用 Arduino 手搓示波器，测试一众交流电源的品质样貌，探究户外电源品质

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用 Arduino 有个好处：一言不合就能手搓仪表，例如示波器。

警告：本文包含专业电气操作，实验过程涉及高压采样测试，非专业请勿模仿。


【背景】

无人机玩多了，对于电力和充电宝的需求逐渐BT：

上万毫安只够充一块电池，那是不是买电池更方便？
无人机平均 1hr 充满，凭什么你个充电宝要 2hr+ 还不一定充的满？

索性入手了 DJI 户外电源，铁锂 512wh，2A+2C+2HV+SDC 输出，补电最快 1hr，放电最高 1kW：



非要按充电宝的写法，相当于 160000mah 的标称容量，
并且附赠 600W充电头 + 1kW逆变器 + 双PD-100W。这下再无电量焦虑。

考虑到这是 DJI 首次出户外电源，就找了个带坑的问题撩客服：逆变是否为纯正弦输出？
不想小姐姐卡住了，表示她也不懂，若有条件让我自己测....

这回答简直搞事情，万一我真有条件可咋整：转头望向了角落里的 Arduino.


【原理】

放假宅乡下，手头没趁手的示波器可用。好在有 Arduino，手搓一台测测工频并非难事。

基本上数字示波器原理如下：



模拟前端用于信号调理，使适配 ADC 采样范围；之后就是采集+存储+显示。

换成 Arduino+PC 的系统配置，可以这么搞：



手头基于 CH340 的 Arduino，可以在 250kbps 速率下连续传输不丢包，
这样对于 <25kSPS 的 8bit-ADC 可以直传 PC，存储与显示全由后者完成。

另一方面考虑 AVR 的 ADC 采样结构，FreeRun 模式下最高可到 1M/13 = 76.9 kSPS，
这速度用来分析工频波形已然足够；唯要做一套模拟前端，使 Arduino 可以轻松采集 220V/380V 瞬时值。


【模拟前端】

采集交流电压瞬时值，无非就是电阻分压，并设置合适的直流偏压点，确保测得准、不烧表。

考虑到 AVR 使用 5V-ADC，采集范围 0-5.0v，因而设计 AFE 模拟前端，将百伏双极性电压，转换为 0-5V 区间：



高压侧 R1-R3 组成带保护的分压网络，高压区限定在 R1、R3 以外确保安全。
最差情况下 L-N 对低压地出现共模干扰，也要确保不烧表。

低压侧 R4-R5-C1 组成偏压发生器，将双极性交流电转为 2.5V 对称单极性电压。
电路不复杂，直接在万用板上搭棚最为稳妥：



对 Arduino 端插针搞定，对高压端预留鳄鱼夹接口，搭棚效果如下：



理论上极限压差 Vmax= ±2.5V / 4.7k *(2M+4.7k) = ±1kV， 实际拿来测测交流电还不至于冒烟炸鸡。


【下位机】

经过上述规划，下位机 AVR 唯一功能就是： ADC 定周期采样 +串口不间断发送。

考虑到 Arduino-IDE 会后台写一堆中断实现逻辑时基，直接上 ICCAVR 实现单片机全掌控：



不使用任何中断，ADC 采集完成就 8bit 丢给串口，波特率确保发送不堆积。

当然 Arduino 主板也要选择正统 CH340 晶振版本，毕竟要连续 250kbps 不丢包：




【上位机】

从产品角度，PC上位机应该做个实时接收串口数据 + 显示波形的 App 才算讲究。

但考虑到实际使用场合，对于交流波形的存储+回放需求更为迫切。
于是直接上串口助手保存硬盘文件，这样可以无限长采集。不一会就获得了一堆数据：



预览数据也先偷个懒，直接 Goldwave 按照 unsigned 8bit 查看，输入正确的采样率就能有准确的时间轴：



预览下波形暂时没问题，唯独电压幅度有待优化显示：



随着数据增多，继续借用 Goldwave 显得太没诚意。勉强用 MFC+NTGraph 搭一个查看器凑合用：



直接加载串口数据显示波形，电压按 AFE 衰减比例换算好，支持拖动+缩放：



这样一来，示波器终于手搓的差不多了，该考虑往插座里怼了。


【测试：LN，LL】

示波器原本设计是测量逆变器波形的，但没经过实地比对，有效性存疑。于是首先测插座。

村里采用三相四线供电，A/B/C 相依次接入各家，N 线采用公共。
借此机会正好去隔壁小姐姐家拉来另一根相线，全浮地测试：



操作过程有一定危险性，轻则炸电脑，重则触电伤人。因而遵循特定原则：

a. 不饮酒，操作全程戴护目镜、电工手套；
b. 相线最后接入、最早断开，在线过程中人体不碰笔记本；
c. 只在晴天正午实验，尤其避免早晚。

首先是自家 L1-N1 波形：



不算差劲，也算不上好看。±320Vpp 的两个峰基本还在，但正弦走形严重。
应该是周边都在给小凉快充电的缘故，电网有一定畸变。

之后上小姐姐家 L2-N2：



样子多少比我家的好些，看样子距离我家 3N 数目的人家里，小凉快更多一些。

再之后开大，直接测量 L1-L2 波形。 先拿万用表感受下威压：



准与不准无所谓了，反正手滑肯定炸，笔记本SSD已定期备份，炸碎了正好换新，L1-L2 怼上测波形：



果然线电压来的给力，±590Vpp 的威压不是盖的，好在 AFE 和 Arduino 都撑住了。

仔细分析不难发现：

1. 线电压(LL)毛刺比相电压(LN)少些，提示零线(N)承受了不小的高频谐波电流；
2. 线电压(LL) ÷ 相电压(LN) < 1.732，提示三相中性点有偏移，背离我和小姐姐家这两相；
3. 相电压(LN)峰值 > 310v，侧面证实三相中点的偏移方向。

至此确认手搓的示波器可以测试工频交流，准备请出诸逆变器。


【测试：DJI vs 铁盒】

这次终于轮到 DJI 的户外电源了，着重测试稳定逆变、开关逆变状态的波形。



一顿操作终于放下心来，DJI 使用了纯正弦逆变输出，50Hz周期稳定：



虽然放大看有些许毛刺（高频谐波），但正弦的样子比电网要完美多了。

拖动看下开启逆变瞬间的冲激输出，居然做了软启动，非常难得：



关机瞬间则是直接电容停振，作为逆变器无可挑剔：



作为参考，翻出了压箱底的铁盒逆变器，标称是 1600W 修正弦波，实际 500W 都带不动：



上电就现原形了，就是个四管H桥，甚至关断电感还有明显过充：



同样看下上电冲激，居然有基于 PWM 的软启动，真难为主控了：



经此比较，终于放下心来：DJI 果然用料不凡，带软启动的纯正弦逆变，
店铺彩页不宣传，客服小姐姐不了解，还得用户自己测。

相比那些吹上天的虚标逆变器，真就该扔了。


【测试：DJI 动态路径】

DJI 对于电源的宣传，科普了一个动态路径的功能。
逆变器可以主动切换外部 AC220 与内部电池，实现类似于不间断电源 UPS 的功能。

果断测试之，这次依旧需要浮空测试。首先测试 AC220 离线瞬间：



在 AC220 离线不到 20ms 时间内，电池逆变成功开机并输出纯正弦。

接着测试 AC220 上线瞬间：



这次更让人震惊，DJI 居然通过微调周期的办法，实现了交流的同步投切。
电池关机瞬间，AC220 成功接入，正弦相位都严格对准。

至此，完全确认新入手的户外电源不简单，可以放心折腾四轴了。

最后附上文中涉及的固件：
Arduino下位机 - 9k6采样A0.rar (997 Bytes, 下载次数: 1)

2024-5-12 02:04 上传

点击文件名下载附件

Win32上位机 - 查看本地波形.rar (163.33 KB, 下载次数: 3)

2024-5-12 02:04 上传

点击文件名下载附件

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以上，用 Arduino 手搓了示波器，测试了一众交流电源的品质。

最终确认大疆户外电源使用了带软启动的纯正弦波逆变，交流路径管理正常，打消了使用顾虑。

最后祝大家周末愉快！

aacyxjz

牛掰，前排围观

xxwwmm2017

高手就是高手

ynqj2004

一点都看不懂牛b

吃烧饼喝三鹿

大佬真厉害
前排膜拜ing

yujay8027

厉害厉害，这才是术业有专攻，我们都是门外汉

cctv8139

这真的不是在打广告吗，内味有点大啊

aping365

虽然不懂，但也津津有味看完了，难道这就是魅力所在？

徽章电子

高手高手高手

沧浪氵

专业，这就是专业！从软硬件到思维，各方面都专业

t3486784401

cctv8139 发表于 2024-5-12 09:44
这真的不是在打广告吗，内味有点大啊

本来还有一台 ecoflow 电源，小毛病不能忍，被我手快退货了。

t3486784401

沧浪氵 发表于 2024-5-12 10:27
专业，这就是专业！从软硬件到思维，各方面都专业

感谢支持！

t3486784401

aping365 发表于 2024-5-12 10:00
虽然不懂，但也津津有味看完了，难道这就是魅力所在？

感谢支持！  写的时候还在担心电路部分是不是太单薄了，都没上运放

liuhaob

这个厉害

hat007

这就有点牛了。哈哈

jf201006

确实不知怎么说，牛( ఠൠఠ )ﾉ

沙漠臭屁虫

显示波形的 App ，讲究，牛

茶壹杯

市电相位对得好齐啊 瞬间完成  这个牛逼

fm007

市电波形看着偏差
修正波那个上下尖峰，看着可能是AFE那里电容失配造成的，类似于示波器输入需要调整电容

xyz_1234

还测了两根相线间的电压啊，比较危险。
楼主用的那两个1M的分压电阻，看尺寸估计额定耐压两三百伏。如果带点潮气锡渣什么的，飞弧打火损坏范围不小。
用个电压互感器安全点。