徐萍 惠自樂(lè) 成利梅 陳余壽 郭愛(ài)琴

【摘要】本文設(shè)計(jì)了以高頻趨膚效應(yīng)為核心的覆銅板定位系統(tǒng)。以TI公司生產(chǎn)的資源豐富、低功耗單片機(jī)MSP430F5529為系統(tǒng)主控芯片，覆銅板不同位置對(duì)由DDS產(chǎn)生的高頻信號(hào)的衰減程度不同。覆銅板接觸點(diǎn)處衰減信號(hào)由AD637檢測(cè)出其有效值。同時(shí)單片機(jī)控制繼電器切換通道，最后在LCD液晶屏上顯示結(jié)果。經(jīng)測(cè)試，系統(tǒng)的分辨率可達(dá)到6mm并可跟蹤畫圖。

【關(guān)鍵詞】高頻趨膚效應(yīng);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(bǔ)強(qiáng)材料浸以樹(shù)脂，一面或兩面覆以銅箔，經(jīng)熱壓而成的一種板狀材料。它經(jīng)照相制版、化學(xué)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(jì)。當(dāng)導(dǎo)體中有交流電或者交變電磁場(chǎng)時(shí)，導(dǎo)體內(nèi)部的電流分布不均勻，導(dǎo)線內(nèi)部實(shí)際上電流變小，電流集中在導(dǎo)線外表的薄層，結(jié)果導(dǎo)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(yīng)（Skin Effect）。頻率越高，趨膚效應(yīng)越明顯。

1.系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)由MSP430F5529單片機(jī)、DDS高頻信號(hào)發(fā)生器電路、放大電路、有效值檢測(cè)電路、繼電器切換電路和電源轉(zhuǎn)換電路組成。用DDS產(chǎn)生5MHz高頻信號(hào)，經(jīng)放大后加到覆銅板上，利用繼電器HK19F-DC作為開(kāi)關(guān)器件，對(duì)坐標(biāo)位置進(jìn)行切換，控制銅板所加電壓方向。高精度有效值檢測(cè)芯片AD637檢測(cè)覆銅板放大后的電壓信號(hào)。單片機(jī)將檢測(cè)到的信號(hào)進(jìn)行處理，并將結(jié)果在其自帶的液晶屏幕上顯示出來(lái)。接觸點(diǎn)位置檢測(cè)是系統(tǒng)的關(guān)鍵。通過(guò)自制恒流源，用較大的電流流過(guò)覆銅板的方法，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，控制方便，但是需要產(chǎn)生較大電流，同時(shí)也會(huì)造成系統(tǒng)的損耗增加?；莸撬闺姌蚩删軠y(cè)量電阻，經(jīng)試驗(yàn)，電橋法測(cè)量簡(jiǎn)單，易操作，但是阻值的變化較小，分辨率較低。由于金屬導(dǎo)電具有趨膚效應(yīng)，尤其在高頻信號(hào)傳輸過(guò)程中衰減很大，當(dāng)在覆銅板兩端加高頻信號(hào)時(shí)，覆銅板不同位置對(duì)高頻信號(hào)的衰減程度明顯，不同位置電壓變化較大，分辨率較高。通過(guò)測(cè)量，將不同的電壓信號(hào)與位置信號(hào)一一對(duì)應(yīng)，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(jì)算

1）AD811放大電路

AD811是一款寬帶電流反饋型運(yùn)算放大器，-3dB帶寬為120MHz。由于DDS產(chǎn)生高頻信號(hào)幅值只有500mV左右，而驅(qū)動(dòng)銅片需要較大的電壓，需要將信號(hào)放大后輸入到覆銅板上。同時(shí)，覆銅板輸出電壓僅為幾十到幾百毫伏，為保證有效值檢測(cè)芯片AD637在輸入頻率為5MHz的信號(hào)下正常工作，需要將信號(hào)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(gòu)成同相放大電路，增益：

為了減少電路干擾，分別在正，負(fù)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(cè)電路

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

圖2 放大電路

圖3 有效值檢測(cè)電路

圖4 切換電路

3）切換電路

繼電器電阻較小，對(duì)系統(tǒng)的影響小。通過(guò)繼電器切換銅板所加電壓信號(hào)，在橫向和縱向分別采集電壓，確定表筆接觸點(diǎn)的位置的坐標(biāo)值，切換電路如圖4所示。當(dāng)控制電壓為3.3V時(shí)，繼電器吸合，常開(kāi)觸點(diǎn)接通高頻信號(hào)，繼電器中心觸點(diǎn)輸出高頻電壓信號(hào)到覆銅板接線端，當(dāng)控制電壓約為0V時(shí)，繼電器恢復(fù)常態(tài)，常閉觸點(diǎn)經(jīng)中心觸點(diǎn)將測(cè)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(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件流程圖如圖6所示，單片機(jī)分為定位和畫圓兩種工作模式。定位模式中，單片機(jī)定時(shí)產(chǎn)生繼電器控制信號(hào)從而切換電壓采集方向，并對(duì)AD采樣數(shù)據(jù)進(jìn)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(diǎn)坐標(biāo)，并在液晶顯示屏上進(jìn)行顯示。按下模式轉(zhuǎn)換鍵進(jìn)入畫圖模式，單片機(jī)控制點(diǎn)亮液晶上表筆坐標(biāo)所對(duì)應(yīng)的像素點(diǎn)，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(cè)試并記錄不同位置電壓值，將采集的數(shù)據(jù)經(jīng)MATLAB處理后，繪制覆銅板表面電勢(shì)分布圖，并計(jì)算出電勢(shì)與位置的函數(shù)關(guān)系。單片機(jī)根據(jù)所測(cè)電勢(shì)求出位置，確定所測(cè)位置坐標(biāo)，先判斷左右，再判斷上下，并將結(jié)果顯示在液晶顯示屏上。在畫圓過(guò)程中，將液晶的像素點(diǎn)與電壓值、坐標(biāo)值一一對(duì)應(yīng)，表筆接觸不同的位置，液晶點(diǎn)亮相應(yīng)的像素點(diǎn)，從而實(shí)現(xiàn)跟蹤畫圓。

4.系統(tǒng)測(cè)試及數(shù)據(jù)分析

1）觸點(diǎn)位置測(cè)試數(shù)據(jù)

測(cè)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(diǎn)位置檢測(cè)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(biāo)顯示存在較小誤差，基本達(dá)到10mm、8mm要求，最好可達(dá)到分辨率5mm。

2）功耗測(cè)試

測(cè)試方案：在電路中串聯(lián)電流表，根據(jù)功率計(jì)算公式：P=IU。經(jīng)測(cè)試，當(dāng)供電電源為12V時(shí)，電流為0.10A。功率為1.2W，低功耗低。誤差分析：由于電路級(jí)數(shù)較多，各級(jí)均有所衰減，因此有一定誤差。

5.結(jié)束語(yǔ)

本系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確靈敏地顯示觸點(diǎn)坐標(biāo)，分辨力可達(dá)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(duì)稱等原因，系統(tǒng)在觸點(diǎn)電壓測(cè)試還存在一定的誤差，可通過(guò)軟件補(bǔ)償來(lái)減小誤差，進(jìn)一步提高分辨率，增加寫字等功能。

參考文獻(xiàn)

[1]胡福田，高性能聚四氟乙烯覆銅板研究：[D].廣州：華南理工大學(xué)，2005.

[2]岳小萍，關(guān)君電趨膚效應(yīng)機(jī)理與應(yīng)用：[J].新鄉(xiāng)學(xué)院學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2012，29（1）：24-26.

[3]雷桂林，曲紅斌[J]趨膚效應(yīng)的理論解釋.甘肅科學(xué)報(bào)：[J].2005，17（1）：28-29.

[4]康華光.電子技術(shù)基礎(chǔ)模擬部分：[M].北京：高等教育出版社，2006.

[5]全國(guó)大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽組委會(huì).全國(guó)大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽獲獎(jiǎng)作品選[M].北京：北京理工大學(xué)出版社，2007.2.

作者簡(jiǎn)介：徐萍（1993—），女，江蘇鹽城人，大學(xué)本科，現(xiàn)就讀于南京師范大學(xué)電氣與自動(dòng)化工程學(xué)院，主要研究方向：自動(dòng)化。