STM32F103用CubeMX实现ADC欠采样：用800Hz采样率捕获1kHz正弦波的保姆级教程
STM32F103用CubeMX实现ADC欠采样：用800Hz采样率捕获1kHz正弦波的保姆级教程
当信号频率超过奈奎斯特采样定理的限制时，传统方法会要求我们提升采样率。但通过欠采样技术，我们能够以远低于信号频率的采样率捕获高频信号。本文将手把手教你如何在STM32F103上实现用800Hz采样率准确捕获1kHz正弦波。
1. 硬件准备与环境搭建
在开始之前，我们需要准备以下硬件和软件环境：
- STM32F103C8T6开发板（蓝色药丸板即可）
- USB转TTL串口模块（用于数据传输）
- 信号发生器（或能输出1kHz正弦波的设备）
- STM32CubeMX v6.x
- Keil MDK-ARM或STM32CubeIDE
- VOFA+（或其它串口波形显示工具）
提示：如果使用其它STM32F103系列开发板，只需注意引脚兼容性。VOFA+是一款免费的串口数据可视化工具，支持多种协议。
安装好开发环境后，我们先计算几个关键参数：
采样间隔 = 1/800Hz = 1.25ms 等效采样率 = 信号频率 × 每周期采样点数 = 1kHz × 4 = 4kHz2. CubeMX工程配置
启动CubeMX并按照以下步骤配置：
2.1 时钟树设置
- 选择外部晶振（HSE）作为时钟源
- 配置系统时钟为72MHz
- 设置APB2总线时钟为72MHz（ADC时钟源）
关键参数表：
| 参数 | 值 |
|---|---|
| HCLK | 72MHz |
| APB1 | 36MHz |
| APB2 | 72MHz |
| ADC预分频 | 6分频 |
| ADC时钟 | 12MHz |
2.2 ADC配置
- 启用ADC1
- 选择"Regular Conversion Mode"
- 设置"Data Alignment"为Right
- 启用"DMA Continuous Requests"
- 配置"Number Of Conversion"为1
// 生成的ADC初始化代码片段 hadc1.Instance = ADC1; hadc1.Init.ScanConvMode = DISABLE; hadc1.Init.ContinuousConvMode = DISABLE; hadc1.Init.DiscontinuousConvMode = DISABLE; hadc1.Init.ExternalTrigConv = ADC_EXTERNALTRIGCONV_T3_TRGO; hadc1.Init.DataAlign = ADC_DATAALIGN_RIGHT; hadc1.Init.NbrOfConversion = 1;2.3 定时器配置（TIM3）
- 启用TIM3
- 设置时钟源为内部时钟
- 配置为"Trigger Output"模式
- 设置预分频器(PSC)为999
- 设置自动重载值(ARR)为89
定时器参数计算：
定时器频率 = 72MHz / (PSC+1) = 72,000Hz 定时周期 = (ARR+1) / 定时器频率 = 90 / 72,000 = 1.25ms 触发频率 = 1 / 1.25ms = 800Hz2.4 DMA配置
- 添加DMA通道（ADC1）
- 设置模式为"Circular"
- 数据宽度为"Word"
- 内存地址递增
// DMA配置示例 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_WORD; hdma_adc1.Init.MemDataAlignment = DMA_MDATAALIGN_WORD; hdma_adc1.Init.Mode = DMA_CIRCULAR;3. 代码实现与调试
生成代码后，我们需要添加一些用户代码来实现完整功能。
3.1 主程序逻辑
#define SAMPLE_SIZE 400 // 采集400个点（约5个周期） uint32_t adcBuffer[SAMPLE_SIZE]; int main(void) { HAL_Init(); SystemClock_Config(); MX_GPIO_Init(); MX_DMA_Init(); MX_ADC1_Init(); MX_TIM3_Init(); HAL_ADC_Start_DMA(&hadc1, adcBuffer, SAMPLE_SIZE); HAL_TIM_Base_Start(&htim3); while (1) { // 数据通过DMA自动采集 // 可通过串口定期发送数据 } }3.2 串口发送数据
添加串口发送函数，将采集到的数据发送到上位机：
void sendDataToPC(uint32_t *data, uint16_t size) { for(int i=0; i<size; i++) { uint16_t value = data[i] & 0xFFFF; // 取低16位 uint8_t buffer[2]; buffer[0] = value >> 8; buffer[1] = value & 0xFF; HAL_UART_Transmit(&huart1, buffer, 2, HAL_MAX_DELAY); HAL_Delay(1); // 防止发送过快导致丢包 } }3.3 VOFA+配置
- 打开VOFA+，选择串口模式
- 设置正确的串口号和波特率
- 选择"FireWater"协议
- 添加波形显示控件
- 设置Y轴范围为0-3.3V（对应ADC值0-4095）
4. 结果分析与优化
当信号发生器输出1kHz正弦波时，我们将在VOFA+上看到类似下图的波形：
采样点分布示例： 周期1：点A(0°) → 周期2：点B(90°) → 周期3：点C(180°) → 周期4：点D(270°) 周期5：点A(0°) → 周期6：点B(90°) → ...常见问题及解决方案：
波形不连续或错位：
- 检查定时器配置是否正确
- 确保信号频率准确为1kHz
- 调整采样点数使其为信号周期的整数倍
ADC值不稳定：
- 添加RC低通滤波电路（如1kΩ电阻+100nF电容）
- 在代码中添加软件滤波（如移动平均）
数据传输丢失：
- 降低串口波特率（如改为115200）
- 增加发送间隔时间
对于更精确的应用，可以考虑以下优化：
- 使用定时器的主从模式实现更精确的触发
- 添加硬件触发同步电路
- 实现自动增益控制(AGC)适应不同幅值信号
在实际项目中，我发现最关键的三个参数是：
- 定时器触发间隔的精确性
- 信号频率的稳定性
- 采样点数与信号周期的匹配关系