CZ302207B6 - 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 uzly (1, 2, 3, 4) a ctyrmi výstupními uzly (5, 6, 7, 8). Dvojice vstupních uzlu (1, 2) príslušných prvnímu transformátoru (Tr1) a dvojice vstupních uzlu (3, 4) príslušných druhému transformátoru (Tr2) jsou spojeny paralelne a pripojeny k symetrickému budicímu generátoru (G). Vnejší výstupní uzel (5) pripojený k prvnímu transformátoru (Tr1) je uzemnený pres první kondenzátor (Ca). Vnejší výstupní uzel (8) pripojený k druhému transformátoru (Tr2) je uzemnený pres druhý kondenzátor (Cb). Vnitrní výstupní uzel (6) prvního transformátoru (Tr1) a vnitrní výstupní uzel (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). Výstupní uzel (9) je dále pripojen k obvodu zatlumení (20) ralizovaném jako invertující integracní zesilovac premostený kondenzátorem.

Description

Oblast techniky

Předkládané řešení se týká zlepšení 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 seismografů a elektroakustice. V tomto případě je výstupní signál střídavý a může být dále zesilován, demodulován, to případně číslicově zpracováván.

Dosavadní stav techniky

V původní variantě (Blumlein, A.: Angl. Pat. GB581164) se můstek sestává z generátoru dvojice kondenzátorů a symetrizačního transformátoru, který je indukčně navázán na nulový indikátor. Symetrizaění 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, jeli 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 potom pracuje do paralelního rezonančního obvodu (Obr. 2). Touto úpravou se ale ztratí možnost vyladění výstupu můstků do rezonance pomocí vlastní indukěnosti transformátoru a tím i citlivost můstku. Přesto se úprava používá v seismografu (Jones, R. V.; Richards, J. C. S.: The design and some applications of sensitive capacitance micrometers; Journal of Physics E, roč. 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 Tijdschrift Uitgave E roě, 16 č. 7 (1963) str. 24130 247). Nevýhodou zapojení 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 svými parametry s variantami bez indukčnosti. Na Obr. 4 je varianta s uzemněným transformátorem (Baxandall, P. J.: New Low-Noise Transistor Circuit for Electrostatic Micro35 phones; Wireless Word, rok: 1963 č. 11 (str. 538-542) a č. 12 (str. 593-597) a na Obr. 5 varianta s uzemněnými kondenzátory (Hibbing, M.: Něm. Pat. DE4300397). 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 reaktanění zpětné vazby (Radeka, V.: Signál, Noise and Resolution in Position-Sensitive Detectors, IEEE Trans. On Nuclear Science, roč. 21, č. 1 (únor 1974) str. 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 kondenzátor. Podstatou nového řešení je, že první a druhý transformátor jsou konstrukčně shodné a tvoří dvojici neutralizačních transformá50 torů, tedy linkový transformátor, který má čtyři vstupní uzly a čtyři výstupní uzly. Dvojice vstupních uzlů příslušných prvnímu transformátoru a dvojice vstupních uzlů příslušných druhému transformátoru jsou spojeny paralelně a jsou připojeny k symetrickému budicímu generátoru. Vnější výstupní uzel připojený k prvnímu transformátoru je uzemněný přes první kondenzátor a vnější výstupní uzel připojený k druhému transformátoru je uzemněný přes druhý kondenzátor.

Vnitřní výstupní uzly jsou spojeny v jediném bodě, který tvoří výstupní uzel, mezi nímž a zemí je

-1 CZ 302207 B6 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 jako kondenzátorem přemostěný invertující integrační zesilovač. Je tvořen prvním tranzistorem řízeným polem, jehož emitor je uzemněn a jehož hradlo je vstupem obvodu zatlumení. Kolektor tohoto prvního tranzistoru řízeného polem je přes první tlumivku připojen na stejnosměrný napájecí potenciál Vcc aje spojen s emitorem druhého tranzistoru. Kolektor druhého tranzistoru je přes druhou tlumivku uzemněn a kjeho bázi je připojen jeden konec blokovacího kondenzátoru, jehož druhý konec je uzemněn ajeden konec prvního rezistoru, jehož druhý konec je rovněž uzemněn. Kolektor druhého tranzistoru je spojen přes zpětnovazební kondenzátor s hradlem prvního tranzistoru a je vysokofrekvenčně zatížen uzemněným kondenzátorem. Kolektor druhého tranzistoru je výstupem 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 zatížení zdroje. Toto základní zapojení však vykazuje kmitočtovou závislost a tím citlivost na fázový šum budicího generátoru. Tuto nevýhodu lze snížit zatlumením výstupu Blumleinova můstku invertuj ícím integračním zesilovačem přemostěným kondenzátorem. Tento obvod se z hlediska svého vstupu chová jako paralelní kombinace kondenzátoru a rezistoru, jehož šumová teplota může být libovolně malá a závisí jen na vlastnostech aktivních prvků na rozdíl od skutečného rezistoru, kde je dána jeho termodynamickou teplotou. Signál vystupující ze zesilovače lze detekovat fázovým detektorem sestávajícím ze sledovače a klíčovacího obvodu s tranzistorem řízeným polem. Pokud není potřeba signál detekovat, například při použití číslicového zpracování signálu, je výstupem obvodu přímo výstup zesilovače a detekčního obvodu 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 zpracování signálu, není detekčního obvodu 30 zapotřebí.

Blumleinův můstek ]0 obsahuje budicí generátor G, linkový transformátor, první kondenzátor Ca a druhý kondenzátor Cb. Linkový transformátor sestává se z prvního transformátoru Tri a z druhého transformátoru Tr2, které jsou konstrukčně shodné a tvoří dvojici neutralizačních transformátorů se čtyřmi vstupními uzly 1, 2, 3, 4 a čtyřmi výstupními uzly 5, 6, 7, 8; jedná se tedy oosmipól. Uzly 1 a 5; 2 a 6; 3 a 7; 4 a 8 jsou těmito transformátory Tri a Tr2 galvanicky spojeny. Jedna dvojice vstupních uzlů 1, 2, která náleží prvnímu transformátoru Tri a druhá dvojice vstupních uzlů 3, 4 náležející druhému transformátoru Tr2, jsou spojeny paralelně a to tak, že jsou spojeny uzly: 1 a 3 a uzly 2 a 4, ajsou připojeny k symetrickému budicímu generátoru G. Vnější výstupní uzel 5 připojený k prvnímu transformátoru Tri je uzemněný přes první kondenzátor Ca a vnější výstupní uzel 8 připojený k druhému transformátoru Tr2 je uzemněný

-2CZ 302207 Β6 přes druhý kondenzátor Cb. Vnitřní výstupní uzel 6 prvního transformátoru Tri a vnitřní výstupní uzel 7 druhého transformátoru Tr2 jsou spojeny v jediném bodě, který tvoří výstupní uzel 9 Blumleinova můstku. Mezi tímto výstupním uzlem (9) a zemí je připojen ladicí kondenzátor Ct, který umožňuje vyladit Blumleínův 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 vnitřní 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 invertuj ící integrační zesilovač přemostěný kondenzátorem. Signál vystupující ze zesilovače je detekován fázovým detektorem sestávajícím se ze sledovače a klíčovacího obvodu s tranzistorem řízeným polem. Jde v podstatě o zesilovač v kaskádovém uspořádání, tj. kaskáda SE-SB, který má tlumí v kové 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 jen na šumových vlastnostech aktivních prvků. 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, kterýje označen jako první tranzistor Tl, který pracuje v zapojení se společným emitorem a jehož emitor je stejnoměrně uzemněn. Kolektor prvního tranzistoru Tl je napájen první tlumivkou Ll tak, že má stejnosměrně přímo napájecí potenciál Vcc. Na kolektor prvního tranzistoru Tl 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 Rl, 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“, kterýje určen k připojení dalšího signálového zpracování, např. digitalizací 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 TL

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 výstupu obvodu zatlumení 20 na úroveň vhodnou k detekci, a koherentním detekčním obvodem se sedmým tranzistorem T7. Signál vystupující z obvodu zatlumení 20 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 obvod fázového posuvu Φ adj. přivedeno napětí ze symetricky budicího generátoru G. Obvod fázového posuvu Φ adi. je nastaven tak, aby na kolektoru tranzistoru T7 docházelo k půlvlnné detekci s využitím kladných půlvln. Na kolektor sedmého tranzistoru T7 je dále připojen výstupní filtr tvořený podélnou filtrační tlumivkou L3 a příčným filtračním kondenzátorem C4. Potenciál

-3 CZ 302207 B6 na kondenzátorů 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 uzlů linkového transformátoru se připojí symetrický generátor G. Do vnějších výstupních uzlů linkového transformátoru se zapojení první kondenzátor Ca a druhý kondenzátor Cb, jejichž diferenci je třeba měřit. Po připojení symetricky budicího generátoru G se napětí z něj přenese přes 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 v protifázi. Na výstupním uzlu 9 Blumleinova můstku se objeví malé střídavé napětí, které odpovídá odchylce prvního a druhého kondenzátorů Ca a Cb. První tranzistor Tl a druhý tranzistor T2 toto napětí zesílí a přivedou na pomocný výstup. Zde přítomné napětí se může dále zpracovávat v jiném zařízení, například DSP. 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 pněným kondenzátorem C4. Výstupní stejnosměrné napětí odpovídá odchylce prvního a druhého kondenzátorů Ca aCb.

Průmyslová využitelnost

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

Claims (3)

1. PATENTOVÉ NÁROKY

   1. Blum le tnuv můstek mající budicí generátor, dvojici transformátorů a dvojici kondenzátorů, vyznačující se tím, že první transformátor (Tr 1) a druhý transformátor (Tr2) jsou konstrukčně shodné a tvoří dvojici neutralizačních transformátorů se čtyřmi vstupními uzly (1,2, 3, 4) a čtyřmi výstupními uzly (5, 6, 7, 8), a kde dvojice vstupních uzlů (1,2) příslušných prvnímu transformátoru (Tri) a dvojice vstupních uzlů (3, 4) příslušných druhému transformátoru (Tr2) jsou spojeny paralelně a připojeny k symetrickému budicímu generátoru (G), vnější výstupní uzel (5) připojený k prvnímu transformátoru (Tri) je uzemněný přes první kondenzátor (Ca), vnější výstupní uzel (8) připojený k druhému transformátoru (Tr2) je uzemněný pres druhý kondenzátor (Cb) a vnitřní výstupní uzel (6) prvního transformátoru (Tri) a vnitřní výstupní uzel (7) druhého transformátoru (Tr2) jsou spojeny v jediném bodě tvořícím výstupní uzel (9) mezi nímž a zemí je připojen ladicí kondenzátor (Ct), přičemž vnitřní odpor symetrického budicího generátoru (G) je menší než parazitní odpory vinutí prvního a druhého transformátoru (Tri, Tr2).
2. 2. Blumleinův můstek podle nároku 1, vyznačující se tím, že výstupní uzel (9) Blumleinova můstku je spojen s obvodem zatlumení (20) Blumleinova můstku.

   -4CZ 302207 B6
3. 3. Blumleinův můstek podle nároku 2, vyznačující se tím, že obvod zatlumení (20) je realizovaný jako invertující integrační zesilovač přemostěný kapacitou aje tvořen prvním tranzistorem (Tl) řízeným polem, jehož emitor je uzemněn a jehož hradlo je vstupem obvodu zatlu5 mění (20) a jehož kolektor je jednak přes první tlumivku (LI) připojen na stejnosměrný napájecí potenciál (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 kondenzátoru (Cl), jehož druhý konec je uzemněn a jednak jeden konec prvního rezistorů (Rl), jehož druhý konec je rovněž uzemněn, přičemž kolektor druhého tranzistoru (T2) je jednak spoio jen přes zpětnovazební kondenzátor (C3) s hradlem prvního tranzistoru (Tl) a jednak je vysokofrekvenčně zatížen uzemněným kondenzátorem (C2), kolektor druhého tranzistoru (T2) je též výstupem pro připojení dalšího signálového zpracování.