專用集成電路的設(shè)計(jì)分為正向設(shè)計(jì)和反向設(shè)計(jì)2大類。反向設(shè)計(jì)有樣品可以解剖甚至仿效，實(shí)質(zhì)上是一種仿制型的設(shè)計(jì)。與反向設(shè)計(jì)相比，正向設(shè)計(jì)在設(shè)計(jì)上有較大的難度，他是面向應(yīng)用對象，以滿足用戶要求為目的的設(shè)計(jì)。本文介紹的電路設(shè)計(jì)屬于正向設(shè)計(jì)，這是一塊規(guī)模較小的專用芯片，本文將主要介紹邏輯原理設(shè)計(jì)部分。

1　功能原理簡述
　　
按照應(yīng)用要求，該芯片需要實(shí)現(xiàn)以下功能：
　　
（1）同時(shí)設(shè)置24 h之內(nèi)的兩路鬧鐘，并以不同的頻率進(jìn)行響鬧。若沒有關(guān)斷信號(hào)，鬧響可以持續(xù)59 min，除了關(guān)斷信號(hào)以外，在鬧響的59 min之內(nèi)也可以利用6 min打盹功能進(jìn)行暫時(shí)關(guān)斷（即：按下打盹功能后，可以使鬧響暫停6 min）。
　　
（2）時(shí)間顯示可對12 h am／pm或24 h兩種方式進(jìn)行切換，并內(nèi)置上下／快慢時(shí)間設(shè)置功能。
　　
（3）采用電網(wǎng)的50／60 hz頻率作為頻率基準(zhǔn)，同時(shí)內(nèi)置適應(yīng)電池后備方式的rc振蕩器。
　　
根據(jù)正向設(shè)計(jì)的一般流程［1］，應(yīng)用的功能要求和電參數(shù)要求確定整個(gè)電路的性能要求，再選定實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)的電路類型和工藝類型，然后就可以進(jìn)行整個(gè)電路功能級(jí)的設(shè)計(jì)。
　　
內(nèi)部rc振蕩器和外部電網(wǎng)為整個(gè)電路提供系統(tǒng)時(shí)鐘和計(jì)數(shù)時(shí)鐘，2個(gè)不同的鬧響頻率也是由內(nèi)部振蕩器產(chǎn)生的，電路在使用電網(wǎng)交流電時(shí)，首先使其通過內(nèi)置的施密特觸發(fā)器，去掉交流電中的噪聲，當(dāng)電網(wǎng)掉電時(shí)，內(nèi)部振蕩器能替代電網(wǎng)產(chǎn)生系統(tǒng)所需時(shí)鐘，并對某些設(shè)置和輸出功能進(jìn)行限制。幾個(gè)計(jì)數(shù)器分別提供要顯示的時(shí)間，并可以通過輸入控制器的輸出脈沖進(jìn)行設(shè)置，時(shí)間計(jì)數(shù)器和鬧響計(jì)數(shù)器的比較輸出和其他控制信號(hào)一起通過輸出控制器控制響鬧輸出。顯示控制器輸出控制解碼驅(qū)動(dòng)器對應(yīng)的顯示輸入，響鬧計(jì)數(shù)和時(shí)間計(jì)數(shù)的小時(shí)計(jì)數(shù)都是按24 h制計(jì)數(shù)的，在解碼驅(qū)動(dòng)時(shí)根據(jù)顯示模式需要和小時(shí)計(jì)數(shù)最高位共同控制解碼輸出。

2　各功能模塊的實(shí)現(xiàn)

2．1　三態(tài)輸入電路
　　
為了減小芯片面積，盡量節(jié)省芯片引腳，本芯片中采用了三態(tài)輸入電路。這種輸入電路中利用了懸空態(tài)等效于輸入中間電平的一種工作方式，用于控制輸入或者地址輸入端，不適用于數(shù)據(jù)輸入端，除了邏輯結(jié)構(gòu)圖中表示出來的以外，還在其他模式選擇端也用了這種電路，每個(gè)三態(tài)輸入電路前面都是開關(guān)輸入。采用cmos 工藝，并利用cmos工藝的寬工作電壓范圍（vdd＝12 v），這種電路的原理圖如圖2所示，圖中管子的寬長比根據(jù)工藝和電路的性能要求確定。
　　　　
當(dāng)輸入高電平或者低電平時(shí)，t5，t4分別處于截止?fàn)顟B(tài)；當(dāng)輸入端懸空時(shí)，由于t1，t2的分壓作用，相當(dāng)于輸入中間電平，t4，t5都導(dǎo)通，其他管子保證電路的可靠輸出。

2．2　可逆計(jì)數(shù)電路
　　
在數(shù)字系統(tǒng)中計(jì)數(shù)器是使用最多的時(shí)序電路，計(jì)數(shù)器可以用來對時(shí)鐘脈沖計(jì)數(shù)，也可以用來作為定時(shí)、分頻和執(zhí)行數(shù)字運(yùn)算等。根據(jù)脈沖引入方式的不同分別有同步計(jì)數(shù)和異步計(jì)數(shù)。相對而言，異步計(jì)數(shù)器具有電路結(jié)構(gòu)簡單的優(yōu)點(diǎn)，但速度較慢，并且隨著位數(shù)的增加，時(shí)延也大大增加。根據(jù)設(shè)計(jì)要求，時(shí)鐘計(jì)數(shù)和鬧響計(jì)數(shù)器都是可逆計(jì)數(shù)器。結(jié)合同步計(jì)數(shù)和異步計(jì)數(shù)的特點(diǎn)，采用2種計(jì)數(shù)方式共同完成這2個(gè)定時(shí)計(jì)數(shù)器。首先，這2個(gè)計(jì)數(shù)器分別由分鐘計(jì)數(shù)和小時(shí)計(jì)數(shù)兩部分電路組成，分鐘計(jì)數(shù)和小時(shí)計(jì)數(shù)的模值分別為60和24。對于分鐘計(jì)數(shù)器可以先將計(jì)數(shù)脈沖進(jìn)行2分頻，再用2個(gè)同步計(jì)數(shù)器分別進(jìn)行5分頻和6分頻，這3個(gè)分頻計(jì)數(shù)器之間是異步關(guān)系，這樣就可以實(shí)現(xiàn)模值為60的計(jì)數(shù)。5分頻和6分頻同步可逆計(jì)數(shù)器［2］可以按照不同的狀態(tài)轉(zhuǎn)移順序分頻，但對于計(jì)數(shù)器的最高位狀態(tài)，作為下一級(jí)同步計(jì)數(shù)器的觸發(fā)脈沖，在同一個(gè)分頻周期內(nèi)只能翻轉(zhuǎn)一次，且不觸發(fā)下一級(jí)的同步計(jì)數(shù)器。當(dāng)一個(gè)分頻周期完畢，最高狀態(tài)翻轉(zhuǎn)的同時(shí)觸發(fā)下一級(jí)同步計(jì)數(shù)器。由于是可逆計(jì)數(shù)器，當(dāng)進(jìn)行反向計(jì)數(shù)時(shí)，觸發(fā)脈沖也是反向觸發(fā)的。在本芯片設(shè)計(jì)中，所有的d觸發(fā)器都是上升沿觸發(fā)，所有d觸發(fā)器的q端作為計(jì)數(shù)輸出，qn＝q，且d／u＝1，加法計(jì)數(shù)；d／u＝0，減法計(jì)數(shù)。
　
同理，可將分鐘輸出最高位引入到小時(shí)計(jì)數(shù)器的時(shí)鐘脈沖，依次進(jìn)行2分頻、6分頻、2分頻，實(shí)現(xiàn)24分頻計(jì)數(shù)。最終，由分鐘和小時(shí)計(jì)數(shù)器共同構(gòu)成一個(gè)24×60的可逆計(jì)數(shù)器。
　　
本芯片的時(shí)間計(jì)數(shù)器和鬧響計(jì)數(shù)器進(jìn)行時(shí)間設(shè)置時(shí)不是采用分鐘和小時(shí)分別調(diào)節(jié)，而是在時(shí)間設(shè)置端輸入不同電平或者脈沖進(jìn)行上下／快慢調(diào)節(jié)，通過在分鐘計(jì)數(shù)器的輸入端引入高頻率的脈沖實(shí)現(xiàn)小時(shí)調(diào)節(jié)。
　　
睡眠計(jì)數(shù)器是一個(gè)模為60的減法計(jì)數(shù)器，秒計(jì)數(shù)器是一個(gè)模為60的加法計(jì)數(shù)器。因?yàn)樵诒拘酒杏袝r(shí)間顯示，2個(gè)鬧響顯示、秒顯示、睡眠顯示功能，這些顯示都是共用同一個(gè)輸出解碼驅(qū)動(dòng)電路，因此所有計(jì)數(shù)器的輸出必須按照同樣的狀態(tài)轉(zhuǎn)移順序。設(shè)計(jì)這些計(jì)數(shù)器時(shí)必須考慮他的自啟動(dòng)特性。

2．3　輸出解碼驅(qū)動(dòng)電路
　　
輸出