数电课程设计简易计算器.doc

辽辽 宁宁 工工 业业 大大 学学 数字电子技术基础课程设计数字电子技术基础课程设计 论文 论文 题目 题目 简易计算器简易计算器 数字电子技术基础课程设计 论文 I 课程设计 论文 任务及评语课程设计 论文 任务及评语 院 系 教研室 学 号学生姓名专业班级 课程设计 论 文 题 目 简易计算器 课程设计 论文 任务 设计任务 1 计算器具有加 减和乘的功能 2 用开关输入运算数据 3 用 LED 显示运算结果设计要求 设计要求 1 分析设计要求 明确性能指标 必须仔细分析课题要求 性 能 指标及应用环境等 广开思路 构思出各种总体方案 绘制结构框图 2 确定合理的总体方案 对各种方案进行比较 以电路的先进 性 结构的繁简 成本的高低及制作的难易等方面作综合比 较 并考虑器件的来源 敲定可行方案 3 设计各单元电路 总体方案化整为零 分解成若干子系统或 单元电路 逐个设计 4 组成系统 在一定幅面的图纸上合理布局 通常是按信号的 流向 采用左进右出的规律摆放各电路 并标出必要的说明 指导教师评语及成绩 平时成绩 20 论文成绩 60 答辩成绩 20 总成绩 指导教师签字 学生签字 年 月 日 数字电子技术基础课程设计 论文 II 摘 要 这次的课程设计的任务是设计一个具备加减乘运算功能的电路 能够通过开 关控制进行加减法计算和乘法计算 并利用 LED 灯显示计算结果 本次设计通过开关的闭合和开通来代表电平的高地位继而代表 0 和 1 来输入 所要计算的十进制数字 加减运算电路主要由 74LS283 的级联电路组成 通过异 或门将原码全部转换为补码 然后采用个位和个位相加 十位和十位的相加的原 则 将两个的个位的代码送入到一个加法器中 将进位依次传递 但是加法器只 可以做加法运算 不满足我们的设计要求 于是我们将减法也变成加法进行运算 运算都为补码 最后再将结果在转换为原码 通过 LED 灯显示出来 乘法运算 电路主要由移位寄存器 74LS194 和加法器 74LS283 组成 显示电路主要由 7 段显示译码器构成 将加减和乘法运算电路计算所得的运 算结果每 4 为输入到一块 7448 芯片中 按高低位排列就得到了我们所需要的十 进制的运算结果了 关键词 运算 反码 LED 显示 移位寄存器 数字电子技术基础课程设计 论文 III 目 录 第 1 章 绪论 1 1 1 简易计算器概况 1 1 2 本文设计要求 2 1 3 方案论证 2 1 4 总体设计方案 3 第 2 章 简易计算器各单元电路设计 4 2 1 简易计算加法电路设计 4 2 2 简易计算器减法电路设计 5 2 3 乘法运算电路设计 6 2 4 译码显示电路设计 7 第 3 章 简易计算器整体电路设计 8 3 1 系统原理图 8 3 2 部分电路仿真 9 3 2 1 加法电路仿真 9 3 2 2 减法电路仿真 10 第 4 章 设计总结 11 参考文献 12 附录 13 数字电子技术基础课程设计 论文 1 第 1 章 绪论 1 1 简易计算器概况 提起计算器 值得我们骄傲的是最早的计算工具诞生在中国 中国古代最早 采用的一种计算工具叫筹策 又叫做算筹 这种算筹多用竹子制成 也有用木头 兽骨充当材料的 约 270 枚一束 放在布袋里克随身携带 17 世纪初 西方国 家的计算工具有了较大的发展 英国数学家纳皮尔发明的 纳皮尔算筹 英国 牧师奥却德法发明了圆柱形对数计算尺 这种计算尺不仅能做加减乘除 乘方 开方运算 甚至可以计算三角函数 指数函数和对数函数 这些计算工具不仅带 动了计算机的发展 也为现代计算器的发展奠定了良好的基础 计算器已经成为 现代社会应用广泛的计算工具 计算器一般由运算器 控制器 存储器 键盘 显示器 电源和一些可选 外围设备及电子配件通过人工或机器设备组成 低档计算器的运算器 控制器 由数字逻辑电路实现简单的串行运算 其随机存储器只有一 二个单元 供累 加存储用 高档计算器由微处理器和只读存储器实现各种复杂的运算程序 有 较多的随机存储单元以存放输入程序和数据 键盘是计算器的输入部件 一般 采用接触式或传感式 为减小计算器的尺寸 一键常常有多种功能 显示器是 计算器的输出部件 有发光二极管显示器或液晶显示器等 除显示计算结果外 还常有溢出指示 错误指示等 计算器电源采用交流转换器或电池 电池可用 交流转换器或太阳能转换器再充电 为节省电能 计算器都采用CMOS 工艺 制作的大规模集成电路 并在内部装有定时不操作自动断电电路 随着社会需求 计算器也从原有单一的数字加减计算演变为复杂的多功能运 算 现在不在单一的在某一方面而是涉及到生活的方方面面 数字电子技术基础课程设计 论文 2 1 2 本文设计要求 本次设计的是一个具有加减和乘法运算的简单计算器 并且运用开关输入运 算数据 用 LED 显示运算结果 设计要求 1 分析设计要求 明确性能指标 必须仔细分析课题要求 性能 指标及应 用环境等 广开思路 构思出各种总体方案 绘制结构框图 2 确定合理的总体方案 对各种方案进行比较 以电路的先进性 结构的繁 简 成本的高低及制作的难易等方面作综合比较 并考虑器件的来源 敲 定可行方案 3 设计各单元电路 总体方案化整为零 分解成若干子系统或单元电路 逐 个设计 4 组成系统 在一定幅面的图纸上合理布局 1 3 方案论证 方案一 用开关输入二进制数字 通过开关的关断和接通来选择运算方式 选择到加减法的运算方式进行加减法运算 运用加法器芯片 74LS283 实现运算功 能 最终将运算结果通过 LED 显示表示出来 方案二 通过开关输入二进制数字 再将其转换为十进制数字进行加减和乘 法运算 最终将计算结果转化为十进制数字输出到 LED 显示出来 综上所述 方案一实现起来比较方便 并且不容易出现错误 所以本设计采 用方案一进行试验 数字电子技术基础课程设计 论文 3 1 4 总体设计方案 置数开关选择运算方式 加减法运算电路 乘法运算电路 译码显示计算结果 显示所置入的两个 一位十进制数 图 1 1 整体设计框图 方案有三大块组成 开关输入运算数据 运算电路和显示电路 开关输入运算数据 我们通过开关的闭合和开通来代表电平的高地位继而代表 0 和 1 来输入 所要计算的十进制数字 每位十进制数用 4 位二进制代码表示 并通过 LED 灯转化为可显示的十进制数来体现输入的易操作性 加减运算电路 加减运算电路主要由 74LS283 和进位信号门电路组成 因为正数的补 码和原码相同 负数的补码是在反码基础上加 1 所以通过异或门将输进来 的十进制数全部转换为补码形式 然后送入全加器 个位与个位相加十位 与十位相加 结果按高低位一次将进位通过级联全加器传递 得到的结果 仍是正确结果的补码 正数的补码和原码相同 同时还考虑到在负数求补 码是可能会产生进位 于是在通过门电路转换补码后仍要将结果通过级联 全加器 转换为原码 最后得到正确结果 显示电路 数字电子技术基础课程设计 论文 4 显示电路主要由 7 段显示译码器构成 将加减运算电路计算所得的运算 结果每 4 为输入到一块 7448 芯片中 按高低位排列就得到了我们所需要的十 进制的运算结果了 第 2 章 简易计算器各单元电路设 计 2 1 简易计算加法电路设计 1 通过开关 B1 B4 A1 A4 接不同的高低电平来控制输入端所置的两个一 位十进制数 译码显示器 U12 和 U15 分别显示所置入的两个数 数 A 直接置入 四位超前进位加法器 74LS283 的 A4 A1 端 74LS283 的 B4 B1 端接四个 2 输 图 2 1 加法运算电路原理 数字电子技术基础课程设计 论文 5 入异或门 四个 2 输入异或门的一输入端同时接到开关 J9 上 另一输入端分别接 开关 J5 J8 通过开关 J5 J8 控制数 B 的输入 2 2 当开关 J9 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 3 3 由于译码显示器只能显示 0 9 所以当 A B 9 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 S 9 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 2 简易计算器减法电路设计 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 因为 B1 B 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 图 2 2 简易计算器减法实现电路 数字电子技术基础课程设计 论文 6 由于 2n 24 10000 2 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 它与 2n的差为 0 当进位输出信号为 0 时 它与 2n差值为 1 同时还要发出借位信号 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 借位信号为 0 2 3 乘法运算电路设计 图 2 3 简易计算器乘法电路图原理 数字电子技术基础课程设计 论文 7 2 4 译码显示电路设计 译码电路的实现是采用 74HC4511BCD 码驱动器 驱动共阴极 LED 数码管 74HC4511 内接有上拉电阻 故只需在输出端与数码管之间串入限流电阻既可工作 译码器还有拒绝伪码的功能 当输入超过 1001 时 输出全为 0 图 7 中 A0 A1 A2 A3为 BCD 码输入端 a b c d e f g 为译码输出端 输出 1 有效 用来驱动共阴极 LED 数码管 LT 为测试输入端 LT 0 时 译码输出 全为 1 BI 为消隐输入端 BI 0 时 译码输出全为 0 数码管熄灭 LE 为 锁定端 LE 1 时译码器处于锁定 保持 状态 译码输出保持在 LE 0 时的数值 LE 0 为正常译码 在数字实验板上已完成了译码器和数码管之间的连接 四位数码管可接受四组 BCD 码输入 图 2 4 译码显示电路图 数字电子技术基础课程设计 论文 8 第 3 章 简易计算器整体电路设计 3 1 系统原理图 当开关接通左侧的时 该计算器进行加减法运算 当开关接通到右侧时 计 算器进行乘法运算 图 3 1 简易计算器整体电路图 数字电子技术基础课程设计 论文 9 3 2 部分电路仿真 3 2 1 加法电路仿真 通过 Multisim 软件进行加法部分电路的仿真得到结果与预期结果相同 说明 加法运算电路部分设计正确合理 图 3 2 加法运算电路仿真 数字电子技术基础课程设计 论文 10 3 2 2 减法电路仿真 通过 Multisim 软件进行加法部分电路的仿真得到结果与预期结果相同 说明 减法运算电路部分设计正确合理 图 3 3 减法运算电路仿真 数字电子技术基础课程设计 论文 11 第 4 章 设计总结 本设计的电路能完成二位以下的任意数字的加减和乘法运算 并能在数码显 示管上显示出输入的数和计算的结果 但是在减运算时 本电路运用了反码和补 码 这样结果才能输出原码 如果输入的被减数小于减数 则电路输出的结果将 是结果的补码 在电路图设计的时候在网上我查到了一个方案 但是在看了那个 方案后我觉得他虽然能实现加法和减法的运算 但是当是小数减大数的时候结果 将出现补码 而并不是原码 而且不能表示最高位和符号位 于是我开始自己设 计这个电路 使加法和减法电路能很好地融合在一起 网上的设计方案解决了加 减法输入的切换 我设计的重点就在加减法输出的整合上 使电路即能解决减法 计算时出现的补码问题 又能在加法时显示进位 减法时显示符号位 并且共用 输出端 利用真值表我顺利的完成了设计的目标 理论知识第一次有了成功的运 用 数字电子技术基础课程设计 论文 12 参考文献 1 阎石编著 数字电子技术基础 高等教育出版社 2006 5 2 江捷 马志诚 数字电子技术基础 北京 北京工业大学出版社 200