Danas je nabavljen mjerač AM i FM modulacije “Modulation meter Type AFM1” proizvod danske tvrtke Radiometer iz 1968. godine.
Tvrtka Radiometer osnovana je 1935. godine u Kopenhagenu, Danska, kada je započela proizvodnju mjernih uređaja za domaće proizvođače radio uređaja. Nekoliko godina kasnije tvrtka Radiometer je po narudžbi jednog domaćeg kemijskog laboratorija izradila pH metar koji je postao prvi komercijalno dostupan mjerni uređaj te vrste i uspješno se koristio početkom 1950-tih godina za mjerenje pH vrijednosti u krvi i dijagnozu prisutnosti polio-virusa, odnosno dječje paralize. Ovo revolucionarno otkriće postalo je temelj za ulazak Radiometra u proizvodnju medicinske opreme i uređaja. Danas je tvrtka Radiometer multinacionalna kompanija i jedan od vodećih proizvođača medicinskih laboratorijskih instrumenata sa gotovo stotinu vlastitih patenata i patentnih prijava.
Uz oznake danskog proizvođača Radiometer nalazimo i markicu švedskog dobavljača elektroničke opreme.
Ispravno podešena vrijednost AM ili FM modulacije kod radio predajnika od izuzetne je važnosti za dobivanje kvalitetne audio demodulacije kod prijema ali i za zadržavanje RF spektra predajnika u dozvoljenom frekvencijskom opsegu.
Kod AM dubina modulacije nikako ne smije preći vrijednost od 100% jer tada dolazi do prekida kontinuiteta vala noseće frekvencije i do iskrivljenja oblika envelope koju modulacijski NF signal oblikuje na amplitudi nosećeg vala. Osim što će time demodulacija signala u prijemnicima biti iskrivljena, kod dubine modulacije preko 100% doći će i do generiranja velikog broja harmoničkih frekvencija čime će se značajno proširiti i ukupno zauzeće frekvencijskog opsega kanala. S druge strane, dubina (jačina) modulacije utječe na snagu emitiranog signala. U idealnom slučaju (linearna modulacijska karakteristika predajnika i čisti sinusni modulacijski signal) snaga predajnika kod 100% modulacije povećati će se za 50%. No praktično gledano ni jedna modulacija unutar sklopovlja predajnika nije potpuno linearna, a modulacijski signal je najčešće govor koji ne čini jedna frekvencija stalne amplitude već zauzima čitav frekvencijski opseg od minimalno 300-3000 Hz uz vrlo različite amplitude govornih frekvencija. Pri tome, dubina modulacije mora biti podešena tako da ni najveća amplituda pri tome ne pređe 100%, pa zbog toga prosječna vrijednost modulacije govora obično ne prolazi ni 30%. Kad se sve to uzme u obzir, povećanje prosječne snage predajnika moduliranog govorom biti će svega nekoliko postotaka. Ovo se može poboljšati tako da se amplitude govornog signala limitiraju, odnosno da se odrežu najviši vrhovi (pikovi) čime se povećava prosječna vrijednost modulacije. No, s druge strane treba imati u vidu da se za povećanje dubine modulacije od 70% na 100% (dakle ukupno 30%) snaga modulatora mora povećati za čak 100%. Stoga je najoptimalnije dubinu modulacije podesiti na vrijednost nešto ispod 100%.
Za razliku od AM modulacije, kod FM modulacije snaga predajnika ostaje konstantna bez obzira na veličinu modulacije. Ukoliko nema modulacije, sva snaga će biti zadržana u valu nosiocu. FM modulacija će isto kao i AM modulacija uzrokovati pojavu bočnih pojaseva no kod FM modulacije ti bočni pojasevi uzimaju snagu od vala nosioca. Stoga se jačina vala nosioca (ponekad i faza) stalno mijenja ovisno o jačini modulacije, no ukupno gledano zbroj amplituda i faza ukupnog signala (noseći val + bočni pojasevi) je uvijek konstantan. Kod AM širina kanala ovisi samo o modulacijskoj frekvenciji, a kod FM ukupna širina frekvencijskog opsega koju će zauzeti modulirani kanal osim o modulacijskoj frekvenciji ovisi i o veličini devijacije. Odnos ove dvije veličine naziva se indeks modulacije. FM signal pod jednakim uvjetima zauzima širi frekvencijski opseg od AM signala. Kako bi se frekvencijski opseg FM kanala ne bi bio preširok potrebno je dakle ograničiti frekvencijski opseg govornog signala (isto kao i kod AM) ali također i ograničiti devijaciju noseće frekvencije. Već smo rekli da se širina govornog opsega frekvencija (kako bi nakon demodulacije govor još uvijek bio razumljiv) može ograničiti na najviše 300 – 3000 kHz, pa se sve svodi samo na ograničenje devijacije koja pak je proporcionalna jačini modulacijskog signala. Tako ćemo praktično kod radioamaterskih i sličnih FM predajnika prenositi govorni signal ograničen na najveću frekvenciju od 3 kHz, pri čemu će maksimalna devijacija također iznositi ±3 kHz, što čini indeks modulacije M=1, a ukupna zauzeta širina ovakvog kanala je 12 kHz. S druge strane, FM modulacijom se sa jednakom devijacijom može prenijeti i puno širi raspon audio frekvencija što se koristi za visoko-kvalitetni FM radio difuzni prijenos. Ovdje će najveća frekvencija govornog spektra umjesto na 3 kHz biti ograničena na 15 kHz, pri čemu če maksimalna devijacija iznositi ±75 kHz, što čini indeks modulacije M=5, a ukupna zauzeta širina ovakvog kanala je 180 kHz. Veličina FM devijacije će dakle ovisiti o tipu FM predajnika i praktično se kreće u rasponu 3 – 75 kHz.
Općenito gledano, ukoliko je modulacija AM ili FM predajnika premala tada će demodulirani signal u prijemniku biti previše tih, a ukoliko je modulacija prevelika tada će i kod AM i kod FM modulacije doći do prekomjernog zauzeća frekvencijskog opsega, a kod AM modulacije i do izobličenja demoduliranog signala. Kod AM modulacije najbolje je veličinu modulacije ograničiti na cca 80%, a kod FM modulacije devijacija ovisi o tipu predajnika i frekvencijskom opsegu na kojem se koristi i u pravilu se kreće u rasponu 3 – 75 kHz.
Mjerač modulacije AFM1 (prema oznakama na prednjoj ploči) omogućuje mjerenje dubine AM modulacije u rasponu 0 – 100% i mjerenje FM devijacije u rasponu 0 – 300 kHz, moduliranih RF signala u frekvencijskom opsegu 3,5 – 320 MHz. Pri tome se AM modulacija može se mjeriti u četiri mjerna opsega (3, 10, 30 ili 100%), FM modulaciju možemo mjeriti u pet mjernih opsega (3, 10, 30, 100 i 300 kHz), a ulazni modulirani RF signal se bira u sedam frekvencijskih opsega od čega su dva harmonična. Preklopnik za frekvencijske opsege ima i položaj EXT. OCS. koji vjerojatno služi za rad sa opcionalnim modulima lokalnog oscilatora koji se po potrebi mogu ugraditi za druge frekvencijske opsege.
Mjerač modulacije AFM1 sadrži ukupno 18 elektronskih cijevi smještene na četiri tiskane pločice: tri dvostruke diode (signalne) EAA91, diodu (naponski stabilizator) 150B2, dvije diode (naponski stabilizatori) 85A2, triodu EC81, dvije dvostruke triode ECC81, dvostruku triodu ECC82, dvostruku triodu ECC88, pentodu EF80, dvije pentode EF86 i četiri pentode EF91. Zanimljivo je da je ispravljač anodnih napona poluvodički, odnosno sadrži dva Graetzova diodna mosta. Poluvodičke diode nalazimo i u krugu ispravljača napona za mjerni instrument.
Osnovni ulazno izlazni vodovi donekle su označeni na pločicama i na temelju njih mogli smo izvesti načelnu blok shemu uređaja no za detaljnu indikaciju svih sklopova morali bi posjedovati barem električnu shemu. Naravno, puno toga moglo bi se otkriti i mjerenjima, no treba imati u vidu da se radi o najmanje 60 godina starom uređaju sa 18 elektronskih cijevi. Čak i da su sve cijevi ispravne, dugotrajno držanje ovakvog uređaja pod naponom moglo bi dovesti do različitih kvarova uzrokovanih strujnim opterećenjem dotrajalih komponenti. Stoga bi prvo trebalo zamijeniti sve sumnjive i neispravne pasivne komponente što svakako uključuje zamjenu većine kondenzatora, a to se može pretvoriti u dugotrajan i skup restauracijski zahvat.
S obzirom da svi sklopovi (posebno filtri i pojačala) ovakvog mjernog instrumenta moraju imati vrlo linearne karakteristike, široki ulazni RF opseg frekvencija 3,5 – 320 MHz potrebno je konvertirati na jedinstvenu međufrekvenciju (u našem slučaju MF = 1 MHz) na koju će kasnije biti podešeni svi demodulatorski i mjerni sklopovi uređaja čime će biti omogućeno mjerenje na svim RF frekvencijama pod istim uvjetima. MF signal zatim se dovodi na demodulatorske sklopove.
Za mjerenje dubine AM modulacije koriste se posebna mjerna pojačala koja detektiraju vršne vrijednosti amplitude i iste pretvaraju u mjernu vrijednost napona.
Za mjerenje FM devijacije signal se prvo limitira (režu se vrhovi) čime od sinusnog valnog oblika dobivamo signal nalik pravokutnom. Ovim signalom okida se monostabil na čijem izlazu se dobivaju signali konstantne širine ali promjenjive frekvencije koja prati promjene frekvencije nosećeg signala uzrokovane devijacijom. Time će u konačnici i srednja vrijednost napona takvog signala biti proporcionalna frekvencijskoj devijaciji. Riječ je dakle o tzv. Pulse Counting FM Discriminatoru koji se koristi kao FM detektor i u raznim drugim RF uređajima.
Ovako pretvoreni AM i FM signali u proporcionalan napon dalje se vode na mjerne filtre i pojačala gdje se mjeri i prikazuje njihova pozitivna ili negativna vršna vrijednost.
POPRAVAK I TESTIRANJE
Mjerač modulacije AFM1 nabavljen je sa skinutim mjernim instrumentom, potrganim mehanizmom skale i rastavljenim kućištem. Također, za ovaj uređaj nismo pronašli nikakvu tehničku dokumentaciju.
Ručica za biranje frekvencije nije bila u funkciji jer je pukla špaga mehanizma koji povezuje ručicu birača sa skalom i promjenjivim kondenzatorom mjerača. Uz malo truda, strpljenja i upornosti uspješno je montirana nova špaga mehanizma. Pri tome je sreća što je skala vezana izravno na osovinu promjenjivog kondenzatora (a ne preko špage mehanizma) pa nije potrebna njena kalibracija.
Na osnovu rijetkih fotografija s interneta uspjeli smo rekonstruirati skalu mjernog instrumenta. Na sreću, u skupljenim zalihama pronašli smo jedan stari ruski “bjanko” instrument koji dimenzijama savršeno odgovara našem uređaju. Mjerni instrument AFM1 ima tri skale. Dvije glavne skale su naravno za prikaz vrijednosti AM (gornja skala) i FM (donja skala) modulacija i rade kad je sklopka za odabir vrste mjerenja (FUNCTION SELECTOR) postavljena u odgovarajući položaj AM ili FM. Oznaka IF CHECK služi za točno podešavanje frekvencije MF signala na 1 MHz pomoću gumba TUNIG lokalnog oscilatora, kada je sklopka za odabir vrste mjerenja (FUNCTION SELECTOR) postavljena u odgovarajući položaj IF CHECK. Isto tako, oznaka SET LEVEL služi za kalibriranje amplitude MF signala na puni otklon skale pomoću kontrola RF LEVEL i IF SENSITIVITY, kada je sklopka za odabir vrste mjerenja (FUNCTION SELECTOR) postavljena u odgovarajući položaj LEVEL.
Skalu smo izradili u vektorskom grafičkom računalnom programu i zalijepili na pločicu instrumenta. S obzirom da nemamo električke podatke o originalnom instrumentu morali smo izvršiti mjerenja izlaznih napona na stezaljkama instrumenta. U tu svrhu napravljen je slijedeći mjerni set:
- Variak IEV TRN 120 – s obzirom na starost uređaja variak koristimo za postupno podizanje napona napajanja kako bi se mogle pratiti promjene struje napajanja i kako bi se elektronske cijevi polako dovele na puni radni napon
- Wavetex 4032 Stabilock Universal Analog/digital Communication Test Set Monitor – generator AM/FM moduliranog testnog signala kontroliranih vrijednosti
- Protek 506 – multimetar za mjerenje naponskih razina signala za instrument i za mjerenje unutrašnjeg otpora zamjenskog instrumenta
- Hantek DSO5072P – osciloskop za kontrolu međufrekvencije 1 MHz
Jedini fiksni napon na instrumentu je onaj koji određuje frekvenciju MF od 1 MHz (IF CHECK). Za ulazni RF signal odabrali smo testnu frekvenciju od 120 MHz koja se nalazi otprilike na sredini skale. MF signal pratili smo na osciloskopu i nakon što je podešen na točno 1 MHz, napon za instrument iznosio točno 300 mV. S obzirom da se ova pozicija nalazi na 2/3 skale originalni instrument je najvjerojatnije imao puni raspon na naponu 500 mV. U prilog tome ide činjenica da najveći napon koji pojačalo može dati na stezaljke instrumenta iznosi 570 mV.
Zamjenski instrument ima unutrašnji otpor 2 kΩ te na punom otklonu napon od 100 mV i struju od 50 µA. Kako bi proširili mjerni opseg ovog instrumenta sa 100 na 500 mV potreban je ukupan otpor od 10 kΩ. To znači da serijski zavojnici instrumenta moramo dodati otpornik vrijednosti 8 kΩ. Mi smo ugradili precizni višeokretni potenciometar 10 kΩ kojim ćemo podesiti kazaljku instrumenta da na MF od 1 MHz pokazuje oznaku IF CHECK 1 MHz na skali.
Nakon ovoga izvršena je kalibracija jačine ulaznog signala na puni otklon skale (SET LEVEL) i krenuli smo sa mjerenjem modulacije. Utvrđeno je da je mjerač modulacije AFM1 iznenađujuće precizan unatoč desetljećima neodržavanja. Podudaranje ulazne RF frekvencije sa oznakom na okretnoj skali lokalnog oscilatora bolje je od 1 MHz (pola jedne podjele) što je odlično za ovaj instrument. Mjerenje AM i FM modulacije također je u granicama 10% i bolje od ovoga stvarno nismo ni očekivali. Ugodno iznenađuje i činjenica da sve sklopke i potenciometri na prednjoj ploči još uvijek rade glatko i bez prekida unatoč tome što je unutrašnjost instrumenta bila pojačano izložena ulasku prljavštine i prašine kroz rupu za mjerni instrument. Uređaj je bio podvrgnut testiranju u trajanju oko 30 minuta i za to vrijeme nisu uočene nikakve pojave glede otkaza komponenti, pregrijavanja i slično.
Mjerenje AM modulacije moguće je izvesti jednostavnim instrumentima ili izravnim praćenjem envelope moduliranog RF signala na osciloskopu.
Najjednostavniji mjerač (ili bolje rečeno indikator) modulacije može se za AM napraviti već sa serijskim spojem diode i nekog osjetljivog instrumenta kojim se može pratiti jačina modulacije u blizini antene predajnika ili neposrednim dovođenjem RF AM signala na ispravljačku diodu. Također se može vizualno pratiti envelopa moduliranog RF signala na osciloskopu i zatim iz oscilograma izračunati dubina modulacije, a pogotovo se lako uočava ako ona prelazi 100%. Međutim za mjerenje FM modulacije potrebni su složeniji sklopovi koji će razlike u frekvenciji pretvoriti u neku veličinu pogodnu za prikaz. Jačinu FM devijacije ne možemo izravno očitati ni sa prikaza signala na osciloskopu ili RF spektralnom analizatoru. Ipak, na spektralnom analizatoru možemo vidjeti da li nam modulirani signal zauzima preveliki frekvencijski opseg što je siguran znak ili prevelike modulacije (loše limitiranje modulirajućeg signala) ili preširokog opsega modulirajućih frekvencija (loše filtriranje modulirajućeg signala). Iako dakle ima raznih neizravnih metoda utvrđivanja ispravne podešenosti modulacije kod RF predajnika, mjerač modulacije je ipak najpraktičniji, najtočniji i najjednostavniji mjerni instrument za utvrđivanje vrijednosti ove izuzetno važne komponente svakog predajnika. Tako i naš vintage primjerak AFM1, kako se pokazalo na testovima, još uvijek može biti vrijedan instrument svake radioamaterske radionice, barem dok se ne nabavi neki suvremeniji mjerač kod kojeg nećemo morati toliko strepiti o vijeku trajanja ili u kojem trenutku bi mogla otkazati koja od 18 upogonjenih elektronskih cijevi 🙂