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电子线路系统设计报告

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2020年4月19日
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第一章 课程设计名称及设计要求 1
第二章 总体设计思想 2
第三章 元件介绍及单元电路设计 3
3.1 ICL7107 3
3.2 铂电阻Pt100 5
3.3 数码管 6
3.4 LM324 6
第四章 总电路及元器件的装配与调试 8
4.1 总电路图 8
4.2 电路板焊制 8
4.3 电路板的检测 8
4.4 电路板检测结果及分析 9
4.5 调试记录 9
第五章 心得体会 9

第一章 课程设计名称及设计要求
一、 设计题目
温度测量数显仪的设计实现

二、 设计背景
温度控制是日常生活和工程领域经常需要解决的问题，在冷库、制冷设备、粮食储备等精度要求不特别高的场合，经常采用铂电阻来实现温度的采集与控制调节。

三、 设计任务
设计一个可在一定温度范围进行温度测量与控制的温度测量数显控制仪。该仪器测量温度的范围为-50~200℃，能够对温度值进行数字显示。

四、 设计目的
1) 了解温度采集传感器Pt100的工作原理，掌握其工程设计使用方法。。
2) 掌握模数转换、电阻电压转换及数码显示电路的设计构造方法。
3) 掌握电子电路系统设计的基本方法，培养提高综合利用多学科相关知识进行初步工程设计与实际装调系统电路的能力。

第二章 总体设计思想
本次课程设计任务为数显温度测量仪:测温范围-50℃—200℃。
设计电路由稳压电路、温度采集、电阻/电压转换器和显示电路组成。其中，温度采集传感器采用热敏电阻铂Pt100，A/D转换器用ICL7107（双电源±5V供电，适合驱动发光二极管显示），共阳数码管用ICL7107控制。
本方案用到了ICL7107，电路中的A/D转换电路与数码显示电路都由其控制与组成，因而在设计具体电路时，要针对ICL7107进行合理的设计。而电阻/电压转换电路由运放电路组成，用ICL7107组装3 位半数字电压表进行显示。Pt100是电阻/电压转换电路的核心部分。测温传感器铂-100热电阻（Pt-100）进行温度采集。热电阻变换电路要求LM324 4级集成差放选择匹配。经过铂金属的传热和中间电路将热信号转换为电压信号再经放大后输入到ICL7107芯片，最后经数字显示电路将温度信号显示。
该方案的设计方框图表示如下

基于ICL7107的温度测量控制原理方框图
优点：电路组成明确且设计合理，能够较为理想的实现实验设计要求。
缺点：电路所用元器件较多，调试比较复杂。

第三章 元件介绍及单元电路设计
3.1 ICL7107
ICL7107是高性能、低功耗的三位半A\D转换器，同时包含有七段译码器、显示驱动器、参考源和时钟系统。ICL7107可直接驱动共阳极LED数码管。ICL7107将高精度、通用性和真正的低成本很好的结合在一起，它有低于10uV的自动校零功能，零漂小于1uV/℃，低于10pA的输入电流，极性转换误差小于一个字。真正的差动输入和差动参考源在各种系统中都很有用。在用于测量负载单元、压力规管和其它桥式传感器时会有更突出的特点。
ICL7107转化器原理图如图3.1所示。其中计数器对反向积分过程的时钟脉冲进行计数。控制逻辑包括分频器、译码器、相位驱动器、控制器和锁存器。
驱动器是将译码器输出对应于共阳极数码管七段笔画的逻辑电平变成驱动相应笔画的方波。

图3.1 ICL7107转化器原理图
控制器的作用有三个：
1. 识别积分器的工作状态，适时发出控制信号，使各模拟开关接通或断开，A/D转换器能循环进行。
2. 识别输入电压极性，控制LED数码管的负号显示。
3. 当输入电压超量限时发出溢出信号，使千位显示“1" ，其余码全部熄灭。
钓锁存器用来存放A/D转换的结果，锁存器的输出经译码器后驱动LED 。它的每个测量周期自动调零（AZ）、信号积分（INT）和反向积分（DE）三个阶段。
双积分型A/D转换器的电压波形图如图3.2所示

图3.2双积分型A/D转换器的电压波形图
ICL7107AD转换器的管脚排列及其各管脚功能如图3.3所示。

图3.3 ICL7107管脚排列
ICL7107是集A/D转换和译码器为一体的芯片，而且这芯片能够驱动三个数码管工作而不需要更多的译码器，这给我们连接电路或者分析电路提供了一定的方便。ICL7107芯片的管脚比较多，每一个管脚所代表的功能也各不相同，能够组成各种电路，比如说有积分电路。这要求我们在接电路时要小心，不能出现错误。

图3.4 ICL7107实际搭配电路

3.2 铂电阻Pt100
1. Pt100热敏电阻将温度变化转换成电阻值的变化：温度是0℃，阻值为100Ω；温度100℃时，阻值为138.5Ω；温度200℃时，阻值177Ω；温度电阻系数0.385Ω/℃，基本呈线性增长。
2. 电阻/电压转换电路
1) 当t=-50℃时，运放的输出电压为
Uo=(1+80.31/33) ×0.3=1.03V
2) 当t=200℃时，运放的输出电压为
Uo=(1+175.84/33) ×0.3=1.90V
3) 在-50℃ ～200℃，输出电压在1.0～1.9V间。
在电阻/电压转换电路后，接一电压跟随器，提高带负载的能力。
所选运放均由LM324提供。
3. 由ICL7107组成A/D转换与数码驱动电路。四只数码管共阳组成高精度数字电压表头，用来显示温度（1mV就代表1℃）.
4. 电源±5V和GND由实验室EM1716提供。
铂电阻对应温度表Pt100
温度℃
-50
-25
0
25
50
75
100
125
150
175
200
电阻Ω
80.31
90.19
100
109.73
119.4
128.98
138.5
147.94
157.31
166.61
175.84
3.3 数码管

因为是共阳极，故上端COM端接正向输入电压，下端COM端悬空。

3.4 LM324
LM324为四运放集成电路，采用14脚双列直插塑料封装。，内部有四个运算放大器，有相位补偿电路。电路功耗很小，lm324工作电压范围宽，可用正电源3～30V，或正负双电源±1．5V～±15V工作。它的输入电压可低到地电位，而输出电压范围为O～Vcc。它的内部包含四组形式完全相同的运算放大器，除电源共用外，四组运放相互单独。每一组运算放大器可用如图所示的符号来表示，它有5个引出脚，其中“+”、“-”为两个信号输入端，“V+”、“V-”为正、负电源端，“Vo”为输出端。两个信号输入端中，Vi-（-）为反相输入端，表示运放输出端Vo的信号与该输入端的相位相反；Vi+（+）为同相输入端，表示运放输出端Vo的信号与该输入端的相位相同。

图3.5 LM324引脚图

图3.6实际搭配的电路图。

第四章 总电路及元器件的装配与调试
4.1 总电路图

4.2 电路板焊制
在焊制电路板的过程中， PCB板制作错误，我们对其修改其中R4和R5不接地可是板子上的却接了地，我们只好用刀片切断其连线，还有R5应该与R10连接板子上却没有连接，我们用选择直接引线解决，虽然能解决问题，但在工艺上，抗干扰上带来了较大的问题，但由于时间有限，因此做得不是很好。

4.3 电路板的检测
A、 37脚的TEST端与l脚短接，表头应显示-1888。这时可检查显示是否缺笔画。如有，大多是引脚、连线虚焊。
B、首先将 IN+与IN-短接，表头应显示为“0000”。若不为零，则应检查参考源电容C2和自动校零电容C4是否漏电。
C、将3l脚与36脚短接，表头读数应为1000。若有偏差，调电位器RP。依然不行，多半是RP、积分电容C3坏。
D、将32脚与26脚短接，表头的最高位应显示-l，其它位均不亮。否则，应检查电源或换芯片。
E、将芯片ICL7107正确的插入插槽，用温度计测出此时的室温，给电路板接通+5V电源。然后调节滑动变阻器使数码管显示到当前温度。再用数字万用表红表笔接ICL7107的36引脚，黑表笔接地。如果测得电压为1V左右，那么该温度为此时的温度。
4.4 电路板检测结果及分析
电路完整，数码管显示也没有缺笔现象，也能够很准确的测得温度。
4.5 调试记录
A,连接好电路图，发现指示值飘逸不定，测量ICL7107的30端31端未发现异常，再测量36端时发现漂移不定：结论---电位器RP2损坏。
B、调零时，根据PT100在0°时对应100Ω计算得出LM324的5端输出为1.06V，测量Vin-(30管脚)发现值≠Vin+(31管脚)：结论—-电阻值20K过大，几番测试调节，最终为13.3K。
C、调零后，根据PT100在200°时对应175.84Ω计算得出LM324的5端输出为1.62V，测量Vin-,根据Vo=1000*Vin/Vref，而且Vref-=0V,能够计算出Vref+的值，从而根据电阻分压确定电阻值。

第五章 心得体会
经过两天的焊接和3天的调试，我们组制作的温度测量数显仪完成了，而且能够完美地实现测量并显示温度。
经过此次实验设计，我学会了基于ICL7107的温度测量仪的工作原理。如何利用电子器件进行温度测量的这个问题从小就困惑我，而现在看来，基本的温度测量技术也不再神秘，其实就是根据PT100分度表，即每一阻值都对应一个温度，使温度的变化经过热敏电阻阻值的变化表示出来。
可能由于时间的仓促，电路板的设计存在各种小问题，比如该接地的没有接地等等。这导致了我们用了部分时间来做电路板的修改，当时我也担心修改后的测量仪能否正常地工作。
从认真的焊接到耐心的调节，我们组每一步都做得比较到位，并没有急于求成。实验中遇到的问题主要是如何调节增益，刚开始我们并没有头绪，只是在一味地乱调，以为调到要求就完事了，可就是一直调不出。经过老师的细心指导，我们懂得了调节也是有步骤的，在基件上只要是调节到正确时，就不能再做调节了。我豁然开朗。最后经过测量，得到了实验的结果，由于存在误差，实验结果接近理想结果。
在大学的最后一个课程设计，我很好的完成了实验，受益匪浅，同时也懂得了很多道理。