基于高频趋肤效应的手写绘图板的研究与实践

徐萍 惠自乐 成利梅 陈余寿 郭爱琴

【摘要】本文设计了以高频趋肤效应为核心的覆铜板定位系统。以TI公司生产的资源丰富、低功耗单片机MSP430F5529为系统主控芯片，覆铜板不同位置对由DDS产生的高频信号的衰减程度不同。覆铜板接触点处衰减信号由AD637检测出其有效值。同时单片机控制继电器切换通道，最后在LCD液晶屏上显示结果。经测试，系统的分辨率可达到6mm并可跟踪画图。

【关键词】高频趋肤效应;继电器;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

覆铜板是将补强材料浸以树脂，一面或两面覆以铜箔，经热压而成的一种板状材料。它经照相制版、化学蚀刻、电镀等一系列的工序可制成印刷电路板（Printed Circuit Board，PCB）。覆铜板电阻非常小，几乎可以忽略不计。当导体中有交流电或者交变电磁场时，导体内部的电流分布不均匀，导线内部实际上电流变小，电流集中在导线外表的薄层，结果导线的电阻增加，使它的损耗功率也增加。这一现象称为趋肤效应（Skin Effect）。频率越高，趋肤效应越明显。

1.系统设计

本系统由MSP430F5529单片机、DDS高频信号发生器电路、放大电路、有效值检测电路、继电器切换电路和电源转换电路组成。用DDS产生5MHz高频信号，经放大后加到覆铜板上，利用继电器HK19F-DC作为开关器件，对坐标位置进行切换，控制铜板所加电压方向。高精度有效值检测芯片AD637检测覆铜板放大后的电压信号。单片机将检测到的信号进行处理，并将结果在其自带的液晶屏幕上显示出来。接触点位置检测是系统的关键。通过自制恒流源，用较大的电流流过覆铜板的方法，结构简单，控制方便，但是需要产生较大电流，同时也会造成系统的损耗增加。惠登斯电桥可精密测量电阻，经试验，电桥法测量简单，易操作，但是阻值的变化较小，分辨率较低。由于金属导电具有趋肤效应，尤其在高频信号传输过程中衰减很大，当在覆铜板两端加高频信号时，覆铜板不同位置对高频信号的衰减程度明显，不同位置电压变化较大，分辨率较高。通过测量，将不同的电压信号与位置信号一一对应，从而可以确定表笔接触位置。系统总体框图如图1所示：

图1 系统总体框图

2.电路理论分析与计算

1）AD811放大电路

AD811是一款宽带电流反馈型运算放大器，-3dB带宽为120MHz。由于DDS产生高频信号幅值只有500mV左右，而驱动铜片需要较大的电压，需要将信号放大后输入到覆铜板上。同时，覆铜板输出电压仅为几十到几百毫伏，为保证有效值检测芯片AD637在输入频率为5MHz的信号下正常工作，需要将信号放大，使得输出电压有效值大于1V。采用宽带放大器AD811与电位器构成同相放大电路，增益：

为了减少电路干扰，分别在正，负电源端并接0.1uF去耦电容，电路如图2所示。

2）AD637有效值检测电路

有效值测试芯片AD637在输入电压有效值大于1V的情况下，带宽可达到8MHz，且精度高、功耗小，能够较精确地得到铜板接触点处电压。有效值检测电路电路图如图3所示。

图2 放大电路

图3 有效值检测电路

图4 切换电路

3）切换电路

继电器电阻较小，对系统的影响小。通过继电器切换铜板所加电压信号，在横向和纵向分别采集电压，确定表笔接触点的位置的坐标值，切换电路如图4所示。当控制电压为3.3V时，继电器吸合，常开触点接通高频信号，继电器中心触点输出高频电压信号到覆铜板接线端，当控制电压约为0V时，继电器恢复常态，常闭触点经中心触点将测量输入端接地。覆铜板接线电路如图5所示。

图5 覆铜板接线示意图

图6 系统软件流程图

3.系统软件设计

系统软件流程图如图6所示，单片机分为定位和画圆两种工作模式。定位模式中，单片机定时产生继电器控制信号从而切换电压采集方向，并对AD采样数据进行处理得出铜板表面电压值，分析数据得出表笔与铜板接触位置，算出接触点坐标，并在液晶显示屏上进行显示。按下模式转换键进入画图模式，单片机控制点亮液晶上表笔坐标所对应的像素点，跟踪外部表笔轨迹画圆。覆铜板表面的电压分布是非线性的，先测试并记录不同位置电压值，将采集的数据经MATLAB处理后，绘制覆铜板表面电势分布图，并计算出电势与位置的函数关系。单片机根据所测电势求出位置，确定所测位置坐标，先判断左右，再判断上下，并将结果显示在液晶显示屏上。在画圆过程中，将液晶的像素点与电压值、坐标值一一对应，表笔接触不同的位置，液晶点亮相应的像素点，从而实现跟踪画圆。

4.系统测试及数据分析

1）触点位置测试数据

测试方案：把表笔放在覆铜板的不同位置，在LCD显示屏上观察显示数据。触点位置检测数据如表1所示。

误差分析：左右及象限区别明显，由于高频线路干扰等原因，坐标显示存在较小误差，基本达到10mm、8mm要求，最好可达到分辨率5mm。

2）功耗测试

测试方案：在电路中串联电流表，根据功率计算公式：P=IU。经测试，当供电电源为12V时，电流为0.10A。功率为1.2W，低功耗低。误差分析：由于电路级数较多，各级均有所衰减，因此有一定误差。

5.结束语

本系统能够准确灵敏地显示触点坐标，分辨力可达到6mm，并具有跟踪绘图的功能，功耗小于1.5W，系统整体性能较好。由于覆铜板厚度不均，铜板引出线位置不对称等原因，系统在触点电压测试还存在一定的误差，可通过软件补偿来减小误差，进一步提高分辨率，增加写字等功能。

参考文献

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[4]康华光.电子技术基础模拟部分：[M].北京：高等教育出版社，2006.

[5]全国大学生电子设计竞赛组委会.全国大学生电子设计竞赛获奖作品选[M].北京：北京理工大学出版社，2007.2.

作者简介：徐萍（1993—），女，江苏盐城人，大学本科，现就读于南京师范大学电气与自动化工程学院，主要研究方向：自动化。