CZ2007759A3 - Blumleinuv mustek - Google Patents

Abstract

Blumleinuv mustek má budicí generátor, dvojici transformátoru a dvojici kondenzátoru. První transformátor (Tr1) a druhý transformátor (Tr2) jsou konstrukcne shodné a tvorí dvojici neutralizacních transformátoru se ctyrmi vstupními vetvemi (1, 2, 3, 4) a ctyrmi výstupními vetvemi (5, 6, 7, 8). Dvojice vstupních vetví (1,2) príslušných prvnímu transformátoru (Tr1) a dvojice vstupních vetví (3,4) príslušných druhému transformátoru (Tr2) jsou spojeny paralelne a pripojeny k symetrickému budicímu generátoru (G). Vnejší výstupní vetev (5) pripojená k prvnímu transformátoru (Tr1) je uzemnená pres první kondenzátor (Ca). Vnejší výstupní vetev (8) pripojená k druhému transformátoru (Tr2) je uzemnená pres druhý kondenzátor (Cb). Vnitrní výstupní vetev (6) prvního transformátoru (tr1) a vnitrní výstupní vetev (7) druhého transformátoru (Tr2) jsou spojeny v jediném bode tvorícím výstupní uzel mezi nímž a zemí je pripojen ladicí kondenzátor Ct. Vnitrní odpor symetrického budicího generátoru (G) je menší než parazitní odpory vinutí prvního a druhého transformátoru (Tr1, Tr2).

Description

Blumleinův můstek

Oblast techniky

Předkládané řešení se týká zlepšené konstrukce Blumleinova můstku, což je druh transformátorového můstku. Můstek se používá v metrologii ke srovnávacímu měření kondenzátorů a dále ke snímání neelektrických veličin pomocí kapacitních čidel, například v seismografii a elektroakustice. V tomto případě je výstupní signál střídavý a může být dále zesilován, demodulován, případně číslicově zpracováván.

Dosavadní stav techniky

V původní variantě (Blumlein, A.: Angl. Pat. GB581164) můstek sestává z generátoru, dvojice kondenzátorů a symetrizačního transformátoru, který je indukčně navázán na nulový indikátor. Symetrizační transformátor může být laděný do rezonance s kapacitami můstku a kapacitou nulového indikátoru (Obr.1). Zamění-li se v můstku poloha nulového indikátoru a generátoru, je-li tedy můstek uvažován jako dvojbran, jde o reciproční soustavu a při záměně vstupu a výstupu a korektním zakončení se funkce přístroje nemění. Záměna generátoru a výstupu může být však výhodná konstrukčně, neboť budicí generátor zde totiž pracuje do paralelního rezonančního obvodu (Obr,2) Touto úpravou se ale ztratí možnost vyladění výstupu můstku do rezonance pomocí vlastní indukčnosti transformátoru a tím i citlivost můstku. Přesto se úprava používá v seismografii (Jones,R.V.;Richards, J.C.S.: The design and some applications of sensitive capacitance micrometers., Journal of Physics E, Vol. 6, 1963, str. 589-600).

Další úpravou, tedy záměnou zemnícího a výstupního bodu, se dosáhne možnosti kondenzátory uzemnit. (Obr.3). Tato úprava byla užívána v elektroakustice (Arends, G.F.J.: De condensatormicrofoon met halfgeleiders, Polytechnisch Tíjdschrift. Uitgave E Vol.16 No.7 (1963) str. 241-247). Nevýhodou zapojeni s uzemněnými kondenzátory je nižší citlivost můstku způsobená parazitní kapacitou transformátoru. Přidáním indukčnosti, kterou lze realizovat s vysokým činitelem jakosti, lze citlivost zvýšit. Jsou možné další varianty zapojení přidávané indukčnosti, které korespondují parametry s variantami bez indukčnosti. Na Obr. 4 Je varianta s uzemněným transformátorem (Baxandall, P.J. : New Low-Noise Transistor Circuit for Electrostatic Microphones, Wireless World, Nov.-Dec. 1963, pp.538-542,593-597) a na Obr. 5 varianta s uzemněnými kondenzátory (Arends, G.F.J.: De condensatormicrofoon met halfgeleiders, Polytechnisch Tijdschrift. Uitgave E Vol.16 No.7 (1963) str. 241-247). Nevýhodou variant s přidanou indukčnosti je kmitočtová závislost, kterou vnáší laděný prvek. Kmitočtová závislost vnáší do můstku citlivost na fázový šum použitého generátoru a proto musí být rezonance tlumena. V praxi se k tlumení používal vstupní odpor následujících obvodů. Vhodnější tlumení pomocí reaktanční zpětné vazby (Radeka, V.: Signál, Noise and Resolution in Position-Sensitive Detectors, IEEE Trans, on Nuclear Science Vol.21 No.1 (Feb. 1974) pp. 51-64) zatím nebylo v kontextu s blumleinovým můstkem popsáno.

Podstata vynálezu

Výše uvedené nevýhody odstraňuje Blumleinův můstek podle předkládaného řešení, který má budicí generátor, dvojici transformátorů a dvojici kondenzátorů. Podstatou nového řešení je, že první a druhý transformátor jsou konstrukčně shodné a tvoří dvojici neutralizačních transformátorů, tedy linkový transformátor, který má čtyři vstupní větve a Čtyř výstupní větve. Dvojice vstupních větví příslušných prvnímu transformátoru a dvojice vstupních větví příslušných druhému transformátoru jsou spojeny paralelně a jsou připojeny k symetrickému budicímu generátoru. Vnější výstupní větev připojená k prvnímu transformátoru je uzemněná přes první kondenzátor a vnější výstupní větev připojená k druhému transformátoru je uzemněná přes druhý kondenzátor. Vnitřní výstupní větve jsou spojeny v jediném bodě, který tvořící výstupní uzel mezi nímž a zemí je připojen ladicí kondenzátor. Vnitřní odpor symetrického budicího generátoru je menší než parazitní odpory vinutí prvního a druhého neutralizačního transformátoru.

Ve výhodném provedení je výstupní uzel Blumleinova můstku spojen s obvodem zatlumení Blumleinova můstku. Tento obvod zatlumení je realizován například jako nízkošumové zakončení. Je tvořen prvním tranzistorem řízeným polem, jehož emitor je uzemněn a jehož hradlo je vstupem obvodu zatlumení. Kolektor tohoto prvního tranzistoru řízeného polem je jednak přes první tlumivku připojen na stejnosměrný napájecí potencilál ···· ·· ·♦*· * · ·

Vcc a jednak je spojen s emitorem druhého tranzistoru. Kolektor druhého tranzistoru je přes druhou tlumivku uzemněn a k jeho bázi je připojen jednak jeden konec blokovacího kondenzátoru, jehož druhý konec je uzemněn a jednak jeden konec prvního rezistoru, jehož druhý konec je rovněž uzemněn. Kolektor druhého tranzistoru je jednak spojen přes zpětnovazební kondenzátor s hradlem prvního tranzistoru a jednak je vysokofrekvenčně zatížen kapacitní zátěží, jejíž jeden konec je uzemněn a druhý tvoří pomocný výstup pro připojení dalšího signálového zpracování.

Výhodou tohoto řešení je, že použitím dvojice neutralizačních transformátorů, známém též pod názvem linkový transformátor, je možné dosáhnout laděného přizpůsobení bez použití další indukčnosti. Výhodné rovněž je, že kondenzátory mohou být uzemněny aniž dochází ke snížení citlivosti parazitní kapacitou transformátoru, neboť parazitní kapacity neutralizačního transformátoru se uplatní jen z hlediska zatíženi zdroje. Toto základní zapojení však vykazujejcmitočtovou závislost a tím citlivost na pečlivé naladění součástí a na fázový šum budicího generátoru. Tuto nevýhodu lze snížit zatlumením výstupu Blumleinova můstku nejlépe nízkošumovým zakončením realizovaným jako invertující integrátor s paralelní kapacitní zpětnou vazbou. Signál vystupující ze zesilovače lze detekovát fázovým detektorem sestávajícím ze sledovače a klíčovacího obvodu s tranzistorem řízeným polem. Pokud není potřeba signál detekovat, například pří použití číslicového zpracováni signálu, je výstupem obvodu přímo výstup zesilovače a detekční obvod není zapotřebí.

Přehled obrázků na výkresech

Na obr.1 až 5 jsou uvedena dosud známá řešení Blumleinova můstku. Blumleinův můstek podle vynálezu je pak schematicky naznačen na obr.6.

Příklady provedení vynálezu

Příklad provedení Blumleinova můstku je schematicky uveden na obr.6, který znázorňuje zapojení i s případným zařazením detektoru. Zapojení je tak tvořeno vlastně třemi sekcemi, a to vlastním Blumleinovým můstkem 10, obvodem zatlumení 20 výstupu

Blumleinova můstku a detekčním obvodem 30. Pokud není potřeba signál detekovat, například při použití číslicového zpracováni signálu, není detekční obvod 30 zapotřebí.

Blumleinův můstek 10 obsahuje budicí generátor G, linkový transformátor, první kondenzátor Ca a druhý kondenzátor Cb. Linkový transformátor sestává z prvního transformátoru Tri a z druhého transformátoru Tr2, které jsou konstrukčně shodné a tvoří dvojici neutralizačních transformátorů se čtyřmi výstupními větvemi 1, 2, 3, 4 a čtyřmi vstupními větvemi 5, 6, 7, 8, jedná se tedy o osmipól. Jedna dvojice vstupních větví 1, 2, která náleží prvnímu transformátoru Tr1 a druhá dvojice vstupních větví 3, 4 náležející druhému transformátoru Tr2, jsou spojeny paralelně a jsou připojeny k symetrickému budicímu generátoru G. Vnější výstupní větev 5 připojená k prvnímu transformátoru Tr1 je uzemněná přes první kondenzátor Ca a vnější výstupní větev 8 připojená ke druhému transformátoru Tr2 je uzemněná přes druhý kondenzátor Cb. Vnitřní výstupní větev 6 prvního transformátoru Tr1 a vnitřní výstupní větev 7 druhého transformátoru Tr2 jsou spojeny v jediném bodě, který tvoří výstupní uzel Blumleinova můstku. Mezi tímto výstupním uzlem a zemí je připojen ladicí kondenzátor Ct, který umožňuje vyladit Blumleinův můstek do rezonance. Symetrický budicí generátor G musí být zdrojem dostatečně tvrdého napětí, aby rezonanci můstku netlumil, což by zbytečně snižovalo citlivost. To znamená, že jeho vnitrní odpor je menší než parazitní odpory vinutí neutralizačního linkového transformátoru.

Výstupní uzel Blumleinova můstku 10 je propojen se vstupem obvodu zatlumení 20. Tento obvod zatlumení 20 výstupu Blumleinova můstku je zde současně zesilovačem výstupního signálu. Jedná se o nízkošumové zakončení realizované jako invertující integrátor s paralelní kapacitní zpětnou vazbou Signál vystupující ze zesilovače je detekován fázovým detektorem sestávajícím ze sledovače a klíčovacího obvodu s tranzistorem řízeným polem. Jde v podstatě o zesilovač vkaskódovém uspořádání, tj. kaskáda SE-SB, který má tlumivkové napájení a silnou kapacitní zátěž C2 a chová se díky této kapacitní zátěži C2 jako integrátor. Pokud se takový zesilovač přemostí zpětnovazebním kondenzátorem C3 začne se na jeho vstupu projevovat reálná složka vstupní impedance, která má ekvivalentní šumovou teplotu závislou na šumových vlastnostech zesilovače. Realizované zatlumení při použití dostatečně nízkošumového zesilovače odpovídá zatlumení s rezistorem chlazeným na teplotu mnohem nižší, než je teplota okolí. Proto může mít kombinace můstku a předzesilovače výhodné šumové vlastnosti. Vstupní signál přichází na hradlo tranzistoru J···♦

FET, který je označen jako první tranzistor T1, který pracuje v zapojení se společným emitorem a jehož emitor je stejnosměrně uzemněn. Kolektor prvního tranzistoru T1 je napájen první tlumivkou LJ tak, že má stejnosměrně přímo napájecí potenciál Vcc. Na kolektor prvního tranzistoru TI je připojen emitor druhého tranzistoru T2, který pracuje v zapojení se společnou bází. Báze druhého tranzistoru T2 je blokována blokovacím kondenzátorem Cl k zemnímu potenciálu a stejnosměrně uzemněna přes první rezistor Rí, který stabilizuje pracovní bod druhého tranzistoru T2. Kolektor druhého tranzistoru T2 je napájen druhou tlumivkou L2 tak, že je stejnosměrně na zemním potenciálu. Kolektor druhého tranzistoru T2 je vysokofrekvenčně zatížen kapacitní zátěží C2 k zemi a tvoří výstup zesilovače, zde označený jako „Pomocný výstup“, který je určen k připojení dalšího signálového zpracování, např. digitalizaci v A/D převodníku a následné signálové zpracování. Zpětnou vazbu vytváří zpětnovazební kondenzátor C3, který je umístěn mezi kolektorem druhého tranzistoru T2 a hradlem prvního tranzistoru TI

Výstup obvodu zatlumení 20 je vyveden z kolektoru druhého tranzistoru T2 a je určen pro případné připojení detekčního obvodu 30. Tento detekční obvod 30 je zde tvořen symetrickým dvoustupňovým sledovačem tvořeným třetím až šestým tranzistorem T3 až T6, který snižuje impedanci signálu na úroveň vhodnou k detekci, a koherentním detekčním obvodem se sedmým tranzistorem T7. Signál vystupující ze druhé sekce 2 je veden do báze třetího tranzistoru T3 a do báze čtvrtého tranzistor T4. Kolektor třetího tranzistoru T3 je připojen ke kladnému napájecímu potenciálu +Vcc a kolektor čtvrtého tranzistoru T4 je připojen k zápornému napájecímu potenciálu -Vcc. Emitor třetího tranzistoru T3 je přes třetí rezistor R3 připojen k zápornému napájecímu potenciálu -Vcc a emitor čtvrtého tranzistoru T4 je přes druhý rezistor R2 připojen ke kladnému napájecímu potenciálu +Vcc, Báze pátého tranzistoru T5 je připojena na emitor čtvrtého tranzistoru T4 a báze šestého tranzistoru T6 je připojena na emitor třetího tranzistoru T3. Kolektor pátého tranzistoru T5 je připojen na kladný napájecí potenciál a kolektor šestého tranzistoru T6 je připojen na záporný napájecí potenciál. Emitory pátého tranzistoru T5 a šestého tranzistoru T6 jsou spojeny v jediném bodě, jehož napětí prakticky sleduje napětí na bázích třetího a čtvrtého tranzistoru T3 a T4. Výstup z emitorů pátého tranzistoru T5 a Šestého tranzistoru T6 je veden přes čtvrtý rezistor R4 na kolektor sedmého tranzistoru T7, který slouží jako spínaný demodulátor. Emitor sedmého tranzistoru T7 je uzemněn a na jeho hradlo je přes nastavitelný obvod fázového posuvu adj. Φ| přivedeno napětí ze symetricky budicího generátoru G. Obvod fázového ···♦

4*4 · · · * 4 · · «44 4·· 44 4» 4 posuvu adj Φ je nastaven tak, aby na kolektoru tranzistoru T7 docházelo k půlvlnné detekci s využitím pouze kladných půlvln. Na kolektor sedmého tranzistoru T7 je dále připojen výstupní filtr tvořený podélnou filtrační tlumivkou L3 a příčným filtračním kondenzátorem C4.

Potenciál na kondenzátoru C4 oproti zemi je výstupní signál a odpovídá diferenci mezi prvním kondenzátorem Ca a druhým kondenzátorem Cb. Uzel je označen jako „výstup“

Výše popsané zapojení Blumleinova můstku pracuje následujícím způsobem: Do vstupních větví linkového transformátoru se připojí symetrický generátor G. Do vnějších výstupních větví linkového transformátoru se zapojí první kondenzátor Ca a druhý kondenzátor Cb, jejichž diferenci je třeba měřit Po připojení symetricky budicího generátoru G se napětí z něj přenese pres neutralizační transformátory, tedy přes první transformátor Tri a druhý transformátor Tr2, na první kondenzátor Ca a na druhý kondenzátor Cb tak, že na nich jsou vysokofrekvenční napětí vprotifázi. Na výstupní svorce Blumleinova můstku se objeví malé střídavé napětí, které odpovídá odchylce prvního a druhého kondenzátoru Ca a Cb. První tranzistor T1 a druhý tranzistor T2 toto napětí zesílí a přivedou na pomocný výstup. Zde přítomné napětí se může dále zpracovávat v jiném zařízení, například DSP, to je v obvodech Číslicově analogového/analogově číslicového převodu a zpracování. Na emitorech pátého tranzistoru T5 a šestého tranzistoru T6 se objeví stejné napětí jako na pomocném výstupu. Toto napětí je synchronně detekováno sedmým tranzistorem T7 a vyfiltrováno filtrem tvořeným podélnou tlumivkou L3 a příčným kondenzátorem C4. Výstupní stejnosměrné napětí odpovídá odchylce prvního a druhého kondenzátor Ca a Cb.

Průmyslová využitelnost

Výše uvedené řešení zlepšeného Blumleinova můstku lze využít například v elektroakustice při konstrukci citlivých kondenzátorových mikrofonů nebo v seismografii při konstrukci citlivých kondenzátorových seismografů. Dále jej lze použít v metrologii při srovnávání impedancí s převažující kapacitní složkou.

Claims (3)

1. PATENTOVÉ NÁROKY

   1. Blumleinův můstek mající budicí generátor, dvojici transformátorů a dvojici kondenzátorů vyznačující se tím, že první transformátor (Tr1) a druhý transformátor (Tr2) jsou konstrukčně shodné a tvoří dvojici neutralizačních transformátorů se čtyřmi vstupními větvemi (1, 2, 3, 4) a čtyřmi výstupními větvemi (5, 6, 7, 8), kde dvojice vstupních větví (1,2) příslušných prvnímu transformátoru (Tr1) a dvojice vstupních větví (3,4) příslušných druhému transformátoru (Tr2) jsou spojeny paralelně a připojeny k symetrickému budicímu generátoru (G), vnější výstupní větev (5) připojená k prvnímu transformátoru (Tr1) je uzemněná přes první kondenzátor (Ca), vnější výstupní větev (8) připojená k druhému transformátoru (Tr2) je uzemněná přes druhý kondenzátor (Cb) a vnitřní výstupní větev (6) prvního transformátoru (tri) a vnitřní výstupní větev (7) druhého transformátoru (Tr2) jsou spojeny v jediném bodě tvořícím výstupní uzel mezi nímž a zemí je připojen ladicí kondenzátor Ct, přičemž vnitrní odpor symetrického budicího generátoru (G) je menší než parazitní odpory vinutí prvního a druhého transformátoru (Tr1, Tr2).
2. 2. Blumleinův můstek podle nároku 1 vyznačující se tím, že výstupní uzel Blumleinova můstku je spojen s obvodem zatlumení (20) Blumleinova můstku.
3. 3. Blumleinův můstek podle nároku 2 vyznačující se tím, že obvod zatlumení (20) je realizován jako nízkošumové zakončeni a je tvořen prvním tranzistorem (T1) řízeným polem, jehož emítor je uzemněn a jehož hradlo je vstupem obvodu zatlumení (2) a jehož kolektor je jednak přes první tlumivku (L1) připojen na stejnosměrný napájecí potencilál (Vcc) a jednak je spojen s emitorem druhého tranzistoru (T2), jehož kolektor je přes druhou tlumivku (L2) uzemněn a k jehož bázi je připojen jednak jeden konec blokovacího kondenzátorů (C1), jehož druhý konec je uzemněn a jednak jeden konec prvního rezistoru (R1), jehož druhý konec je rovněž uzemněn, přičemž kolektor druhého tranzistoru (T2) je jednak spojen přes zpětnovazební kondenzátor (C3) s hradlem prvního tranzistoru (T1) a jednak je vysokofrekvenčně zatížen kapacitní zátěží (C2), jejíž jeden konec je uzemněn a druhý tvoří pomocný výstup pro připojení dalšího signálového zpracování.