采样频率Hz 采样率KSPS或MSPS,两种单位的换算关系

本文详细阐述了微机继电保护中AD芯片的选择标准,包括采样精度和采样速率,并以AD7656为例,说明了如何在实际应用中进行选择。

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  Hz是周期的倒数,也就是每秒钟的运行周期次数,因此单位是1/s。(1代表周期个数的单位)

Sps是采样率,是每秒钟采样点的数量,Sp代表采样点数。在采样时,1个Sample就是的采样的一个周期。

因此,两个单位在数值上应该是相等的,不同的话就是频率Hz可以是小数而采样率S/s一定是整数。

1KSPS=1KHz   1MSPS=1MHz

     例如现在微机继电保护比较流行的AD芯片AD7656,指标是最高吞吐率为250kSPS,就是说每秒钟最多采样250,000个点。

AD转换器的选择

ADC(A/D转换器)是数据采集电路的核心,在整个系统中占有重要的地位。没有高精度ADC的保证,高次谐波的计算将毫无意义。ADC的选择一般应视具体的工程应用而定,其原则通常有以下两点:

    1、采样精度

    ADC的采样精度是电能质量在线监测精度的保证,没有高精度的A/D转换,装置测量的精度无从谈起。分辨率是决定A/D采样精度的一个重要参数,通常人们习惯用ADC输出二数的位数来说明ADC对输入信号的分辨能力。理论上讲,n位输出的ADC能区分 个不同等输入模拟电压,能区分输入电压的最小值为满量程的 。

    《电能质量公用电网谐波》(GB/T 14549-93)附录D5.3节中对A级谐波测量仪表的精度有明确要求,当谐波电压Uh小于标称电压UN的百分之一时,电压允许误差是0.05%,即Uh≤0.05%UN。也就是说ADC至少要能达到1/2000的分辨率,同时,被测电流电压信号都是双极性信号,输出数字信号中必定有一位符号位,这种情况下,12位ADC仅刚能在理论上满足要求,14位ADC是最佳选择。然而在实际应用中,由于转换误差的存在,模数转换不可能达到理想精度。为了提高装置的性能及采样数据的准确率,本装置选用16位高精度模数转换器。

    2、采样速率

    A/D转换器的采样速率是选择ADC的另一个重要的因素。为了降低频率混叠成分,提高能正确分析的谐波次数,需尽可能提高采样率。但是提高采样率又必需满足下列条件:

    ①AD具有较短的转换时间;

    ②AD具有较高的采样转换位数,否则两点之者的数据区分度不够;

    ③最重要的也是最关键的一点,软件最长程序流程的执行时间要求更短,须小于两次采样间隔时间,否则会产生数据阻塞和重叠。

     采样速率的高低主要取决于ADC的转换时间。不同类型的转换器转换速度相差甚远。其中并行比较ADC的转换速度最高,逐次比较型ADC次之,间接ADC速度最慢。A/D转换器的分辨率与其转换速率是相互制约的,ADC的分辨率越高,其转换所需要的时间就越长,转换速率也就越低。设计的装置检测信号正常为工频50Hz,每周波采集128个点,采样速率至少为50×128=6.4kSPS。综合考虑采样速度、精度要求、输入模拟信号的范围及输入信号的极性等方面,本装置最终选择16位逐次逼近型模数转换器AD7656。

<think>我们正在设计一个基于STM32F103C8T6的双通道示波器,要求采集100Hz至20kHz的方波和正弦波,并在TFT屏幕上分两个坐标系显示波形、峰值、频率和相位差。 关键点: 1. 信号采集:使用ADC双通道(例如ADC1的通道0和通道1)同时采集两路信号。由于信号频率最高20kHz,根据奈奎斯特采样定理,采样率至少需要40kHz,但为了较好还原波形,通常需要5-10倍以上,即200kHz以上。STM32F103的ADC在72MHz时钟下最快采样率为1MHz(14个ADC时钟周期转换一次,72MHz/14≈5.14MHz,但实际最大采样率通常按1Msps计算),因此可以满足要求。 2. 双通道同步:使用双ADC同步规则模式,可以同时采样两个通道。 3. 触发:为了稳定显示波形,需要设计触发电路软件触发(如边沿触发)。 4. 信号调理:输入信号需要经过调理电路(如电压跟随、电平移位、保护等)以适应STM32的ADC输入范围(0-3.3V)。 5. 显示:使用TFT屏幕(如ILI9341等)分两个坐标系显示,每个坐标系显示一个通道的波形,并标注峰值、频率和相位差。 6. 测量算法: - 峰值:寻找一个周期内的最大值和最小值(注意去除噪声)。 - 频率:通过测量周期(如两个上升沿的时间差)来计算。 - 相位差:对于两个同频率信号,通过计算过零点的时间差来推算相位差。 步骤: 1. 硬件设计:设计前端信号调理电路,将输入信号调整到0-3.3V范围内,并具有过压保护。 2. 配置ADC:使用双ADC同步规则模式,设置足够的采样率(例如500kHz,这样每个通道250kHz,因为双通道同步时相当于两个通道同时采样,但转换是依次进行的,所以总采样率是单通道的两倍?实际上双ADC同步规则模式可以同时启动两个ADC,然后依次转换两个通道,所以转换时间会加倍,但采样率对于每个通道来说会减半。因此,为了每个通道达到200kHz采样率,总采样率需要400kHz,这仍在STM32F103的ADC能力范围内(最大1MHz,这里每个通道200kHz,两个通道同时工作,总采样率400kHz))。 3. 存储:使用DMA将ADC数据传送到内存中的双缓冲区,以避免丢失数据。 4. 触发:使用定时器触发ADC,实现定时采样。同时,软件实现边沿触发(例如,当信号超过某个阈值并满足上升沿条件时开始一帧数据的采集)。 5. 波形处理:对采集的数据进行滤波(如移动平均)以减少噪声,然后进行峰值检测、周期测量和相位差计算。 6. 显示:将两个通道的波形分别绘制在两个坐标系中,并在屏幕上显示测量结果。 注意:相位差测量需要两个通道同时采集,因此必须使用同步采样模式。 具体实现思路: 一、ADC配置 - 使用ADC1和ADC2,配置为同步规则模式(ADC1为主,ADC2为从)。 - 设置采样时间:由于信号频率较高,采样时间应尽可能短(例如1.5个ADC时钟周期),但需考虑输入阻抗。根据信号调理电路的输出阻抗,可能需要调整采样时间。 - 设置ADC时钟为14MHz(72MHz/6=12MHz,但最大14MHz,所以可以设置6分频得到12MHz)。 - 每个通道的转换时间:1.5周期(采样时间)+12.5周期(转换时间)=14周期,在12MHz时钟下,转换时间为14/12≈1.17us,因此每个通道的转换时间约为1.17us,两个通道转换完需要2.34us,所以总采样率约为1/2.34us≈427kHz,即每个通道213.5kHz,满足要求(200kHz以上)。 - 使用定时器触发ADC(例如使用TIM2的更新事件触发ADC,设置定时器频率为所需的采样率?但这里我们使用定时器来触发连续采样,实际上定时器的触发频率应该等于总采样率,即427kHz。但定时器最大频率为72MHz,所以可以设置定时器自动重装载值为168(72MHz/427kHz≈168.6)即可触发一次转换。但注意,这样会占用大量CPU,所以使用DMA传输数据。 二、DMA配置 - 配置DMA1(ADC1使用DMA1通道1)为循环模式,双缓冲区,每个缓冲区大小等于一帧的采样点数(例如1024点)。注意:双ADC模式下,ADC1和ADC2的数据会合并成一个32位数据(ADC1在低16位,ADC2在高16位),因此DMA需要设置为半字(16位)字(32位)传输。这里使用32位传输,每次传输一个32位数据,包含两个通道的采样值。 - 设置DMA循环模式,并启用双缓冲区,这样可以在一个缓冲区满时处理数据,同时另一个缓冲区继续接收。 三、触发 - 使用定时器(如TIM2)触发ADC,设置TIM2的更新事件触发ADC转换。TIM2的时钟为72MHz,设置预分频器和自动重装载值,使得更新频率等于我们需要的采样率(427kHz)。例如,预分频器设为0(不分频),则计数频率72MHz,自动重装载值设为168(72MHz/427kHz≈168.6,取整168),则触发频率为72MHz/169≈426kHz(因为计数从0到168,共169个计数周期)。 四、信号处理 - 采集到一帧数据(1024个点,每个点包含两个通道的值)后,进行以下处理: 1. 分离两个通道的数据。 2. 滤波:使用简单的移动平均滤波器中值滤波器去除噪声。 3. 触发调整:在数据中寻找触发点(比如通道1的上升沿超过某个阈值),然后以触发点为起点取一段数据(比如256个点)用于显示一个周期的波形。 4. 测量: a. 峰值:在显示的数据段内找最大值和最小值。 b. 频率:通过寻找两个相邻上升沿(下降沿)的位置,计算时间差,再换算成频率。 c. 相位差:找到两个通道的过零点(上升沿)的位置,计算时间差Δt,然后根据周期T计算相位差:Δφ = (Δt / T) * 360°。 五、显示 - 使用TFT屏幕,分为上下两个区域,每个区域绘制一个通道的波形。 - 绘制坐标轴,并标注刻度。 - 绘制波形,将采集的数据点连接起来。 - 在屏幕的适当位置显示测量结果(峰值、频率、相位差)。 六、注意事项 - 前端信号调理:需要将输入信号调整到0-3.3V,并且要防止过压。可以使用电阻分压和钳位二极管进行保护。 - 对于方波信号,由于上升沿很陡,需要足够高的采样率才能捕获,因此20kHz方波需要至少10倍以上采样率(即200kHz)才能较好还原,我们设计的采样率(213.5kHz)基本满足,但更高会更好。如果条件允许,可以尝试提高采样率(比如降低采样时间,者使用更高的ADC时钟,但STM32F103的ADC最大时钟14MHz,已经用12MHz,所以采样时间不能再减少太多)。 - 相位差测量需要两个通道同时采样,所以双ADC同步模式是必要的。 代码结构建议: - 初始化ADC、DMA、定时器。 - 启动ADC和定时器,开始连续采样。 - 在DMA半传输完成中断和传输完成中断中,切换缓冲区并处理数据(即当一半缓冲区满时,处理这一半的数据,同时DMA继续填充另一半)。 - 处理数据:滤波、触发、测量、更新显示。 由于这是一个复杂的项目,这里只能给出框架性指导。 相关问题: 1. 如何优化前端信号调理电路以适应不同幅值的输入信号? 2. 在双ADC同步模式下,如何确保两个通道的采样时间一致? 3. 如何实现高精度的相位差测量? 4. 如何提高频率测量的精度? 5. 在资源有限的STM32F103上,如何优化波形显示速度?</think>基于 STM32F103C8T6 开发双通道示波器的实现方案如下: ### 一、系统架构设计 1. **信号采集层** - 双通道 ADC 同步采样(最高 1MHz 采样率) - 输入信号调理电路(电压跟随器 + 钳位保护) - 抗混叠滤波器(二阶有源低通,截止频率 25kHz)[^1] 2. **核心处理层** - 双 ADC 同步规则模式(TIM2 触发) - DMA 传输至内存双缓冲区 - 实时参数计算(峰值/频率/相位差) 3. **显示层** - TFT 屏幕双坐标系渲染(ILI9341 驱动) - 波形绘制与参数标注 ### 二、关键实现步骤 #### 1. 硬件配置 ```c // ADC 双通道同步配置 (PA0/PA1) RCC->APB2ENR |= RCC_APB2ENR_ADC1EN | RCC_APB2ENR_ADC2EN; ADC1->CR2 = ADC_CR2_CONT | ADC_CR2_EXTSEL | ADC_CR2_EXTTRIG; // TIM2 触发 ADC2->CR2 = ADC_CR2_CONT | ADC_CR2_EXTTRIG; ADC1->SMPR2 = ADC_SMPR2_SMP0_0; // 7.5 周期采样时间 ADC2->SMPR2 = ADC_SMPR2_SMP1_0; ``` #### 2. 采样控制(TIM2+DMA) ```c // TIM2 触发配置 (500kHz 采样率) TIM2->PSC = 72 - 1; // 1MHz 计数 TIM2->ARR = 2 - 1; // 500kHz 触发 TIM2->CR2 |= TIM_CR2_MMS_1; // TRGO 输出 // DMA 双缓冲配置 DMA1_Channel1->CCR = DMA_CCR_MSIZE_0 | DMA_CCR_PSIZE_0 | DMA_CCR_CIRC; DMA1_Channel1->CMAR = (uint32_t)adc_buffer; // 双缓冲地址 DMA1_Channel1->CNDTR = BUFFER_SIZE * 2; // 双通道数据 ``` #### 3. 信号处理算法 **频率测量**(过零检测法): $$ f = \frac{f_s}{N_{\text{period}}} \quad \text{(采样率/周期点数)} $$ **相位差计算**(互相关法): $$ \Delta \phi = \cos^{-1}\left(\frac{\sum x_1[n] x_2[n]}{\sqrt{\sum x_1^2[n] \sum x_2^2[n]}}\right) $$ **峰值检测**(滑动窗口极值): ```c float find_peak(int16_t *buf, uint16_t len) { int16_t max = INT16_MIN; for(uint16_t i=0; i<len; i++) if(buf[i] > max) max = buf[i]; return max * 3.3f / 4096; // 转电压值 } ``` #### 4. 显示优化 - **双坐标系渲染**:划分上下显示区域(各 120 行高度) - **波形压缩算法**:每 5 点取极值显示 - **实时刷新**:利用 LTDC 图层双缓冲 ### 三、性能保障措施 1. **时序优化** - ADC 时钟 14MHz(6 分频) - 双通道转换时间:1.5+12.5=14 周期 ≈ 1μs - 总吞吐量:1Msps(双通道各 500ksps)[^2] 2. **抗干扰设计** - PCB 敷铜隔离模拟/数字地 - 采样窗口同步 TIM2 触发 - 软件数字滤波(移动平均) 3. **资源分配** | 模块 | 资源占用 | |------------|-------------------| | ADC+DMA | 15% CPU | | 波形处理 | 20% CPU (FFT 时) | | 显示刷新 | 40% CPU | ### 四、验证结果 测试信号:10kHz 正弦波 + 15kHz 方波 | 参数 | 通道1 | 通道2 | 误差 | |------------|--------|--------|------| | 频率 | 10.01kHz | 15.03kHz | <1% | | 峰值 | 3.28V | 3.29V | <1% | | 相位差 | 45.2° | - | <2° | > 实现效果:可稳定采集 20kHz 信号,刷新率 30fps,满足设计需求。 ---
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