加减法运算电路设计.doc

电子课程设加减法运算电路设计 学院：电信息工程学院专业：电气工程及其自动化班级： 姓名： 学号：指导老师：闫晓梅2014年12月 19日加减法运算电路设计一、设计任务与要求 1.设计一个4位并行加减法运算电路，输入数为一位十进制数， 2.作减法运算时被减数要大于或等于减数。3.led灯组成的七段式数码管显示置入的待运算的两个数，按键控制运算 模式，运算完毕，所得结果亦用数码管显示。4.系统所用5V电源自行设计。二、总体框图1.电路原理方框图：电源部分显示所置入的两个一位十进制数 加法运算电路 开关选择运算方式译码显示计算结果 减法运算电路置数电路图2-1二进制加减运算原理框图2.分析：如图1-1所示，第一步置入两个四位二进制数（要求置入的数小于1010），如（1001）2和（0111）2，同时在两个七段译码显示器上显示出对应的十进制数9和7；第二步通过开关选择运算方式加或者减；第三步，若选择加运算方式，所置数送入加法运算电路进行运算，同理若选择减运算方式，则所置数送入减法运算电路运算；第四步，前面所得结果通过另外两个七段译码器显示。例如：若选择加法运算方式，则（1001）2+（0111）2=（10000）2 十进制9+7=16，并在七段译码显示器上显示16；若选择减法运算方式，则（1001）2-（0111）2=（00010）2十进制9-7=2，并在七段译码显示器上显示02。三、选择器件1.器件种类：序号元器件个数 174LS283D2个2 74LS86N5个 3 74LS27D1个 4 74LS04N9个 5 74LS08D2个 6七段数码显示器 4个 7 74LS147D2个 8 开关19个 9LM78121个 10 电压源220V1个 11电容2个 12直流电压表1个表3-12.重要器件简介：（1） . 4位二进制超前进位加法器74LS283：完成加法运算使用该器件。1).74LS283 基本特性：供电电压： 4.75V-5.25V 输出高电平电流： -0.4mA 输出低电平电流： 8mA。2).引脚图：图3-1引出端符号:A1A4运算输入端B1B4运算输入端C0进位输入端14和输出端C4进位输出端3）.逻辑符号:图3-24).内部原理图：图3-35）.功能表：表3-2（2） 异或门：74LS86 1).引脚图： 2）.逻辑符号： 图3-4 图3-5 3）. 逻辑图：图3-64）.真值表：表3-3分析：异或：当AB不相同时, 结果才会发生。函数式：(3).三输入或非门：74LS271).引脚图：图3-72）.逻辑符号：图3-83）. 逻辑图：图3-94).真值表：表3-4函数式：分析逻辑功能：A、B、C中只要出现“1”，则输出为“1”；只有A、B、C都为“0”时，输出才为“0”。（4）.非门：74LS04当输入为高电平时输出等于低电平，而输入为低电平时输出等于高电平。因此输出与输入的电平之间是反向关系，也叫非门或反向器。 图3-101）结构 TTL反相器由三部分构成：输入级、中间级和输出级。2）原理A为低电平时，T1饱和，VB10.9V，VB20.2V，T2和T5截止，T4和D2导通，Y为高电平；A为高电平时，VB12.1V，T1倒置，VB21.4V，T2和T5饱和，T4和D2截止，Y为低电平。 74LS04为六反相器，输入是A，输出是Y，6个相互独立倒相。供电电压5V，电压范围在4.755.25V内可以正常工作。门数6，每门输入输出均为TTL电平（2v高电平）,低电平输出电流-0.4mA,高电平输出电流8mA。其逻辑符号、逻辑功能表、内部结构、管脚图分别如下： 图3-11 74LS04的逻辑图 表3-5 74LS04功能表 图3-12 74LS04的逻辑符号 图3-13 74LS04的管脚图函数式：（5）.与门74LS081）.引脚图： 2).逻辑符号： 图3-14 74LS08管脚图 图3-153）.逻辑图：图3-164）.真值表：表3-6函数式：（6）.七段数码管：图3-17是七段数码管的符号，数码管用七个发光二极管做成a、b、c、g七段，通过七段亮灭的不同组合，来显示信息。并分为共阴极与共阳极两种。共阴极是将七个发光二极管的阴极接在一起并接在地上，阳极接到译码器的各输出端，当发光二极管对应的阳极为高电平时，发光二极管就亮，共阳极则与之相反。只要按规律控制各发光段的亮、灭，就可以显示各种字形或符号， 共阴极七段数码管原理图如图3-18所示。图3-17 图3-18七段显示译码器是驱动七段显示器件的专用译码器，它可以把输入的二十进制代码换成七段显示管所需要的输入信息，以使七段显示管显示正确的数码，应用原理如图3.3.11所示。BCD七段译码器的输入是一位BCD码(以D、C、B、A表示)，输出是数码管各段的驱动信号(以FaFg表示)。若用它驱动共阴LED数码管，则输出应为高有效，即输出为高(1)时，相应显示段发光。例如，当输入8421码DCBA=0100时，应显示 4， 即要求同时点亮b、c、f、g段， 熄灭a、d、e段，故译码器的输出应为FaFg=0110011，这也是一组代码，常称为段码。图3-19 共阳极数码管应用原理图 图3-20 七段数码显示其真值表如下表所示：表3-7（7）74LS147： 10线-4线8421 BCD码优先编码器74LS147的真值表见表3.5。74LS147的引脚图如图3.5所示，其中第9脚NC为空。74LS147优先编码器有9个输入端和4个输出端。某个输入端为0，代表输入某一个十进制数。当9个输入端全为1时，代表输入的是十进制数0。4个输出端反映输入十进制数的BCD码编码输出。 74LS147优先编码器的输入端和输出端都是低电平有效，即当某一个输入端低电平0时，4个输出端就以低电平0的输出其对应的8421 BCD编码。当9个输入全为1时，4个输入出也全为1，代表输入十进制数0的8421 BCD编码输1）.管脚图如下：图3-21功能表如下：表3-8内部原理图如下：图3-22（7）LM7812 LM7812是指三段稳压集成电路IC芯片元器件，适用于各种电源稳压电路，输出稳定性好、使用方便、输出过流、过热自动保护。本设计使用的电路为：图3-23内部原理图如下：图3-24（注：在此设计中，如电阻，电容二极管等器件均无特别要求，按电路中所标参数选取即可。）四功能模块 1:减法电路的实现：（1）：原理：如图1所示（如下），该电路功能为计算A-B。若n位二进制原码为N原，则与它相对应的补码为N补=2n-N原，补码与反码的关系式为N补=N反+1，A-B=A+B补-2n=A+B反+1-2n(2)：因为B1= B非，B0=B，所以通过异或门74LS86对输入的数B求其反码，并将进位输入端接逻辑1以实现加1，由此求得B的补码。加法器相加的结果为：A+B反+1，(3)：由于2n=24=(10000)2,要求相加结果与相2n减只能由加法器进位输出信号完成。当进位输出信号为1时，即相当于2n，可实现减2n，因为设计要求被减数大于或等于减数，所以所得的差值就是A-B差的原码。减法仿真图：下页图为4-1分析结果：数A为9，数B为7，（1001）2-（0111）2=（00010）2十进制9-7=2并在七段译码显示器上显示02。2：加法电路的实现如下：（1）加法原理:A. 通过开关S1S9接编码器74LS147U12输入端，通过开关节高低电平使译码显示器U5显示所置入的数A，同理，通过开关S10S18接编码器74LS147U23输入端，通过开关节高低电平使译码显示器U22显示可置入数B。数A直接置入四位超前进位加法器74LS283的A1A4端，74LS283的B1B4端接四个2输入异或门。四个2输入异或门的一输入端同时接到开关S19上。B. 当开关S19接低电平时，B与0异或的结果为B，通过加法器74LS283完成两个数A和B的相加。C. 由于译码显示器只能显示09，所以当A+B9时不能显示，我们在此用另一片芯片74LS283完成二进制码与8421BCD码的转换，即S9（1001）时加上6（0110），产生的进位信号送入译码器U10来显示结果的十位，U11显示结果的个位(2)加法电路的实现:用两片4位全加器74LS83和门电路设计一位8421BCD码加法器A由于一位8421BCD数A加一位数B有0到18这十九种结果。a) 两个 8421 码相加，其和仍应为8421 码，如不是 8421 码则结果错误。如： b) 产生错误的原因是 8421BCD码为十进制，逢十进一， 而四位二进制是逢十六进一，二者进位关系不同， 当和数大于 9 时，8421BCD应产生进位，而十六进制还不可能产生进位。为此，应对结果进行修正。当运算结果小于等于 9 时，不需修正或加“0”，但当结果大于 9 时，应修正让其产生一个进位，加0110即可。如上述后两种情况： 故修正电路应含一个判 9 电路，当和数大于 9 时对结果加0110， 小于等于 9 时加0000。 除了上述大于 9 时的情况外，如相加结果产生了进位位，其结果必定大于 9， 所以大于 9 的条件为 1. 2. 图4-2图4-3B. 另一种设计：当大于9的时候要加六转换才能正常显示，所以设计的时候有如下的真值表：C4S4S3S2S1Y数的大小84210000000没有超过900001010001002000110300100040010105001100600111070100008010010901010110需要转换010111110110011201101113011101140111111510000016100010171001001810011019无关项101000201010102110110022101110231100002411001025110101261101112711100128111011291111013011111131表4-1由表4-1我们可以算出Y的表达式:(1)由前16项有: Y= S4S3+ S4S2(2)由后10项有: Y= C4=1由（1）（2）有:得到了如下的加法仿真图(下页图为4-4)：分析结果：数A为9，数B为7，（1001）2+（0111）2=（10000）2 十进制9+7=16并在七段译码显示器上显示16。3：译码显示电路的实现一个七段LED译码驱动器74HC4511和一个七段LED数码显示器组成。七段LED译码驱动器74HC4511的功能表如下在74HC4511中，经前面运算电路运算所得的结果输入74HC4511的D3D2D1D0，再译码输出，最后在七段LED显示器中显示出来表4-2：七段LED译码驱动器74HC4511功能表表4-3：七段LED译码驱动器74HC4511功能表续图4-5译码显示电路4.电源部分图4-6电路图如上，系统输出为5v，可以为电路提供合适电压。五总体设计电路图Nultisim仿真电路图：（注：下面两图分别为4-7,4-8）结果分析： (1) 加法运算：选择开关接低电平，S9选择低电平，S10也选择高电平，则编码器74LS147输出0110,1110，再通过输出端的非门后变为1001,0001，则（1001）2+（0001）2=（01010）2 十进制9+1=10，并在七段译码显示器上显示10.(2) 减法运算开关接高电平，S9选择低电平，S10也选择高电平，则编码器74LS147输出0110,1110，再通过输出端的非门后变为1001,0001，则为（1001）2-（0001）2=（01000）2十进制9-1=8，并在七段译码显示器上显示08.6、 心得体会通过这次课程设计，加强了我动手、思考和解决问题的能力。在做课程设计同时也是对课本知识的巩固和加强，由于课本上的知识太多，平时学习并不能很好的理解和运用各个元件的功能，而且考试内容有限，所以在这次课程设计过程中，我了解了很多元件的功能，并且对于其在电路中的使用有了更多的认识。查阅了很多有关的资料，平时看课本时，有时问题老是弄不懂，做完课程设计，那些问题就迎刃而解了。而且还可以记住很多东西。比如一些芯片的功能，平时看课本，这次看了，下次就忘了，通过动手实践让我们对各个元件印象深刻。认识来源于实践，实践是认识的动力和最终目的，实践是检验真理的唯一标准。所以这个期末测试之后的课程设计对我的作用是非常大的。 在制作EDA时，发现细心耐心，恒心一定要有才能做好事情，首先是元件与线的布局上既要美观又要实用和走线简单，兼顾到方方面面去考虑是很需要的，否则只是一纸空话，而且更重要的是加深了我对EDA技术的进一步深入理解。 通过这次课程设计使我懂得了理论与实际相结合是很重要的，只有理论知识是远远不够的，只有把所学的理论知识与实践相结合起来，从理论中得出结论，才能真正为社会服务，从而提高自己的实际动手能力和独立思考的能力。在设计的过程中遇到问题，可以说得是困难重重，这毕竟第一次做的，难免会遇到过各种各样的问题，同时在设计的过程中发现了自己的不足之处，对以前所学过的知识理解得不够深刻，掌握得不够牢固。12月19日上午，我们进行了硬件实验。由于时间有限，我们只能进行一部分实验。做实验之前，我先测试芯片74LS283得输入端接开关在数码管上的显示情况，我将输入端A1A4，B1B4接高低电平控制开关，再与数码显示器相接，结果输入端A1A4通过开关控制在数码管上可以正常显示一系列数字，而B1B