数字式温度计
用传统的水银或酒精温度计来测量温度, 不仅测量时间长、读数不方便、而且功能单一, 已经不能满足人们在数字化时代的要求，本文提出了一种新型的
数字式温度测量电路的设计方案。
一、 设计目的
（1） 了解大规模专用集成电路的组成；
（2） 了解半导体温度传感器的工作原理；
（3） 掌握非电量测量基本原理；
（4） 了解A/D转换的概念；
（5） 学会基本放大电路的使用以及调试；
（6） 掌握利用大规模集成电路设计数字式温度计电路和调试的方法。
二、 设计内容及要求
（1） 利用大规模集成电路ICL7107型三位半A/D转换器和集成温度传感器AD590设计一数字式温度计电路；
（2） 要求温度测量范围为-55℃～150℃; 显示采用三位半LED 显示，自动显示正负号；取样速率约为6次／秒；准确度±1％±1字；
（3） 工作温度范围0～40℃，电源为士5V ，要既可以采用交流，也可采用直流供电；
（4） 画出电路图，写出完整的报告(包括电路结构的确定、元件参数的确定) ；
（5） 用面包板格出电路，并调试之。
三、数字式温度计的组成和工作原理
这种数字式温度表由温度传感器、t/V转换电路、基准电源、三位半数字电压表、电源五个部分组成。
AD490温 度传感器
t/V转换电路
显示
基准电源
三位半数 字电压表
I
U
图1 数字温度计设计框图
1． 集成温度传感器
图2(a)所示AD590是美国生产的集成温度传感器，具有很高准确度。采用Y0-52封装的AD590，外形同小功率晶体管相似。第1脚为正极．第2脚为负极．第3脚接管壳，使用时将第3脚接地，可起到屏蔽作用。AD590的测温范围是—55℃～150℃，电源电压范围是4—30V 。当工作电压选5V 、温度保
持125℃；长期温度漂移仅±1℃/月。
AD590的图形符号见图1(b)．它等效于1个高吸抗的恒流源。在工作电压为1—30V 、测温范围是—55～150℃的范围之内，对应于热力学温度T 每变化1K ，就输出1μA的电流。在298．2K 时输出电流恰好为298．2μA (298．2K 对应于25．2℃) ，这表明，其输出电流I （μA）与热力学温度T(K)严格成正
比。电流温度系数的表达式为
式中: k——波尔兹曼常数
e 一—电子常量；
R ——芯片内部的集成电阻。
将 ，R ＝538Ω代入上式中得到：
图2 AD590集成温度传感器
因此，输出电流的微安数就是被测温度的热力学温标数。AD590的电流一温度(I-T)特性如图1(c)所示。欲显示摄氏温标(℃) ，需加温标转换电路(t＝T
十273) ，并按摄氏温度进行校准。
图3 数字温度计电路图
2．t ／V 转换电路
t ／V 转换电路的原理如图3所示。MCI403为能隙基准电源，它输出的+2.5V基准电压经R1+RP1接AD590的正极，另外还接至运算放大器的反相输
入端；AD590的负极则接-5V 稳压电源。
按图所示电路，AD590的电流表达式为
I=I0+I1
式中，I0、I1分别为通过(R1+RPl)、(R2+RP2)的电流，RP1和RP2均为电位器．分别用来校准0℃、100℃的温度。因放大器的外环电压增益Avo ＞＞1，故图中M 点为虚地。只要0℃时调整RPl ，使I0等于AD590在该温度下的工作电流值(此时I1=0，I=I0)．I0即为恒定值。在测温过程中．I 仅随I1而
变化。显然，当温度上升到t ℃ 时．Il 会相应增加到t×1．000μA，使放大器的输出电压为：
V 。＝I1(R2+RP2)＝1. 000×(R2十RP2)t (μV)
由于V 。与被测摄氏温度t 呈线性关系．从顺实现了t/V换，这就是测温电路的基本原理。
设计电路时，让R2为固定电阻，RP2为实芯电位器，通过调整RP2, 使R2+RP2=10k,这样就有：
V 。＝1．000×10k×t (μV)=1.000×0.01×t (V)
当t=100时，V 。恰为1.000V 。受AD590所限制，所测温度最高只
图4 ICL7107引脚图 能达到150℃，此时V 。=1.500V。
t ／V 转换电路的输出电压V 送至三位半A/D转换器中。
3．三位半数字电压表
三位半数字电压表是由A/D转换器、段驱功器、位驱动器和LED 显示器构成。而ICL7107是集三位半A/D转换器、段驱动器、位驱动器于一身的大
规模专用集成电路．ICL7107管脚排列如图4所示。具有以下主要性能特点：
①能够直接驱动共阳极LED 数码管, 不需另加驱动电路和限流电阻；
②采用±5V 双电源供电；
③功耗小于15Mw, 最大静态电流为1. 8mA；
④段驱动电流的典型值为8mA ，最小位为5mA ；
⑤显示器可采用7段共阳数码管，也可选用四位组合式共阳LED 显示器。
ICL7107管脚排列采用双列直佃式塑料封装，共40个引脚。各督脚功能如下：
+V、-V 一—分别为电源的止、负极；
COM 一—模拟信号的公共端，简称“模拟地”，使用时通常将该端与输入信号的负端、基准电压的负端短接；
TEST —一测试端。此端有2个功能，第一是作“测试指示”，将它与+V短接后，LED 显承器的全部笔段点亮，应显示出1888(全亮笔段) ．据此可确定
显示器有元笔段残缺现象；第二个功能是作为数字地供外部驱动器使用，例如构成小数点驱动电路；
al ～gl 、a2～g2、a3～g3――分别为个位、十位、百位笔段驱动端，依次接LED 显示器的个、十、百位的相应笔段；
bC4——千位(即最高位，也称1／2位) 笔段驱动端．接千位LED 的ｂ、c 段；
POL —一负极性指示驱动端．接千位LED 的g 段；
GND 一－为数字地，与37脚(TEST)经过内部500Ω电阻接通；
OSC1～OSC3——时钟振荡器的引出端，与外接叭容元件构成两极反相式阻容加荡器；
——基准电压的正端，简称“基准＋”。通常从内部基准电压源获取所需的基准电压，也可采用外部基准电压，以提高基准电压的稳定性；
一一基准电压的负端，简称“基唯－”，
、 ——外接基准电容的正、负端：
、 ——模拟电压的输入瑞，分别接被侧直流电压 正端与负端；
――外接自动调穿电容CZA 端、该端接芯片内部积分器的反相输入端；缓冲放大器的输出，接积分电阻 ；
INT —一积分器输门端，技以接积分电容 。
ICL7107内部包括棍拟电路(即双积分式Ａ／D 转换器) 和数字电路2大部分。
ICL7107的A ／D 转换器如图5所示。它的每个测量周期分成自动调零、正向积分、反相积分3个阶段。自动调零主要是用失调电压对自动凋零电容 充电，用来补偿缓冲器、积分器、比较器的失调电压，并用基准电压 向基准电容 充电，使之电压被充到 ，为反向积分作准备。正向积分是把被测电压 经缓冲器和积分电阻送至积分器。积分器使固定时间T1内，对 进行定时积分，而反向积分则是将 已充好的基准电压按照相反的极性来代替 ，进行反向积分、经过
时间T2，积分器的输出又回零，积分电路参数由下式决定：
式中， ——为积分器不进入非线性区最大输出， = —1.5V （ 为电源电压，1.5V 为考虑模拟地电位、饱和压降等所留的余量）；
一一最大允许输入信号，由测量范围决定；
T1——为正向固定积分时间，T1=1000 ，其中 为计数脉冲的周期；
而满量程电压 与基准电压 的关系：
=2
因为最大输入电压为1.5V ，所以选 =1.000 V，则满量程电压 ＝2V ， 由基准电源MCI403产生的2.5V 经过多圈电位器分压获得。
图5 ICL7107A/D转换器
ICL7107的数字电路如图6所水，它是由时钟振荡器、分频器、计数器、锁存器、译码
器、相位驱动器、控制逻辑组成
时钟振荡器由ICL7107内部反相器F1、F 2，以及外部阻容元件R 、C 组成，属于两级反相式阻容振荡器，可输出占空比D≈50%的方波。振荡频率与
振荡周期的估算公式分别为：
≈ ， ≈2.2RC
因完成一次A ／D 转换需16000 ，故采样周期 ，所对应的采样速率为
SR= /16000
图6 ICL7107数字电路
通过上式就可确定R 、C 的数值。由ICL7107构成的三位半数字电压表的典型电路如图7所示。
图7 三位半数字电压表典型电路图
4．电源
ICL7107需+5V和-5V 两组电源供电。由于采用LED 方式显示，耗电较大，因此直流电源主要是通过变压器降压、整流滤波、稳压后获得。为了应急，
应考虑电池供电。
四、器件说明
基准电压应采用精密基准电源。分压电路小的电位器与电阻应有相同的温度
系数。电位器应尽量选用多圈电位器或微调可变电位器；电阻血选温度系数小的金属膜电阻；电容应选漏电小、损耗低、容量高、稳定性好、绝缘电
阻高、介质吸收效应小的金属化聚丙烯电容。
为便于调换集成电路，应使用40脚插座。LED 显示应选用共阳极。
五、调试要点
电路组装完毕后，首先要测量各点的电压值是否符合设计要求，确认无误后方可插人集成块。
然后将传感器的管帽部分放入0℃的冰水中，调节t ／V 转换电路中的RP1，使数字显示为000．0℃。而后将传感器的管帽部分故人100℃的沸水中，
调节t ／V 转换电路中的RP2．使显示为100. 0℃ 。反复调节几次，便可使用。
六、心理体会
作为一名电气学院，电子信息工程专业大三的学生，我觉得能做类似的课程设计是十分有意义，而且是十分必要的。
在已度过的大二的整个时间里我们大多数接触的是专业基础课。我们在课堂上掌握的仅仅是专业基础课的理论面，如何去锻炼我们的实践面？如何把我们所学到的专业基础理论知识用到实践中去呢？我想做类似的课程设计就为我们提供了良好的实践平台。在做本次课程设计的过程中，我感触最深的当数查阅大量的资料和设计手册了。为了让自己的设计更加完善，更加符合工程标准，一次次翻阅电气设计手册是十分必要的，同时也是必不可少的。我们是未来的
工程师，我们是在做设计时一切都要有据可依，有理可寻，不切实际的构想永远只能是构想，永远无法升级为设计。
作为一名专业学生掌握一门或几门制图软件同样是必不可少的，本次课程设计要求用PROTEL 绘制电路图，虽然过去从未独立在具体设计中应用过它，但在设计的过程中带着问题去学我发现效率很高，记得刚开始学CAD 时觉得好难，我想就是因为我们没有把自己放在使用者的角度，单单是为了学而学，这样效率当然不会高。边学边用这样才会提高效率，这是我做本次课程设计的第二大收获。但是由于水平及经验有限，难免会有错误，还望老师批评指正。
参考文献：
2． 林占江. 电子测量技术. 北京: 电子工业出版社,2003
3． 曹 辉, 胡俊, 黄均鼐. 数字式温度测量电路的设计及其实现. 微电子学报,2001;(3)
4． 毕满清．电子技术实验与课程设计．北京：机械工业出版社，2001年
5． 温新宜，精选实用电子制作集锦，电子工业出版出版，1996年
6． 华容茂，闫军主编，数字电路与逻辑设计，吉林科学技术出版社出版，1996.8。
数字式温度计
用传统的水银或酒精温度计来测量温度, 不仅测量时间长、读数不方便、而且功能单一, 已经不能满足人们在数字化时代的要求，本文提出了一种新型的
数字式温度测量电路的设计方案。
一、 设计目的
（1） 了解大规模专用集成电路的组成；
（2） 了解半导体温度传感器的工作原理；
（3） 掌握非电量测量基本原理；
（4） 了解A/D转换的概念；
（5） 学会基本放大电路的使用以及调试；
（6） 掌握利用大规模集成电路设计数字式温度计电路和调试的方法。
二、 设计内容及要求
（1） 利用大规模集成电路ICL7107型三位半A/D转换器和集成温度传感器AD590设计一数字式温度计电路；
（2） 要求温度测量范围为-55℃～150℃; 显示采用三位半LED 显示，自动显示正负号；取样速率约为6次／秒；准确度±1％±1字；
（3） 工作温度范围0～40℃，电源为士5V ，要既可以采用交流，也可采用直流供电；
（4） 画出电路图，写出完整的报告(包括电路结构的确定、元件参数的确定) ；
（5） 用面包板格出电路，并调试之。
三、数字式温度计的组成和工作原理
这种数字式温度表由温度传感器、t/V转换电路、基准电源、三位半数字电压表、电源五个部分组成。
AD490温 度传感器
t/V转换电路
显示
基准电源
三位半数 字电压表
I
U
图1 数字温度计设计框图
1． 集成温度传感器
图2(a)所示AD590是美国生产的集成温度传感器，具有很高准确度。采用Y0-52封装的AD590，外形同小功率晶体管相似。第1脚为正极．第2脚为负极．第3脚接管壳，使用时将第3脚接地，可起到屏蔽作用。AD590的测温范围是—55℃～150℃，电源电压范围是4—30V 。当工作电压选5V 、温度保
持125℃；长期温度漂移仅±1℃/月。
AD590的图形符号见图1(b)．它等效于1个高吸抗的恒流源。在工作电压为1—30V 、测温范围是—55～150℃的范围之内，对应于热力学温度T 每变化1K ，就输出1μA的电流。在298．2K 时输出电流恰好为298．2μA (298．2K 对应于25．2℃) ，这表明，其输出电流I （μA）与热力学温度T(K)严格成正
比。电流温度系数的表达式为
式中: k——波尔兹曼常数
e 一—电子常量；
R ——芯片内部的集成电阻。
将 ，R ＝538Ω代入上式中得到：
图2 AD590集成温度传感器
因此，输出电流的微安数就是被测温度的热力学温标数。AD590的电流一温度(I-T)特性如图1(c)所示。欲显示摄氏温标(℃) ，需加温标转换电路(t＝T
十273) ，并按摄氏温度进行校准。
图3 数字温度计电路图
2．t ／V 转换电路
t ／V 转换电路的原理如图3所示。MCI403为能隙基准电源，它输出的+2.5V基准电压经R1+RP1接AD590的正极，另外还接至运算放大器的反相输
入端；AD590的负极则接-5V 稳压电源。
按图所示电路，AD590的电流表达式为
I=I0+I1
式中，I0、I1分别为通过(R1+RPl)、(R2+RP2)的电流，RP1和RP2均为电位器．分别用来校准0℃、100℃的温度。因放大器的外环电压增益Avo ＞＞1，故图中M 点为虚地。只要0℃时调整RPl ，使I0等于AD590在该温度下的工作电流值(此时I1=0，I=I0)．I0即为恒定值。在测温过程中．I 仅随I1而
变化。显然，当温度上升到t ℃ 时．Il 会相应增加到t×1．000μA，使放大器的输出电压为：
V 。＝I1(R2+RP2)＝1. 000×(R2十RP2)t (μV)
由于V 。与被测摄氏温度t 呈线性关系．从顺实现了t/V换，这就是测温电路的基本原理。
设计电路时，让R2为固定电阻，RP2为实芯电位器，通过调整RP2, 使R2+RP2=10k,这样就有：
V 。＝1．000×10k×t (μV)=1.000×0.01×t (V)
当t=100时，V 。恰为1.000V 。受AD590所限制，所测温度最高只
图4 ICL7107引脚图 能达到150℃，此时V 。=1.500V。
t ／V 转换电路的输出电压V 送至三位半A/D转换器中。
3．三位半数字电压表
三位半数字电压表是由A/D转换器、段驱功器、位驱动器和LED 显示器构成。而ICL7107是集三位半A/D转换器、段驱动器、位驱动器于一身的大
规模专用集成电路．ICL7107管脚排列如图4所示。具有以下主要性能特点：
①能够直接驱动共阳极LED 数码管, 不需另加驱动电路和限流电阻；
②采用±5V 双电源供电；
③功耗小于15Mw, 最大静态电流为1. 8mA；
④段驱动电流的典型值为8mA ，最小位为5mA ；
⑤显示器可采用7段共阳数码管，也可选用四位组合式共阳LED 显示器。
ICL7107管脚排列采用双列直佃式塑料封装，共40个引脚。各督脚功能如下：
+V、-V 一—分别为电源的止、负极；
COM 一—模拟信号的公共端，简称“模拟地”，使用时通常将该端与输入信号的负端、基准电压的负端短接；
TEST —一测试端。此端有2个功能，第一是作“测试指示”，将它与+V短接后，LED 显承器的全部笔段点亮，应显示出1888(全亮笔段) ．据此可确定
显示器有元笔段残缺现象；第二个功能是作为数字地供外部驱动器使用，例如构成小数点驱动电路；
al ～gl 、a2～g2、a3～g3――分别为个位、十位、百位笔段驱动端，依次接LED 显示器的个、十、百位的相应笔段；
bC4——千位(即最高位，也称1／2位) 笔段驱动端．接千位LED 的ｂ、c 段；
POL —一负极性指示驱动端．接千位LED 的g 段；
GND 一－为数字地，与37脚(TEST)经过内部500Ω电阻接通；
OSC1～OSC3——时钟振荡器的引出端，与外接叭容元件构成两极反相式阻容加荡器；
——基准电压的正端，简称“基准＋”。通常从内部基准电压源获取所需的基准电压，也可采用外部基准电压，以提高基准电压的稳定性；
一一基准电压的负端，简称“基唯－”，
、 ——外接基准电容的正、负端：
、 ——模拟电压的输入瑞，分别接被侧直流电压 正端与负端；
――外接自动调穿电容CZA 端、该端接芯片内部积分器的反相输入端；缓冲放大器的输出，接积分电阻 ；
INT —一积分器输门端，技以接积分电容 。
ICL7107内部包括棍拟电路(即双积分式Ａ／D 转换器) 和数字电路2大部分。
ICL7107的A ／D 转换器如图5所示。它的每个测量周期分成自动调零、正向积分、反相积分3个阶段。自动调零主要是用失调电压对自动凋零电容 充电，用来补偿缓冲器、积分器、比较器的失调电压，并用基准电压 向基准电容 充电，使之电压被充到 ，为反向积分作准备。正向积分是把被测电压 经缓冲器和积分电阻送至积分器。积分器使固定时间T1内，对 进行定时积分，而反向积分则是将 已充好的基准电压按照相反的极性来代替 ，进行反向积分、经过
时间T2，积分器的输出又回零，积分电路参数由下式决定：
式中， ——为积分器不进入非线性区最大输出， = —1.5V （ 为电源电压，1.5V 为考虑模拟地电位、饱和压降等所留的余量）；
一一最大允许输入信号，由测量范围决定；
T1——为正向固定积分时间，T1=1000 ，其中 为计数脉冲的周期；
而满量程电压 与基准电压 的关系：
=2
因为最大输入电压为1.5V ，所以选 =1.000 V，则满量程电压 ＝2V ， 由基准电源MCI403产生的2.5V 经过多圈电位器分压获得。
图5 ICL7107A/D转换器
ICL7107的数字电路如图6所水，它是由时钟振荡器、分频器、计数器、锁存器、译码
器、相位驱动器、控制逻辑组成
时钟振荡器由ICL7107内部反相器F1、F 2，以及外部阻容元件R 、C 组成，属于两级反相式阻容振荡器，可输出占空比D≈50%的方波。振荡频率与
振荡周期的估算公式分别为：
≈ ， ≈2.2RC
因完成一次A ／D 转换需16000 ，故采样周期 ，所对应的采样速率为
SR= /16000
图6 ICL7107数字电路
通过上式就可确定R 、C 的数值。由ICL7107构成的三位半数字电压表的典型电路如图7所示。
图7 三位半数字电压表典型电路图
4．电源
ICL7107需+5V和-5V 两组电源供电。由于采用LED 方式显示，耗电较大，因此直流电源主要是通过变压器降压、整流滤波、稳压后获得。为了应急，
应考虑电池供电。
四、器件说明
基准电压应采用精密基准电源。分压电路小的电位器与电阻应有相同的温度
系数。电位器应尽量选用多圈电位器或微调可变电位器；电阻血选温度系数小的金属膜电阻；电容应选漏电小、损耗低、容量高、稳定性好、绝缘电
阻高、介质吸收效应小的金属化聚丙烯电容。
为便于调换集成电路，应使用40脚插座。LED 显示应选用共阳极。
五、调试要点
电路组装完毕后，首先要测量各点的电压值是否符合设计要求，确认无误后方可插人集成块。
然后将传感器的管帽部分放入0℃的冰水中，调节t ／V 转换电路中的RP1，使数字显示为000．0℃。而后将传感器的管帽部分故人100℃的沸水中，
调节t ／V 转换电路中的RP2．使显示为100. 0℃ 。反复调节几次，便可使用。
六、心理体会
作为一名电气学院，电子信息工程专业大三的学生，我觉得能做类似的课程设计是十分有意义，而且是十分必要的。
在已度过的大二的整个时间里我们大多数接触的是专业基础课。我们在课堂上掌握的仅仅是专业基础课的理论面，如何去锻炼我们的实践面？如何把我们所学到的专业基础理论知识用到实践中去呢？我想做类似的课程设计就为我们提供了良好的实践平台。在做本次课程设计的过程中，我感触最深的当数查阅大量的资料和设计手册了。为了让自己的设计更加完善，更加符合工程标准，一次次翻阅电气设计手册是十分必要的，同时也是必不可少的。我们是未来的
工程师，我们是在做设计时一切都要有据可依，有理可寻，不切实际的构想永远只能是构想，永远无法升级为设计。
作为一名专业学生掌握一门或几门制图软件同样是必不可少的，本次课程设计要求用PROTEL 绘制电路图，虽然过去从未独立在具体设计中应用过它，但在设计的过程中带着问题去学我发现效率很高，记得刚开始学CAD 时觉得好难，我想就是因为我们没有把自己放在使用者的角度，单单是为了学而学，这样效率当然不会高。边学边用这样才会提高效率，这是我做本次课程设计的第二大收获。但是由于水平及经验有限，难免会有错误，还望老师批评指正。
参考文献：
2． 林占江. 电子测量技术. 北京: 电子工业出版社,2003
3． 曹 辉, 胡俊, 黄均鼐. 数字式温度测量电路的设计及其实现. 微电子学报,2001;(3)
4． 毕满清．电子技术实验与课程设计．北京：机械工业出版社，2001年
5． 温新宜，精选实用电子制作集锦，电子工业出版出版，1996年
6． 华容茂，闫军主编，数字电路与逻辑设计，吉林科学技术出版社出版，1996.8。