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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：关键字：倍压电路，1/2 偏压产生电路，显示译码器 Abstract Nowadays, 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 of 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 in 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 had 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 第一章 引言.1 1.1 数字表的历史和现状.1 1.2 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.3 2.1 组成及基本工作原理概要.3 2.1.1 石英晶体振荡器.4 2.1.2 基准电压源.6 2.1.3 按键电路和状态控制电路.7 2.1.4 计数器.9 2.2 结束语.12 第三章 倍压电路.13 3.1 电荷泵原理.13 3.2 电荷泵能量转换过程.13 3.2.1 正倍压电荷泵电路.14 3.2.2 电荷泵电压反转器.15 3.3 倍压电路的选择和实现.16 3.3.1 负倍压电路.16 3.3.2 正倍压电路.19 3.4 结束语.20 第四章 显示模块（display）.21 4.1 七段字符显示器.21 4.1.1 半导体数码管.21 4.1.2 液晶显示器.22 4.1.3 两种七段字符显示器的比较和选择.23 4.2 液晶显示器件驱动电压的特点.24 4.3 公共端（COM）和段电极（SEG）的选择和设计 .27 4.3.1 选择一个 COM 的情况.27 4.3.2 选择两个 COM 情况.30 4.3.3 选择 2COM 时显示模块的设计.35 4.4 结束语.38 第五章 结论.39 参考文献.40 致 谢.41 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，1973 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 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；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 512HZ 的频率信号通过第 15 2 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。 SS V 由功耗公式 P=1/2可知，我们把从 0V 提高到)()( maxfrSSDDc ttIVVf SS V 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 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 1 C 2 C 2 R 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 1 R 2 R 内部的，故无法通过改变或的数值来调整走时精度。当我们要调节石英晶 1 C 2 C 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 m m m m m 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 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到基准电压源，它们可能是独立的,也 可能集成在具有更多功能的器件中。例如： dd V （1）数据转换器中，基准源提供了一个绝对电压，与输入电压进行比较确 定适当的数字输出。 （2）电压调节器中，基准源提供了一个已知的电压值，用它与输出作比较， 得到一个用于调节输出电压的反馈。 （3）在电压检测器中，基准源被当作一个设置触发点的门限。 要求什么样的指标取决于具体应用，它们的关键指标和设计过程中要综合考 虑的问题，为设计人员提供了选择最佳基准电压源的信息。 理想的基准电压源应该具有完美的初始精度，并且在负载电流、温度和时间 变化时电压保持稳定不变。实际应用中，设计人员必须在初始电压精度、电压温 漂、迟滞以及供出/吸入电流的能力、静态电流（即功率消耗） 、长期稳定性、噪 声和成本等指标中进行权衡与折衷。 带隙基准源提供两个电压：一个具有正温度系数，另一个具有负温度系数。 两者配合使输出温度系数为零。 在实际应用中，两个温度系数之和并不精确为零。这依赖于很多设计细节， 如 IC 电路设计，封装和制造测试等。 在系统设计和基准源选择方面要注意功耗、供出和吸入的电流、温漂、噪声、 输出电压温度延迟以及长期稳定性的问题。 任何系统设计的难点都在于在成本、体积、精确度、功耗等诸多因素的平衡 与折衷。为具体设计选择最佳基准源时需要考虑所有相关参数。有趣的是，很多 时候选用较贵的元件反而使系统的整体成本更低，因为它可以降低制造过程中补 在我们在调整时间的时候，有时候时间需要只调一下，有时候需要连续调， 延迟判断电路的作用就是判断调节状态的。 其仿真结果如图 2-16 所示，我们可以看到有一个临界时间。当按键的时间短 于这个临界时间的时候，输出的是单一的短脉冲，数字表的时间只被调节了一下； 当超过这个临界时间的时候，数字表进入连续调节状态。 图 2-16 延迟判断电路的仿真波形 2.2 结束语结束语 本章简单的介绍了我们设计的三位半数字表芯片电路的基本工作原理。在设 计的过程中，我们遵循电路结构最简、功耗最低、面积最小的原则对电路进行不 断的修改。当然在现有电路的基础上还可以增加天、月、年的显示，十分的方便。 第三章 倍压电路 在电路的设计中，模拟部分的工作电压是 1.5V，而数字部分的工作电压是 3V，但是提供的电源电压只有 1.5V，所以我们用倍压电路来实现 3V 的电压。使 用倍压电路不仅仅可以减少电池的数量，产品的质量、体积，并且在减少能耗， 延长电池寿命方面起到极大的作用。 3.1 电荷泵原理电荷泵原理 在实用测控电路的设计中,常常需要用到各种不同的电压等级的直流稳压电 源,这些直流电源如果都直接从变压器绕阻获得,会使变压器绕阻变得十分复杂, 而且对某些交直流两用系统,电压等级过多,也会给蓄电池的配备带来一定困难, 因此如何减少电源种类,就自然而然成了电路设计者经常需要考虑的一个实际课 题。解决这个问题的有效途径当然是进行 DC-DC 转换,即由一种标准电压的主直 流电源,在所需地方转换出其他电压等级的直流电源, 这种 DC-DC 的转换电路也 就是电荷泵电路。 电荷泵是倍压电路的核心部分，我们利用电荷泵的原理构成各种倍压电路。 其原理是利用高频振荡器控制电容的充放电,将能量由输入传到负载(输出)。其 特点是体积小,电路结构简单,可产生输入的反相或倍压输出。 3.2 电荷泵能量转换过程电荷泵能量转换过程 电荷泵电路有两种基本电路形式,倍压型和反压型电路。能量转换过程分为 两步(图 3-1)。输入电容的目的是减小输入电容内阻,以抑制瞬间大电流。防止寄 生电感造成电压跌落,电容应尽量靠近芯片安装。 称为“飞电容”,能量转换的第一步，开关 Sl、S2 导通，S3、S4 断开， f C 直接连到输入电源上 ，开关 S1S4 须保持较低的导通电阻。电荷随后在和 f C i C 之间传递直到它们两者的电压和极性相同。由于 Sl、S2 不是理想的开关，电 f C 荷的传递需要一定的时间。经过上述过程，假设输入电源的内阻很小，上的电 f C 压就和输入电压-相等。 A V B V 第二步则是 Sl、S2 断开，同时 S3、S4 导通。为安全起见，这两步之间要有 一个小的时间间隔，防止转换电路的左端与右端直接相连。当 S3、S4 导通时， 电荷在和之同传递直到它们两者的电压和极性相同。由于存在 S3、S4 的 f C o C 导通电阻，同样需要一定的传递时间。这样，将电荷传递给，又传给。 i C f C f C o C 如此循环往复而且假定输出没有短路，上的电压与上的电压相同。电荷泵电 o C i C 路能够平衡输人和输出端的不同电压,这一特性得到了非常多的应用，倍压和反 压电路是最简单的应用电路。 反压器将节点 C 连到 B，一般这点作为参考地。-=-，如果 = A V B V C V D V B V =GND，则= -。节点 B 和 C 是同一电位，一个 6 脚封装的芯片即可构成 C V D V A V 这个电路并具有电路关断控制功能。例如 MAXIM 公司的 MAx1697 电荷泵电源 芯片可输出 50mA 的电流。封装仅为 SOT236。 倍压器将节点 D 连到 A。-=-，所以-=2(-)。如果= C V A V D V B V C V B V A V B V B V GND，则=2。在 MAXIM 公司品种繁多的倍压电源芯片中， C V A V MAX1682(SOT235 小封装)可产生 45mA 的倍压输出。 采用适当的电路连接，其它电荷泵器件也可构成反压或倍压电路，如 MAX1681ESA，S08 封装，可提供 125mA 的输出电流。由于内部开关频率高达 1MHz，只需 1F 的外部陶瓷电容。 很多技术可用来制作开关 S1S4，MAXIM 公司采用 MOS 开关技术，允许 电流在开关上双向流动。这种特性使电荷可以在输入输出端双向传递。 图3-1 能量转换过程 3.2.1 正倍压电荷泵电路正倍压电荷泵电路 典型电荷泵倍压电路原理图如图 3-2 所示。开关控制信号 PH1、PH2 相位差 为 180，所以此电路有两种工作状态。状态 1 时，开关 S1、S4 导通，S2、S3 截止，给浮置电容充电，同时通过负载放电；状态 2 时开关 S2、S3 IN V 1 C L C L R 导通，S1、S4 截止，和串联给充电，同时通过负载放电。这样， IN V 1 C L C 1 C L R 在开关控制信号的驱动下，通过电荷的转移，实现了 DC-DC 的变换，在电路参 数选取合适的情况下，可以得到倍压的输出。 m 1PH 1PH 2PH 2PH W 1 c L c L R IN V 1S2S 3S 4S 图 3-2 典型电荷泵倍压电路原理图 3.4 结束语结束语 本章详细介绍了两种倍压电路，正倍压电路和负倍压电路。并通过工艺、电 路中元件的参数以及所实现的功能方面进行比较。 第四章 显示模块（display） 显示模块对三位半数字表芯片电路来说是非常重要的。因为无论我们的其他 模块设计的再怎么完美，如果显示效果跟不上的话，我们将不能清楚的阅读表的 时间。所以，我们在设计显示模块的时候，进行了无数的比较、修改和优化，以 达到最佳的显示效果。 这是整个电路中最复杂、晶体管数目最多的部分。 4.1 七段字符显示器七段字符显示器 目前随着数字电子技术广泛的应用，已成为生产、科研、高新技术产品发展 中一个重要组成部分。科学的运用数字电子技术元器件，合理的设计电路结构， 将会给生产、科研工作带来很大的经济效益和社会效益。数码显示计数电路，是 某些设备装置中不可缺少的基本数字电路，由于用途的差异，选择的材料不同， 因此对电路设计要求也不同。 为了能以十进制数码直观地显示数字系统的运行数据,目前广泛使用了七段字 符显示器,或称作七段数码管。这种字符显示器由七段可发光的线段拼合而成。常 见的七段字符显示器有半导体数码管和液晶显示器两种。 4.1.1 半导体数码管半导体数码管 图 4-1 是半导体数码管 BS201A 的外形图和等效电路。这个数码管的每一段 都是一个发光二级管（Light Emitting Diode,简称为 LED） ，因而也把他叫做 LED 数码管或 LED 七段显示器。 图 4-11 所示。同理，其他段电极译码器也可以通过以上的方法获得。 4.4 结束语结束语 本章主要研究了显示模块的思路、设计和优化。在这里，我们首先比较了两 种七段显示器半导体数码管和液晶显示器的优缺点，提出了使用液晶显示器的想 法；然后我们通过比较采用 1COM 和 2COM 设计的显示模块的简洁和优化程度， 采用了 2COM 的设计思想；最后说明了显示电路中译码器是怎么设计的。 第五章 结论 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 秒、分、时的三位半数字表芯片电路的设计，并且说明了表芯片设计中的许多关 键技术