数字电路加法运算电路设计方案

1 数字电路加法运算电路设计方案 1 设计任务描述 计题目：加法运算电路 计要求 计目的 (1) 掌握 1位十进制加法运算电路的构成，原理和设计原理； (2) 熟悉集成电路的使用方法。 本要求 (1) 设计键盘以及编码电路； (2) 设计加数寄存器 单元； (3) 实现 4 (3) 用数码管以十进制形式显示最后运算结果。 挥部分 (1) 拓展十进制减法； (2) (3)其他。 简单计算器 - - 2 2 设计思路 根据此次课程设计的要求，我设计的简单计算器包括两大部分：加法计算部分，减法计算部分。其中加法计算部分由五个部分组成，键盘及编码电路、加数寄存器 A 和被加数寄存器 B、加法运算电路、 4整 和译码显示器。减法计算部分和加法计算部分共用同一个键盘，其他部分由反相器，求补逻辑电路以及相应的译码显示器组成。其中有几个难点：如何实现 2 位十进制和怎样利用寄存器把数据传输到加法器中。 因为经键盘及编码器输出的是 2 进制数，那么寄存器接受并输出的数据也是 2 进 制数，所以加法器输出的数据应是 8421，使显示装置最终显示十进制数。因为 1 位十进制数的 8421与二进制数表现形式相同，但 2 位十进制数的 8421与二进制数不同，所以我设计的加法运算装置是由两个 74片来实现 2 位十进制数的输出。原理是让第二个芯片的一个输入端接第一个芯片的输出端，另一个输入端进行对第一个芯片的运算结果进行判断，大于等于 10 时输入 6 即 2 进制数的 0110，反之输入 0。输出结果即为 2 位十进制数的 8421。 寄存器的设计是由一个 74片和两个 74片组成的，其中两个74片并联后与 74片串联。 74片的脉冲由键盘的数字键提供，使得按下数字键后该寄存器就存储输入的数字，并通过译码显示器显示。两个 74片的脉冲分别由键盘的 +号和 =号提供，分别存储加数与被加数并输入到第一个 74片中运算。最后通过译码显示器显示运算结果。 当对应数字的开关被按下后，译码器显示数字同时将数字存到寄存器中。然后经过加法运算，对运算结果进行 整，最后显示运算结果。 1 键盘及编码电路：用开关及电阻组成键盘部分， 用 10 先编码器 74147及四个非门组成编码电路，实现将 0化成二进制数。 2 加数寄存器 A 和被加数寄存器B：由 4 位并行寄存器 74现对数据的存储，用 2 个 4 双向模拟开关 4066、开关及非门判断是将二进制数存储到加数寄存器 A 还是被加数寄存器 B。 3 加法运算电路：用集成 4 位超前进位加法器 74加数和被加数进行运算。 4 4进制码加法的 4 位数值比较器 74和进行比较、控制加法器是加 0 还是加 6 从而达到调整的目的。 5 译码显示器：将 8421通过译码 显示器转化成十进制数并显示出来。 3 3 设计方案 数字 键盘 门控 寄存器 寄存器 加法器 显示译码器 简单计算器 - - 4 4 各部分电路设计及参数计算 盘部分电路的设计 图 本电路中的数字键盘与开关控制键盘的设计是利用一个 5 伏电压产生高电平端，另一端与地相接，当开关即数字键盘 0到 9被按下接通时，有低电平输入信号产生，另一方面由控制开关 数和被加数）进不同的寄存器 。由编码器进行编码，进行接下来的程序。 码电路 的设计 5 图 4 7 k k k k k k k k k U 4 A 4 B A 4 B A 4 B A 4 B 寄存器 74键盘连接电路图 上图为 74低电平有效的器件， 当在键盘上按下相应的按键时便会有相应的电信号输入到编码器中，编码器接收的电信号就会把其经过编码后输出 8421由 9个输入端和 4个输出端构成数据传输，可以对 1 到 9 的数字进行编码。 存器部分电路 简单计算器 - - 6 存器 74电路设计及工作原理 图 寄存器 74键盘连接电路图 在以上例图中，我们可以看到， 74个输入端、 8个输出端、 里我们用到了 4个输入端、四个输出端及 中 与键盘的数字键 相连接，输入端与编码器相连接。当按下键盘的数字键时编码器把数据传输到寄存器中，同时数字键接通与断开的信号相当于一个脉冲使寄存器可以输出数据，即按哪个数字键寄存器就会同时输出那个数字的 2进制数 存器 74路设计及工作原理 在运算过程中，当我们通过键盘，用 74加数输出后，按下键盘的加号键（即开关 此时加数寄存器有了一个脉冲信号；把加数输出，使其进入加法器中；在 74下等号键（即开关 ,此时被加数寄存器得到一个脉冲信号把被加数输出 到加法器中。 该电路图是两个开关控制元件 4066一个非门及两个寄存器组成的。由于 4双向模拟开关 4066作电压在 5伏以下，它由高电平控制，当按下加号时便会产生低电平，在经过非门控制便可以实现两个数据的分别储存。它有 4个开关来控制 4个通道的传输与截止。经过开关的选择处理最后把数据传给储存器。 寄存器 74现加数与被加数的输出。其构造如图 示 7 图 寄存器 74路图 法器 74电路设计连接与 的转换 法器的工作原理 加法运算电路是加法运算电路的中心部分，它的线路图如下 V C 67 4 L S 3 7 4 07 4 L S 1 9 4 L S 1 9 4 e y = A R 1 01 21e y = A 19182021222324V C - - 8 U 1 87 4 S 2 8 3 2 A 3 B 7 A 3 B 0 A 0 A 3 A 4 B 37 4 S 2 8 3 72631340图 4法电路 加法运算电路的原理是将加数 进行加法运算进行求和， 过比较器将结果与九进行比较。当结果小于或等于九的时候，我们不需要对其进行进行 整。此时可将二进制数进行加“ 0” 。如果结果大于九的时候，我们就需要对结果进行 整，通过把二进制数进行加“ 6”来实现。最后将调整过的结果用译码显示 器显示输出。 此工作原理可具体为：加数与被加数经过 74出后进入首个加法器 74时另一个加法器需要判断得数是否大于等于 10，所以需要在两个加法器中间建立一个门电路来判断得数。如果得数大于等于 10，经过门电路判断需要在另一个加法器输入 6 即 0110，经过它的计算得出的数字即为本次运算的最终结果；如果小于10 则不需要加 6 直接输出即可。 的转换 9 C 0 d c b a L 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 1 1 0 0 0 1 0 0 0 0 0 1 0 1 0 0 0 1 1 0 0 0 0 1 1 1 0 0 1 0 0 0 0 0 1 0 0 1 0 0 1 0 1 0 1 0 1 0 1 1 1 0 1 1 0 0 1 0 1 1 0 1 1 0 1 1 1 0 1 0 1 1 1 1 1 1 0 0 0 0 1 1 0 0 0 1 1 1 0 0 1 0 1 加法电路真值表 由该真值表经卡 诺 图可以得出 ： L=B。 由此我门可以对其进行 8421的转换，如 10 的二进制码为 1010 加六可得 00010000。我们可以看 得 出当得数大于等于十时我们可以对它加六来实现它的转换 。 码显示电路 码显示电路的连接 首先，我们要了解显示译码器的作用。我们应用的是， 示译码器， 421 译码显示电路的连接如图 简单计算器 - - 10 I/I/ 0A B C D E F 1A B C D E F 81 8 0 R K 727 28 29 30 31 32 3334 35 36 3738 39 40R 2 11 8 0 R K 757 93 94 95 96 97 98991001011021031041050图 码器与显示器的连接电路 码显示电路的工作原 理 译码就是把给定的代码进行翻译，变成相应的状态，用于驱动 要在它的输入端输入 8421 码，七段数码管就能显示十进制数字。选用的译码器为 7448N，输出高电平有效，接共阴极七段显示器。 当数据经加法器运算得出结果后，如果得数小于 10 则只在一个显示器里显示结果，另一个没有输出；如果得数大于等于 10则在两个显示器里显示左后结果。 11 5 工作过程分析 法工作过程 在简单计算器运算加法过程中，如前第四部分工作原理所阐述的一样。首先，在键盘 上按一个想要的数字，通过电阻电源的组合，将其转化为脉冲，输入到编码器中，将其转化为二进制数字。然后，在加号，及开关的作用下，将被加数寄存在一个寄存器中。 输入加数，同样也寄存在另一个寄存器中。两个数通过加法器运算，得出的数通过译码显示器显示出来。 当加法运算的结果经过数值比较器与二进制数“ 9”进行比较。当结果小于或等于九的时候，我们不需要对其进行进行 结果大于九的时候，我们就需要对结果进行 过把二进制数进行加六来达到。最后将调整过的结果用译码显示器显示输出。 工作中运行出的结果如下： 例如： 4+7=11； 图 入被加数 4 简单计算器 - - 12 图 入加数 7 图 出结果 11 13 法工作过程 减法与加法在键入运算对象和寄存方式上类似，没有大体区别，只是在 开关处并接开关 其在寄存被减数和减数时起作用。 减法器主要有求补逻辑电路和相应的译码显示器构成。其构造如下图所示： 图 入加数 7 简单计算器 - - 14 其工作过程如下： 例如： 8 图 入被减 数 8 图 入减数 5 15 图 出结果 3 简单计算器 - - 16 6 元器件清单 序号 元件名称 规格及用途 数量 1 编码器 74 片 2 寄存器 A 74 1 片 3 寄存器 B 74 片 4 加法器 74 片 5 减法逻辑电路 74 片 5 显示器 片 6 译码器 7448N 2 片 7 非 门 74 片 8 三输入与非门 74 片 9 二输入异或门 7486N 2 片 10 电 阻 1 k 12 个 11 九线开关 个 12 一线开关 个 13 电 源 5V 2 个 17 7 主要元器件介绍 0 先编码器 74147 脚图 B 7C 6D 143134152212111857463910图 4脚图 能表 简单计算器 - - 18 能介绍 74147 为 10 先编码器，其功能是，把输入端代表“ 0” “ 9”的这 10 个数字编码成 。 74147 的编码输入有效电平为低电平，编码输出为 码。由于它有优先编码功能，只要输入端有“ 0”输入（如果有多个输入端为“ 0”则以编号最大的输入端为准），输出端就输出与之对应的 的反码。例如“ 3”“ 4”同时输入“ 0”，则按“ 4”进行编码，内部编码成 0100，输出则为 反码 1011。 存器 74 引脚图 U 1 67 4 L S 3 7 4 2Q 53Q 64Q 95Q 126Q 157Q 168Q 19图 4脚图 能表 工作模式 输 入 内部触发器 输 出 D 存入和读出数据 L L L H L H 相应内部触 发器的状态 存入数据 禁止 输出 H L H H L H 高 阻 高 阻 19 能介绍 当 高电平时不管内部触发器为何值输出都为高阻状态即不输出。当 低电平时，只有遇到脉冲的上升沿时才会输出，此时输出的数据为内部触发器的相应状态；没有脉冲时只暂存前一状态的数据 。 存器 74 引脚图 U 1 07 4 L S 1 9 4 54324 脚图 能表 表 4194 功能表 输入 输出 1 R C B A d d d d d d d d d 0 0 0 0 0 0 d d d d d d d d 0 上 1 1 d d 3 上 0 1 1 d d d d d 0 上 0 1 0 d d d d d 0 上 1 0 d 1 d d d d 0 上 1 0 d 0 d d d d 0 d 0 0 d d d d d d 简单计算器 - - 20 能介绍 有 4 个输入端 4 个输出端，当 高电平时，为并行寄存器。此时 则只能暂存数据。 法器 74 引脚图 U 1 87 4 S 2 8 3 034引脚图 21 能表 C 0 d c b a L 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 1 1 0 0 0 1 0 0 0 0 0 1 0 1 0 0 0 1 1 0 0 0 0 1 1 1 0 0 1 0 0 0 0 0 1 0 0 1 0 0 1 0 1 0 1 0 1 0 1 1 1 0 1 1 0 0 1 0 1 1 0 1 1 0 1 1 1 0 1 0 1 1 1 1 1 1 0 0 0 0 1 1 0 0 0 1 1 1 0 0 1 0 1 能介绍 它是常用的二进制加法 器，有两组输入端，分别为： 1 1； 2 2 ，然后分别对相应的二进制相加，在设计中，我们巧妙的运用了加六的运算来实现向 8421 10 的二进制码为 1010 加六可得 00010000。我们可以看出当得数大于等于十时我们可以对它加六来实现它的转换，因此我们再一次引入 74284加法器并在它的 2、 3脚上加入我们推得的信号来实现。 简单计算器 - - 22 小 结 通过为期一周的课程设计的锻炼，我深刻体会到自己知识的匮乏，也深深的感觉到自己对所学知识了解得是多么肤浅。曾经在课堂上所学的 东西只是一个表面性的，理论性的，而且是理想化的，根本不能够解决在现实中所存在的需要我们在未来解决的很多问题。因此，在 学习过程中，我们应注意理论知识与实际应用之间的相互联系。 在今后的学习中，我要吸取在这次课设中得到的经验教训，要以学习理论知识为基础，尽量多接触实际应用知识。在动手操作能力的培养上，我们更要加以重视，加强锻炼。我将多参加实践活动，以锻炼自己的动手能力以及实践理论知识的能力，做一名合格的自控类专业学生。 设计一个完整的电路，不仅要以过硬的知识功底为前提，还要具有灵学活用，举一反三的能力。一个电路设 计，要有完整的设计思路，要满足课题的各项要求，还要通过报告把原理及流程表达的清清楚楚。从设计的第一天起，我就遇到了很多麻烦。 所以在着手之前我便仔细阅读并研究了教材中所有有关课设部分的章节，之后，又利用图书馆的资源和网上资源，对课设电路做了具体的了解和分析。有关计算部分我也参考了很多的资料，但有的元件的参数还是不明白为何设成这样，只好参考经典值。 通过老师和同学们的帮助，我渐渐的有了眉目。这样，在很大程度上提高了我考虑问题 的全面性。 简单计算器运算电路 是数字电子技术的一种综合应用 ， 是 采用数字电路实现 十进制数的加 减法运算的 装置 ,整个 加法运算电路是由五个部分组成，可以详细分为，键盘及编码电路、加数寄存器 A 和被加数寄存器 B、加法运算电路、 4译码显示器 。 加法运算电路最典型的应用就是计算器，它为我们的生活带来了更多的便利。 通过 本次 设计，了解了 加法运算电路的 基本原理，同时也很好的掌握了 编码器 、 寄存器 、 加法器、开关、 显示译码器等数字系统的实现方法。在设计的过程中，融入了自己的创新想法，增加了设计的 兴 趣。 在这充实的一周中，我们也深深地感受到各组员之间彼此团结互助的精神，每个人都为了自己 的小组一点点努力着，尽管避免不了失败和摩擦，但我们仍然互相打气，为了设计成果献上各自的一份力量。 通过这次对 加法运算电路 的设计与制作，我了解了一些设计电路的步骤，同时也了解了关于 加法运算电路 的设计原理与设计思想， 更进一步地熟悉了芯片的结构及掌握了各芯片的工作原理和其具体的使用方法。 虽然设计时间很紧迫，但 在设计的过程中 我们 还是学到不少东西的，由于有些芯片我们 根本 没有学过，我们在查找这些资料的过程中就学到 了很多东西，有些芯片本来我们不懂的，但是经过查资料 我们还是对那 些不懂的芯片有了一定的了解。 能有这样的一次学 习机会，我感到十分的幸运，看到了自己一周以来的成果，我也感到十分欣慰，在未来的学习生活中，我会吸取这次学习经验，争取取得更出色的成绩！ 23 致 谢 暑假之后，我们又开始了为期一周的实训，短短一周，有太多汗水，太多耕耘，也有太多欣慰，太多感动，我们每个人都在为自己的任务尽着自己最大的努力，也在丝毫不保留的赠与给彼此最贴心的帮助和温暖。 首先还是要感谢我们的数电课讲师 黄