加減法運(yùn)算電路設(shè)計(jì)

1、電子課程設(shè)加減法運(yùn)算電路設(shè)計(jì)學(xué)院：電信息工程學(xué)院 專業(yè)：電氣工程及其自動化 班級： 姓名： 學(xué)號： 指導(dǎo)老師：閆曉梅2014年 12月 19 日加減法運(yùn)算電路設(shè)計(jì)、設(shè)計(jì)任務(wù)與要求1.設(shè)計(jì)一個(gè) 4 位并行加減法運(yùn)算電路，輸入數(shù)為一位十進(jìn)制數(shù)，2. 作減法運(yùn)算時(shí)被減數(shù)要大于或等于減數(shù)。3.led 燈組成的七段式數(shù)碼管顯示置入的待運(yùn)算的兩個(gè)數(shù)，按鍵控制運(yùn)算 模式，運(yùn)算完畢，所得結(jié)果亦用數(shù)碼管顯示。4. 系統(tǒng)所用 5V電源自行設(shè)計(jì)。、總體框圖1. 電路原理方框圖：圖 2-1 二進(jìn)制加減運(yùn)算原理框圖2. 分析：如圖 1-1 所示，第一步置入兩個(gè)四位二進(jìn)制數(shù)（要求置入的數(shù)小于 1010）， 如（1001）

2、2和（0111）2，同時(shí)在兩個(gè)七段譯碼顯示器上顯示出對應(yīng)的十進(jìn)制數(shù) 9 和 7 ；第二步通過開關(guān)選擇運(yùn)算方式加或者減；第三步，若選擇加運(yùn)算方式， 所置數(shù)送入加法運(yùn)算電路進(jìn)行運(yùn)算， 同理若選擇減運(yùn)算方式， 則所置數(shù)送入減法 運(yùn)算電路運(yùn)算；第四步，前面所得結(jié)果通過另外兩個(gè)七段譯碼器顯示。例如：若選擇加法運(yùn)算方式，則（ 1001） 2+（0111） 2=（10000） 2 十進(jìn)制 9+7=16， 并在七段譯碼顯示器上顯示 16；若選擇減法運(yùn)算方式，則（ 1001）2- （0111）2=（00010）2十進(jìn)制 9-7=2 ， 并在七段譯碼顯示器上顯示 02。三、選擇器件1. 器件種類 ：序號元器件個(gè)數(shù)

3、174LS283D2個(gè)274LS86N5個(gè)374LS27D1個(gè)474LS04N9個(gè)574LS08D2個(gè)6七段數(shù)碼顯示器4個(gè)774LS147D2個(gè)8開關(guān)19個(gè)9LM78121個(gè)10電壓源 220V1個(gè)11電容2個(gè)12直流電壓表1個(gè)表 3-12. 重要器件簡介：（1） . 4 位二進(jìn)制超前進(jìn)位加法器 74LS283：完成加法運(yùn)算使用該器件。1）.74LS283 基本特性：供電電壓： 4.75V-5.25V 輸出高電平電流： -0.4mA 輸出低電平電流： 8mA。2）. 引腳圖：運(yùn)算輸入端 運(yùn)算輸入端 進(jìn)位輸入端 和輸出端圖 3-1引出端符號 :A1A4B1B4C014C4進(jìn)位輸出端3). 邏輯符

4、號 :4). 內(nèi)部原理圖：圖 3-25).功能表：表 3-2(2)異或門：74LS861). 引腳圖：2). 邏輯符號：圖 3-5圖 3-43) . 邏輯圖：5圖 3-64) . 真值表：表 3-3 分析：異或：當(dāng) AB不相同時(shí) , 結(jié)果才會發(fā)生函數(shù)式：YA B(3). 三輸入或非門： 74LS271). 引腳圖：2). 邏輯符號：圖 3-7圖 3-83). 邏輯圖：4). 真值表：表 3-4A、 0”。1”，則輸出為“ 1”；只有 A、B、C都為“0”函數(shù)式： Y 分析邏輯功能： 時(shí)，輸出才為(4). 非門： 74LS04 當(dāng)輸入為高電平時(shí)輸出等于低電平， 而輸入為低電平時(shí)輸出等于高電平。

5、因 此輸出與輸入的電平之間是反向關(guān)系，也叫非門或反向器。圖 3-101）結(jié)構(gòu)TTL 反相器由三部分構(gòu)成：輸入級、中間級和輸出級2）原理A為低電平時(shí)， T1飽和，VB10.9V，VB20.2V，T2和 T5截止， T4和D2導(dǎo)通， Y為高電平； A為高電平時(shí)， VB12.1V，T1倒置，VB21.4V，T2和T5飽和， T4和 D2截止， Y為低電平。74LS04 為六反相器， 輸入是 A，輸出是 Y，6 個(gè)相互獨(dú)立倒相。 供電電壓 5V， 電壓范圍在 4.755.25V 內(nèi)可以正常工作。門數(shù) 6，每門輸入輸出均為 TTL 電平 （2v高電平） ,低電平輸出電流 -0.4mA,高電平輸出電流 8

6、mA。 其邏輯符號、邏輯功能表、內(nèi)部結(jié)構(gòu)、管腳圖分別如下：圖 3-11 74LS04 的邏輯圖表 3-5 74LS04 功能表圖 3-13 74LS04 的管腳圖圖 3-12 74LS04 的邏輯符號函數(shù)式： Y A5).與門 74LS08表 3-62).邏輯符號：1). 引腳圖：圖 3-14 74LS08 管腳圖3). 邏輯圖：圖 3-154) . 真值表：函數(shù)式： Y A B(6). 七段數(shù)碼管：圖 3-17 是七段數(shù)碼管的符號，數(shù)碼管用七個(gè)發(fā)光二極管做成 a、b、c、 g 七段，通過七段亮滅的不同組合，來顯示信息。并分為共陰極與共陽極兩種。共 陰極是將七個(gè)發(fā)光二極管的陰極接在一起并接在地

7、上， 陽極接到譯碼器的各輸出 端，當(dāng)發(fā)光二極管對應(yīng)的陽極為高電平時(shí)， 發(fā)光二極管就亮， 共陽極則與之相反。 只要按規(guī)律控制各發(fā)光段的亮、滅，就可以顯示各種字形或符號， 共陰極七段 數(shù)碼管原理圖如圖 3-18 所示。圖 3-17圖 3-18七段顯示譯碼器是驅(qū)動七段顯示器件的專用譯碼器，它可以把輸入的二十 進(jìn)制代碼換成七段顯示管所需要的輸入信息，以使七段顯示管顯示正確的數(shù)碼， 應(yīng)用原理如圖 3.3.11 所示。BCD七段譯碼器的輸入是一位 BCD碼（以 D、C、B、A 表示） ，輸出是數(shù)碼管各段的驅(qū)動信號 （以 FaFg表示） 。若用它驅(qū)動共陰 LED數(shù)碼 管，則輸出應(yīng)為高有效， 即輸出為高 （1

8、） 時(shí)，相應(yīng)顯示段發(fā)光。 例如，當(dāng)輸入 8421 碼 DCBA=0100時(shí)，應(yīng)顯示 4 ， 即要求同時(shí)點(diǎn)亮 b、c、f 、g 段， 熄滅 a、d、 e 段，故譯碼器的輸出應(yīng)為 FaFg=0110011，這也是一組代碼，常稱為段碼。圖 3-19 共陽極數(shù)碼管應(yīng)用原理圖圖 3-20 七段數(shù)碼顯示其真值表如下表所示：10表 3-7（7）74LS147：10 線-4 線 8421 BCD碼優(yōu)先編碼器 74LS147的真值表見表 3.5 。74LS147 的引腳圖如圖 3.5 所示，其中第 9腳 NC為空。 74LS147優(yōu)先編碼器有 9 個(gè)輸入 端和 4 個(gè)輸出端。某個(gè)輸入端為 0，代表輸入某一個(gè)十進(jìn)

9、制數(shù)。當(dāng) 9 個(gè)輸入端全 為 1 時(shí)，代表輸入的是十進(jìn)制數(shù) 0。 4 個(gè)輸出端反映輸入十進(jìn)制數(shù)的 BCD碼編碼 輸出。74LS147 優(yōu)先編碼器的輸入端和輸出端都是低電平有效，即當(dāng)某一個(gè)輸入 端低電平 0 時(shí)，4 個(gè)輸出端就以低電平 0 的輸出其對應(yīng)的 8421 BCD編碼。當(dāng) 9 個(gè)輸入全為 1時(shí)，4個(gè)輸入出也全為 1，代表輸入十進(jìn)制數(shù) 0的 8421 BCD編碼輸1）. 管腳圖如下：圖 3-21功能表如下：表 3-8內(nèi)部原理圖如下：11（7）LM7812LM7812 是指三段穩(wěn)壓集成電路 IC 芯片元器件，適用于各種電源穩(wěn)壓電路， 輸出穩(wěn)定性好、使用方便、輸出過流、過熱自動保護(hù)。本設(shè)計(jì)使用

10、的電路為：12圖 3-23內(nèi)部原理圖如下：圖 3-24（注：在此設(shè)計(jì)中，如電阻，電容二極管等器件均無特別要求，按電路中所標(biāo)參 數(shù)選取即可。）四功能模塊1: 減法電路的實(shí)現(xiàn)：（1）：原理：如圖 1 所示（如下），該電路功能為計(jì)算 A-B。若 n 位二進(jìn)制 原碼為 N原，則與它相對應(yīng)的補(bǔ)碼為 N 補(bǔ)=2n-N 原，補(bǔ)碼與反碼的關(guān)系式為 N補(bǔ)=N反 +1，A-B=A+B補(bǔ)-2 n=A+B反+1-2n（2）：因?yàn)?B+1= B非，B+ 0=B，所以通過異或門 74LS86對輸入的數(shù) B求其 反碼，并將進(jìn)位輸入端接邏輯 1 以實(shí)現(xiàn)加 1，由此求得 B的補(bǔ)碼。加法器相加的 結(jié)果為： A+B反+1，（3）：

11、由于 2n=24=（10000） 2, 要求相加結(jié)果與相 2n減只能由加法器進(jìn)位輸出信 號完成。當(dāng)進(jìn)位輸出信號為 1 時(shí)，即相當(dāng)于 2n，可實(shí)現(xiàn)減 2n，因?yàn)樵O(shè)計(jì)要求被減 數(shù)大于或等于減數(shù)，所以所得的差值就是 A-B 差的原碼。 減法仿真圖：下頁圖為 4-1分析結(jié)果：數(shù) A為9，數(shù) B為7，（1001）2-（0111）2=（00010）2十進(jìn)制 9-7=2 并在七段譯碼顯示器上顯示 02。13142：加法電路的實(shí)現(xiàn)如下：（ 1）加法原理 :A. 通過開關(guān) S1S9接編碼器 74LS147U12輸入端， 通過開關(guān)節(jié)高低電平使 譯碼顯示器 U5顯示所置入的數(shù) A，同理，通過開關(guān) S10 S18接編

12、碼器 74LS147U23輸入端，通過開關(guān)節(jié)高低電平使譯碼顯示器 U22 顯示可置入數(shù)B。數(shù) A 直接置入四位超前進(jìn)位加法器 74LS283的 A1 A4 端， 74LS283 的 B1 B4端接四個(gè) 2輸入異或門。四個(gè) 2 輸入異或門的一輸入端同時(shí) 接到開關(guān) S19上。B. 當(dāng)開關(guān) S19接低電平時(shí)， B與 0 異或的結(jié)果為 B，通過加法器 74LS283完 成兩個(gè)數(shù) A和 B 的相加。C. 由于譯碼顯示器只能顯示 0 9，所以當(dāng) A+B9時(shí)不能顯示， 我們在此用 另一片芯片 74LS283完成二進(jìn)制碼與 8421BCD碼的轉(zhuǎn)換，即 S9（ 1001） 時(shí)加上 6（ 0110），產(chǎn)生的進(jìn)位信

13、號送入譯碼器 U10來顯示結(jié)果的十位， U11 顯示結(jié)果的個(gè)位（2） 加法電路的實(shí)現(xiàn) :用兩片 4 位全加器 74LS83和門電路設(shè)計(jì)一位 8421BCD碼加法器A由于一位 8421BCD數(shù)A加一位數(shù) B有 0到18這十九種結(jié)果。a） 兩個(gè) 8421 碼相加，其和仍應(yīng)為 8421 碼，如不是 8421 碼則結(jié)果錯誤。 如：b） 產(chǎn)生錯誤的原因是 8421BCD 碼為十進(jìn)制，逢十進(jìn)一， 而四位二進(jìn)制是 逢十六進(jìn)一，二者進(jìn)位關(guān)系不同， 當(dāng)和數(shù)大于 9 時(shí)， 8421BCD應(yīng)產(chǎn)生 進(jìn)位，而十六進(jìn)制還不可能產(chǎn)生進(jìn)位。為此，應(yīng)對結(jié)果進(jìn)行修正。當(dāng)運(yùn) 算結(jié)果小于等于 9 時(shí)，不需修正或加“ 0”，但當(dāng)結(jié)果大

14、于 9 時(shí)，應(yīng)修 正讓其產(chǎn)生一個(gè)進(jìn)位，加 0110 即可。如上述后兩種情況：15故修正電路應(yīng)含一個(gè)判 9 電路，當(dāng)和數(shù)大于 9 時(shí)對結(jié)果加 0110， 小于等 于 9 時(shí)加 0000。圖 4-2圖 4-3除了上述大于 9 時(shí)的情況外，如相加結(jié)果產(chǎn)生了進(jìn)位位，其結(jié)果必定大于 9 ， 所以大于 9B. 另一種設(shè)計(jì)：當(dāng)大于 9 的時(shí)候要加六轉(zhuǎn)換才能正常顯示，所以設(shè)計(jì)的時(shí)候有 如下的真值表：C4S4S3S2S1Y數(shù)的大 小842100000000000101000100200011030010004沒有超過001010590011006001110701000080100109010101100101

15、1111011001120110111301110114需要轉(zhuǎn)換0111111510000016100010171001001810011019101000201010102110110022無關(guān)項(xiàng)10111023110000241100102511010126171101112711100128111011291111013011111131表 4-1由表 4-1 我們可以算出 Y的表達(dá)式 :（1） 由前 16 項(xiàng)有: Y= S 4S3+ S4S2（2） 由后 10 項(xiàng)有: Y= C 4=1由（ 1）（2）有: Y C4 S4.S3 S4.S2 C4 S4.S3 S4.S2 得到了如下的加法

16、仿真圖 （ 下頁圖為 4-4） ： 分析結(jié)果：數(shù) A 為 9，數(shù) B為 7，（1001）2+（0111）2=（10000）2 十進(jìn)制 9+7=16 并在七段譯碼顯示器上顯示 16。18193：譯碼顯示電路的實(shí)現(xiàn)一個(gè)七段 LED譯碼驅(qū)動器 74HC4511和一個(gè)七段 LED數(shù)碼顯示器組成。七段 LED 譯碼驅(qū)動器 74HC4511的功能表如下 在 74HC4511中，經(jīng)前面運(yùn)算電路運(yùn)算所得 的結(jié)果輸入 74HC4511的 D3D2D1D0，再譯碼輸出，最后在七段 LED顯示器中顯示出 來表 4-2 ：七段 LED 譯碼驅(qū)動器 74HC4511功能表表 4-3 ：七段 LED 譯碼驅(qū)動器 74HC

17、4511功能表續(xù)204. 電源部分圖 4-5 譯碼顯示電路圖 4-6電路圖如上，系統(tǒng)輸出為 5v，可以為電路提供合適電壓。五總體設(shè)計(jì)電路圖Nultisim 仿真電路圖：（注：下面兩圖分別為 4-7,4-8 ）212223結(jié)果分析：（1） 加法運(yùn)算：選擇開關(guān)接低電平， S9選擇低電平， S10也選擇高電平，則編碼器 74LS147輸出 0110,1110 ，再通過輸出端的非門后變?yōu)?1001,0001，則（1001）2+（0001）2=（01010） 2 十進(jìn)制 9+1=10，并在七段譯碼顯示器上顯示 10.（2） 減法運(yùn)算 開關(guān)接高電平， S9選擇低電平， S10 也選擇高電平，則編碼器 74

18、LS147輸出 0110,1110，再通過輸出端的非門后變?yōu)?1001,0001，則為（ 1001） 2- （ 0001）2= （01000）2 十進(jìn)制 9-1=8，并在七段譯碼顯示器上顯示 08.六、心得體會通過這次課程設(shè)計(jì)， 加強(qiáng)了我動手、 思考和解決問題的能力。 在做課程設(shè)計(jì) 同時(shí)也是對課本知識的鞏固和加強(qiáng)， 由于課本上的知識太多， 平時(shí)學(xué)習(xí)并不能很 好的理解和運(yùn)用各個(gè)元件的功能， 而且考試內(nèi)容有限， 所以在這次課程設(shè)計(jì)過程 中，我了解了很多元件的功能， 并且對于其在電路中的使用有了更多的認(rèn)識。 查 閱了很多有關(guān)的資料，平時(shí)看課本時(shí)，有時(shí)問題老是弄不懂，做完課程設(shè)計(jì)，那 些問題就迎刃而解了。 而且還可以記住很多東西。 比如一些芯片的功能， 平時(shí)看 課本，這次看了，下次就忘了，通過動手實(shí)踐讓我們對各個(gè)元件印象深刻。認(rèn)識 來源于實(shí)踐， 實(shí)踐是認(rèn)識的動力和最終目的， 實(shí)踐是檢驗(yàn)真理的唯一標(biāo)準(zhǔn)。 所以 這個(gè)期末測試之后的課程設(shè)計(jì)對我的作用是非常大的。在制作 EDA時(shí)，發(fā)現(xiàn)細(xì)心耐心，恒心一定要有才能做好事情， 首先是元件與線的布局上既要美觀又要實(shí) 用和走線簡單， 兼顧到方方面面去考慮是很需要的， 否則只是一紙空話， 而且更 重要的是加深了我對 EDA技術(shù)的進(jìn)一步深入理解。 通過這次課程設(shè)計(jì)使我懂得 了理論與實(shí)際相結(jié)合是很重要的， 只有理論知識是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的， 只有