、而不是仅仅识别导体上的信号的频率时，这种配置将最具优势。
尽管本发明在其优选实施例中显示和描述出来，本领域的普通技术人员应该明白，在公开的实施例的形式和细节上可以做出各种变形、省略、增加，而不脱离本发明的精神和范围，如本发明的权利要求所述。
权利要求
1.一种用于在一对导体上指定的传送频带内，检测单独传送或者联合传送的模拟和数字信号的信号波形的设备，其特征在于包括探针，具有连接到关联的终端阻抗且适合于靠近导体对放置的至少一个导电板，以把在每个指定的传送频带上的传送信号的信号采样电容性耦合到所述关联的终端阻抗；信号调节电路，具有响应在每个所述导电板的所述终端阻抗处的所述采样信号的至少一个缓冲放大器，用于在其输出端提供等价采样信号；以及信号分析器，用于在一个或者多个频率滤波器中的每一个接收所述等价采样信号，每个所述的频率滤波器具有在指定传送频带中的一个通过等价采样信号频率且滤去所有其它信号频率的通带，所述信号分析器还包括一个或者多个与每个所述频率滤波器相关的信号通告器，所述信号通告器表明存在指定的传送频带信号通过其关联的频率滤波器。
2.如权利要求1所述的设备，其中，所述探针还包括用于每个所述导电板的导电屏蔽，每个所述的导电屏蔽与其关联的导电板的关系被放置得在空间上隔开；每个所述的缓冲滤波器以与来自其关联的导电板的采样信号相同的极性和基本上相同的信号大小提供所述等价采样信号；以及每个所述的导电屏蔽从通常关联的一个所述的缓冲放大器接收等价采样信号，从而使得导电屏蔽的电压信号电势基本上等于其关联的板的电压信号电势。
3.如权利要求2所述的设备，其中，每个所述的缓冲放大器是具有最小共模输入阻抗为1012欧姆的运算放大器。
4.如权利要求3所述的设备，其中，每个所述的缓冲放大器在其非反向信号输入端接收来自其关联的导电板的采样信号；以及每个所述的终端阻抗包括一个从所述非反向信号输入端到信号地的，与所述缓冲放大器的共模输入阻抗的并联的电阻。
5.如权利要求4所述的设备，其中所述电阻具有最小电阻值为一千兆欧姆。
6.如权利要求5所述的设备，其中所述电阻包括碳质电阻器。
7.如权利要求2所述的设备，还包括传感器外壳，用于把所述信号调节器电路和所述信号分析器封装在其主体内，且用于把所述探针封装在其末端的探针部分，所述外壳具有一个用于安装所述信号通告器的表面区域，且适合于被用户放置靠近一个或者多个导体。
8.如权利要求7所述的设备，其中所述通告器包括视觉指示器。
9.如权利要求8所述的设备，其中所述视觉指示器包括发光二极管。
10.如权利要求7所述的设备，其中所述通告器包括听觉指示器。
11.如权利要求10所述的设备，其中所述听觉指示器包括扬声器。
12.如权利要求10所述的设备，其中所述听觉指示器包括耳机。
13.如权利要求7所述的设备，其中与每个所述频率滤波器相关的所述信号通告器包括视觉指示器和听觉指示器的组合。
14.如权利要求7所述的设备，其中所述外壳包括塑料材料。
15.如权利要求7所述的设备，其中所述外壳表面还包括抗静电剂的局部涂层。
16.如权利要求15所述的设备，其中所述抗静电剂特别应用在外壳探针部分的表面。
17.如权利要求15所述的设备，其中抗静电剂是表面活性剂。
18.如权利要求2所述的设备，其中每个所述导电板和其关联的导电屏蔽基本上是平面的。
19.如权利要求2所述的设备，其中每个所述导电板和其关联的导电屏蔽基本上是曲线的，以允许通过导电板支撑线路导体。
20.如权利要求7所述的设备，其中，所述信号分析器把所述经过的等价采样数字信号提供到其一输出端；以及所述传感器外壳还包括用于提供用户访问经过的等价采样数字信号的信号连接器，以用于补充信号分析。
21.一种用于在一对导体上指定的传送频带内，检测单独传送或者联合传送的模拟和数字信号的信号波形的设备，其特征在于包括具有第一和第二导电板的探针，每个导电板连接到关联的终端阻抗且适合于靠近相关的两个导体中的一个放置，以分别从相关的导体把在每个指定的传送频带内传送的信号的第一和第二信号采样电容性耦合到关联的终端阻抗；信号调节电路，具有第一和第二缓冲器电路，它们分别响应在所述第一和第二板的所述终端阻抗处的所述第一和第二信号采样信号，分别用于在其输出端提供第一和第二等价采样信号，所述信号调节电路还包括具有分别响应所述第一和第二等价采样信号的第一和第二信号输入端的差分信号放大器，用于在其输出端向所述信号分析器提供正比于它们之间的差分和的差分采样信号；以及信号分析器，用于在一个或者多个频率滤波器中的每一个接收所述差分采样信号，每个所述的频率滤波器具有在指定传送频带中的一个通过等价采样信号频率且滤去所有其它信号频率的通带，所述信号分析器还包括一个或者多个与每个所述频率滤波器相关的信号通告器，所述信号通告器表明存在指定的传送频带信号通过其关联的频率滤波器。
22.如权利要求21所述的设备，其中，所述探针还包括用于每个所述导电板的导电屏蔽，每个所述的导电屏蔽与其关联的导电板的关系被放置得在空间上隔开；所述第一和第二缓冲放大器以与分别从各自第一和第二导电板接收的采样信号相同的极性和基本上相同的信号大小提供所述第一和第二等价采样信号；每个所述的导电屏蔽从通常关联的一个所述的缓冲放大器接收等价采样信号，从而使得导电屏蔽的电压信号电势基本上等于其关联的板的电压信号电势。
23.如权利要求22所述的设备，其中，每个所述的缓冲放大器是具有最小共模输入阻抗为1012欧姆的运算放大器。
24.如权利要求23所述的设备，其中，每个所述的缓冲放大器在其非反向信号输入端接收来自其关联的导电板的采样信号；以及每个所述的终端阻抗包括一个从所述非反向信号输入端到信号地的、与所述缓冲放大器的共模输入阻抗的并联的电阻。
25.如权利要求24所述的设备，其中所述电阻具有最小电阻值为一千兆欧姆。
26.如权利要求25所述的设备，其中所述电阻包括碳质电阻器。
27.如权利要求22所述的设备，还包括传感器外壳，用于把所述信号调节器电路和所述信号分析器封装在其主体内，且用于把所述探针封装在其末端的探针部分，所述外壳具有一个用于安装所述信号通告器的表面区域，且适合于被用户放置靠近一个或者多个导体。
28.如权利要求27所述的设备，其中所述通告器包括视觉指示器。
29.如权利要求28所述的设备，其中所述视觉指示器包括发光二极管。
30.如权利要求27所述的设备，其中所述通告器包括听觉指示器。
31.如权利要求30所述的设备，其中所述听觉指示器包括扬声器。
32.如权利要求30所述的设备，其中所述听觉指示器包括耳机。
33.如权利要求27所述的设备，其中关联于每个所述频率滤波器的所述信号通告器包括视觉指示器和听觉指示器的组合。
34.如权利要求27所述的设备，其中所述外壳包括塑料材料。
35.如权利要求27所述的设备，其中所述外壳表面还包括抗静电剂的局部涂层。
36.如权利要求35所述的设备，其中所述抗静电剂特别应用在外壳探针部分的表面。
37.如权利要求35所述的设备，其中抗静电剂是表面活性剂。
38.如权利要求22所述的设备，其中每个所述导电板和其关联的导电屏蔽基本上是平面的。
39.如权利要求22所述的设备，其中每个所述导电板和其关联的导电屏蔽基本上是曲线的，以允许通过导电板支撑线路导体。
40.一种用于在一对导体上指定的传送频带内，检测单独传送或者联合传送的模拟和数字信号的信号波形的方法，其特征在于包括把来自一导体的传送的信号的采样信号电容性耦合到一终端阻抗；在终端阻抗处调节采样信号，以低源阻抗信号的形式提供一等价采样信号；用多个不同通带频率的滤波器滤波等价采样信号，其中每个不同通带被选择通过指定的传送频带中不同的一个的等价采样信号频率且滤去所有其它的频率；检测通过一滤波器的指定传送频带信号的存在；激活通告器以通知用户通过的传送频带信号的存在。
41.如权利要求40所述的方法，其中耦合步骤包括使用一导电屏蔽来屏蔽电容性耦合装置，来最小化采样信号上的静电效应；向导电屏蔽上施加等价采样信号，以最小化电流泄漏对采样信号的影响。
42.如权利要求41所述的方法，其中调节步骤包括从终端阻抗向具有最小共模输入阻抗为1012欧姆的运算放大器的非反向输入端提供采样信号。
43.如权利要求42所述的方法，其中耦合步骤还包括从所述非反向输入端到信号地提供终端阻抗，如一与运算放大器共模输入阻抗的并联的电阻。
44.如权利要求43所述的方法，其中所述电阻具有最小电阻值为一千兆欧姆。
45.如权利要求41所述的方法，还包括使用一外壳以把电容性耦合装置和其相关的屏蔽封装在其探针部分，且在其表面安装通告器，且适应此外壳被用户放置靠近一个或者多个导体。
46.如权利要求45所述的方法，其中激活步骤还包括提供通告器，如视觉指示器、或听觉指示器、或单独的视觉指示器和听觉指示器。
47.如权利要求46所述的方法，其中激活步骤包括把听觉指示器实现为外壳上表面安装的扬声器。
48.如权利要求47所述的方法，还包括在外壳的表面涂敷抗静电剂的局部涂层。
49.如权利要求48所述的方法，其中抗静电剂具体涂敷在外壳探针部分的表面。
50.如权利要求48所述的方法，其中抗静电剂是表面活性剂。
51.如权利要求45所述的方法，还包括向外壳上一个或者多个输出信号连接器提供等价采样数字信号；以及为补充信号分析，使用户便于在输出信号连接器处访问经过的等价采样数字信号。
52.一种用于在一对导体上指定的传送频带内，检测单独传送或者联合传送的模拟和数字信号的信号波形的设备，所述装置包括探针，具有连接到关联的终端阻抗的至少一个导电板，所述导电板具有放在导电板和终端阻抗之间的关联的导电屏蔽，所述导电板被适应放置靠近导体对，以把在每个指定的传送频带中传送的信号的信号采样电容性耦合到所述关联的终端阻抗；信号调节电路，具有与每个所述导电板相关的缓冲放大器，所述缓冲放大器在所述终端阻抗处响应所述采样信号，以在其输出端提供极性相同且信号大小基本上相同的等价采样信号，所述等价采样信号被从所述缓冲放大器输出端提供到通常关联的导电板的导电屏蔽，以把所述屏蔽基本上维持在关联的板的电压信号电势；信号分析器，用于在一个或者多个频率滤波器中的每一个接收所述等价采样信号，每个所述的频率滤波器具有在指定传送频带中的一个通过等价采样信号频率且滤去所有其它信号频率的通带，所述信号分析器还包括一个或者多个与每个所述频率滤波器相关的信号通告器，所述信号通告器表明存在指定的传送频带信号通过其关联的频率滤波器，其特征在于所述探针和所述信号调节电路被实现在基片上的组成元件的表面安装配置，其中，所述导电板及其关联的导电屏蔽、和所述板之间的信号互连、屏蔽、和组成元件通过沉积在所述基片上的导电材料轨迹提供的；且根据需要，所述导电板的外围和从所述导电板到所述关联的缓冲放大器的采样信号轨迹连接中的每个，都被具有和所述导电板基本相同的电压信号电势的共平面的轨迹屏蔽所限制，以最小化来自所述导电板的采样信号和来自所述采样信号轨迹通过基片的电流泄漏。
53.如权利要求52所述的设备，其中所述基片包括印刷电路板。
54.如权利要求53所述的设备，其中，每个所述的缓冲放大器是具有最小共模输入阻抗为1012欧姆的运算放大器。
55.如权利要求54所述的设备，其中，每个所述的缓冲放大器在其非反向信号输入端接收来自其关联的导电板的采样信号；以及每个所述的终端阻抗包括一个从所述非反向信号输入端到信号地的、与所述缓冲放大器的共模输入阻抗的并联的电阻。
56.如权利要求55所述的设备，其中所述电阻具有最小电阻值为一千兆欧姆。
57.如权利要求56所述的设备，其中所述电阻包括碳质电阻器。
58.如权利要求52所述的设备，还包括传感器外壳，用于封装所述基片及所述安装的探针、信号调节器电路和所述信号分析器，所述外壳具有一个表面区域用于安装所述信号通告器，且适合于被用户放置靠近一个或者多个导体。
59.如权利要求52所述的设备，其中，所述信号分析器把所述经过的等价采样数字信号提供到其一输出端；以及所述传感器外壳还包括用于为用户提供访问经过的等价采样数字信号的信号连接器，以用于补充信号分析。
全文摘要
一种非接触信号分析器传感器，在一对导体上指定的传送频带内，检测单独传送或者联合传送的模拟和数字信号的信号波形。一种非接触信号分析器传感器，采用电容板(72，74)和导电屏蔽(76，78)以形成探针(62)、采用信号调节器(64)电路，其中包括连接到每个板的具有高输入阻抗的缓冲放大器(88，90)、还采用了信号分析器(66)以把被检测的信号进行分类。
文档编号H04M1/24GK1413408SQ00817812
公开日2003年4月23日 申请日期2000年11月6日 优先权日1999年11月5日
发明者菲利普·道格拉斯, 艾伦G·约翰逊, 布伦特·比默 申请人:传感器技术公司