【大学生电子竞赛题目分析】——2013年全国赛G题《手写绘图板》

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【大学生电子竞赛题目分析】——2013年全国赛G题《手写绘图板》 [复制链接]

 

这是一个十年前的题目，今天对它做一个分析，是因为此题的分析与设计过程中涉及到的内容，除了微弱信号检测外还包含了如何设计测量信号源、如何避免干扰与提高测量精度等内容。这些问题的原理很简单，但其中的设计思路却不是一个纯粹的微弱信号放大器所能全部涉及的，有些问题还涉及设计者的经验等，因此将它写出来提供参考。

一、任务

利用普通 PCB 覆铜板设计和制作手写绘图输入设备。系统构成框图如下图所示。普通覆铜板尺寸为 15cm×10cm，其四角用导线连接到电路，同时，一根带导线的普通表笔连接到电路。表笔可与覆铜板表面任意位置接触，电路应能检测表笔与铜箔的接触，并测量触点位置，进而实现手写绘图功能。覆铜板表面由参赛者自行绘制纵横坐标以及 6cm x 4cm（高精度区A）和12 cm x8cm（一般精度区B）如图中两个虚线框所示。

 

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二、要求

1. 基本要求：

（1）指示功能：表笔接触铜箔表面时，能给出明确显示。

（2）能正确显示触点位于纵坐标左右位置。

（3）能正确显示触点四象限位置。

（4）能正确显示坐标值。

（5）显示坐标值的分辨率为10mm， 绝对误差不大于5mm。

2．发挥部分：

（1）进一步提高坐标分辨率至8mm和6mm；要求分辨率为8mm 时，绝对误差不大于4mm；分辨率为 6mm 时，绝对误差不大于 3mm。

（2）绘图功能。能跟踪表笔动作，并显示绘图轨迹。在A区内画三个直径分别为 20mm，12mm 和8mm不同直径的圆，并显示该圆；20mm的圆要求能在10s 内完成，其它圆不要求完成时间。

（3）低功耗设计。功耗为总电流乘12V；功耗越低得分越高。要求功耗等于或小于1.5W。

（4）其他。如显示文字，提高坐标分辨率等。

三、说明

1．必须使用普通的覆铜板

（1）不得更换其它高电阻率的材料。

（2）不得对铜箔表面进行改变电阻率的特殊镀层处理。

（3）覆铜板表面的刻度自行绘制，测试时以该刻度为准。

（4）考虑到绘制刻度影响测量，不要求表笔接触刻度线条时也具有正确检测能力。

2．覆铜板到电路的连接应满足以下条件

（1）只有铜箔四角可连接到电路，除此之外不应有其它连接点（表笔触点除外）。

（2）不得使用任何额外传感装置。

3．表笔可选用一般的万用表表笔。

4．电源供电必须为单 12V 供电。  

5．基本要求除（5）外均在 B 区测，测分辨率和圆均在 A 区测。

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 题目分析与方案设计

本题的技术思路很简单，就是在覆铜板的一对对角线上输入电流后，板上各点电位是不同的，具有相同电位的位置形成一簇“等电位线”。在另一对对角线上输入电流后可以形成另一簇等电位线。分两次测量被测点的电位，探针的位置就是这两簇等电位线的交点。

由于覆铜板具有很低的电阻，在对角输入安培数量级的电流后，在中央（A区）相距3mm（题目要求的分辨率误差）位置的电位差大致为毫伏数量级。然而经过笔者实测，在覆铜板上可以有几百毫伏到伏数量级的工频干扰与噪声，所以本题的主要技术难点是在高噪声环境下的微弱信号检测。具体设计方案应该考虑以下几点：

1、提供流过覆铜板电流的电源。

显然流过覆铜板的电流越大对于检测越有利，然而它受到电源的限制。题目规定了电源电压为单一的12V，总功耗不得高于1.5W，若直接用12V供电则流过覆铜板的电流不可能大于1.5/12=0.125A。由于覆铜板的电阻很小（实测如题目要求的覆铜板两对角线之间的直流电阻约为2mΩ），这种情况下大量功耗将消耗在限流电阻上。因此，必须制作一个电压变换电路提供一个低压电源加到覆铜板上，才能在功耗限制下获得足够大的电流。

获得低压电源的方法是用降压型开关电源，但是在这个题目中采用直流电源并不合适，理由如下：

无论何种降压型直流开关电源，它在低压侧一定存在一个二极管。在大电流情况下，这个二极管的管压降（大概0.5V~1V）一定远高于加在覆铜板上的电压。所以，这种电源的效率肯定极低。采用场效应管做同步整流可以有效提高电源效率，但那样的话电路的复杂程度就大幅提高。

合理的电压变换应该是做一个交流功率信号源，然后通过降压变压器将电压降低到与覆铜板需要的测量电压匹配。变压器的次级输出不经整流而直接作为流过覆铜板电流的电源，那样可以有最高的电源效率。而且对于检测电路来说，检测交流信号还比检测直流信号更容易一些。

这个交流功率信号源可以用一个振荡电路（或者用单片机）产生交流方波（可以是正弦波，但方波更简单方便），再用一个功率驱动器实现。为了减小工频干扰，其频率应该避免与工频（50Hz）以及工频的高次谐波接近。

当采用方波时，该功率驱动器就是一个H桥电路。H桥电路可以采用集成H桥驱动器（例如IR2103或IR2104）与大功率场效应管构建。下图是采用IR2104驱动器与大功率场效应管构建的一个H桥电路。由MPU提供驱动信号方波以及使能信号。用两个相同的H桥，就可以完成本题的驱动电压产生电路。

 

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 因为要求系统总功耗小于1.5W，考虑功放的效率以及测量放大部分、单片机部分等的功耗，应该将这个信号源的功率控制在1W以下。假定我们选用的测量电流为5A，则变压器的次级输出电压应该低于0.2V。由于变压器初级的电压峰值（忽略场效应管的压降）大约是12V，所以这个变压器的初次级匝数比约为60:1。

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2、前端检测放大器。

前端检测放大器的作用是检测并放大探针位置对应的覆铜板压降。为了避免检测电流在各种连线上的压降对测量结果造成干扰，应该采用四端测量法测量探针到覆铜板某个对角线之间的压降，并利用仪表放大器的高输入阻抗避免各种连线和接触电阻的影响。

下图就是按照上述思路设计的前端检测放大器结构。

 

这个电路中变压器次级浮空，电阻R是限流电阻，同时也有避免两个变压器次级相互干扰的作用。若没有这个电阻，当某个变压器工作时，流过另一个变压器的次级的电流将造成覆铜板上的等电位线变形。加入这个电阻后，由于此电阻阻值比覆铜板电阻大许多，所以变压器次级电流造成的影响被大幅度削弱而可以忽略。实测表明覆铜板对角线的电阻在2mΩ左右。假定测量电流为5A、变压器的次级输出电压为0.2V，可推算此电阻的阻值约等于0.2V/5A=40mΩ。实际制作时可用康铜丝或锰铜丝制作，保证它有足够的功率裕量而不会发热。

为了避免覆铜板的A'B' 两点被短路，这两点通过一个模拟开关接到仪表放大器的某个输入端。由于仪表放大器的高输入电阻特性，模拟开关的内阻不会影响测量结果的精度。

仪表放大器单电源供电，其信号地电位约为电源的一半，由其他运放产生。电阻R_i提供运放偏置电流的释放通路，电阻R_G确定本级放大器的增益。在确定增益时必须考虑可能的最大噪声或干扰电压与信号叠加后不会使放大器的输出饱和。

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3、微弱信号检测电路。

由于干扰与噪声的存在，经过前端检测电路放大的探针压降信号可能有很差的信噪比。因此后续的微弱信号检测电路应该具有从低信噪比信号中检出有用信号的能力。对于本题的电路来说可以有两种可能的做法：锁定放大器方案与滤波器方案。

锁定放大器是检测微弱信号的有效手段，其原理是用一个与输入信号同频同相的信号作为参考信号，对输入信号进行相敏检波。由于噪声与干扰信号与输入信号同频同相的几率极低，所以通过相敏检波后的低通滤波器可以将噪声与干扰几乎全部滤除。

采用锁定放大器方案的结构框图如下图。

 

上述电路中，相敏检波器（PSD）可以用模拟开关自行构建，但是最方便的是直接采用合适的集成电路芯片，例如AD630。

低通滤波器可以采用一阶或二阶的RC滤波器，时间常数按照题目要求的响应速度确定。

由于本题的参考信号直接由单片机产生，其频率相位都相对固定，所以可直接将变压器次级的检测信号经过整理后作为参考信号送入PSD，实现同步检波。参考信号形成电路中的移相环节是补偿信号通道与参考通道之间的不同相位差，如果实际相位差不大可省略此环节。

关于电路的设计细节可参考笔者在本论坛的另一篇文章：漫话锁定放大器 https://bbs.eeworld.com.cn/thread-1116263-1-1.html。

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滤波法：由于采用交流电流检测，探针得到的有用信号是一个已知固定频率的交流信号，因此用一个通带频率等于交流信号频率的窄带滤波器将噪声与干扰滤去，即可得到有用信号的输出。这个方法的关键是检测电流的信号频率与滤波器电路的中心频率必须稳定相同。由于这两者的稳定并不十分困难，所以相比较而言滤波法的电路要比锁定放大器的电路简单一些。

 

上图为滤波器方案框图。其中的带通滤波器可以采用任意一种有源滤波器，可以将相同的几级带通滤波器串联以提高滤波器的矩形系数，以2~3级为佳，过多的级数并非有效。

笔者比较喜欢用的是模拟电感构成的有源带通滤波器如下图。该滤波器比较容易调整，也容易做到较高的Q值。通常令R₂=R₃= R₄=R₅=R、C₁=C₂=C，此时

中心频率

 品质因数

 峰值电压增益K₀=2。

 

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从频谱的角度看，锁定放大器也是一种滤波电路，它与直接滤波的区别在于：直接滤波是在检测频率上进行带通滤波，滤除检测频率外的噪声分量；而锁定放大器通过PSD将信号频率移到零频，噪声被折叠到全频段，然后以低通滤波器滤除噪声。由于低通滤波器很容易做到极低的截止频率，所以锁定放大器很容易获得Hz数量级的通带宽度。但是若要在检测频率上获得Hz级的带通通带，那个带通滤波器的Q值将高到无法实现，所以滤波法的抗噪声性能与锁定放大器的相比要差许多。

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上面讨论了两种检测方案，具体采用哪种方案可根据实测的信噪比情况确定。笔者在实验室曾经做过实际测试：在表笔悬空的情况下，表笔上感应的干扰与噪声主要是工频干扰，幅度可能达到几十伏。但是当表笔接触铜箔板后，由于铜箔板的电阻极低，工频干扰迅速减小到几十毫伏甚至更低，此时主要的干扰是实验室仪器以及各种电器中的开关电源产生的高频脉冲干扰，可能还包括各种空间无线电信号的干扰，这些干扰直接在铜箔板上形成干扰电压，其大小与当时的实验环境有关。

这一点也提醒我们，在制作类似这个题目的微弱信号检测电路时，必须注意抗干扰。不仅要防止外界的干扰，也要防止电路自身不同部件的相互干扰。具体到本题目，最大的干扰源可能是那个H桥，一定要处理好H桥的电源退耦，空间距离上也最好与铜箔板远一些。前面的设计中将变压器的次级悬空，其目的就是防止H桥电路通过电源和地线将干扰传导到铜箔板与前端放大器。另外就是要处理好单片机部分的电路与模拟电路两者的电源与地，电源部分除了完善的退耦外，最好分别接到供电电源端口处；地线也必须分开，只允许在ADC附近连接。

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4、另外一些具体问题。

在测量电流为5A的情况下，实测表明探针在覆铜板上获得的最大电位差（对角线）大概是10mV左右，在覆铜板中央部位相隔3mm（题目要求的最小测量误差）距离的电位差大约在50μV左右。根据这个比值（50μV/10mV）可以确定ADC的分辨率应该不低于8bit。整个放大通道（锁定放大器方案包含整个信号通道，直接滤波方案包含前端的仪表放大器、有源滤波器、后面的交流放大器以及精密整流电路）的总放大倍数应该由ADC的满量程电压与最大测量电压的比值确定，假设ADC的满量程电压为5V，则总放大倍数应该为500倍左右。需注意的是，这个总放大倍数分配在整个信号放大通道内，其中位于PSD或带通滤波器之前的放大器可能包含有较大的噪声与干扰信号，要考虑到不能被这些噪声或干扰信号导致放大器饱和（阻塞），所以这部分放大器的增益不宜过高。

题目要求在表笔接触铜箔表面时能给出明确显示。一个方法是直接根据ADC的结果进行判断：表笔没有接触铜箔板时输出信号接近为零。但是这个方法在表笔移到铜箔板右侧上下两个角落的时候，由于输入信号很小而可能引起误判。第二个方法是利用表笔上的感应噪声进行判断。当表笔接触铜箔板时，由于铜箔板的电阻极小，表笔上感应的各种噪声会大幅度降低。这个方法需要在IA后面引出一个信号，将此信号进行放大检波后提供单片机作判断。为了避免与有用的检测信号混淆，此检测必须与表笔位置检测分时进行，即在检测表笔是否接触时两个H桥不产生信号，在检测表笔位置时不检测其是否接触。只要时间转换足够快，就不会产生不连续的问题。

最后说一下如何将检测得到的电压与覆铜板上的位置（等电位线）对应。尽管可以通过计算（带边界条件的二维电场分布）确定覆铜板上的等电位线，但那个计算比较复杂，且在手工制作过程中覆铜板的形状可能发生变化、焊点位置也可能发生变化，所以理论计算并不实用。一个实际可行的方法是预先实测若干坐标位置的电位（定标），然后在单片机内建立一个数据库，实际测试时通过内插、拟合等计算方法将实测的电位换算为探针的坐标。

 

okhxyyo

又有新干货啦！！老师辛苦啦~~~新年快乐呀~

天地摩登恒

感谢楼主的分享。想当年，又是选择了这个题目，一脸懵逼。

xutong

给大佬点赞

吾妻思萌

话说 苹果好像最新专利是笔尖装个摄像头，我觉得楼主大牛要不帮忙分析分析这个?

nan2074

现在的赛题都这么厉害的吗？感觉都快看不懂了，好厉害

282209507

看不懂.....................

lkh747566933

路过学习一下路过学习一下路过学习一下路过学习一下

fadedruhm

可以运用电流环电路来抑制表笔传输进来的噪声嘛