數(shù)字顯示溫度計(jì)的PCB設(shè)計(jì)制作過程

1 引言

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展與工業(yè)技術(shù)的迅猛提升，在日常生活生產(chǎn)中我們時(shí)常需要準(zhǔn)確測(cè)量與控制環(huán)境溫度與設(shè)備溫度。因此，研究溫度的測(cè)量與控制就顯的很重要了。

我們要從外界感應(yīng)溫度，關(guān)鍵是溫度傳感器，在這里用LM35完成，獲取了外界的溫度值之后，需要一定的顯示裝置加以顯示。當(dāng)前流行的方法是通過A/D轉(zhuǎn)換器將模擬量轉(zhuǎn)化為數(shù)字量，在這里用ICL7107完成。再通過LED或LCD顯示出來。下面介紹的溫度計(jì)是以雙共陽數(shù)碼管(LED)顯示的。

2 繪制數(shù)顯溫度計(jì)電路圖及PCB設(shè)計(jì)方法，需要注意的問題

我們要想成功的設(shè)計(jì)一個(gè)溫度計(jì)的PCB圖，大致要經(jīng)過以下步驟：首先學(xué)會(huì)繪制溫度計(jì)的原理圖。繪制原理圖時(shí)要知道需要那些元件，庫中沒有的或很難找到的元器件，第一小步，我們必須要建立一個(gè)元件庫(Sch.Lib)以滿足設(shè)計(jì)需要，在制作元件時(shí)我們應(yīng)該把多個(gè)元件放在一個(gè)庫中以方便調(diào)用，必要時(shí)還要在庫文件中對(duì)元器件進(jìn)行說明可以在Browse Schlib中的Components中選中元件，再在Description中進(jìn)行相應(yīng)的描述(Description、Footprint、default Designator、Sheet part Filename)。在制作元件時(shí)我們必須注意一些小問題，例如：在制作TL431元件符號(hào)時(shí)引腳沒有放置在柵格上，調(diào)到原理圖時(shí)不能正常連接導(dǎo)線，在引腳上不能生存節(jié)點(diǎn)。此時(shí)我們可以在制作窗口中單擊鼠標(biāo)右鍵選中Doument options,在彈出的library Editor Workespace對(duì)話框中對(duì)Gird選項(xiàng)中的Snap、Visibie進(jìn)行設(shè)置。在制作元件時(shí)也要講究技巧例如：借助已有的元件庫中的類似元件，將其拷貝到自己制作庫中稍作修改。在制作集成芯片Icl7107、Icl7660、S-DSP，必須注意每個(gè)引腳的屬性，須認(rèn)真逐個(gè)的設(shè)置，以免在原理圖中出現(xiàn)錯(cuò)誤連接導(dǎo)致在調(diào)試時(shí)將芯片燒壞。第二小步，將要用到的元件調(diào)到原理圖中進(jìn)行連接，在連接的過程中要注意總線的連接，總線只是示意性電氣連接，而真正表示連接是網(wǎng)絡(luò)標(biāo)號(hào)。因此在用到總線時(shí)必須放置網(wǎng)絡(luò)標(biāo)號(hào)。第三小步，電路圖連接好后，我們必須進(jìn)行ERC、Reports/Bill of material、Create netlist操作。電器規(guī)則檢查，以糾正電路圖中的電路錯(cuò)誤。進(jìn)行元件報(bào)表查看電路圖的元件信息。創(chuàng)建網(wǎng)絡(luò)表為做PCB繪制做準(zhǔn)備。設(shè)計(jì)好的原理圖主要由以下幾個(gè)部分組成。

數(shù)顯溫度計(jì)的原理圖如下：

第二大步完成PCB制作。制作PCB的第一步，確定板框物理尺寸、布線尺寸和需要的各個(gè)板層，可以通過向?qū)硗瓿?。第二步，定義好PCB之后，調(diào)用菜單欄命令Design/Load Nets將元件調(diào)入PCB中，在放置元件時(shí)，需要注意的是不同的元件需要放置在不同的板層，例如放置名字(拼音)在BottomLayer層，且水平鏡像，不能用漢字。第三步，選擇跳線的過孔形式。第四步，選擇元件形式和焊盤間通過的銅膜線數(shù)，調(diào)用菜單欄命令Design/Rules進(jìn)行設(shè)置。第四步，走線參數(shù)設(shè)置。第五步，連接好PCB后需要進(jìn)行設(shè)計(jì)規(guī)則檢查，調(diào)用菜單欄命令Tools/Designs Rules Check.可完成，這樣可以避免設(shè)計(jì)錯(cuò)誤和電氣錯(cuò)誤。

3 PCB圖的打印、轉(zhuǎn)印與敷銅板的腐蝕加工與問題。

1. 用激光打印機(jī)打印PCB圖到熱轉(zhuǎn)印紙(用熱轉(zhuǎn)印紙制作PCB)

在開始菜單中添加打印機(jī)

根據(jù)添加打印機(jī)向?qū)б徊讲阶鱿氯?當(dāng)無實(shí)際打印機(jī)連接時(shí)，任選一種打印機(jī)即可)

PCB圖打印設(shè)置：窗口切換到欲打印的PCB圖，在File下，選擇Print/Preview，在Explorer下顯示了一個(gè)后綴為PPC格式的文檔，即打印文檔： Preview PCBPPC，將管理器切換到Browse PCBPrint,選擇需要打印的層進(jìn)行設(shè)置：底層打印圖形的設(shè)置在Layers欄 將MultiLayer移到最上層

n在Options欄勾選Show Holes

n在Color Set欄 選擇Black & White(黑白圖形)

在設(shè)計(jì)PCB圖時(shí)，在Bottom Layer層放置“String”，在其中寫上自己的名字(漢語拼音)、設(shè)計(jì)日期。名字、日期要水平鏡像放置。設(shè)置好后，打印到熱轉(zhuǎn)印紙上的底層圖形。

2.下料：按尺寸剪切敷銅板，并用細(xì)砂紙打磨光，清潔

3.將打印的PCB底層圖用熱轉(zhuǎn)印機(jī)轉(zhuǎn)印到敷銅板上

4.修板：

用快干漆將少量沒有印好的線條修補(bǔ)好

5.腐蝕：將印好了電路板圖的敷銅板放入三氯化鐵溶液中腐蝕。溶液濃度高、溫度高則腐蝕速度快，但濃度和溫度要合適。腐蝕時(shí)間要掌握好。

6.清洗、晾干

7.鉆孔

選擇直徑合適的鉆頭：集成電路引腳及一般電阻、電容用0.8mm直徑的鉆頭，如有元件引腳較粗，可以根據(jù)測(cè)量值，換相應(yīng)大些直徑的鉆頭。鉆孔過程中，鉆頭盡量插入夾具深一些，并且夾具要擰緊。

8.除去銅膜上的油墨

用有機(jī)溶劑(酒精、香蕉水、丙酮等)擦除覆蓋在銅膜線上的油墨，沒有上述溶劑時(shí)，也可以用砂紙擦除。

9.打磨并檢查電路板

除去油墨后，用較細(xì)的砂紙將銅膜線打磨光亮。打磨越好，越好焊接。不過不可打磨過度，以免銅膜厚度損耗過多。打磨后，用面巾紙清潔干凈。

檢查電路板：用萬用表檢查PCB上線條間有無短路、斷路。有短路要割斷，有斷路要搭上焊錫，將其連接好。

10.上助焊劑

將松香溶于無水酒精中制作成助焊劑待用。注意助焊劑的濃度要合適。過濃，干燥后不光亮，過稀，助焊性能較差。

用毛刷將酒精松香焊劑均勻地涂在清潔后的PCB板，涂刷時(shí)，將PCB板垂直放置，以免焊劑堵塞鉆孔。涂刷一遍即可，涂刷次數(shù)過多容易起皺紋，不光亮。

將涂刷酒精松香焊劑的PCB放置在陽光下涼干或自然涼干。ICL7107為十進(jìn)制雙積分式3位半模數(shù)轉(zhuǎn)換器，精度為±2LSB(最低有效位)，當(dāng)其典型基準(zhǔn)電壓分別為100.0 mV和1000 mV，并選用對(duì)應(yīng)的外圍電路積分電阻、積分電容時(shí)，可構(gòu)成滿度量程為200 mV和 2000 mV 2種電 路。

ICL7107的輸出顯示數(shù)字N，輸入電壓，基準(zhǔn)電壓 VREF的關(guān)系為：

N = 1000×

式中N僅為輸出顯示數(shù)字值，其小數(shù)點(diǎn)位置需要另行設(shè)置。顯然，當(dāng)基準(zhǔn)電壓VREF小于其典型基準(zhǔn)電壓(100.0 mV和 1000 mV)時(shí) ，輸出顯示數(shù)字N 將被擴(kuò)大;而基準(zhǔn)電壓VREF大于其典型基準(zhǔn)電壓 (100.0 mV和 1 000 mV)時(shí)，輸出顯示數(shù)字N將被縮小。

4 ICL7107芯片工作原理分析

ICL7107集成電路內(nèi)部有模擬和數(shù)字電路2部分。模擬電路由轉(zhuǎn)換開關(guān)和運(yùn)放等組成，以實(shí)現(xiàn)信號(hào)采樣和積分，它采用差動(dòng)輸入，輸入阻抗1O10Ω。數(shù)字電路由計(jì)數(shù)器、鎖存器、控制邏輯和顯示譯碼器組成。輸入的模擬信號(hào)電壓值首先轉(zhuǎn)換成一個(gè)與之成正比的時(shí)間寬度信號(hào)，然后在這個(gè)時(shí)間寬度里對(duì)固定頻率的時(shí)鐘脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)，則計(jì)數(shù)結(jié)果就是正比于輸入模擬信號(hào)的數(shù)字，最后進(jìn)行數(shù)字的鎖存和譯碼顯示。轉(zhuǎn)換周期分為3個(gè)階段：自動(dòng)穩(wěn)零(AZ)階段、信號(hào)積分(INT)階段、反積分(DE)階段，其時(shí)間分別為：

(1)自動(dòng)穩(wěn)零階段(AZ)

TAZ =1O00×TCL-(2000×TCL -1000×TCL ×lN/VREF

(2)信號(hào)積分階段(INT)

對(duì)輸入模擬信號(hào)進(jìn)行積分，時(shí)間是固定的：TINT= l000×TCL

(3)反積分(DE)階段

這個(gè)階段是實(shí)現(xiàn)對(duì)與輸入信號(hào)極性相反的參考電壓VREF進(jìn)行積分，反相積分的最大時(shí)間為： T(DE)MAX =2000×TCL

從反積分開始到積分器輸出回到模擬公共端(C00M0N)電壓 VCOM的時(shí)間正比于輸入模擬電壓的大小，其數(shù)字讀數(shù)為：

N = 1000×

在反積分期的輸入時(shí)鐘脈沖數(shù)最大值是 2000，當(dāng)?shù)扔诨虺^ 2000時(shí)溢出，當(dāng)不足2000時(shí)，只要反相積分期結(jié)束，即轉(zhuǎn)入自動(dòng)穩(wěn)零期。綜上，A/D轉(zhuǎn)換的 3個(gè)階段共需 4000個(gè)TCL時(shí)鐘周期，因?yàn)檎袷幹芷?4分頻 TCL，所以整個(gè)轉(zhuǎn)換時(shí)間為 16000個(gè)Tosc(振蕩周期)。

5 元器件的裝配與調(diào)試

5.1 采用試驗(yàn)的方法

37腳的TEST端與l腳短接，表頭應(yīng)顯示-188.8。這時(shí)可檢查顯示是否缺筆畫。如有，大多是引腳、連線虛焊。

首先將 IN+與IN-短接，表頭應(yīng)顯示為“0000”。若不為零，則應(yīng)檢查參考源電容C2和自動(dòng)校零電容C4是否漏電。

將3l腳與36腳短接，表頭讀數(shù)應(yīng)為1000。若有偏差，調(diào)電位器RP。仍然不行，多半是RP、積分電容C3壞。

將32腳與26腳短接，表頭的最高位應(yīng)顯示-l，其它位均不亮。否則，應(yīng)檢查電源或換芯片。

5.2 根據(jù)故障現(xiàn)象檢修

這種方法直接，判斷故障較快。如：輸入信號(hào)為零，表頭顯示不為零，并不停跳動(dòng)。應(yīng)檢查基準(zhǔn)源電容C2和自動(dòng)校零電容C4。

若表頭讀數(shù)偏差較大，可能是積分電容C3問題，或者基準(zhǔn)電壓發(fā)生變化等。

6 實(shí)驗(yàn)總結(jié)

a.放置名字(拼音)在BottomLayer層，且水平鏡像，不能用漢字

b.檢查網(wǎng)絡(luò)表：根據(jù)原理圖中的Nets，在PCB中的管理器Nets下逐一核對(duì)，看有無錯(cuò)誤。

c.PCB制作完后，必須進(jìn)行DRC檢查， 無高亮(綠色)顯示

d.在制作元件時(shí)，沒有注意封裝圖的位置，一般應(yīng)該將1號(hào)焊盤放置在坐標(biāo)原點(diǎn)。如果離坐標(biāo)原點(diǎn)很遠(yuǎn)，則在調(diào)入PCB圖時(shí)，偏離放置位置很遠(yuǎn)，甚至看不到。

e. 知道了ICL7107、ICL7660、MC78058T、TL431、S-DSP是否正常的測(cè)試方法。

f.ICL7660有使電壓反向的功能，ICL7107有D/A轉(zhuǎn)換功能和譯碼功能，LM35能使溫度信號(hào)轉(zhuǎn)化成電信號(hào)的功能，MC7805T具有提供+5V電壓的作用。