自己动手做示波器，真的可行吗？当然！DSO138示波器套件

最近我已经评测过一款电子套件，今天继续这个小系列，聊聊一些适合电子爱好者新手的DIY作品。
先说在前面，它当然比不上Tektronix，甚至也比不上DS203，不过这小玩意儿自有趣味，尽管说到底它更像个玩具。
通常测试之前要先拆开东西，这次却得先把它组装起来：）

在我看来，示波器就是电子爱好者的“眼睛”。和万用表不同，它很少具备很高的精度，但能让你看到动态过程，也就是“运动”中的信号。
有时候，这样短短一秒的“观察”，比拿着测试仪折腾一整天还管用。

早期的示波器是电子管式的，后来换成了晶体管式，但结果仍然显示在CRT屏幕上。随着时间推移，数字示波器取代了它们，体积小、重量轻，而顺理成章的下一步，就是出现了可以自己组装这种仪器的套件。
几年前，我在一些论坛上看到有人尝试（有时也成功）自制示波器。这种套件当然更简单，技术指标也差一些，但我可以肯定，就连中学生也能把它组装起来。
这款套件由jyetech公司开发。产品页面在制造商网站上。

专业人士可能会觉得这篇评测讲得太细，不过和电子爱好者新手交流的经验告诉我，他们这样更容易理解。

总之，下面我会逐一介绍，先按惯例从开箱开始。

套件装在一个普通的自封袋里寄来，不过袋子相当厚实。
我觉得，这样一套东西配个漂亮的包装会更好。不是为了防止损坏，而是为了美观。毕竟这是个套件，拆箱时就应该让人觉得赏心悦目。


袋子里有：
说明书
印制电路板
用于连接被测电路的线缆
两小袋元件
显示屏。


这款设备的技术指标非常一般。在我看来，它更像是一套教学套件，而不是测量仪器，不过即使用它也能进行测量，只是只能做一些简单的测量。


套件还附带一份详细的彩色说明书，共两页。
说明书介绍了组装和校准步骤，并附有简要的使用指南。
唯一的缺点是内容全是英文，不过配图很清楚，所以即使这样，大部分内容也都能看懂。
说明书上甚至标出了元件的安装位置，还做了“复选框”，每完成一个步骤就可以打勾。考虑得很周到。


另外还有一页SMD元件清单。
值得一提的是，这款设备至少有两个版本。第一种出厂时只焊好了微控制器，第二种则焊好了所有SMD元件。
第一种版本面向经验稍丰富一些的用户。
我这次评测的正是这种版本，后来我才知道还有第二种版本。


印制电路板是双面的，和上一篇评测里的那块一样，连颜色都相同。
板面上印有元件标识，一部分元件标注得很完整，另一部分则只标了电路图中的位号。


背面没有标注，只有跳线标识和设备型号。
电路板覆有阻焊层，而且非常结实（我不小心亲自验证了一下）。在我看来，这对新手来说再合适不过了，因为组装过程中很难弄坏什么。


正如我前面所说，电路板上标出了各元件的安装位置，标识清晰，这方面没什么可挑剔的。


所有焊盘都镀了锡，电路板焊起来很容易，嗯，几乎很容易，组装部分会讲到这个小问题 :)


正如我前面所说，电路板上已经预装了微控制器STM32F103C8
这是一款基于ARM 32-bit Cortex™-M3内核的32位微控制器。
最高工作频率为72 MHz，还配有2 x 12-bit、1 μs ADC。


电路板正反两面都标有型号：DSO138。


我们接着来看看配件。
小型电子元件、连接器等都装在带按扣的小袋子里。


把大袋子里的东西倒在桌上。里面有连接器、支柱和电解电容。袋子里还装着另外两个小袋子 :)


把所有袋子都打开后，可以看到不少电子元件。不过考虑到这是一台数字示波器，我原本还以为元件会更多。
值得一提的是，SMD电阻都标了数值。不过依我看，普通电阻也应该标一下，或者随套件附一张色环标识的小抄。


显示屏用软材料包着。事实证明，这种材料不会打滑，所以显示屏不会在袋子里晃来晃去；电路板也能在运输过程中保护它不受损坏。
不过我还是觉得，包装要是能做得正规些就好了。


设备采用一块2.4英寸TFT LCD显示屏，带LED背光。
屏幕分辨率为320×240像素。


套件中还附带一根短线。连接示波器的一端采用标准BNC接口，另一端是一对鳄鱼夹。
线缆软硬适中，鳄鱼夹尺寸比较大。


再来看看整套东西完全展开后的样子。


现在可以开始组装这套套件了，顺便也试着看看组装起来到底有多难。

上次我从电路板上高度最低的元件——电阻开始组装。
如果有SMD元件，最好先从它们开始。
我把所有SMD元件按标称值和电路图中的位号，摆放在随附的纸上。


准备焊接时我想到，对于新手来说，这些封装实在太小了，完全可以用1206尺寸的电阻代替0805。占用空间只多一点点，但焊起来容易得多。
我又想到，万一现在把电阻弄丢了，找不到怎么办？我还好，可以打开抽屉再拿一个同样的电阻，但不是每个人都有这样的条件。这次厂商倒是考虑到了这一点。
每种电阻都多给了一个（可惜芯片没有），也就是留作备用，考虑得很周到，值得表扬。


接下来我简单说说自己是怎么焊接这类元件的，也说说我建议大家怎么做。不过这只是我的个人看法，当然每个人都可以按自己的方式来。
有时会用专用焊膏焊接SMD元件，但新手（甚至老手）手头通常都没有，所以我来演示一下不用焊膏怎么更方便地操作。
用镊子夹起元件，放到安装位置。


通常我会先在元件安装位置涂上助焊剂，这样更容易焊接，但清洗电路板会麻烦一些，有时很难把元件底下的助焊剂洗干净。
所以这次我只用了直径1 mm的管状含松香焊锡丝。
用镊子按住元件，在烙铁头上蘸一点焊锡，然后焊住元件的一侧。
焊点不够漂亮或不够牢也没关系，这一步只要元件能固定住就行。
然后对其他元件重复这个操作。
这样把所有元件（或所有同一标称值的元件）都固定好后，就可以从容地把焊点焊好。把电路板转一下，让已经焊好的那一侧朝左；如果你是右撇子，就右手拿烙铁、左手拿焊锡丝，依次焊好所有尚未焊接的位置。如果另一侧的焊接效果不理想，就把电路板转180度，再用同样的方法焊好元件的另一侧。
这样比逐个焊接每个元件更简单、更快。


照片里可以看到已经装上了几个电阻，不过目前只焊接了一侧。


SMD封装的芯片标记方式与普通封装完全相同：标记旁边左侧的引脚是1脚（不过通常是从标记方向看左下方），其余引脚按逆时针方向依次编号。
照片中展示了芯片的安装位置，以及正确的安装方式。


芯片的安装方法与电阻的例子完全相同。
将芯片对准焊盘，先焊接任意一个引脚（最好选边缘的引脚），稍微调整芯片位置（如有必要），然后焊好其余引脚。
稳压芯片的焊接方法有几种，不过我建议先焊接散热焊片，再焊接引脚焊盘，这样芯片就能确保平整地贴在电路板上。
当然，也可以先焊接边缘的引脚，再焊接其余引脚。


所有SMD元件都已安装并焊好，只剩下几只电阻，每种阻值各一只。我把它们收进小袋子里，说不定哪天能派上用场。


接下来安装普通电阻。
上篇评测里我简单介绍过色环标记。这次我更建议直接用万用表测量电阻值。
这是因为电阻非常小，这种尺寸下色环很难辨认（涂色区域越小，颜色就越难分辨）。
一开始我在说明书里找阻值和位号清单，却没找到，因为我一直在找表格形式的清单。装好之后才发现，清单其实在图片里，而且还带有复选框，可以勾选已安装的位置。
因为我不够仔细，只好自己做了一张表，并按表把待安装的元件摆在旁边。
左边单独放着一只电阻，做表时它被漏掉了，所以我把它留到最后处理。


电阻的处理方法和上篇评测类似：用镊子（或专用成形工具）弯折引脚，让电阻能轻松放入对应位置。
注意，电路板上的元件位号不一定印在元件旁边，也可能印在元件下面，这很容易让人搞错，尤其是电路板上有很多元件排成一排时。


这里发现了这块印制电路板的一个小缺点。
电阻孔的直径很大，而元件布局又比较密，所以我决定把引脚稍微弯一下，但弯得不多，结果电阻在这么大的孔里固定得不太牢。


由于电阻固定得不太牢，我建议不要一次把所有阻值的电阻都插上，而是先装一半或三分之一，焊好后再装剩下的。
引脚剪短一些也不用担心。带金属化孔的双面电路板经得起这样的操作，必要时甚至可以从电阻上方补焊；单面电路板就做不到这一点。


好了，电阻都焊好了，接下来焊电容。
我也像处理电阻那样，把它们按表格摆好。
顺便说一句，我最后还是多出了一只电阻，看来是他们不小心多放了一只。


简单说说元件标记。
这类电容的标记方式和电阻一样。
前两位是数值，第三位表示数值后面要加几个零。
得到的结果就是以皮法（pF）为单位的电容量。
不过这块电路板上有些电容不符合这种标记方式，容量分别是1、3和22 pF。
由于容量小于100 pF，也就是不足三位数，因此直接标出容量。


我先按照位号焊接小电容（这可真是个挑战）。


100 nF的电容我有点疏忽了，没能一开始就把它们加进表格，只好后来手动补上。


我也没有把电容引脚完全掰弯，只是大约弯成45度，这样就足以防止元件掉出来。
顺便说一下，从这张照片可以看到，连接到电路板公共端的焊盘设计得很合理，周围留有环形间隙以减少热量传导，这样焊接这些位置会容易一些。


焊这块电路板时我有点放松警惕，直到陶瓷电容都焊完了才想起电感和二极管，其实最好先把它们焊上。
不过这对整体情况影响不大，接下来就来处理它们。
套件里附带了三个电感和两个二极管（1N4007和1N5815）。


二极管就很简单了，电路板上标明了位置，二极管本体和电路板上都用白色条纹标出了阴极，很难装反。
电感有时会稍微麻烦一些，它们有时也会采用色环标记。好在这次三个电感的标称值都一样 :)


电路板上用字母L和波浪线标出电感的位置。
照片中是已经焊好电感和二极管的电路板区域。


示波器使用了两只导电类型不同的晶体管，以及两颗分别用于正、负电压的稳压芯片。安装时请务必留意，78L05和79L05的标记非常相似，装反了的话，多半就得去买新的了。
晶体管稍微好区分一些。虽然电路板上只标出了导电类型，没有注明晶体管型号，但型号和位号都可以轻松地从电路图或元件安装图中查到。
这里的引脚成形要麻烦得多，因为三个引脚都得弯折。最好慢慢来，免得把引脚弄断。


这些引脚的弯折方式都一样，操作起来简单一些。
电路板上标明了晶体管和稳压器的安装方向，不过以防万一，我还是拍了张照片，展示它们应该怎么装。


套件里有一个功率相对较大的电感，用在转换器中产生负电压；另外还有一个晶体谐振器。
这两个元件的引脚都不用弯折。


再说说晶体谐振器，它的频率是8 MHz，本身没有极性。不过最好在下面垫一小片胶带，因为它的外壳是金属的，而且会压在电路走线上。电路板虽然涂有阻焊层，但我还是习惯在这种情况下垫点东西，以确保安全。
别奇怪，我一开始说处理器的最高频率是72 MHz，装上的晶振却只有8 MHz。处理器内部有分频器，有时也有倍频器，所以内核完全可以工作在例如8×8=64 MHz的频率上。
不知为何，电路板上电感的焊盘一个是方形、一个是圆形，尽管电感本身是无极性元件，所以直接焊上去就行，最好别弯折引脚。


套件里给了不少电解电容，它们的容量都是100 µF，耐压为16 V。
焊接时一定要注意极性，否则可能会出现烟花效果 :)
电容较长的引脚是正极。电路板上既在对应引脚旁标出了极性，也在标示电容位置的圆圈旁做了标记，相当方便。
这里标出的是正极引脚。有时标的是负极，这种情况下圆圈大约有一半会涂黑。另外还有一家电脑硬件厂商华硕，标记时涂黑的却是正极一侧，所以一定要仔细确认。


我们慢慢说到了一个比较少见的元件：微调电容。
这种电容的容量可以在较小范围内调节，例如10–30 pF；它的容量通常也不大，一般不超过40–50 pF。
严格来说，它是无极性元件，怎么焊都可以，但有时焊接方向还是有讲究的。
电容上有一个供螺丝刀调节的槽（像小螺钉头上的槽），它与其中一个引脚电气相连。这个电路中，电容的一个引脚接电路板的地线，另一个则接其他元件。
为了减小螺丝刀对电路参数的影响，焊接时应让与调节槽相连的引脚接到电路板的地线上。
电路板上标明了焊接方向，后面的评测中也会有照片展示这一点。


按钮和开关。
这里很难装错，因为想把它们装错都不容易：）
只提醒一点：开关的外壳引脚要焊到电路板上。
对于开关来说，这样做不仅能增加牢固度，还能让开关外壳与电路板的公共端相连，使外壳起到屏蔽干扰的作用。


连接器。
从焊接角度来说，这是最难的部分。难点不在于元件精细或体积小，恰恰相反，有时焊点很难加热，所以焊接BNC连接器最好用功率大一些的烙铁。


照片中可以看到——
BNC连接器、额外的电源连接器（这里唯一可能装反的连接器）和USB连接器的焊接情况。


显示屏的连接器出了点小问题。
套件里漏放了一对双排针，用来固定显示屏远离信号连接器的那一侧。


不过看了信号连接器的引脚排列后，我发现有些引脚可以直接剪下来，代替缺少的引脚。
我本可以打开桌子抽屉，拿出一个这样的连接器，但那样就没意思了，而且某种程度上也不太公平。


把连接器的母座部分焊到电路板上。


电路板上有一个内置1 kHz信号发生器的输出，后面会用到。虽然这两个焊盘彼此相连，我们还是要焊上一根跳线，方便连接信号线的鳄鱼夹。
跳线可以用剪下来的电解电容引脚，既长又比较硬。
这根跳线位于电源连接器左侧。


电路板上还有两处重要的跳线。
其中一处标为JP3，需要立即短接，用一小滴焊锡就可以。


另一处跳线稍微复杂一些。
首先，将万用表设为电压测量模式，测量稳压芯片引脚上方的测试点。另一支表笔接到任意一个与电路板公共端相连的触点上，例如USB连接器。
给电路板供电，然后检查测试点的电压。如果一切正常，这里的电压应该在3.3 V左右。


之后，位于稳压器稍偏左下方的跳线JP4也要用一滴焊锡短接。


电路板背面还有四个跳线，不要动它们。这些是工艺跳线，用于电路板诊断以及让处理器进入烧录模式。


回到显示屏。正如我前面所说，为了替代缺失的触点，我不得不剪掉几组触点。
不过组装时，我决定不剪掉最边上的触点，而是从中间剪掉几组，再把最边上的一组焊回原位，这样安装时就不容易弄混了。


虽然显示屏贴了保护膜，但我还是建议焊接连接器时用一张纸盖住屏幕。这样，焊接时沸腾的助焊剂飞溅出来的液滴就会落在纸上，而不是屏幕上。


好了，可以接通电源检查了 :)
顺便说一下，我们之前焊接的其中一只二极管用于防止电源接反损坏电子元件。开发者考虑得很周到，因为电源极性接反，几秒钟就能烧坏电路板。
电路板上标注的供电电压是9 V，同时注明电压范围最高可达12 V。
测试时，我用12 V电源给电路板供电，也试过用两节串联的锂电池供电。区别只是屏幕背光稍暗了一些。我想，如果使用低压差5 V稳压器并去掉保护二极管（或者将它并联在电源两端并加装保险丝），完全可以放心地用两节锂电池给电路板供电。
也可以使用3.7-5 V电源转换器。


电路板顺利启动后，调试前最好先清洗一下。
我用丙酮，虽然现在已经禁止销售，但我手头还剩一点。也有人用甲苯，实在不行的话，医用酒精也可以。
不过电路板一定要清洗，不必整块泡进去，用棉花从底面擦一遍就够了。


要特别注意工作模式开关和输入接口。
虽然频率不算太高，但助焊剂带来的寄生电阻也可能造成问题。


最后，用套件附带的支撑柱把电路板架起来。支撑柱当然比需要的稍短一些，装上后有点晃，但总比直接放在桌上方便。更不用说元件引脚可能会刮伤桌面，而且架起来后，电路板下面也不会塞进东西造成短路。


第一次检查使用内置信号发生器。为此，将红色绝缘套的鳄鱼夹接到电源接口旁的跳线处，黑线不用接任何地方。


差点忘了，简单说说各个开关和按钮的作用。
左侧有三个三档开关。
最上面的开关用于切换输入工作模式。
接地
不考虑直流分量的工作模式，也就是AC模式，或输入耦合模式。适合测量交流信号。
可测量直流信号的工作模式，也就是输入直流耦合模式。可以测量包含直流分量的电压。

第二和第三个开关用于选择电压轴的刻度。
如果选择1 V，表示在该模式下，屏幕上一个刻度格的幅度对应1 V。
其中，中间的开关用于选择电压档位，下面的开关用于选择倍率，因此通过这三个开关可以选择九种固定电压档位，每格从10 mV到5 V。

右侧是用于控制扫描和工作模式的按钮。
下面从上到下介绍各个按钮。
1. 短按可启用HOLD模式，即冻结屏幕上的读数；长按（超过3秒）可启用或关闭信号参数的数字显示，包括频率、周期和电压。
2. 增大所选参数的按钮
3. 减小所选参数的按钮。
4. 切换工作模式的按钮。
扫描时间调节范围为10 µs至500 s。
选择触发模式：自动、普通和单次。
选择触发器捕获信号的边沿：上升沿或下降沿。
选择触发器捕获信号的电压电平。
水平滚动波形，可以查看“屏幕之外”的信号。
设置波形的垂直位置，便于测量信号电压，也适用于波形超出屏幕的情况……
复位按钮，用于重启示波器。后来发现，有时这个功能还挺方便。
按钮旁边有一颗绿色LED，示波器完成同步时会闪烁。

关闭仪器时会保存所有模式设置，下次开机时会恢复关机前的模式。

电路板上还有一个USB接口，但据我了解，这个版本并未使用该接口；连接电脑后会提示发现未知设备。
此外还有用于给设备刷写固件的触点。

通过按钮或开关选择的所有模式，都会显示在示波器屏幕上。


我没有更新软件版本，因为目前安装的已经是最新版本113-13801-042。


仪器的校准非常简单，内置信号发生器就能派上用场。
连接内置方波信号发生器后，你很可能会看到下面这种情况：波形不是规整的方波，而是顶部或底部的拐角向下或向上倾斜。


转动微调电容即可进行校正。
共有两个电容：在0.1 V档调节C4，在1 V档调节C6。10 mV档无需校正。


调节时要让屏幕上的方波变得规整，如照片所示。


我用另一台示波器看了这个信号，在我看来，它足够“平稳”，可以用来校准这台示波器。


虽然电容安装得没问题，但即便如此，金属螺丝刀还是会带来轻微影响：只要螺丝刀头还压在可调元件上，结果就不变；一拿开，结果就会稍有变化。
这种情况下，要么一点点微调，要么使用塑料（绝缘）螺丝刀。
我这把螺丝刀是从某个海康威视摄像头上拿到的。


一头是十字形刀头，不过尖端削平了，正好适合调这种电容；另一头则是平口的。


这台示波器更多是用来学习工作原理的，并非真正意义上的完整仪器，所以我觉得没必要做全面测试，不过还是会展示并检查一些基本功能。
1. 差点忘了，有时工作时屏幕底部会冒出厂商的广告 :)
2. 显示信号参数的数字读数，输入信号来自内置方波发生器。
3. 这是示波器输入端的本底噪声。我在网上看到过相关说法，也有人提到新版本的噪声水平更低。
4. 为了确认这确实是模拟部分的噪声，而不是干扰，我把示波器切换到了输入端短路模式。


1. 我把时基切换到了每格500秒，说实话，这也太极限了。
2. 输入信号幅度可以从每格10 mV开始调节
3. 最高可到每格5 V。
4. 来自DS203示波器信号发生器的10 kHz方波。


1. 来自DS203示波器信号发生器的50 kHz方波。可以看出，频率到这个程度时，信号已经严重失真。再输入100 kHz就没什么意义了。
2. 来自DS203示波器信号发生器的20 kHz正弦波。
3. 来自DS203示波器信号发生器的20 kHz三角波。
4. 来自DS203示波器信号发生器的20 kHz锯齿波。


接下来，我想看看仪器在输入模拟信号发生器输出的正弦波时表现如何，并与自己的DS203进行比较。
1. 频率1 kHz
2. 频率10 kHz


1. 频率100 kHz。这个套件无法选择小于10 ms的时基，所以只能这样了 :(
2. 这是从DS203输入的20 kHz正弦波，不过使用的是另一种输入衰减档位。前面展示过这种信号的截图，当时衰减档位设为1 V × 1；这里则是0.1 V × 5。
下面可以看到这个信号输入DS203后的波形。


由模拟信号发生器输入的20 kHz信号。


两台示波器的对比照片：DSO138和DS203。两台都连接到模拟正弦波信号发生器，频率为20 kHz，两台示波器设置为相同的工作模式。


总结。
优点
有趣的教学套件
电路板制作精良，防护涂层牢固。
即使是刚入门的无线电爱好者，也能组装这套套件。
配件考虑周到，套件里还附带了备用电阻，令人惊喜。
说明书对组装过程介绍得很详细。

缺点
输入信号频率范围较低。
套件里漏放了两个用于固定显示屏的触点
包装比较简陋。

我的看法。简单说吧，要是我小时候有这样一套玩具，我大概会非常开心，哪怕它有这些缺点。
详细来说，这套套件确实让我很满意。我认为它是很好的入门基础，既能积累组装和调试电子设备的经验，也能学习使用示波器——这对无线电爱好者来说是非常重要的仪器。它虽然简单，没有存储功能，频率也不高，但总比折腾声卡强得多。
当然，不能把它当作专业仪器，但它本来也不是以此为定位；作为一套组装套件，它已经相当不错了。
我为什么订购这套套件？纯粹是因为好奇，毕竟我们都喜欢玩具 :)

希望这篇评测有趣又有用，欢迎大家提出测试方案建议 :)
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另外附上单独的电路图。

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