用于组装热门晶体管测试仪的套件

今天我想聊聊最受欢迎的自制测量仪器之一。更准确地说，不只是仪器本身，还有它的组装套件。
先说在前面，买成品可能更便宜，但自己动手组装仪器的乐趣又有什么能替代呢？
总之，感兴趣的话就进来看看吧 :)

这款仪器被认为是最受欢迎的多功能测量仪器之一，绝非偶然。
它组装简单、功能丰富，性能也相当不错，因此赢得了这样的口碑。
它问世已经有些年头了，最初由德国人Markus Frejek设计。不过后来不知怎么的，在项目发展到某个阶段时，他就不再继续推进这个项目了，之后由另一位德国人Karl-Heinz Kübbeler接手。
由于所需元件不多，各种无线电爱好者和DIY发烧友很快就开始仿制并改进它。
大约一年前，我分享过两个可供复刻的版本。
第一个增加了锂电池供电和配套充电电路。
第二个我做了更多改进，主要区别是稍微调整了编码器的连接电路，重新设计了用于测试稳压二极管的升压转换器控制方式，还对程序进行了改进。这样测试稳压二极管时就不用一直按着按钮了。另外，这块电路板上也集成了电池升压转换器和充电电路。
第二个版本发布时已经接近完善，唯一欠缺的可能就是图形显示屏了。

这篇评测要介绍的是一个更简单、但显示效果更直观的版本（得益于图形显示屏），入门级无线电爱好者也完全可以复刻。

照例先从包装说起。
套件装在一个小纸盒里寄到。比前几次好一些，不过我还是希望这类套件能用更漂亮的包装，比如彩色印刷、纸板再厚实一些。
盒子里是一袋装在防静电袋中的套件。


整套东西都封在防静电袋里，袋子带按扣，以后说不定还能派上点用场 :)


拆开后看起来可以说是“乱糟糟的一堆”。不过值得一提的是，显示屏正面朝着电路板放置，因此不太容易损坏，当然，邮政运输有时也能把不可能变成可能。


和之前的套件评测相比，今天这篇会稍微简略一些，因为在焊接方面没什么特别的新内容可说，我也不太想重复。不过，之前评测里没出现过的元件，我还是会多介绍几句。

电路板尺寸为75х63mm。
做工不错，组装和焊接过程让人心情愉快。




和DDS信号发生器的电路板一样，这块板上也有清晰的元件标号，但套件里同样没有附电路图。
和DDS信号发生器的电路板类似，厂家也采用了双层过孔的设计。不过有一处不知为何留了一小截“尾巴”状走线。


这台设备的“大脑”是Atmel生产的Atmega328微控制器。这可不是用于这款仪器的最强微控制器。我用的是Atmega644，似乎还有采用ATmega1284的版本。
其实问题不在微控制器的“性能”，而在于用于存储程序的闪存容量。设备逐渐增加了新功能，程序也越来越大，因此才会使用“脑子更好使”的控制器。
检查了这台仪器及其功能后，我可以说，这里的微控制器似乎已经被用到了极限；但与此同时，更高阶的版本恐怕也带不来什么新东西，因为不改进电路板就无法进一步提升。


这台设备采用了128×64图形显示屏。
最初版本的仪器使用的是2行、每行16个字符的显示屏，我的第一个版本也是如此。
后来项目进一步扩展，改用了4行、每行20个字符的显示屏，因为小屏幕往往根本显示不下所有信息。
之后，为了让使用更方便，开发者决定改用图形显示屏。关键区别在于，图形显示屏可以显示被测元件的图形符号。


这就是整套东西了。


当然也要把设备的原理图放上来 :)
一开始我本来是想根据电路板把原理图重新画出来，但画着画着就决定先上网找找，结果还真找到了。不过找到的原理图有一处小小的不准确，尽管它确实是这套件对应的图纸：图中漏掉了两个电阻和一个电容，它们负责频率测量输入。


下面单独介绍一下原理图中的关键部分。
红色标出的是最关键的部分，由六个电阻组成。选用这些电阻时必须格外仔细，仪器最终的测量精度取决于它们的精度。安装时也要注意方向和位置，装错了仪器虽然还能工作，但读数就会乱七八糟。
绿色标出的是基准电压产生电路。它同样重要，不过更容易复现，因为找到可调稳压二极管TL431，要比找到高精度电阻容易得多。
蓝色标出的是电源控制电路。
电路的设计方式是：按下按钮后，电源接通，微控制器随后自行“保持”供电，并可在需要时自行断电。

其余部分都比较常规，没什么特别值得关注的，包括晶体谐振器、显示屏接口和5 V稳压器。

正如我前面所说，这个电路之所以流行，主要是因为简单。最初的版本没有编码器接口电路（电阻R17、18、20、21），也没有频率计输入电路（R11、13和C6）。
这台仪器的核心其实在于：遍历连接到电阻矩阵的各路输出的切换组合，并测量由此得到的电压。
当年正是马库斯·弗雷耶克做出了这项工作，也由此开启了对这款有趣仪器的研究。
电路的各种附加功能，大概是在卡尔-海因茨·库贝勒开始研究之后才逐渐增加的。我可能记得不太准确，但据我所知，后来这台仪器才“学会”测量频率、充当频率发生器、测量电容的ESR、检测晶体谐振器和稳压二极管等等。
在这一过程中，中国厂商也对这款设备产生了兴趣，基于其中一个版本推出了套件，同时也在生产整机。


如我上文所说，电路的关键部分是几只电阻，它们必须有较高的精度。
这套组装套件配有标称精度为0.1%的电阻，精度由最后一道紫色环表示，特别感谢厂家。
在电阻阻值对照表中，精度最高的也只有0.05%。
组装这类仪器时，寻找高精度电阻往往会成为一个难题。


把这些电阻装到电路板上之后，我建议接着安装10kΩ电阻，因为它们数量最多，之后再找其他阻值会更方便。


套件里还配有其他阻值的电阻，为了方便组装，我把它们的标识列出来。
2只1kΩ
2只3.3kΩ
2只27kΩ
1只220Ω
1只2.2kΩ
1只33kΩ
1只100kΩ


所有电阻安装完毕后，电路板大致应该是这样。


电容和晶振的安装应该没什么疑问，元件标识我在之前的一篇评测里解释过，仔细一点就行。
只需特别注意10nF电容（标识103）以及电解电容的极性。


安装完电容后的印制电路板。


套件里有三只晶体管、一个7550稳压器和一只TL431可调稳压管。
按照标识将它们装到电路板上，元件位置和安装方向都有标注。


几乎所有主要元件都已安装完毕。


别忘了正确安装微控制器插座，插座装反了，之后可够你头疼的。


好了，主要元件已经安装完毕，现在完全可以开始焊接了。
经常有人问我焊接时用什么工具。
我用的是一款不知道厂家的焊锡丝，当时偶然买到的，买了不少。质量很好，但我也说不出哪里能买到，因为我自己也不知道，这事已经过去挺久了。
焊锡丝含有助焊剂，所以焊这种电路板时我不会另外使用助焊剂。
烙铁很普通，是Solomon的，不过接在一台小型焊台上，更准确地说，是接在带温度稳定功能的电源上（烙铁工作电压为24 V）。

这块电路板焊起来非常顺手，没有任何地方需要额外加助焊剂或清理。


“小零件”焊好后，就可以继续安装体积较大的元件了：
14脚ZIF插座
编码器
显示屏连接器的插座端
LED。


简单介绍一下几个新元件。
第一个是编码器。


我在维基百科上找到一张图，可以稍微说明编码器的工作原理。


简单来说，可以这样理解：
编码器（这里说的是照片里的这种）有两个开关触点，转动旋钮时触点会闭合。
不过它们的闭合顺序很巧妙：向一个方向转动时，先闭合第一个触点，再闭合第二个，随后第一个断开，最后第二个断开。
向相反方向转动旋钮时，整个过程正好相反。
微控制器根据触点闭合的先后顺序判断旋钮的转动方向。编码器旋钮可以连续旋转360度，没有像电位器那样的限位。
编码器用途很多，其中之一就是用作各种电子设备的调节器。
有时还会把它和按钮做在一起，按下旋钮时触点闭合；这个套件用的就是这种编码器。

编码器有很多种，有机械触点式、光学式、霍尔传感器式等。
它们也按工作原理分类。
这里用的是增量式编码器，转动时只输出脉冲；此外还有其他类型，比如绝对式编码器，它可以随时确定旋钮的转角，这类编码器常用于角度传感器。
想了解更多的话，可以看看这篇维基百科文章。


套件里还附带了一个插座。不过它和前一个插座不同，安装待测元件时不需要用力压住触点。
这个插座有两个位置，照片中分别是：
1. 插座打开，可以放入元件
2. 插座闭合，触点压住元件引脚。
顺便说一句，最好在插座打开的状态下安装和焊接，因为插座触点的位置会随着拨杆的位置稍微变化。


再说说LED的安装。
有时需要让LED高出电路板一些。可以手动调整高度，也可以用个小办法让这个过程更简单、更准确。
我用的是多股电缆的绝缘层。
先确定所需的安装高度，然后剪下一段相应长度的绝缘层，套在引脚上。
接下来就很简单了，把LED插到位并焊好即可。尤其是要把多个LED安装在同一高度时，这个方法特别方便，只要剪出所需数量、长度相同的小管段就行。
还有个额外好处：LED不容易被掰歪。


上述元件安装并焊好后，就可以进入最后一步：安装显示屏。
细心的读者会发现，我犯了个小错误，直到检查时才发现。
我把电源线焊反了。因为习惯使然，我把正极线焊到了方形焊盘上，负极线焊到了圆形焊盘上。这个套件正好相反，丝印也有标注。应该按照电路板上的标记焊接。
不过幸好没出什么问题，仪器只是没能开机，所以可以把电池反接保护算作一个优点。


首先安装并拧紧安装柱。要先装在主板上。
然后将插针部分插入插座。


这是因为显示屏有很多触点，但实际只用到其中一部分，所以必须按这个顺序安装。
把显示屏装回原位。


最后，安装孔应该能够对齐。
只要显示屏放正，触点就会自然对准。
焊接前别忘了用东西盖住显示屏正面。


都装好了，不过还剩一个元件。但别担心，我们没有漏焊任何东西，厂家把它放进套件里也不是没有原因的。
其实它并非多余，反而非常有用。


套件里附带了一只0.22 µF电容。
校准仪器时需要用到这只电容。我觉得厂家把它放进套件里做得很对，这样校准仪器时就不用再去找其他元件了。


好了，接上电池，然后……什么也没发生 :)
这很正常，虽然电路没有明显的电源开关，但开关确实是有的。
要启动仪器，需要按下编码器旋钮。之后处理器就会通电，同时向电源控制单元发出指令，并自行保持电源接通。


好了，仪器启动了，不过它显然不太满意，瞧屏幕上写了这么多。
我们来看看它到底哪里不对劲。


首先，仪器会在屏幕上显示电池电压，然后尝试进入元件检测模式。
由于没有连接任何东西，它会提示元件缺失或损坏。
不过仪器尚未校准，接下来会显示相应提示：
未校准！
校准时，需要将测试面板上的三个触点全部短接（本例中是中间的触点，以及左、右两组三个触点中各一个），然后启动仪器。其实也可以稍微换一种方法，后面我会讲到。


出现“isolate probe”提示后，取下短接片，让触点保持断开。
然后，按照提示，将随附的电容接到1号和3号端子上。


那么，我们来试着校准一下。
1. 我只需按住电源键几秒钟进入菜单，然后选择Selftest模式。
进入菜单——长按编码器按钮。
在菜单中移动——旋转编码器
选择参数或模式——短按编码器按钮

2. 仪器会提示短接触点。可以用一段导线或几小段跳线来短接，具体用什么无所谓，关键是把三个触点都连在一起。
3、4. 仪器会测量跳线、通往插座的走线等的电阻。


1、2. 接着又进行了一些看不懂的测量，最后提示——移除跳线。


我抬起拨杆，移除跳线，仪器还在继续测量。


1. 这一步需要在1号和3号端子之间接上套件附带的电容（其实也可以用别的电容，不过用附带的最省事）。
2. 装上电容后，仪器会继续测量。整个校准过程中都不用按编码器按钮，一切都是自动进行的。


好了，校准成功完成。现在可以使用这台仪器了。
如有需要，可以重新校准：再次在菜单中选择相应选项，然后重复上述所有操作即可。


我们简单看看菜单里的各个选项，了解一下这台仪器能做什么。
Transistor——测量半导体参数和电阻器阻值
Frequency——测量信号频率。信号接到电路板上的GND和F-IN触点，这两个触点位于显示屏右上方。
F-generator——不同频率的方波发生器。
10bit PWM——输出占空比可调的方波脉冲。
C+ESR——我不太明白这个菜单项的用途，因为选中后屏幕上只显示这几个字，除此之外什么也没有。
rotary encoder——检测编码器。
Selftest——这个选项我们已经用过了，用于启动自动校准
Contrast——调节显示屏对比度
Show data——这个稍后再介绍。
Switch off——强制关闭仪器。仪器本身有自动关机功能，不过并非所有模式下都会启用。

不知道为什么，远远看着这张照片，我想起了那台经典的VC。


再说说我不太明白的菜单项——Show data。
我不清楚它在实际使用中的具体用途，因为在这个模式下，屏幕会显示所有可能显示的内容。
此外，这个模式还会显示自动校准参数。




这个模式下也会显示屏幕上输出的字体。我觉得这更像是一个技术选项，只是用来检查显示效果，仅此而已。
最后一张照片是对比度调节模式。
初始设置为40，我试着调了调，但在我看来，原来的设置就是最合适的。


外观检查到此结束，可以开始测试了。
由于这台仪器用途相当广泛，我会随便测试一些不同的元件，不一定追求精确，但足以评估仪器的性能。
如果想让我测试某种特定类型的元件，欢迎留言，我会补上。
1. 电容，0.39025 µF，1%
2. 电容，7850 pF，0.5%
3. 某个Jamicon电容，1000 µF，25 V
4. Capxon电容，680 µF，35 V，低阻抗


Capxon电容，10000 µF，25 V


1. 电阻，75 Ω，1%
2. 电阻，47 kΩ，0.25%
3. 二极管，1N4937
4. 二极管阵列，25CTQ035


1. 双极型晶体管，BC547B
2. 场效应晶体管，IRFZ44N


1、2——22 µH电感
3、4——不同类型的100 µH电感


1. 继电器线圈
2. 内置发生器的蜂鸣器。


来看看仪器在信号发生器模式下的表现。
10 kHz
100 kHz
在我看来，即使是100 kHz，脉冲波形也完全可以接受。


信号发生器的最高频率为2 MHz。当然，这里的波形看起来就差多了，不过示波器探头设在1:1档，而且示波器本身的带宽也不高。
下面一项是1000.000 mHz，别和MHz搞混了。这只是把1 Hz的信号标成了这个名字 :)


输出模式，可调信号占空比。
频率：8 kHz


现在来看看内置频率计的性能。
信号源使用的是示波器内置的信号发生器。
1. 10 Hz方波
2. 20 kHz正弦波
3. 200 kHz方波
4. 2 MHz方波


不过到了4 MHz，频率计就「撑不住」了。最高可测频率为3.925 MHz，对于一台多功能仪表来说，这个成绩其实也相当不错。
遗憾的是，频率测量精度很难验证，因为很少有人手头有精度良好的校准信号发生器。不过在大多数业余应用中，这样的精度完全够用。


最后来张合影。
前几篇评测中的两台仪表，和它们的新「兄弟」一起亮个相。


总结。
优点
电路板做工不错。
配件齐全，可以组装成一台能正常工作的仪表，还附带校准电容。
套件中配有0.1%精度的电阻。
组装非常简单，过程也很愉快，完全适合零基础的新手。
组装完成后的仪表性能不错。
还意外发现，这台仪表有电源反接保护:)

缺点
套件包装非常简陋。
使用电池供电，要是能用可充电电池就好得多。

我的看法：我觉得这是一套非常不错的套件。作为送给无线电爱好者新手的礼物，我很愿意推荐。它缺少外壳，而且使用电池供电，电池用不了多久就得换，价格还不便宜。
让我很满意的是，套件里配了「合适」的电阻和校准电容。前者有助于提高精度，后者则让使用更方便，不必再到处找校准电容。组装完成后就能直接校准并使用。
当然，这套套件比买一台同款成品要贵。不过，自己动手组装的过程、学到的技能，以及虽不多但确实积累下来的经验，又该如何估价呢？

这次就写到这里，希望这篇评测对大家有所帮助，也希望大家能提出问题和补充建议。
我接下来还会评测另一款小巧的仪表，希望也会很有意思。我暂时还没找到它的原始版本，不过它到底是什么样，测试结果会告诉我们。

补充——链接：下载组装说明书（英文版）

本次评测所用商品由商家提供。