基于高頻趨膚效應的手寫繪圖板的研究與實踐

徐萍 惠自樂 成利梅 陳余壽 郭愛琴

【摘要】本文設計了以高頻趨膚效應為核心的覆銅板定位系統(tǒng)。以TI公司生產的資源豐富、低功耗單片機MSP430F5529為系統(tǒng)主控芯片，覆銅板不同位置對由DDS產生的高頻信號的衰減程度不同。覆銅板接觸點處衰減信號由AD637檢測出其有效值。同時單片機控制繼電器切換通道，最后在LCD液晶屏上顯示結果。經測試，系統(tǒng)的分辨率可達到6mm并可跟蹤畫圖。

【關鍵詞】高頻趨膚效應;繼電器;DDS;AD637

Abstract：This paper designs a positioning system of copper clad plate based on high-frequency skin effect.Using the MSP430F5529，rich resources and low power consumption produced by TI company，as controlled.The attenuation of high-frequency signal at the different position of Copper is different，which is generated by DDS.The signal can be detected by AD637.Meanwhile，Single chip microcomputer can control relay to switch channels，eventually，display the results at the LCD screen module.After testing，the result shows that the system can achieve a resolution of 6mm and can trace drawing a circle.

Key word：high-frequency skin effect;relay;DDS;AD637

引言

覆銅板是將補強材料浸以樹脂，一面或兩面覆以銅箔，經熱壓而成的一種板狀材料。它經照相制版、化學蝕刻、電鍍等一系列的工序可制成印刷電路板（Printed Circuit Board，PCB）。覆銅板電阻非常小，幾乎可以忽略不計。當導體中有交流電或者交變電磁場時，導體內部的電流分布不均勻，導線內部實際上電流變小，電流集中在導線外表的薄層，結果導線的電阻增加，使它的損耗功率也增加。這一現(xiàn)象稱為趨膚效應（Skin Effect）。頻率越高，趨膚效應越明顯。

1.系統(tǒng)設計

本系統(tǒng)由MSP430F5529單片機、DDS高頻信號發(fā)生器電路、放大電路、有效值檢測電路、繼電器切換電路和電源轉換電路組成。用DDS產生5MHz高頻信號，經放大后加到覆銅板上，利用繼電器HK19F-DC作為開關器件，對坐標位置進行切換，控制銅板所加電壓方向。高精度有效值檢測芯片AD637檢測覆銅板放大后的電壓信號。單片機將檢測到的信號進行處理，并將結果在其自帶的液晶屏幕上顯示出來。接觸點位置檢測是系統(tǒng)的關鍵。通過自制恒流源，用較大的電流流過覆銅板的方法，結構簡單，控制方便，但是需要產生較大電流，同時也會造成系統(tǒng)的損耗增加。惠登斯電橋可精密測量電阻，經試驗，電橋法測量簡單，易操作，但是阻值的變化較小，分辨率較低。由于金屬導電具有趨膚效應，尤其在高頻信號傳輸過程中衰減很大，當在覆銅板兩端加高頻信號時，覆銅板不同位置對高頻信號的衰減程度明顯，不同位置電壓變化較大，分辨率較高。通過測量，將不同的電壓信號與位置信號一一對應，從而可以確定表筆接觸位置。系統(tǒng)總體框圖如圖1所示：

圖1 系統(tǒng)總體框圖

2.電路理論分析與計算

1）AD811放大電路

AD811是一款寬帶電流反饋型運算放大器，-3dB帶寬為120MHz。由于DDS產生高頻信號幅值只有500mV左右，而驅動銅片需要較大的電壓，需要將信號放大后輸入到覆銅板上。同時，覆銅板輸出電壓僅為幾十到幾百毫伏，為保證有效值檢測芯片AD637在輸入頻率為5MHz的信號下正常工作，需要將信號放大，使得輸出電壓有效值大于1V。采用寬帶放大器AD811與電位器構成同相放大電路，增益：

為了減少電路干擾，分別在正，負電源端并接0.1uF去耦電容，電路如圖2所示。

2）AD637有效值檢測電路

有效值測試芯片AD637在輸入電壓有效值大于1V的情況下，帶寬可達到8MHz，且精度高、功耗小，能夠較精確地得到銅板接觸點處電壓。有效值檢測電路電路圖如圖3所示。

圖2 放大電路

圖3 有效值檢測電路

圖4 切換電路

3）切換電路

繼電器電阻較小，對系統(tǒng)的影響小。通過繼電器切換銅板所加電壓信號，在橫向和縱向分別采集電壓，確定表筆接觸點的位置的坐標值，切換電路如圖4所示。當控制電壓為3.3V時，繼電器吸合，常開觸點接通高頻信號，繼電器中心觸點輸出高頻電壓信號到覆銅板接線端，當控制電壓約為0V時，繼電器恢復常態(tài)，常閉觸點經中心觸點將測量輸入端接地。覆銅板接線電路如圖5所示。

圖5 覆銅板接線示意圖

圖6 系統(tǒng)軟件流程圖

3.系統(tǒng)軟件設計

系統(tǒng)軟件流程圖如圖6所示，單片機分為定位和畫圓兩種工作模式。定位模式中，單片機定時產生繼電器控制信號從而切換電壓采集方向，并對AD采樣數(shù)據(jù)進行處理得出銅板表面電壓值，分析數(shù)據(jù)得出表筆與銅板接觸位置，算出接觸點坐標，并在液晶顯示屏上進行顯示。按下模式轉換鍵進入畫圖模式，單片機控制點亮液晶上表筆坐標所對應的像素點，跟蹤外部表筆軌跡畫圓。覆銅板表面的電壓分布是非線性的，先測試并記錄不同位置電壓值，將采集的數(shù)據(jù)經MATLAB處理后，繪制覆銅板表面電勢分布圖，并計算出電勢與位置的函數(shù)關系。單片機根據(jù)所測電勢求出位置，確定所測位置坐標，先判斷左右，再判斷上下，并將結果顯示在液晶顯示屏上。在畫圓過程中，將液晶的像素點與電壓值、坐標值一一對應，表筆接觸不同的位置，液晶點亮相應的像素點，從而實現(xiàn)跟蹤畫圓。

4.系統(tǒng)測試及數(shù)據(jù)分析

1）觸點位置測試數(shù)據(jù)

測試方案：把表筆放在覆銅板的不同位置，在LCD顯示屏上觀察顯示數(shù)據(jù)。觸點位置檢測數(shù)據(jù)如表1所示。

誤差分析：左右及象限區(qū)別明顯，由于高頻線路干擾等原因，坐標顯示存在較小誤差，基本達到10mm、8mm要求，最好可達到分辨率5mm。

2）功耗測試

測試方案：在電路中串聯(lián)電流表，根據(jù)功率計算公式：P=IU。經測試，當供電電源為12V時，電流為0.10A。功率為1.2W，低功耗低。誤差分析：由于電路級數(shù)較多，各級均有所衰減，因此有一定誤差。

5.結束語

本系統(tǒng)能夠準確靈敏地顯示觸點坐標，分辨力可達到6mm，并具有跟蹤繪圖的功能，功耗小于1.5W，系統(tǒng)整體性能較好。由于覆銅板厚度不均，銅板引出線位置不對稱等原因，系統(tǒng)在觸點電壓測試還存在一定的誤差，可通過軟件補償來減小誤差，進一步提高分辨率，增加寫字等功能。

參考文獻

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作者簡介：徐萍（1993—），女，江蘇鹽城人，大學本科，現(xiàn)就讀于南京師范大學電氣與自動化工程學院，主要研究方向：自動化。