覆铜板手写笔

Posted on 2021-06-30 In 电子设计竞赛题 Views:

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题目概述

这个是2013年的赛题，手写绘图板。基本任务是要求在覆铜板上能识别出金属表笔的接触位置，接触轨迹。题目为了统一难度和公平性，设定了几个限制

覆铜板必须是普通覆铜电路板，不得进行改变电阻率的涂层
只能在4个角进行电路连接
不能用传感器来检测金属表笔位置
单电源12V供电
功耗不大于1.5W

对题目进行一下分析。要求必须是覆铜板不能用额外传感器，就是指电路的负载必须是很小的电阻，要检测电流流过这个很小电阻时产生的电压。如果通过涂层增加了电阻率，则电阻增加，电流流过这个负载产生的电压也就增大，题目难度下降。

单电源12V供电，这就对检测电路中的放大器和供电方式提出了要求，增加了难度。一种方法是采用轨到轨的放大器，放大器使用单电源供电。另一种方法是将12V在电路中通过变换得到负电压，放大器使用正负电源供电，这样对放大器的轨到轨特性不用太高要求。芯片的选择范围大。

低功耗，不大于1.5W。覆铜板是很小的电阻，要能检测到相邻两点之间的电压差，需要一个较大的电流通过覆铜板。这样就不能简单的使用线性稳压器来进行电压变化，因为线性稳压器的输出电流等于输入电流。使用开关电源才可以达到低功耗要求。

总结：根据题目的要求可以简单设想出一个方案。设计一个开关电源从12V变化出一个低电压大电流的输出给覆铜板。设计放大电路检测覆铜板上各点的微小电压差。均衡选择放大器的轨到轨性能和供电电压。单片机采样放大器的输出，编程用拟合或者查表法显示表笔的位置。由于电路中有开关电源，所以开关脉冲干扰很大，微弱电压的检测需要做抗干扰。

第一部分，开关电源设计

开关电源有个引脚是电压反馈点，手册里一般称为FB或者Vsense，这个管脚电流很小，可以近似认为不对电阻分流。不管开关电源的拓扑是升压还是降压，根据它的反馈方式可以搭建为恒压输出或者恒流输出。电路稳定时 FB电压等于内部的参考电压VREF。所以对于恒压Vout= VREF/R2 * （R1+R2）。对于恒流 Iout= VREF / R4。

恒压输出

恒流输出

对于覆铜板，电阻很小，毫欧级别。所以选择恒流输出方式。再分析一下功率消耗。恒流输出时的功耗，一部分是开关电源自身消耗的，一部分是负载和检流电阻消耗的。先看看跟负载和检流电阻有关的功耗。RLoad上的功耗= I²*RLoad。例如I=1A，RLoad=0.005欧。功耗为 5毫瓦，非常小。检流电阻R4上的功耗= Vref ² / R4。例如对于1.2V内部参考电压的开关电源，对于1A电流，R4要选择1.2欧。功耗为 1.2 ²/1.2 = 1.2 瓦。可以看到，负载和检流电阻上的功耗，主要体现在检流电阻功耗上。

所以，要降低功耗，要优先选择内部参考电压低的开关电源，这样在电流不变的情况下，R4阻值选小。还有一种方法是将检流电阻上的电压经过放大后接FB。这样也可以降低检流电阻R4上的电压，代价是电路复杂一些。

开关电源选择TPS54332，FB是0.8V，比1.2V的FB可以节省55%的R4上的功耗。开关电源的功率损耗主要由这几部分：电感的直流电阻，续流二极管的功耗，芯片内部开关的功耗。开关电源的功耗计算很复杂，这里不展开分析。给出一个选择元件的方向。相同感值的电感选择线径粗的，这样直流电阻小。二极管选择肖特基的，导通电压低。芯片选择内部开关内阻低的。

第二部分，放大器及其供电

仪表放大器常用的例如 INA128和AD620，题目的电路特点是覆铜板上的共模电压相对于GND不高，在0.8V左右。查看INA128和AD620的手册，两者的输入电压范围都在电源供电内一点几伏。如果采用单电源供电，则要求最小电压比GND要高一点几伏。不能满足要求。如果换更接近轨道轨的仪表放大器，芯片不好拿到，也很贵。

所以在芯片供电上加以改进。看看如何从12V得到正负供电电压。从12V变换出正负电压有几种方法，例如使用成品电源模块12V转±5V，或者使用电荷泵开关电源转负电压出来。还可以使用带双路正负电压输出的开关电源芯片。这些方法都需要添加芯片和很多外围元件，不经济。

给覆铜板提供电流的就有一个开关电源，看看能否从它里面得到负电压。芯片第8管脚PH是开关节点，有正脉冲。利用这个脉冲，配上二极管和电容组成电荷泵，就可以得到负电压。

开关节点高脉冲时

开关节点低电平时

开关节点高脉冲时，对C14充电，A点正电压，B点GND。开关节点低电平时，A点接GND，由于电容有保存电荷，B点比A点电势低，所以B点相对于GND就是负电压。负电压在周期脉冲的过程中，转移到C8上。NegVout上就得到了负电压。由于仪表放大器消耗的电流很小，C8上充入的电荷大于流出的电荷，C8可以稳定维持负电压。添加了两个电容，两个二极管，就方便的得到了负电压。

由于供电来自于开关电源，正负电压上的脉冲尖峰，纹波都比较大。对仪表放大器检测覆铜板上弱电压造成干扰。所以需要RC低通来滤除干扰。使用RC低通，也正是利用仪表放大器消耗电流小，R上产生的电压下降不影响供电。这里供电不要求很准的电压值，只要求能满足仪表放大器的输入端电压要求，并且稳定。

设计完仪表放大器的供电。再来看一下仪表放大器设计。仪表放大器的输出是给单片机ADC，不能有负电压。仪表放大器是差分输入，如果REF接GND，当负相端比正相端高时，就会输出负电压。所以，为了避免这个情况，将仪表放大器的REF接一个0.8V的电压，使输出提高到0.8V。这样当出现负相端比正相端高的时候，输出会在0.8V上减小，不会出现负电压。R16控制放大倍数，计算公式为 50K / R16. 选R16= 50欧，就设计了1000倍放大。

需要注意的是，由于使用中表笔的抬起会导致仪表放大器的输入开路，这样仪表放大器的输出会偏到电源轨。这个巨大波动造成的暂态需要恢复的时间较长。所以在两个输入之间接100K电阻，防止开路情况。覆铜板电阻在毫欧级别，这个R1造成的影响可以忽略。

第三部分，单片机采样和程序设计

单片机用于实现AD采样、数据拟合、校准和计算、图形显示这几个部分。

AD采样

使用stm32f429开发板内部自带的12bit的ADC,输入电压范围为0-3.3V,仪表运放输出通过屏蔽线直接连接在ADC输入端口。因为对采集频率要求不高，为了提高精度，采用采集多次取平均值的方式，提高数据精度。

下图是使用到ADC接口：

数据拟合

这里我们以9个测试点为例，实现简单的数据拟合。当然我们也可以多标记几十个点，然后采集出每个点电压数据，通过matlab进行数据拟合，得出电压和位置函数关系，就能够将采集到的电压，对应到实际pcb位置。我们以9个点为例：分别测出9个测试点的电压值，因为每一次九个点电压值相对GND都有小幅度变化，但9个点之间相对电压值没有变化，我们选择中间点的值为0，就能够算出其他8个点相对中间点的差值。就能够通过采集到的电压值反推出表笔所在位置。

实际单片机采集到仪表运放输出电压值（mv）