加减法运算电路的设计

1、黔南民族师范学院本科生毕业（学位）论文题目：加减法运算电路的设计 学位授予单位：黔南民族师范学院专 业 名 称：电子信息工程姓 名：班 林学 号 导 教 师 ： 杨娜职 称： 讲师论文提交日期：2016年11月01日论文答辩日期：2016年11月01日答辩委员会主席:论 文 评 阅 人:中文摘要：采用一款优秀的EDA软件-Multisim10作为设计平台,对任意一个一位十进制并行加/减法运算电路的设计原理及构成方法作了详细的介绍, 通过按键输入被减数和减数，并设置+、-号按键；允许减数大于被减数，负号可采用数码管或其他显示器件，并利用LED灯显示计算结果。提出至少两种

2、设计实现方案，并优选方案进行设计。 利用该软件能实现电子电路的快速设计和仿真,大大缩短了电子电路的设计开发周期。本文以任意一个一位十进制并行加/减法运算电路的设计为例,详细介绍了基于Multisim10的数字电路加减法运算的设计与仿真。关键词：Multisim10，寄存器，显示器，门元件，数字电路0引言目前人类社会已逐步实现了高度发达的信息化,各种电子产品不但在性能上不断增强,而且更新换代的频率也越来越快,实现这种进步的主要原因是生产制造技术和电子设计技术的发展,特别是以EDA为核心的电子设计技术得到了飞速发展。EDA是以计算机为工作平台,融合电子技术、计算机技术、智能化技术等最新成果研制而成

3、的通用软件。它的主要功能是IC设计、各种电路的计算机辅助设计和仿真,以及PCB设计。 算数运算是数字系统的基本功能，更是计算机中不可缺少的组成单元。要实现加法运算电路，给出任意两个四位二进制数能进行加法运算，首先要掌握加法运算电路的构成、原理和设计方法，设计出较合理的电路，来实现加法运算，加法运算是我们经常用到的一项操作，因此我们的这项设计非常贴近我们是现实生活，离我们实际非常近。1电路图的仿真及检测1.1软件介绍Multisim是美国国家仪器（NI）有限公司推出的以Windows为基础的仿真工具，适用于板级的模拟/数字电路板的设计工作。它包含了电路原理图的图形输入、电路硬件描述语言输入方式，

4、具有丰富的仿真分析能力。Multisim随着计算机技术飞速发展，电路设计可以通过计算机辅助分析和仿真技术来完成。计算机仿真在教学中的应用，代替了大包大揽的试验电路，大大减轻验证阶段的工作量；其强大的实时交互性、信息的集成性和生动直观性，为电子专业教学创设了良好的平台，极大地激发了学生的学习兴趣，能够突出教学重点、突破教学难点；并能保存仿真中产生的各种数据，为整机检测提供参考数据，还可保存大量的单元电路、元器件的模型参数。采用仿真软件能满足整个设计及验证过程的自动化。 Multisim软件是一个专门用于电子线路仿真与设计的 EDA 工具软件。作为 Windows 下运行的个人桌面电子设计工具，

5、Multisim 是一个完整的集成化设计环境。Multisim计算机仿真与虚拟仪器技术可以很好地解决理论教学与实际动手实验相脱节的这一问题。我们可以很方便地把刚刚学到的理论知识用计算机仿真真实的再现出来，并且可以用虚拟仪器技术创造出真正属于自己的仪表。Multisim极大地提高了我们的学习热情和积极性，真正的做到了变被动学习为主动学习这些在课设活动中已经得到了很好的体现。因而学习Multisim，除了可以提高仿真能力、综合能力和设计能力外，还可进一步提高实践能力。初步掌握一种电子电路计算机辅助分析和设计软件对学习模拟电子技术基础课很有必要。鉴于Multisim上述特点，本课设选用Multisi

6、m11.0作为基本工具，力图使我们从中学习电子电路的仿真方法和测试方法1.2 Multisim的窗口界面。图1-1软件操作示意图启动Multisim 2010后，将出现如图1-1所示的界面。界面由多个区域构成：菜单栏，各种工具栏，电路输入窗口，状态条，列表框等。通过对各部分的操作可以实现电路图的输入、编辑，并根据需要对电路进行相应的观测和分析。用户可以通过菜单或工具栏改变主窗口的视图内容。菜单栏位于界面的上方，通过菜单可以对Multisim的所有功能进行操作。不难看出菜单中有一些与大多数Windows平台上的应用软件一致的功能选项，如File，Edit，View，Options，Help。此外

7、，还有一些EDA软件专用的选项，如Place，Simulation，Transfer以及Tool等。2 设计方案2.1设计电路原理置数开关选择运算方式加法运算电路减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2-1加减运算原理框图如图2-1所示第一步 置入两个四位二进制数。例如（1001）2,（0011）2和（0101）2，（1000）2，同时在两个七段译码显示器上显示出对应的十进制数9，3和5，8。第二步 通过开关选择加（减）运算方式；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

8、码器显示。即：若选择加法运算方式，则（1000）2+（0110）2=（1110）2 十进制8+6=14 ,并在七段译码显示器上显示14。若选择减法运算方式，则（0101）2-（1000）2=（10011）2十进制5-8= -3,并在七段译码显示器上显示-3。2.2运算方案2.2.1方案一通过开关J1J8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U10和U13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输入异或门。四个2输入异或门的一输入端同时接到开关S1上，另一输入端分别接开关J5J8，通过开关J5J8

9、控制数B的输入。当开关S1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。当开关J1接高电平时，B与1异或的结果为B非 ，置入 的数B在74LS283的输入端为B的反码，且74LS283的进位信号C0为1，其完成S=A+B（反码）+1，实际上其计算的结果为S=A-B完成减法运算。由于译码显示器只能显示09，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）2时加上3（0011）2，产生的进位信号送入译码器U15来显示结果的十位，U14显示结果的个位。由于减法运算时两个一位十进制数

10、相减不会大于10，所以不会出现上述情况，用一片芯片U14即可显示结果。2.2.2 方案二由两异或门两与门和一或门组成全加器，可实现一位二进制加逻辑运算，四位二进制数并行相加的逻辑运算可采用四个全加器串行进位的方式来实现，将低位的进位输出信号接到高位的进位输入端，四个全加器依次串行连接，并将最低位的进位输入端接逻辑“0”，就组成了一个可实现四位二进制数并行相加的逻辑电路。通过在全加器电路中再接入两个反相器可组成一个全减器，实现一位二进制减逻辑运算，将来自低位的错位信号端接到向高位借位的信号端，依次连接四个全减器，构成可实现四位二进制数并行进行逻辑减运算的电路。在两组电路置数端接开关控制置数输入加

11、法还是减法运算电路，电路输出端接LED灯显示输出结果，输出为五位二进制数。2.2.3 两种方案比较通过对两种方案的比较，为实现设计要求，首先在不计入数码管所需芯片的情况下，方案二一共需要十二个芯片，电路的连接相当复杂，产生接线错误和导线接触不良的几率大大增加，而且耗费较高；而方案一一共需要七或九个芯片，且其中几个芯片只用到一两个门，相对接线较简单，容易实现。其次，方案二采用串行进位和借位的方式来实现四位逻辑加减运算，任意一位的逻辑运算必须在前一位的运算完成之后才能进行，相较而言运算速度不高；而方案一采用的是超前进位的方式来实现四位逻辑运算的，每位的进位只有加数和被加数决定，而与低位的进位无关，

12、它的运算速度较方案二高出很多。综上所述，方案一较方案二更加优秀，不仅电路简单而且运算速度更快，经综合小组各设计方案，被选为小组共同方案。3 电路设计3.1电路设计原理图通过学习Multisim软件和对前面加减法运算电路的讨论，研究并总结出一套简单方便又可达到要求的方案，并设计出以下电路图：图3-1 电路原理图3.2加法电路的实现用两片4位全加器74LS183和门电路设计一位8421BCD码加法器。由于一位8421BCD数A加一位数B有0到18这十九种结果。而且由于显示的关系,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：00000000000101000100200011

13、0300100040010105001100600111070100008010010901010110需要装换010111110110011201101113011101140111111510000016100010171001001810011019无关项101000201010102110110022101110231100002411001025110101261101112711100128无关项111011291111013011111131由前16项得：由后10项得由得 Y=CO+S3S2+S3S1由于用与非门比较方便所以我们选用了与非门电路有以下两种选择：(1)(2)但由于（

14、1）方式简单所以我们选用了（1）方式得到了如下的理论图:3.2.1加法电路图3-2加法实现电路3.3减法电路的实现该电路功能为计算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，

15、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。3.3.1减法电路：图3-3减法实现电路3.4译码显示电路译码显示电路是由一个七段LED译码驱动器74HC4511和一个七段LED数码显示器组成。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显示器中显示出来图3-4译码显示电路4 电路的调试4.1 加减运算电路图4-1 加法运算电路4.2 加法显示电路图4-2 加法显示电路4.3 减法运算电路图4-3 减法运算电路4.4 减法显示电路图4-4减法显示电路4.5 无符号减

16、法运算电路图4-5无符号减法运算电路图4.6 有符号减法实现电路图4-6有符号减法实现电路图5 元器件清单5.1加法电路器件可用的加法运算器件为超前进位加法器74LS283或者4008来实现，还需用到2输入与门74LS08，3输入或门。图5-1 74LS283和4008的引脚图图5-2 74LS08的引脚图5.2减法电路器件74LS86=1=1=1=1图5-3 74LS86的引脚图由于没有直接做减法运算的器件，所以用补码来完成减法运算，仍要用到74LS283或者4008，只需在加法器前加上4个异或门（一片74LS86）即可。另外还有很多元器件比如：11个开关，五个异或门，一个或非门，两个与门和

17、一个非门，四个显示器和一个七段译码显示器。这些元器件通过导线连接，形成闭合电路，在仿真软件中，进行仿真得出结果。6 总结通过这次课程设计，加强了我们动手、思考和解决问题的能力。在整个设计过程中，经常会遇到这样那样的情况，就是心里想老着这样的接法可以行得通，但实际接上电路，总是实现不了，因此耗费在这上面的时间用去很多。我沉得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，平时课间的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，我们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。尤其学习软件Multisim，除了可以提高仿真能力、综合能力和设计能力外，还可进一步提高实践能力。初步掌握一种电子电路计算机辅助分析和设计软件对学习模拟电子技术基础课很有