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1、摘要摘 要近年来，集成电路产业的高速发展，推动了低成本、低功耗手表的发展。同时由于CMOS技术的不断进步，使表的功能日趋完善和优化。本文系统的阐述了电源电压是1.5V，而整个电路正常工作需要3V，能显示时、分、秒的三位半数字表芯片电路的设计，并且深入浅出的研究了三位半数字表芯片电路设计中的许多关键技术。首先，本文简单介绍了三位半数字表芯片电路的工作原理。然后详细阐述了倍压电路和显示模块的原理和设计过程。最后，应用Cadence模拟仿真软件Hspice，数字仿真软件NC_verilog对电路进行了仿真和优化，验证了其工作原理的正确性，并使电路功能均达到或优于要求。关键字：倍压电路，1/2偏压产生
2、电路，显示译码器17AbstractAbstractNowadays, with the explosive growth in the integrate circuit industry , low cost and low power watches have been advancing. At the same time, due to the development of the CMOS technology, the functions of the watches are on the way to be perfect.In this paper, the design o
3、f the 3（1/2）digital watch was studied. It must be worked under a 3V power source supply, but we only use single 1.5V battery. The watch can show the second , minute and hour through liquid crystal display. In addition, numbers of tricky techniques utilized in circuit implementations were explained i
4、n a simple way.This paper commences with a brief introduction of the main theory in the 3（1/2）digital watch. Then, the voltage doubler and display module were depicted in details. Last, it describes that how we optimized the circuit and validated the correctness of it through the simulation, which h
5、ad been done by Hspice and NC_verilog. With the effort we have afforded, the resulting circuit meets the demand of the specification.Keywords: Voltage doubler, 1/2bias circuit, display decoder 目录目 录第一章 引言11.1 数字表的历史和现状11.2 本文所做的工作1第二章 三位半数字表芯片电路的基本工作原理32.1 组成及基本工作原理概要32.1.1 石英晶体振荡器42.1.2 基准电压源62.1.3
6、 按键电路和状态控制电路72.1.4 计数器92.2 结束语12第三章 倍压电路133.1 电荷泵原理133.2 电荷泵能量转换过程133.2.1 正倍压电荷泵电路143.2.2 电荷泵电压反转器153.3 倍压电路的选择和实现163.3.1 负倍压电路163.3.2 正倍压电路193.4 结束语20第四章 显示模块（DISPLAY）214.1 七段字符显示器214.1.1 半导体数码管214.1.2 液晶显示器224.1.3 两种七段字符显示器的比较和选择234.2 液晶显示器件驱动电压的特点244.3 公共端（COM）和段电极（SEG）的选择和设计274.3.1 选择一个COM的情况274
7、.3.2 选择两个COM情况304.3.3 选择2COM时显示模块的设计354.4 结束语38第五章 结论39参考文献40致 谢41第一章 引言第一章 引言当前我们正经历着一场新的技术革命，以微电子技术为核心的电子信息技术是影响最大、渗透性最强、最具有新技术革命代表性的技术。微电子技术发展如此之快，除了微电子工业本身为国民经济的巨大贡献之外，还与它极强的渗透性有关。几乎所有的传统产业只要一与微电子技术结合，用微电子芯片进行智能改造，就会使传统产业重新焕发青春。1.1 数字表的历史和现状1970年，Hamilton发明了第一个数字表，它采用半导体数码管来显示时间。1972年，出现了液晶显示器，1
8、973年Seiko把它用在表的显示上，使用LCD比使用LED省电。90年代，人们发明了太阳能数字表，利用太阳能可以节约更多的能源，使用更长的时间。1995年Timex发明了有数据传输线的手表，它能从电脑上下载数据存在手表中。我们可以清楚的看到，表的变化正是由于微电子技术的迅猛发展而带来的。1.2 本文所做的工作本文的主要任务是分析和设计了一个三位半数字表的芯片电路。本课题的难点在于我们要通过使用一个1.5V的电池去实现整个电路需要3V才能正常工作的情况。核心问题是如何降低功耗。在设计的过程中，我们本着让芯片的面积最小、功耗最低、走时准确、结构简单以及显示清晰的原则来设计整个电路的。第一章介绍了
9、微电子技术的发展、数字表的历史以及本文所要完成的任务。第二章简要介绍了三位半数字表芯片电路的基本功能。第三章详细介绍了倍压电路的工作原理，并通过仿真验证了它倍压结果的正确性。第四章详细介绍了显示模块的工作原理，并通过分析比较选择了最佳的电路方案。第五章对该电路的设计工作进行了总结。第二章 三位半数字表芯片电路的基本工作原理第二章 三位半数字表芯片电路的基本工作原理我们设计的三位半数字表芯片电路具有如下四个特点：低功耗、走时准确、结构简单、显示清晰。在团队中,我主要负责倍压电路和显示模块的设计工作，使用倍压电路以及在显示部分采用两个公共端不仅体现了设计结构的简单，并且对降低功耗也起到了很大的作用
10、；在后面的章节中我将详细介绍倍压电路、显示模块是如何的设计。首先介绍的是三位半数字表芯片电路的工作原理。2.1 组成及基本工作原理概要三位半数字表芯片电路的基本结构框图如图2-1所示。图2-1表的基本框图由图中我们可以看出，电路由石英晶体振荡器，分频器，按键电路、控制电路、基准电压源、倍压电路、计数器、译码器，显示器九大部分组成。 石英晶体振荡器为电路提供时钟信号，由于石英晶体振荡器产生的脉冲频率是非常高的，并不能直接运用来驱动秒计数器。所以我们使用了两个分频电路。这里石英晶体振荡器产生的振荡频率是32K,先把32K的高频信号通过第一个分频电路（DIV1），得到512HZ的频率信号，再把512
11、HZ的频率信号通过第二个分频电路（DIV2），分别将其分成1HZ、2HZ、32HZ、128HZ以供后面的电路模块使用。经过计算我们得到，DIV1中的电路只需要1V电压就可以正常稳定地工作。如果我们加在其两端的电压就是电源电压1.5V, 这无疑增加了电路的功耗。为了降低功耗, 我们把1.5V的电源电压经过基准电压源获得0.5V的电压，并将其作为DIV1中的地电压。由功耗公式P=1/2可知，我们把从0V提高到0.5V，减小了P，有效地达到了降低功耗的作用。DIV1的输出con_double为倍压电路提供时钟信号。1HZ的频率信号送到秒计数器中，驱动秒计数器工作，再由秒计数器驱动分、时计数器工作。计
12、数器以及公共端(COM)的输出为显示模块部分提供驱动信号。显示模块中的译码器的输出信号输入到液晶显示驱动电路中，再由液晶屏幕显示出数字来。这样就实现了三位半数字表芯片电路的基本功能。2.1.1 石英晶体振荡器石英晶体振荡器是目前精确度和准确度最高的振荡器。广泛应用于通信、计算机、彩色电视机、钟表、音像制品、其他家用电器、电子玩具、医用电子设备、汽车电子、广播电视设备以及仪器仪表等各个方面。石英晶体振荡器进入钟表导致钟表业的一次革命。它使钟表精度提高了几十倍，而又使价格和成本大幅度下降，从而使钟表业得到空前普及和发展。石英晶体振荡器是由品质因素极高的谐振器(石英晶体振子)的振荡电路组成。晶体的品
13、质、切割取向、晶体振子结构及电路形式等因素共同决定了振荡器的性能。国际电工委员会(IEC)将石英晶体振荡器分为四类：即普通晶体振荡器(SPXO)，电压控制式晶体振荡器(VCXO)，温度补偿式晶体振荡器(TCXO)，电压控制式晶体振荡器(OCXO)。当前石英晶体振荡器的发展，不仅表现在系列品种的增加和市场需求量的增长方面，而且体现在产品技术创新上。技术方面主要有以下几点：1)小型化、薄形化和片式化；2)高精度和高稳定化；3)低噪声，高频化；4)低功耗，启动快。若将石英晶体放置于两块平行电极间，当两极间加上交变电压且其频率与晶体的固有频率相同时，晶体将发生机械谐振(共振)，这种结构的石英晶体(其在
14、电路中的符号见图2-2(a)常用于稳定度很高的高频振荡器。如果将石英晶体放置于图2-2(b)中所示的电极间，则组成了一种晶体滤波器，其工作原理是：前级多种频率的混合信号中仅有与该晶体固有频率相同的才能够引起晶体谐振，而谐振后的晶体也只能给后极转换同频率的信号，这就相当于仅把与晶体固有频率相同的信号选择通过滤波器，以及CPU的基准频率发生器等。这种结构在其他电子电路中也有着广泛应用。图2-2(a) 图2-2(b)石英晶体振荡器的等效电路图如图2-3所示。反向器、石英晶体、电容、构成反馈回路。其中是反馈电阻。为了节省功耗，我们在设计中加入了限流电阻、。这些电气元件都是集成在电路内部的，故无法通过改
15、变或的数值来调整走时精度。当我们要调节石英晶体振荡器的振荡频率时，需要外加电容，此时我们可用外接一只电容C的方法来改变振荡系统的参数，以调整走时精度。根据电子钟表走时的快慢，调整电容有两种接法：若走时偏快，则可在石英晶体两端并联电容C，如图2-4（a）所示。此时系统总电容加大，振荡频率变低，走时减慢。若走时偏慢，则可在石英晶体两端串接电容C，如图2-4（b）所示。此时系统的总电容减小，振荡频率变高，走时增快。只要经过耐心的反复试验，就可以调整走时精度。图2-3 石英晶体振荡器原理 图 2-4（a） 图2-4（b）图2-4 调整电容的两种接法2.1.2 基准电压源基准电压源简单、稳定的基准电压，是作为电路设计的一个关键因素。电压基准源的选择需要考虑多方面的问题并做出折衷。例如，精确度、受温度的影响程度、电流驱动能力、功率消耗、稳定性、噪声以及成本等。几乎在所有先进的电子产品中都可以找
