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[Arduino] 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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发表于 7 天前 | 显示全部楼层 |阅读模式

爱科技、爱创意、爱折腾、爱极致,我们都是技术控

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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:

img1.jpg

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:

img2a.png

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:

img2b.png

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:

img3.png

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:

img4a.JPG

对 Arduino 端插针搞定,对高压端预留鳄鱼夹接口,搭棚效果如下:

img4b.jpg

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:

img5a.png

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:

img5b.JPG


【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:

img6.png

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:

img7a.png

预览下波形暂时没问题,唯独电压幅度有待优化显示:

img7b.png

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:

img8a.png

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:

img8b.png

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:

img9a.png

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:

img10a.png

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:

img10b.png

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:

img10c.jpg

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:

img10d.png

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。

img11a.jpg

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:

img11b.png

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:

img11c.png

关机瞬间则是直接电容停振,作为逆变器无可挑剔:

img11d.png

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:

img12a.JPG

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:

img12b.png

同样看下上电冲激,居然有基于 PWM 的软启动,真难为主控了:

img12c.png

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:

img13a.png

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:

img13b.png

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

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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!


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cbh1a + 30 優秀文章
沙漠臭屁虫 + 30
liupengge + 21 c. 只在晴天正午实验,尤其避免早晚。.

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发表于 7 天前 来自手机浏览器 | 显示全部楼层
牛掰,前排围观
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发表于 7 天前 | 显示全部楼层
高手就是高手
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发表于 7 天前 | 显示全部楼层
一点都看不懂牛b
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发表于 7 天前 | 显示全部楼层
大佬真厉害
前排膜拜ing
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发表于 7 天前 | 显示全部楼层
厉害厉害,这才是术业有专攻,我们都是门外汉
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发表于 7 天前 | 显示全部楼层
这真的不是在打广告吗,内味有点大啊
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发表于 7 天前 | 显示全部楼层
虽然不懂,但也津津有味看完了,难道这就是魅力所在?
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发表于 7 天前 | 显示全部楼层
高手高手高手
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发表于 7 天前 | 显示全部楼层
专业,这就是专业!从软硬件到思维,各方面都专业
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 楼主| 发表于 7 天前 | 显示全部楼层
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。
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 楼主| 发表于 7 天前 | 显示全部楼层
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!
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 楼主| 发表于 7 天前 | 显示全部楼层
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
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发表于 7 天前 | 显示全部楼层
这就有点牛了。哈哈
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发表于 7 天前 来自手机浏览器 | 显示全部楼层
确实不知怎么说,牛( ఠൠఠ )ノ
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发表于 7 天前 | 显示全部楼层
显示波形的 App ,讲究,牛
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发表于 7 天前 | 显示全部楼层
市电相位对得好齐啊 瞬间完成  这个牛逼
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发表于 7 天前 | 显示全部楼层
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
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发表于 7 天前 | 显示全部楼层
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。
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