小巧简易的示波器

前段时间我发布过一篇评测，介绍了一套可以组装成简易示波器的套件。其他方面都还不错，但它能测量的信号频率范围非常有限。倒不是说这次评测的仪器有多厉害，不过它标称的带宽最高可达4 MHz。
来看看这是什么东西，以及它是怎么工作的吧 :)



这款示波器从一开始就在卖家页面上被定位为教学用产品，也就是说，它面向的是没有相关经验的初学者。这类用户离熟练操作更“高级”的机型还差得很远，也很容易被弄糊涂。

先来看技术参数，部分内容翻译得不太准确，先说声抱歉。
采样率：20 MSa/s
模拟带宽：4 MHz
采样精度：8 bit
缓存大小：650 byte
垂直灵敏度：10 mV/div～5 V/div（按1-2-5步进）
水平扫描速度：1.5 µs/div～6 ms/div（按1-2-5步进）
显示屏：2.4英寸TFT，320×240（驱动芯片ILI9325）
输入阻抗：1 MΩ
最大输入电压：40 Vpp（探头1:1），400 Vpp（探头10:1）
输入信号：AC
波形保持功能（HOLD功能）

这款示波器有几种套装可选（价格为商品页面上的参考价）：
1. 示波器+USB电源线——$17.40
2. 示波器+电源线+探头——$20.09

也可以单独购买：
3. 40 MHz探头——$2.69
4. BNC-BNC线+BNC转鳄鱼夹线——$1.74

我订的是第二种套装。最后收到的是这样两个包裹。
顺便说一下，示波器和LCR表是从同一个卖家那里买的，所以运费便宜了一些。


由于运费取决于重量，我先称了第1种套装的重量，然后又称了第2种完整套装。


接下来检查一下，先看看配件。
大包里装着探头、电源线和一些小东西。包装袋比较厚实，带有“封口”，以后用来收纳这些额外的“家当”很方便。


电源线一端是常见的USB插头，另一端是直径3.5 mm的圆形插头。
探头很普通，线缆比较柔软。


套装里附有说明书，看完后我才发现配件其实并不齐全：少了一个弹簧式接地触点和四个彩色标记环。标记环倒无所谓，没有也能凑合，但少了接地触点就挺可惜的，我本来很需要它 :(


探头内置1:10衰减器，并带有相应的切换开关。接地触点套有绝缘层，不过鳄鱼夹相当“硬”。
前面展示过说明书，按说明书所说，我这支探头适用于最高40 MHz的频率和最高600 V的电压。示波器本身的指标要低一些，所以探头的余量相当充足。


探头可以进行补偿调节，不过我测试时用的频率明显低于上限，因此调节并没有带来任何影响。
套装里还附了一把调节用的小螺丝刀，不过它对我来说更适合用来操作示波器，而不是调探头。需要注意的是，这把螺丝刀是探头的配件，不是示波器的配件。顺便说一句，我觉得探头价格相当便宜；在我们这边的线下店里，它们要贵得多。



这就是本次评测的主角。
外观看起来很像学校里“手工兴趣小组”的作品：外壳很简单，不过用了激光雕刻，而不是普通贴纸。当然，这和实际使用没什么关系。


机身顶部是一块2.4英寸彩色显示屏，分辨率为320×240。我的DSO203屏幕尺寸和分辨率都更大一些（400×240），不过差距不算太大。
右侧是控制按键，操作非常简单，没有菜单、设置之类的东西。总共就五个按键：
1、2. 输入电压范围为每格0.01～5 V，共9档。
3、4. 扫描速度为每格1.5 µs～6 ms，共12档。
5. Hold键，只用于冻结显示屏上的读数。后来我发现，在某些情况下它是最常用的按键。


机身顶部端面上有一个BNC输入接口，还有电源开关和电源接口。
顺便提一下，这台仪器的功耗只有约150 mA，因此可以用电池供电。不过它相当灵敏，所以建议使用两节锂电池，并搭配一只低压差线性稳压器。 在网上搜索时加上前缀“Low Drop”。


底部有一个孔，可以用来调节零点微调电阻。


这套结构拆起来很简单，先拧下底部的四颗自攻螺丝。


然后拧下顶部的四颗螺丝，就可以取出电路板。外壳上为接口钻了孔，所以要从这个孔的一侧把电路板取出来。


里面可以看到示波器电路板，以及许多无线电爱好者都很熟悉的显示屏。如果我没记错，DSO138也用了同款显示屏。


显示屏仅靠插接件固定，上方由外壳压住，下方则熔接了两个塑料支柱。


这块电路板做得相当不错，每个元件旁边不仅标有位号，还标了参数，这种情况非常少见。简直是“维修人员的梦想” :) 我以前还拍过一个视频，讲怎么判断烧坏电阻的阻值；在这块板上就用不着了。


电源和输入运算放大器部分。焊接质量相当不错，不过感觉有些元件是在组装后更换过的，能看到助焊剂残留。


输入电路和信号分压器。遗憾的是，这台示波器只能测量交流信号，不过对大多数用途来说已经绰绰有余。
输入端串联了一个330 nF、250 V的电容。


输入分压器。电路板上装有簧片继电器，分压器有9档输入电压。前3个继电器位于第一级运放电路中，另外两个位于第二级运放电路中，因此共有3×3=9种组合。


零点调节电阻。示波器刚到手时零点已经“漂移”了，我调好后，实际使用发现零点还是时不时会“飘”，所以经常得拿螺丝刀调一调。


示波器的元件：
1. 输入级双运放LM6172，最高频率100 MHz。
2. ADC——ADS830E，最高频率60 MHz。
3. 异步FIFO缓冲器，访问时间不超过12 ns。
4. Atmega16A微控制器，左侧是20 MHz晶体谐振器。
5. 一颗普通逻辑芯片。
6. 7660电压转换器，产生-5 V电源。
电路板上还有一个3.3 V线性稳压器，照片上方可以看到。


底面的焊接质量还算不错，不过助焊剂实在太多了。


除了电路板上标有元件参数之外，还附有原理图。不过这是另一种供电方案。这里的电源不是由7660提供，而是直接用分立元件搭建了一个双电源市电电源。
遗憾的是，原理图的质量稍差了点，不过有总比没有好。
图中可以看到输入衰减器、ADC、缓冲器，以及带显示屏的微控制器。电路设计简单得不能再简单，不过对于本质上只是个玩具的设备来说，已经相当不错了。


我们再仔细看看这台示波器是用什么方案搭建的。
信号经过第一级衰减器后，马上进入放大器。
这里用了一颗相当不错的运放，带宽可达100 MHz；相比标称的4 MHz，余量非常充足。


接下来是一颗不错的Burr-Brown 8位ADC，最高频率为60 MHz，同样有很大的余量。
有意思的是，我在用的DS203虽然采用了双通道ADC，但采样率只有40 MSa/s。


据我理解，这个FIFO缓冲器的最高工作频率约为80 MHz。用的是IDT7205，看起来这个系列还有军用版本。


再往后，信号显示、刻度网格绘制以及频率测量都由Atmega16A负责。


首先，我决定先评估一下噪声水平。 输入端没有短路；如果短接，屏幕上只会显示一条直线。
左边是示波器平放在桌上，右边是我把手放在输入衰减器附近的外壳上。


别担心，示波器屏幕实际看起来漂亮得多，显示清晰、对比度也很高。


只是示波器不能直接截图，所以只好用“老办法”了。


首先，我用自己常用的DS203内置的信号发生器。
20 kHz的锯齿波和三角波，分别是被测示波器和我的示波器看到的波形，效果相当不错。


20 kHz的正弦波和方波。
正弦波吻合，但方波的上升沿明显变缓了。


我猜前面信号发生器工作在DDS模式，所以把频率提高到20 kHz以上，因为在这种模式下，工作的确实是方波发生器。
200和500 kHz。可以说表现还不错，若不是一张波形图里一个边沿变缓，另一张里另一个边沿变缓的话。看起来就像图像被镜像了。两种情况下都使用了DS203的线缆，依次接到两台示波器的输入端。


这时我偶然发现了一个有意思的现象：可能是程序错误，也可能是有意为之，但示波器可以把扫描时间明显缩短到标称的每格1.5 µs以下。
我开始循环切换扫描模式，延长扫描时间后，信号就被拉伸了。
当然，频率计开始显示一个“瞎编”的数值。


好吧，这下有意思了，输入1 MHz。


左边是1.5 µs，右边是“错误”的拉伸模式。


输入2 MHz。


我心想，这下“彻底歇菜了”：屏幕上一团糟，第一种模式下看不清，第二种模式下几乎成了三角波。


但我不死心，又输入了4 MHz。连我的示波器屏幕上显示的都只是个勉强像方波的东西。


而被测这台“小家伙”的屏幕上简直惨不忍睹，不过……
1. 最短扫描时间下的原始信号，频率计工作正常，显示输入的4 MHz。但这波形实在让人不忍直视。
2. 像前面那样延长扫描时间，怎么样，变成三角波了。
3. 把输入衰减器从每格1 V调到0.5 V试试。哦，已经明显好多了。
4. 再把扫描时间拉长一些。甚至有点像方波了 :)

另一方面，本来也没人承诺它能测到4 MHz以上。


接下来的实验我就在这个模式下进行。顺便说一下，内置频率计在频率达到6 MHz时就开始显示乱七八糟的数值了。不过后来发现，屏幕上显示的频率仍然是输入信号实际频率的整数分频。
1. 6 MHz，屏幕显示为2 kHz，也就是小了3000倍。
2. 8 MHz，屏幕显示2.8 kHz，也比8 MHz小了约3000倍。

但它确实能工作。我感觉它似乎以某种方式只显示了实际信号的一部分，而且信号被大幅分频了，也就是说，从信号中“抽掉”了大部分内容，波形才变得像样。
可惜我手头没什么设备能测试更高频率。


公平地说，一开始我还用另一台信号发生器做过测试。


如果不是测试过程中注意到一些细节，我本来不会把这些内容加进评测。
先看8 MHz信号的原始状态，以及像前面那样拉伸后的波形。


但如果再进一步拉伸，它就会变成这样。也许这些信息能给某些人一些思考的线索。


这是用这台信号发生器输出的三角波和锯齿波，在被测示波器和我的主力示波器上的显示效果。
频率为65 kHz。


既然在做测试，那就看看这台示波器处理更接近实际的信号时表现如何。比如，这是我某篇电源评测中的一张波形图。 不过这里用的是并联在探头上的电容，就像我最近几篇电源评测里做的那样。


同一台电源，负载也大致相同，只是信号显示参数不同。
看起来像吗？我觉得像。


可能有人觉得我上面展示的波形不太直观，所以我找了一台纹波波形更常见的电源。
同一台电源，左侧负载为50%，右侧为100%。两种情况下的波形都一致，而且被评测的这台示波器还可以把图像横向放大2倍或4倍。
不过，我的示波器已经工作在最低的50 mV/div档位，而被评测的这台还能再提高5倍灵敏度，达到10 mV/div。不过还发现了一个小小的“特点”：一台示波器测出的纹波峰峰值比另一台大。顺便说一下，被评测这台显示的峰峰值相当准确。


合影：DSO138、被评测的示波器和DS203。


总结一下，这台示波器给我留下了不错的印象，首先是元器件选型相当不错，电路设计也很简单。功能方面，它当然比不过DSO138，更不用说DS203了；但从性能指标来看，它比DSO138高出一大截，我甚至觉得有些方面并不比我的示波器差。别忘了，DS203使用的ADC最高采样频率为40 MHz，而这台被评测的示波器是60 MHz。
输入衰减器没有采用复杂的切换开关，只用了最简单的继电器，不过这个方案确实可行。
缺点之一是输入模式只有AC，没有像DSO138和DS203那样提供AC/DC模式。
优点则是操作极其简单。不过遗憾的是，内置触发器在保持信号显示方面还是有些问题。这正是我上面提到Hold按钮时说的情况。有些时候，示波器无法稳定地将信号保持在屏幕上，波形会开始“抖动”；按下Hold按钮后，通常就能正常显示，只是需要适应一下。
最奇怪的问题，是20 kHz下的方波。

除此之外，对于刚入门的无线电爱好者来说，这是个很有意思的选择，操作简单，也能用于实际场景，比如检修电源。
此外，这台示波器带外壳销售（这既是优点也是缺点），并且使用5 V供电。我试过用充电宝给它供电，工作得很好。

我是通过代购yoybuy.com买的，套装价格约22美元，运费取决于国家，评测中列出了各个部件的重量。
如果通过这个链接在代购平台注册，应该能获得一张满50美元减10美元的优惠券。这个是推荐链接，不过我不会从中获得任何收益。


这次就到这里，和往常一样，欢迎提问，希望这篇评测对你有帮助。