Трудно выполнить однозначное разделение измерительных приборов на группы, поскольку критериев деления может быть очень много. Возможно разделение по частотным диапазонам, например приборы для измерения в области низких, средних, высоких и сверхвысоких частот.

Имеются некоторые основные группы измерительных приборов, используемых в каждой области техники и, в частности, в электронике. К ним относятся измерительные генераторы, частотомеры, вольтметры и осциллографы. Эти наиболее характерные для электроники измерительные приборы и будут рассмотрены ниже.

Измерительный генератор — это генератор синусоидальных колебаний с калиброванной частотой и уровнем мощности. Измерительный генератор обычно обеспечивает плавную перестройку частоты и входного напряжения. Исходя из назначения и диапазона частот различают измерительные генераторы звуковых частот, широкополосные (видеочастотные), а также высокочастотные и сверхвысокочастотные[29].

Генератор звуковых частот позволяет получать синусоидальные сигналы с частотами в пределах 20 Гц — 20 кГц. В более совершенных генераторах диапазон частот расширен в область как более низких (до нескольких герц), так и более высоких частот (до нескольких сотен килогерц). В генераторе с расширенным диапазоном частот, как правило, весь диапазон разбивается на несколько поддиапазонов, которые выбираются с помощью переключателя.

Генераторы звуковых частот обычно представляют собой RC-генераторы с мостом Вина, с непрерывной перестройкой с помощью конденсаторов. Достоинства таких генераторов следующие: низкое содержание гармоник (0,1–0,5 %), хорошая стабильность частоты (10^-3—10^-4) и амплитуды, а также малые габаритные размеры и масса. Уровень выходного сигнала в генераторах звуковых частот достигает 10–50 В на ненагруженных выходных зажимах; выходное сопротивление можно изменять в пределах от единиц до 600 Ом.

Генераторы звуковых колебаний используют для испытаний различных низкочастотных цепей, элементов и блоков, теле- и радиоприемников, а также электроакустических устройств. Они служат для питания схем (мостов) при измерении индуктивности и емкости и являются источником сигнала, модулирующего генераторы высокой частоты.

Название генератора происходит от способа получения сигналов с частотами, для которых предназначается генератор. Структурная схема генератора биений приведена на рис. 13.1.

Рис. 13.1. Структурная схема генератора биений

Прибор содержит два LC-генератора высокой частоты. Один из них генерирует колебания с постоянной частотой f₁. Частоту второго генератора можно изменять в интервале от f₂ до f₂ + f_mах, причем f_mах — максимальная частота, на которую можно перестроить генератор. В результате объединения двух сигналов в смесителе на выходе фильтра, устраняющего ненужные составляющие, получают разностную частоту f₁ — f₂. Разностная частота может меняться в интервале от 0 до f_mах и достигать значений 10–20 МГц.

Главным преимуществом генераторов биений является широкий диапазон перестройки, перекрываемый непрерывно без каких-либо переключений. К недостаткам относятся нестабильность разностной частоты, а также относительно высокий коэффициент содержания гармоник (несколько процентов). Генераторы биений используются для контроля частотных характеристик как селективных, так и апериодических схем, например широкополосных усилителей изображения.

Это — высокостабильный генератор высокой частоты, заменяющий в лабораторных условиях естественные источники сигналов, например от передатчика. Многие типы генераторов перекрывают в сумме весь диапазон радиочастот от 50—100 кГц до десятков тысяч мегагерц. В зависимости от назначения генераторы стандартных сигналов выпускаются как генераторы с амплитудной (AM), частотной (ЧМ), с двумя видами модуляции (АМ/ЧМ), импульсной модуляцией (ИМ) и т. п.

Структурная схема одного из таких генераторов, перекрывающего диапазон радиочастот (50 кГц—30 МГц), представлена на рис. 13.2.

Рис. 13.2. Структурная схема генератора сигналов с AM модуляцией

Главным функциональным блоком является высокочастотный генератор, частота которого регулируется ступенчато в соответствии с поддиапазонами и плавно — с помощью перестраиваемого конденсатора в пределах одного поддиапазона. Точность установки и отсчета частоты лежит обычно в пределах 0,5–1,5 %. Сигнал с генератора подается на модулятор, в котором осуществляется амплитудная модуляция. Модулирующим сигналом может служить как сигнал от внутреннего генератора низкой частоты с частотой 1000 Гц, так и сигнал от внешнего генератора. С модулятором связан измеритель глубины модуляции. Выходное напряжение (0,1–1 В) можно уменьшить с помощью резистивного делителя вплоть до — 120 дБ (1 мкВ при исходном входном напряжении 1 В). Выходное сопротивление генератора мало, чаще всего 50 или 75 Ом.

Это определенный вид генератора сигналов, объединенного с осциллографом, в котором частота выходного сигнала не является постоянной. Специальная схема вызывает периодическое изменение частоты выходного сигнала таким образом, что она плавно изменяется в определенном интервале, а затем быстро возвращается к начальному значению. В это время амплитуда выходного сигнала остается постоянной.

Структурная схема генератора качающейся частоты представлена на рис. 13.3.

Рис. 13.3. Структурная схема генератора качающейся частоты

Генератор Г₁ служит для установки средней частоты, а генератор Г₂ модулируется по частоте с помощью емкостного диода. Диапазон перестройки генератора Г₂ составляет ± ΔF.

Пилообразное модулирующее напряжение берется со схемы временной развертки встроенного осциллографа. После смешения в смесителе сигналов от обоих генераторов получают ЧМ сигнал разностной частоты. Это выходной сигнал генератора качающейся частоты, который через делитель напряжения подводится к исследуемой схеме, например усилителю или фильтру.

Амплитуда напряжения на выходе схемы изменяется в зависимости от его амплитудной характеристики. Напряжение с выхода исследуемой схемы после детектирования подается на вход Y осциллографа. Поскольку изменение частоты выходного сигнала генератора качающейся частоты синхронизировано с временной разверткой осциллографа, на экране получают изображение амплитудной характеристики исследуемой схемы. Область наблюдаемой на экране осциллографа характеристики схемы зависит от девиации частоты 2ΔF и может регулироваться в широком интервале. Для увеличения точности отсчета частоты на изображение, полученное на экране, обычно наносятся метки, соответствующие определенным частотам (например, через 10 или 1 МГц). Для этого генератор качающейся частоты снабжают генератором меток.

Частота генератора развертки, определяющего скорость изменения ЧМ сигнала, устанавливается около нескольких десятков герц. При больших частотах могут появиться искажения наблюдаемой характеристики из-за инерционности LC-контуров.