Danas je nabavljen mjerač frekvencije FM-35 njemačke tvrtke Wandel Goltermann iz 1955. godine.
Tvrtka Wandel & Goltermann osnovana je 1923. godine sa interesom na području radio tehnike i telefonije što je uglavnom uključivalo izradu radio prijemnika i održavanje automatskih telefonskih centrala koje su u to vrijeme počele zamjenjivati ručne telefonske centrale. U 1940-tim godinama Wandel & Goltermann proizvodi alarmne sustave i telemetrijske odašiljače. Nakon rata tvrtka se težišno orijentira na popravak radio prijemnika, a zatim započinje proizvodnju i vlastitih radijskih prijemnika pod oznakama „Musikant“ i „Tonkünstler“. Krajem 1940-tih godina Wandel & Goltermann započinje proizvodnju radija za automobile („Zikade“) te audio sustava za autobuse i vlakove.
Prvi mjerni uređaj specijaliziran za mjerenja u radio tehnici tvrtka Wandel & Goltermann predstavila je 1948. godine, a radilo se o mjeraču harmoničnih izobličenja KLM-0. Koristio se za mjerenje čistoće signala iz testnih generatora signala te za mjerenje kvalitete zvuka u radio prijenosu. Istovremeno je tvrtka predstavila i svoj generator signala KMG-1. Na ova dva područja proizvodnje je tvrtka tijekom 1950-tih i 1960-tih godina stvorila snažnu tržišnu poziciju praćenu stalnim širenjem tvrtke. Do kraja 1960-tih već je bila organizirana u tri odjela proizvodnje. Prvi odjel bavio se razvojem i proizvodnjom mjerene opreme za telekomunikacije te elektroakustikom koja je uključivala radio uređaje za automobile i audio sustave za autobuse i vlakove. Drugi odjel bavio se ugradnjom i održavanjem telefonskih centrala, a treći odjel je bio servis i trgovina opreme za radio, televiziju i gramofone. U 1960-tim godinama također dolazi i do velikog prodora tvrtke na međunarodna tržišta u Europi i Americi.
Rast i širenje tvrtke na svjetska tržišta nastavlja se u 1970-tim godinama, no u 1980-tim godinama, prelaskom vlasništva tvrtke na novu obiteljsku generaciju, rast tvrtke počinje usporavati, s jedne strane zbog sve jače globalne konkurencije, a s druge strane zbog potrebe praćenja sve bržeg uvođenja novih tehnologija u telekomunikacijama. Unatoč tome, do kraja 1990-tih godina tvrtka Wandel & Goltermann i dalje vodi vrlo uspješno poslovanje sa svojih pet proizvodnih sjedišta te razgranatom prodajnom i servisnom mrežom u zemlji i svijetu sa 1600 zaposlenika. Godine 1999. Wandel & Goltermann se udružuje sa američkom tvrtkom Wavetek (Wavetek Wandel Goltermann), a dvije godine kasnije slijedi spajanje sa tvrtkom TTC u novo ime Acterna. Godine 2005. pak Acternu preuzima JDSU, te nastala tvrtka Acterna /JDSU i danas proizvodi mjerne uređaje i opremu za telekomunikacije, uključujući radio, optičku i lasersku tehnologiju.
FM-35 (Frequenz-Messgerät FM-35) omogućuje mjerenje frekvencije u opsegu 10 Hz do 100 kHz, vrlo specifičnom metodom pomoću Lissajousova krivulja koje se prate na XY-osciloskopu.
Kad se na X i Y ulaze osciloskopa dovedu dvije sinusne frekvencije, ovisno o razlici između frekvencija, faza i amplituda te dvije frekvencije, na osciloskopu će se iscrtavati određeni oblik krivulje. Generalno se može reći da su te krivulje jednostavnije što su razlike frekvencija manje, a postaju složenije što su razlike veće. Za dvije po frekvenciji, fazi i amplitudi iste ulazne sinusne frekvencije na osciloskopu će biti prikazana statična kosa crta pod kutom 45°. Isto tako:
- Ukoliko postoji neki fazni pomak između dvije po drugim parametrima iste sinusoide onda će se umjesto statične kose crte vidjeti šira ili uža elipsa, a pod faznom razlikom od točno 90° krivulja će poprimiti oblik pravilne kružnice.
- Ukoliko postoji razlika amplituda između dvije po drugim parametrima iste sinusoide mijenjati će se kut (kosina) prikaza crte.
- Ukoliko postoji razlika frekvencija između dvije po drugim parametrima iste sinusoide onda prikaz crte neće biti statičan nego će kontinuirano mijenjati iz crte u sve širu elipsu, a zatim obrnuto.
Upravo ovo posljednje se koristi kod našeg mjerača frekvencije. Vidimo da će Lissajousova krivulja biti statična samo ako nema frekvencijske razlike između dvije ulazne sinusoide. Ovdje također treba reći da će krivulja biti statična i ako su dvije frekvencije međusobni harmonici (višekratnici) no tada će oblik te statične krivulje biti složeniji i po tom obliku možemo znati o kojoj je harmoničkoj razlici riječ. Složene krivulje mogu biti otvorene ili zatvorene. Zatvorene će biti samo ako je omjer između dvije frekvencije racionalan broj.
Nama je za mjerenje frekvencije dakle cilj dobiti statičnu krivulju na ekranu osciloskopa. Tada znamo da je nepoznata frekvencija jednaka ili višekratnik poznate frekvencije. Razlika u amplitudama i fazama ne utječu na statičnost već samo na geometriju krivulje. Potenciometrima za jačinu vertikalnog i horizontalnog otklona moguće je namjestiti najbolju visinu i širinu prikaza krivulje. Generator poznate frekvencije unutar FM-35 radi u opsegu 10 Hz – 11,1 kHz tako da ćemo za mjerenje u punom opsegu 10 Hz – 100 kHz koristiti statične oblike krivulja koje odgovaraju određenim višekratnicima frekvencija.
Frekvencija se do rezolucije od 1 Hz traži pomoću četiri dekadne sklopke (1 kHz, 100 Hz, 10 Hz, 1 Hz), a dodatno se može ugoditi pomoću potenciometra “Feinverstimmung” u postotku do ±0,7% od dekadski odabrane frekvencije. Što se tiče samog praktičnog mjerenja, do razlika frekvencija od 0,1 Hz odmah je vidljivo da krivulja nije statična, a uz promatranje 5-10 sekundi može se uočiti i polako mijenjanje oblika krivulje zbog razlike frekvencija od svega 0,01 Hz. Teoretski bi uz dovoljno dugo promatranje uočili bilo kakvu razliku između dvije frekvencije, no ovdje je ograničenje u točnosti ipak najviše određeno samom točnošću i stabilnošću internog oscilatora. Za kalibraciju je ugrađen termostabilni kristalni oscilator na frekvenciji 10 kHz čija je točnost ±1 Hz. Pomoću ovog kristalnog oscilatora može se kalibrirati frekvencija internog oscilatora, također praćenjem statičnosti krivulje na frekvenciji internog oscilatora postavljenoj na 5 kHz. Na toj frekvenciji (razlika 2:1) krivulja ima oblik osmice. Time se točnost dekadama odabrane frekvencije može podesiti unutar 1% ili ±0,5 Hz. Za kalibraciju služi kontrola (promjenjivi kondenzator) “Frequenznacheichung“.
Blok shema mjerača frekvencije FM-35 je vrlo jednostavna. Interni precizni sinusni oscilator radi u opsegu 10 Hz – 11,1 kHz i taj signal se dovodi na horizontalno otklonsko pojačalo, odnosno X-os. Radi se o RC oscilatoru baziranom na Wien-ovom mostu (vidi objavu Audio oscilator Trav-Ler TS-382B/U). Na vertikalno otklonsko pojačalo ili Y-os pak se dovodi sinusni signal kojem želimo izmjeriti frekvenciju.
Gore na prednjoj ploči su dva potenciometra u kombinaciji sa sklopkama kojima se upravlja ulazima i jačinom otklonskih pojačala. Tako se na X otklonsko pojačalo može dovesti signal iz internog oscilatora 10 Hz – 11,1 kHz ili pak signal iz nekog vanjskog izvora (X-Eingang). Signal iz internog oscilatora se može dobiti i na priključnici Generator-Ausgang X-Platten pa uređaj može poslužiti i kao generator audio signala.
Na Y otklonsko pojačalo pak se normalno dovodi signal kojem mjerimo frekvenciju (Y-Eingang) ili pak kalibracijski signal 10 kHz iz internog kristalnog oscilatora. Ovaj kalibracijski signal se isto tako može dobiti na priključnici Generator-Ausgang Y-Platten za neku vanjsku primjenu.
Vidimo dakle da uređaj osim za mjerenje frekvencije možemo koristiti i kao audio generator (10 Hz – 11,1 kHz) ili kao izvor precizne kalibracijske frekvencije 10 kHz. Također, uređaj možemo koristiti kao normalni XY osciloskop sa proizvoljno dovedenim vanjskim signalima. Međutim, tu treba biti svjestan frekvencijske propusnosti otklonskih pojačala koja nije puno veća od 10 kHz za X-pojačalo i 100 kHz za Y-pojačalo (unutrašnji otpor 1 MΩ).
Netko je već vršio servis ovog uređaja te je na šasiji ostavio zalijepljena dva vjerojatno originalna kondenzatora. Za sada ne možemo znati ni odakle su ni zašto su odlemljeni ovi kondenzatori i da li su zamijenjeni nekim drugim komponentama.
Karakteristično za sve cijevne uređaje profesionalne namjene proizvedene do kraja 1960-tih godina tako i ovdje osnovu čini vrlo robusna metalna šasija. Elektromagnetski oklopi su na svim elektronskim cijevima i na promjenjivim LC krugovima oscilatora.
Ugrađeno je deset elektronskih cijevi:
- Rö 1 – pentoda E80F – oscilator (Wien-ov most)
- Rö 2 – pentoda E80L – oscilator (inverter)
- Rö 3 – pentoda E80L – oscilator (pojačalo za odvajanje)
- Rö 301 – pentoda E80F – X otklonsko pojačalo
- Rö 302 – pentoda E83F – Y otklonsko pojačalo
- Rö 101 – pentoda E80L – regulator napona (izlazni stupanj)
- Rö 102 – pentoda E80F – regulator napona (senzorski krug)
- Rö 103 – 85A2 – regulator napona (referentni izvor napona)
- Qu 301 – pentoda + dvije signalne diode EBF80 – kristalni oscilator
- Rö 303 – DG7-31 – osciloskopska cijev
Ovdje je zanimljiva konstrukcija kalibracijskog kristalnog oscilatora 10 kHz koji se bazira na kristalu u grijanom termostabilnom kućištu i elektronskoj cijevi EBF80. Ova cijev sadrži pentodu i dvije signalne diode te je kao takva primarno namijenjena za posljednji stupanj MF pojačanja koji uključuje diodne NF/AM i AGC detektore. Na elektroničkoj shemi je čitav sklop kristalnog oscilatora nacrtan samo blokovski pa ne znamo kako su, odnosno jesu li uopće iskorištene te dvije diode za krug oscilatora.
Izmjerili smo frekvenciju našeg kristalnog oscilatora koja iznosi 9 999,510 Hz što je svakako unutar deklarirane tolerancije od ±1 Hz. Nije loše za najmanje 65 godina star oscilator 🙂
Kristalni kalibracijski oscilator 10 kHz bazira se na elektronskoj cijevi EBF80 i na kristalu 10 kHz u termostabilnom kućištu.
Detalj na potenciometre kombinirane sa sklopkom kojima se namješta pojačanje i selektiraju ulazi na otklonska pojačala.
Osciloskopska cijev DG7-31 ima promjer ekrana 70 mm i ukupnu dužinu od 172 mm. Za pogon cijevi dovoljan je anodni napon u granicama 400-800 V, a grijanje katode je standardnih 6,3 V / 300 mA.
Cijevi DG7-31 i njoj bliska DG7-32 su jedne od najčešće korištenih osciloskopskih cijevi u 1950-tim godinama. Međusobno se samo minimalno razlikuju po unutrašnjem kapacitetu otklonskih ploča. Sa ovom cijevi radili smo projekt “Osciloskop Clock Radio”.
Tri elektronske cijevi za stabilizaciju anodnog napona za oscilatore.
Diodni mosni ispravljač i pasivne komponente u krugu napajanja.
Elektronske cijevi za X i Y otklonska pojačala.
Pasivne komponenete X i Y otklonskih pojačala.
Elektronske cijevi oscilatora 10 Hz – 11,1 kHz sa Wien-ovim mostom. Uočava se i posebna žaruljica koja je dio jedne grane mosta i koja služi za stabilizaciju amplitude izlaznog signala. Ovakve žaruljice djeluju kao PTC otpornici i susrećemo ih kod gotovo svih cijevnih oscilatora sa Wien-ovim mostom, a također i u drugim različitim krugovima gdje je potrebna automatska regulacija ili stabilizacija struje.
Pasivne komponente za napajanje elektronski Wien-ovog oscilatora.
U posebnoj oklopljenoj komori nalaze se promjenjivi RC elementi Wien-ovog oscilatora.
Za promjenu frekvencije Wien-ovog oscilatora potrebno je mijenjati otpornike ili kondenzatore paralelno u obje grane mosta koje su zapravo niskopropusni i visokopropusni RC filtar. U našem se slučaju dekadskim sklopkama preklapaju otpornici. Na slici se jasno vide dvije sekcije svake dekadske sklopke sa otpornicima niske tolerancije od 0,5% ili 1%.
Fiksni i promjenjivi kapaciteti za ugađanje Wien-ovog mosta.
Promjenjivi kondenzator kontrole “Frequenznacheichung” za kalibraciju Wien-ovog oscilatora pomoću preciznog kristalnog oscilatora (lijevo) i pogled na robusno i kvalitetno izvedene kontakte dekadskih sklopki koje se lako čiste (desno).
Dekadske sklopke za dvostruko preklapanje otpornika u RC granama mosta (lijevo) i promjenjivi kondenzator kontrole “Feinverstimmung” kojim se dekadama odabrana frekvencija oscilatora može dodatno kontinuirano ugađati u postotku do ±0,7%.
Test je pokazao da kod našeg uređaja ne radi glavni oscilator 10 Hz – 11,1 kHz, a razlog tomu je neispravna elektronska cijev E80L (Rö 3). Tijekom rada u unutrašnjosti cijevi dolazi do preskakanja iskri, moguće da je u stakleni balon ušao zrak.
Također, potenciometre i sklopke za kontrolu otklonskih pojačala je potrebno očistiti ili zamijeniti jer loše drže kontakt i potrebno je nekoliko uključivanja/isključavanja da kontakt u nekom trenutku koliko toliko uhvati. Pod takvim okolnostima ne možemo prikazati kakva je originalna slika krivulja na ovom uređaju, a svakako bi bilo potrebno zamijeniti i većinu elektrolita te uzvršiti podešavanje i kalibraciju. Ako se nabavi zamjenska elektronska cijev onda ovo drugo i nisu tako složeni i skupa popravci jer se sklopke i potenciometri lako rastavljaju, a kondenzatora za zamjenu nema puno.
Ovdje je primjer krivulje za kombinaciju X-frekvencije od 30 kHz koju smo doveli sa vanjskog generatora signala i Y-frekvencije od 10 kHz koju proizvodi kristalni oscilator uređaja. To je karakteristična krivulja za odnos X:Y frekvencija u omjeru 3:1. Sliku po X-osi ne možemo proširiti više od ovoga, a uzrok tome su loši kontakti, kondenzatori, a moguće i samo X otklonsko pojačalo. Dok te kvarove ne otklonimo, dat ćemo prikaz krivulja kakav se vidi za pojedino mjerenje na jednom našem ispravnom XY osciloskopu.
Prva slika je prikaz kakav možemo očekivati kod kalibracije uređaja kada je X frekvencija 5 kHz, a Y frekvencija 10 kHz (omjer 1:2). Druga i treća slika su krivulje koje vidimo kod izravnih mjerenja frekvencije i opsegu 10 Hz – 11,1 kHz (omjer 1:1). Ovisno o faznom pomaku, slika može biti kosa crta, elipsa ili kružnica. Na četvrtoj slici je prikaz za mjerenje frekvencija 11 – 22 kHz, dakle omjer 2:1.
Ovo su krivulje redom za mjerenja frekvencija u omjeru 3:1 do 10:1, dakle za frekvencijski opseg 30-100 kHz. Po broju gornjih ili donjih maksimalnih amplituda znamo za koliko je nepoznata frekvencija na Y-ulazu, veća od poznate (namještene) na X-ulazu.
Mi smo na gornjim slikala dali idealne simetrične prikaze krivulja za fazne pomake od 0° i 90°. Na drugim faznim pomacima sjecišta krivulja neće imati ovako simetrične međusobne razmake, a na krajnjim vrijednostima će se stopiti u oblik koji se čini kao otvorena krivulja. I ovdje se odnos između frekvencija može lako izbrojati brojanjem poprečnih crta krivulje. Prve dvije slike daju prikaze krivulja za omjer frekvencija 3:1 i to kada je fazni pomak 90° i kada je 0°. Isto tako druge dvije slike daju prikaze krivulja za omjer frekvencija 5:1 i to kada je fazni pomak 90° i kada je 0°.
U praktičnom radu sa mjeračem frekvencije ne treba se puno brinuti o obliku krivulje na pojedinom faznom pomaku. Kako se dekadskim sklopkama približavamo točnoj frekvenciji tako ionako stalno mijenjamo fazni pomak između dviju frekvencija. Kako se sve više približavamo nepoznatoj frekvenciji tako dinamika promjene krivulje postaje sve sporija i već tu u pogodnom trenutku možemo izbrojati broj amplituda krivulje kako bi znali o kojem je višekratniku riječ. Nakon toga je dalje samo važno pratiti sve veće usporavanje dinamike promjene oblika krivulje dok ona na kraju ne postane statična, u bilo kojem konačnom obliku.
Iako se ovom metodom nepoznata frekvencija može izmjeriti vrlo precizno (rezolucija 0,01 Hz pa i manja) točnost mjerenja izravno ovisi o točnosti internog promjenjivog oscilatora u čitavom njegovom frekvencijskom opsegu. To znači da svi otpornici i kondenzatori u promjenjivim LC krugovima oscilatora moraju biti vrlo male tolerancije i niskih temperaturnih koeficijenata. Takvih elemenata u našem slučaju ima stotinjak. Za razliku od toga, kod digitalnih brojača frekvencije je dovoljno postići stabilnost na samo jednoj referentnoj frekvenciji što je daleko lakše izvedivo pomoću jednog fiksnog kristalnog oscilatora. Isto tako LC oscilatorima je praktično nemoguće postići točnost i stabilnost kao kristalnim oscilatorima, pogotovo ako su kristali u termostabilnim komorama.
Mjerač frekvencije Wandel & Goltermann FM-35 je 1955. godine koštao tadašnjih 3 300 DEM što bi u današnjoj protuvrijednosti iznosilo gotovo 10 000 eura. Do kraja 1950-tih godina najrašireniji su bili mjerači frekvencije na principu zero-beat metode. To je metoda usporedbe nepoznate frekvencije sa poznatom frekvencijom na način da se iste međusobno miješaju kako bi se dobila njihova frekvencijska razlika. Ako je razlika dovoljno mala (do cca 16 kHz) onda će se ta razlika čuti kao audio ton. Što je razlika frekvencija manja, audio ton će biti niži (dublji) sve dok se na nekih cca 16 Hz kontinuirani ton počne pretvorati u svojevrsne zvučne impulse (udarce) koji postepeno prema nižim frekvencijama dobivaju sve veći razmak. U trenutku kad se frekvencije izjednače, nema više frekvencije razlike i tu se u slušalicama više ne čuje nikakav ton (zero-beat). Ovisno o audio sistemu pojedinog uređaja i korištenim slušalicama, frekvenciju internog oscilatora je potrebno postaviti (otprilike) na sredinu između dvije pojave najdubljih čujnih tonova ili impulsnih zvučnih udaraca i tada znamo da je frekvencija internog oscilatora ista nepoznatoj frekvenciji.
Naš mjerač frekvencije FM-35 također uspoređuje poznatu sa nepoznatom frekvencijom, no ovdje detekcija nije zvučna nego vizualna. Krivulja koju iscrtavaju zbrojevi promjena vrijednosti amplituda dva signala u vremenskoj domeni na osciloskopu neće se mijenjati samo ako su frekvencije oba signala potpuno iste.
Tek razvojem digitalnih sklopova ušli su u široku upotrebu digitalni brojači frekvencije koji izravno broje periode signala u nekom točno određenom vremenskom okviru (1 sekunda). Takvi brojači izravno pokazuju frekvenciju na digitalnom displeju jer ona upravo odgovara broju izbrojenih perioda u jednoj sekundi. Ovdje više nema ograničenja u slušnoj ili vizualnoj vještini operatera, rezultat se prikazuje izravno, a za brojanje se lako pripremi bilo kakav valni oblik signala. Također, uz primjenu nekih dobro osmišljenih rješenja digitalnim brojačima su moguća izuzetno precizna mjerenja u vrlo širokom rasponu frekvencija (vidi objavu Computing Counter HP 5360A).