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1、本科毕业设计（论文）全定制数字钟芯片设计计时部分学 院 材料与能源学院 专 业 微电子学 年级班别09级（2）班 学 号 3109007507 学生姓名 苏 辉 龙 指导教师 陈 先 朝 2013 年 06月 全定制数字钟芯片设计计时部分 苏辉龙 材料与能源学院 曹中明 材料与能源学院摘 要数字钟是一种用数字显示时分秒的记时装置，与传统的机械钟相比，他具有走时准确显示直观无机械传动装置、使用寿命更长等优点，因而得到了广泛的应用。小到人们的日常生活中的电子手表，大到车站码头机场等公共场所的大型数显电子钟。本文用正向设计的方法设计数字钟芯片，实现了时、分、秒的计时功能，整个数字钟芯片由脉冲产生电路
2、、分频电路、译码显示电路、校正电路等组成。脉冲是由晶体振荡器产生，分和秒用的60进制计数器是用两个二分频电路，一个三分频电路和一个五分频电路级联实现的。而24进制计数器是用一个三分频电路，一个二分频电路和一个五分频电路来实现。利用Tanner Pro这个软件，分别绘制出计时部分的二分频电路、三分频电路、五分频电路以及级联这些分频电路绘制出六十分频和二十四分频电路。接着，分别对这些电路实现仿真，均能实现分频功能。最后使用L-Edit画出六十进制、二十四进制计数器的版图，并进行设计规则检查和版图与电路一致性检查（LVS）。关键词：数字钟，芯片设计，全定制，版图AbstractDigital Clo
3、ck is a digital display device of minutes, seconds, hour. Compared with the traditional mechanical clock, it is accurate, direct display, no mechanical transmission device. It have the advantages of long service life. Therefore it has been widely used. Small electronic watch play an important role i
4、n peoples daily lives, such as the station, wharf, airport, public places.This paper uses top-down design method to design digital clock chip, The clock has display of the hours, minutes, seconds and timing function. The whole digital clock chip is consisted of pulse circuit, frequency division circ
5、uit, decoding display circuit, correcting circuit. Pulse is generated by the crystal oscillator. The 60 counter is used with two binary frequency circuit, five binary frequency circuit and three binary frequency circuit. The 24 counter is used with two binary frequency circuit. The project is design
6、 with two binary frequency circuit, three binary frequency circuit and five binary frequency circuit on Tanner Pro. They are combined into the 60 counter and 24 counter. These circuits are simulated and tested. Finally the 60 counter and the 24 counter are layout on L-Edit. They all pass the design
7、rule and the LVS.Key word: Digital clock, Chip design, Full- custom , Layout目 录1 绪 论11.1 课题背景11.1.1 世界集成电路产业结构的变化及其发展历程11.1.2 我国集成电路产业现状21.1.3全定制法21.2 课题介绍31.3 论文思路及研究内容32 总电路设计62.1 脉冲的产生62.1.1 石英晶体振荡器62.1.2 秒脉冲的产生72.2分频电路82.3 译码显示电路82.3.1 数码显示器的介绍82.3.2 十进制七段译码显示92.3.3 六进制译码显示电路112.3.4 三进制七段译码显示电路1
8、32.4 校时电路143 计时部分设计173.1 二分频触发器的电路原理173.2 二进制加法计数器分频原理183.3 六十分频电路203.3.1 用最少的触发器实现的六十分频电路203.3.2 用最少的逻辑门实现的六十分频电路233.4 二十四进制分频电路293.5 分频电路功耗分析314版图设计324.1 计时部分版图设计324.1.1 二分频版图设计324.1.2 三分频版图设计334.1.3 五分频版图设计344.1.4 六十分频版图设计344.1.5 二十四分频版图设计354.1.6 版图与电路一致性检查36结 论38参考文献39致 谢401 绪 论1.1 课题背景1.1.1 世界集
9、成电路产业结构的变化及其发展历程 回顾集成电路的发展历程，我们可以看到，自发明集成电路至今40多年以来，从电路集成到系统集成这句话是对IC产品从小规模集成电路（SSI）到今天特大规模集成电路（ULSI）发展过程的最好总结，即整个集成电路产品的发展经历了从传统的板上系统（System-on-board）到片上系统（System-on-a-chip）的过程。在这历史过程中，世界IC产业为适应技术的发展和市场的需求，其产业结构经历了三次变革1。第一次变革：以加工制造为主导的IC产业发展的初级阶段。70年代，集成电路的主流产品是微处理器、存储器以及标准通用逻辑电路。这一时期IC制造商（IDM）在IC市
10、场中充当主要角色，IC设计只作为附属部门而存在。这时的IC设计和半导体工艺密切相关。IC设计主要以人工为主，CAD系统仅作为数据处理和图形编程之用。IC产业仅处在以生产为导向的初级阶段。第二次变革：Foundry公司与IC设计公司的崛起。80年代，集成电路的主流产品为微处理器（MPU）、微控制器（MCU）及专用IC（ASIC）。这时，无生产线的IC设计公司（Fabless）与标准工艺加工线（Foundry）相结合的方式开始成为集成电路产业发展的新模式。第三次变革：四业分离的IC产业90年代，随着INTERNET的兴起，IC产业跨入以竞争为导向的高级阶段，国际竞争由原来的资源竞争、价格竞争转向人
11、才知识竞争、密集资本竞争。以DRAM为中心来扩大设备投资的竞争方式已成为过去。如1990年，美国以Intel为代表，为抗争日本跃居世界半导体榜首之威胁，主动放弃DRAM市场，大搞CPU，对半导体工业作了重大结构调整，又重新夺回了世界半导体霸主地位。这使人们认识到，越来越庞大的集成电路产业体系并不有利于整个IC产业发展，分才能精，整合才成优势。于是，IC产业结构向高度专业化转化成为一种趋势，开始形成了设计业、制造业、封装业、测试业独立成行的局面（如下图所示），近年来，全球IC产业的发展越来越显示出这种结构的优势。如台湾IC业正是由于以中小企业为主，比较好地形成了高度分工的产业结构，故自1996年
12、，受亚洲经济危机的波及，全球半导体产业出现生产过剩、效益下滑，而IC设计业却获得持续的增长。1.1.2 我国集成电路产业现状我国集成电路产业起步于20世纪60年代,2001年全国集成电路产量为64亿块，销售额200亿元人民币。2002年6月，共有半导体企事业单位(不含材料、设备)651家，其中芯片制造厂46家，封装、测试厂108家，设计公司367家，分立期间厂商130家。从业人员11.5万人。设计能力0.180.25微米、700万门，制造工艺为8英寸、0.180.25微米，主流产品为0.350.8微米2。与国外的主要差距：一是规模小，2000年国内生产的芯片销售额仅占世界市场总额的1.5%，占
13、国内市场的20%。二是档次低，主流产品加工技术比国外落后两代；三是创新开发能力弱，设计、工艺、设备、材料、应用、市场的开发能力均不十分理想，其结果是今天受制于人。明天后劲乏力；四是人才欠缺。总之，我国绝大多数电子产品仍处于流通过程中的下端，多数组装型企业扮演着为国外集成电路厂商打工的角色，这种脆弱的规模经济模式，因其附加值极低，致使诸多产量世界第一的产品并未给企业和国家带来可观的收益。反而使掌握关键技术的竞争者通过集成电路打入中国市场，攫取了绝大部分的利润。1.1.3全定制法全定制法是一种基于晶体管级的设计方法，它主要针对要求得到最高速度、最低功耗和最省面积的芯片设计。为满足这种要求，设计者必
14、须使用版图编辑工具从晶体管的版图尺寸、位置及互连线开始亲自设计，以期得到ASIC芯片的最佳性能3。运用全定制法设计芯片，当芯片的功能、性能、面积和成本确定后，设计人员要对芯片机构、逻辑、电路等进行精心的设计，对不同的方案进行反复比较，对单元电路的结构、晶体管的参数要反复地模拟优化。在版图设计时，设计人员要手工设计版图并精心地布局布线，以获得最佳的性能和最小的面积。版图设计完成后，要进行完整的检查、验证，包括设计规则检查、电学规则检查、连续性检查、版图参数提取、电路图提取、版图与电路图一致性检查等，最后，通过后模拟，才能将版图转换成标准格式的版图文件交给厂家制造芯片。由此可见，采用全定制法可以设计出高速度、低功耗、省面积的芯片，但人工参与的工作量大，设计周期长，设计成本高，而且容易出错，一般只适用于批量很大的通用芯片（如存储器、乘法器等）设计或有特殊性能要求（如高速低功耗芯片）的电路设计。1.2 课题介绍 业内人士分析，多功能数字钟将成为未来钟表市场的主角。有资料标明，目前全球至少已经有10亿块电表（数字钟加机械表总和）。未来10年，中国电表市场可能占全球电表市场的40，其中数字钟约电表市场的30左右，而且这个比例还在不断攀升。 机械式电表将逐渐被数字钟所取代，是由于数字钟具有以下优点：价格还能进一
