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STM32F103用CubeMX实现ADC欠采样：用800Hz采样率捕获1kHz正弦波（附工程源码）

news 2026/4/22 16:01:45

STM32F103实战：用CubeMX配置ADC欠采样捕获1kHz正弦波

在嵌入式系统开发中，ADC采样是获取模拟信号的关键技术。传统采样理论告诉我们，采样频率必须至少是信号最高频率的两倍（奈奎斯特采样定理），但欠采样技术却打破了这一常规认知。本文将手把手教你如何在STM32F103平台上，通过CubeMX配置TIM触发ADC，实现用800Hz采样率捕获1kHz正弦波信号的完整过程。

1. 硬件准备与环境搭建

1.1 所需硬件清单

STM32F103C8T6最小系统板（Blue Pill开发板）
USB转TTL串口模块（用于VOFA+数据可视化）
信号发生器（或能输出1kHz正弦波的任何设备）
示波器（可选，用于验证信号质量）
杜邦线若干

1.2 软件工具准备

STM32CubeMX（版本6.5.0或更高）
Keil MDK-ARM（或STM32CubeIDE）
VOFA+（串口数据可视化工具）
串口调试助手（如Putty）

提示：VOFA+是一款功能强大的串口数据可视化工具，支持多种协议和显示方式，特别适合嵌入式开发中的实时数据展示。

2. CubeMX工程配置详解

2.1 时钟树配置

STM32F103的ADC时钟最大为14MHz，我们需要合理配置系统时钟：

选择外部高速时钟（HSE）
设置系统时钟为72MHz
APB2总线时钟设为72MHz（ADC挂载在此总线上）
ADC预分频设为6，得到12MHz的ADC时钟

// 时钟树关键配置（CubeMX自动生成） RCC_OscInitStruct.OscillatorType = RCC_OSCILLATORTYPE_HSE; RCC_OscInitStruct.HSEState = RCC_HSE_ON; RCC_OscInitStruct.PLL.PLLState = RCC_PLL_ON; RCC_OscInitStruct.PLL.PLLSource = RCC_PLLSOURCE_HSE; RCC_OscInitStruct.PLL.PLLMUL = RCC_PLL_MUL9;

2.2 ADC配置步骤

启用ADC1，选择通道（如通道0）
配置为"Regular Conversion"模式
设置数据对齐为右对齐
扫描模式禁用（单通道）
连续转换模式禁用（由TIM触发）
DMA设置：启用DMA连续请求，循环模式

// ADC初始化结构体关键参数 hadc1.Instance = ADC1; hadc1.Init.ScanConvMode = DISABLE; hadc1.Init.ContinuousConvMode = DISABLE; hadc1.Init.ExternalTrigConv = ADC_EXTERNALTRIGCONV_T3_TRGO; hadc1.Init.DataAlign = ADC_DATAALIGN_RIGHT; hadc1.Init.NbrOfConversion = 1;

2.3 定时器TIM3配置

定时器用于精确控制ADC采样间隔，关键参数计算：

目标采样率：800Hz
定时器时钟：72MHz
分频计算：72MHz / (1000 * 90) = 800Hz

具体配置：

选择TIM3
时钟源选择内部时钟
Prescaler(PSC)设为1000-1
Counter Period(ARR)设为90-1
触发输出(TRGO)选择更新事件

// TIM3初始化结构体 htim3.Instance = TIM3; htim3.Init.Prescaler = 999; htim3.Init.CounterMode = TIM_COUNTERMODE_UP; htim3.Init.Period = 89; htim3.Init.ClockDivision = TIM_CLOCKDIVISION_DIV1;

2.4 DMA配置

DMA用于高效传输ADC数据，避免CPU干预：

添加DMA通道（ADC1）
模式选择循环模式
数据宽度：半字（ADC为12位）
内存地址递增
外设到内存传输

// DMA配置结构体 hdma_adc1.Instance = DMA1_Channel1; hdma_adc1.Init.Direction = DMA_PERIPH_TO_MEMORY; hdma_adc1.Init.PeriphInc = DMA_PINC_DISABLE; hdma_adc1.Init.MemInc = DMA_MINC_ENABLE; hdma_adc1.Init.PeriphDataAlignment = DMA_PDATAALIGN_HALFWORD; hdma_adc1.Init.MemDataAlignment = DMA_MDATAALIGN_HALFWORD; hdma_adc1.Init.Mode = DMA_CIRCULAR;

3. 欠采样原理深入解析

3.1 传统采样与欠采样对比

采样类型	采样率要求	适用场景	优点	缺点
传统采样	≥2倍信号频率	低频信号	实现简单	高频信号需要极高采样率
欠采样	可低于信号频率	高频信号	降低硬件要求	需要精确同步

3.2 欠采样数学原理

欠采样本质上是利用了信号的周期性。对于1kHz正弦波：

信号周期：1ms
采样间隔：1.25ms（800Hz采样率）
相位增量：360° × (1.25ms/1ms) = 450° = 90°（模360°）

这样，每次采样点相当于在信号周期上移动90°，四个采样点就能完整重构一个周期。

3.3 实际应用中的限制

信号稳定性：被测信号必须严格周期稳定
时钟精度：定时器触发必须精确
相位同步：采样起始点影响重构效果
噪声影响：高频噪声可能导致混叠

注意：欠采样不适用于非周期信号或宽带信号，仅适用于单一频率或窄带信号。

4. 代码实现与调试技巧

4.1 主程序关键代码

#define ADC_BUF_LEN 256 uint16_t adcBuffer[ADC_BUF_LEN]; int main(void) { HAL_Init(); SystemClock_Config(); MX_GPIO_Init(); MX_DMA_Init(); MX_ADC1_Init(); MX_TIM3_Init(); HAL_TIM_Base_Start(&htim3); HAL_ADC_Start_DMA(&hadc1, (uint32_t*)adcBuffer, ADC_BUF_LEN); while (1) { // 数据通过DMA自动传输，主循环可处理其他任务 } }

4.2 VOFA+数据可视化配置

串口参数：115200bps, 8N1
协议选择"Float"模式
添加波形显示控件
设置X轴时间范围为4ms（显示4个周期）

# VOFA+数据格式示例（Python模拟） import serial import math import time ser = serial.Serial('COM3', 115200) for i in range(1000): t = i * 0.00125 # 800Hz采样率 phase = (t % 0.001) / 0.001 * 2 * math.pi # 1kHz信号相位 value = math.sin(phase) * 1000 + 2048 # 模拟ADC值 ser.write(struct.pack('<f', float(value))) time.sleep(0.00125)