中國(guó)報(bào)告大廳網(wǎng)訊，在數(shù)字化浪潮席卷全球的當(dāng)下，手寫板作為連接傳統(tǒng)書寫與數(shù)字世界的重要工具，其技術(shù)發(fā)展備受關(guān)注。2025年，手寫板行業(yè)技術(shù)持續(xù)創(chuàng)新，從電阻屏、電容屏技術(shù)的深度優(yōu)化，到新型傳感技術(shù)的探索應(yīng)用，都在不斷提升手寫輸入的體驗(yàn)與精度。其中，基于 PCB 覆銅板的手寫板技術(shù)憑借其獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，成為行業(yè)研究的新熱點(diǎn)，為手寫板技術(shù)的發(fā)展開辟了新路徑。

  一、PCB 手寫板 “場(chǎng)”“路” 耦合分析確定關(guān)鍵激勵(lì)檢測(cè)模式

  《2025-2030年全球及中國(guó)手寫板行業(yè)市場(chǎng)現(xiàn)狀調(diào)研及發(fā)展前景分析報(bào)告》指出，基于 PCB 覆銅板的手寫板系統(tǒng)研制，是多學(xué)科知識(shí)融合的復(fù)雜過程。其面臨的主要難題在于覆銅板電導(dǎo)率高，手寫板傳感器輸出信號(hào)微弱，導(dǎo)致手寫筆定位困難。要解決這一問題，首先需對(duì) PCB 手寫板進(jìn)行 “場(chǎng)”“路” 耦合分析。

  在電場(chǎng)分布的數(shù)值模擬環(huán)節(jié)，設(shè)定覆銅板尺寸為 15cm×10cm，4 個(gè)角接電極，手寫筆作為第 5 個(gè)電極，目標(biāo)是在顯示設(shè)備上精準(zhǔn)呈現(xiàn)手寫筆接觸點(diǎn)位置。通過建立二維平面結(jié)構(gòu)電磁場(chǎng)仿真模型，依據(jù)麥克斯韋方程組，利用 COMSOL 有限元仿真軟件求解拉普拉斯方程，獲取不同激勵(lì)條件下的電位等勢(shì)線。經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，在 1A 電流激勵(lì)時(shí)，覆銅板等效電阻約 2mΩ，電極施加在矩形區(qū)域?qū)腔蜷L(zhǎng)邊頂點(diǎn)時(shí)，手寫區(qū)域 A 和 B 內(nèi)電壓分布均勻度更佳;而左上、右下頂點(diǎn)和左下、右上頂點(diǎn)激勵(lì)模式下，手寫區(qū)內(nèi)電位等勢(shì)線夾角最大，定位分辨率最高。

  基于此，綜合信號(hào)量級(jí)、功率損耗等因素，確定激勵(lì)時(shí)間 200ms，檢測(cè)周期 1s，交流工作頻率 1023Hz 的激勵(lì)、檢測(cè)模式。該模式采用交流激勵(lì)的鎖相放大系統(tǒng)應(yīng)對(duì)微弱信號(hào)檢測(cè)難題，通過間斷工作模式降低系統(tǒng)功耗，同時(shí)有效避開電磁干擾，為手寫板系統(tǒng)的后續(xù)設(shè)計(jì)奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

  二、PCB 手寫板系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)保障功能實(shí)現(xiàn)

  依據(jù) “場(chǎng)”“路” 耦合分析結(jié)果，精心設(shè)計(jì) PCB 手寫板系統(tǒng)硬件整體結(jié)構(gòu)。系統(tǒng)采用開關(guān)電源模塊實(shí)現(xiàn) ±5V 電源供應(yīng)，交流恒流激勵(lì)系統(tǒng)與微弱信號(hào)檢測(cè)系統(tǒng)采用相互隔離電源供電，數(shù)據(jù)線通過光耦隔離，以確保系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行。

  交流恒流源激勵(lì)模塊采用數(shù)字頻率合成技術(shù)實(shí)現(xiàn)，在 CPU 控制下，DDFS 模塊產(chǎn)生頻率 1023Hz、突發(fā)周期特定的正弦波信號(hào)。經(jīng)乙類恒流功率放大電路處理，將電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為有效值 1A 的恒流激勵(lì)，為手寫板提供穩(wěn)定激勵(lì)。

  微弱信號(hào)檢測(cè)模塊由前置窄帶濾波器、前置低噪聲高增益放大器、雙鎖相放大器等組成。前置窄帶濾波器為中心頻率 1023Hz、帶寬 50Hz 的三階巴特沃斯濾波器，有效限制信號(hào)帶寬;前置高增益、低噪聲放大器選用 AD620 芯片，降低系統(tǒng)噪聲;雙鎖相放大器采用正交參考信號(hào)同步放大，結(jié)合低通濾波器與 14 位 AD 轉(zhuǎn)換器，精準(zhǔn)檢測(cè)并轉(zhuǎn)換微弱信號(hào)，實(shí)現(xiàn)對(duì)微小電壓變化的捕捉。

  三、PCB手寫板實(shí)驗(yàn)與算法驗(yàn)證系統(tǒng)可行性

  通過實(shí)驗(yàn)測(cè)量原始電位分布，由于實(shí)際測(cè)量受接觸電阻和覆銅板電導(dǎo)率不均勻影響，需在 x 和 y 方向每隔 3mm 移動(dòng)表筆，切換兩次對(duì)角激勵(lì)方式獲取電位數(shù)據(jù)，經(jīng)四邊形網(wǎng)格形函數(shù)插值，得到有效區(qū)域連續(xù)電位分布。

  基于此，采用基于線性插值的等勢(shì)線相交法進(jìn)行坐標(biāo)計(jì)算。該算法利用預(yù)先測(cè)量的電位分布數(shù)據(jù)，通過線性插值確定兩條等勢(shì)線的點(diǎn)，進(jìn)而找到等勢(shì)線交點(diǎn)，即手寫筆位置。實(shí)驗(yàn)選取 10 個(gè)坐標(biāo)點(diǎn)進(jìn)行驗(yàn)證，結(jié)果顯示，B 區(qū)內(nèi)坐標(biāo)測(cè)量最大誤差為 3.8mm，未超 4mm 要求，A 區(qū)內(nèi)測(cè)量誤差均小于 3mm，充分驗(yàn)證了該手寫板系統(tǒng)的可行性與準(zhǔn)確性。

  綜上所述，基于PCB覆銅板的手寫板系統(tǒng)通過 “場(chǎng)”“路” 耦合分析確定激勵(lì)檢測(cè)模式，經(jīng)精心設(shè)計(jì)的硬件系統(tǒng)與有效的算法實(shí)現(xiàn)了手寫筆在 PCB 覆銅板上的準(zhǔn)確定位。然而，系統(tǒng)仍存在一些有待改進(jìn)之處，如 PCB 板和畫筆間接觸電阻對(duì)定位精度的影響，以及外部不確定因素干擾等問題。未來，提升畫筆和極板的導(dǎo)電性與穩(wěn)定性，增加激勵(lì)和檢測(cè)電極個(gè)數(shù)以增強(qiáng)系統(tǒng)魯棒性，將是該手寫板技術(shù)進(jìn)一步發(fā)展的重要方向。隨著研究的深入，基于 PCB 覆銅板的手寫板技術(shù)有望在手寫板市場(chǎng)占據(jù)更重要的地位，為用戶帶來更優(yōu)質(zhì)的手寫輸入體驗(yàn)，推動(dòng)手寫板行業(yè)技術(shù)邁向新高度。

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