数电课程设计简易计算器

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 B1B4、A1A4 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 A4A1 端，74LS283 的 B4B1 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 J5J8，通过开关 J5J8 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 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。 2.2 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， 2009