加減法運算電路設(shè)計

1、電子課程設(shè)加減法運算電路設(shè)計 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日加減法運算電路設(shè)計一、設(shè)計任務(wù)與要求 1.設(shè)計一個4位并行加減法運算電路，輸入數(shù)為一位十進制數(shù)， 2.作減法運算時被減數(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算的兩個數(shù)，按鍵控制運算 模式，運算完畢，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。二、總體框圖1.電路原理方框圖：電源部分顯示所置入的兩個一位十進制數(shù) 加法運算電路 開關(guān)選擇運算方式譯碼顯示計算結(jié)果 減法運算電路置數(shù)電路圖2-1二進制加減運算原理框圖2.分析：如圖1-

2、1所示，第一步置入兩個四位二進制數(shù)（要求置入的數(shù)小于1010），如（1001）2和（0111）2，同時在兩個七段譯碼顯示器上顯示出對應(yīng)的十進制數(shù)9和7；第二步通過開關(guān)選擇運算方式加或者減；第三步，若選擇加運算方式，所置數(shù)送入加法運算電路進行運算，同理若選擇減運算方式，則所置數(shù)送入減法運算電路運算；第四步，前面所得結(jié)果通過另外兩個七段譯碼器顯示。例如：若選擇加法運算方式，則（1001）2+（0111）2=（10000）2 十進制9+7=16，并在七段譯碼顯示器上顯示16；若選擇減法運算方式，則（1001）2-（0111）2=（00010）2十進制9-7=2，并在七段譯碼顯示器上顯示02。三、選擇

3、器件1.器件種類：序號元器件個數(shù) 174LS283D2個2 74LS86N5個 3 74LS27D1個 4 74LS04N9個 5 74LS08D2個 6七段數(shù)碼顯示器 4個 7 74LS147D2個 8 開關(guān)19個 9LM78121個 10 電壓源220V1個 11電容2個 12直流電壓表1個表3-12.重要器件簡介：（1） . 4位二進制超前進位加法器74LS283：完成加法運算使用該器件。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：圖3-1引出端符號:A1A4運算輸入端B1B4運算輸入端C0進

4、位輸入端14和輸出端C4進位輸出端3）.邏輯符號:圖3-24).內(nèi)部原理圖：圖3-35）.功能表：表3-2（2） 異或門：74LS86 1).引腳圖： 2）.邏輯符號： 圖3-4 圖3-5 3）. 邏輯圖：圖3-64）.真值表：表3-3分析：異或：當(dāng)AB不相同時, 結(jié)果才會發(fā)生。函數(shù)式：(3).三輸入或非門：74LS271).引腳圖：圖3-72）.邏輯符號：圖3-83）. 邏輯圖：圖3-94).真值表：表3-4函數(shù)式：分析邏輯功能：A、B、C中只要出現(xiàn)“1”，則輸出為“1”；只有A、B、C都為“0”時，輸出才為“0”。（4）.非門：74LS04當(dāng)輸入為高電平時輸出等于低電平，而輸入為低電平時輸

5、出等于高電平。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，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，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個相互獨立倒相。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（<0.8V低電平  >2v高電平）,低電平輸出電流-0.4mA,高電平輸

6、出電流8mA。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3-12 74LS04的邏輯符號 圖3-13 74LS04的管腳圖函數(shù)式：（5）.與門74LS081）.引腳圖： 2).邏輯符號： 圖3-14 74LS08管腳圖 圖3-153）.邏輯圖：圖3-164）.真值表：表3-6函數(shù)式：（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。共陰極是將七個發(fā)光二極管的陰極接在一起并接在地上，陽極接到譯碼器的各輸出端，當(dāng)發(fā)光

7、二極管對應(yīng)的陽極為高電平時，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)時，相應(yīng)顯示段發(fā)光。例如，當(dāng)輸入8421碼DCBA=0100時，應(yīng)顯示 4， 即要

8、求同時點亮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：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個輸入端和4個輸出端。某個輸入端為0，代表輸入某一個十進制數(shù)。當(dāng)9個輸入端全為1時，代表輸入的是十進制數(shù)0。4個輸出端反映輸入十進制數(shù)的BCD碼編碼輸出。

9、60;   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)某一個輸入端低電平0時，4個輸出端就以低電平0的輸出其對應(yīng)的8421 BCD編碼。當(dāng)9個輸入全為1時，4個輸入出也全為1，代表輸入十進制數(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：圖3-22（7）LM7812 LM7812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。本設(shè)計使用的電路為：圖3-23內(nèi)部原理圖如下：圖3-24（注：在此設(shè)計中，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

10、取即可。）四功能模塊 1:減法電路的實現(xiàn)：（1）：原理：如圖1所示（如下），該電路功能為計算A-B。若n位二進制原碼為N原，則與它相對應(yīng)的補碼為N補=2n-N原，補碼與反碼的關(guān)系式為N補=N反+1，A-B=A+B補-2n=A+B反+1-2n(2)：因為B1= B非，B0=B，所以通過異或門74LS86對輸入的數(shù)B求其反碼，并將進位輸入端接邏輯1以實現(xiàn)加1，由此求得B的補碼。加法器相加的結(jié)果為：A+B反+1，(3)：由于2n=24=(10000)2,要求相加結(jié)果與相2n減只能由加法器進位輸出信號完成。當(dāng)進位輸出信號為1時，即相當(dāng)于2n，可實現(xiàn)減2n，因為設(shè)計要求被減數(shù)大于或等于減數(shù)，所以所得的差

11、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）2十進制9-7=2并在七段譯碼顯示器上顯示02。2：加法電路的實現(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)S10S18接編碼器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位加法器74LS283的A1A4端，74LS283的B1B4端接四個2輸入異或門。四個2輸入異或門的一輸入端同時接到開關(guān)S19上。B. 當(dāng)開關(guān)

12、S19接低電平時，B與0異或的結(jié)果為B，通過加法器74LS283完成兩個數(shù)A和B的相加。C. 由于譯碼顯示器只能顯示09，所以當(dāng)A+B>9時不能顯示，我們在此用另一片芯片74LS283完成二進制碼與8421BCD碼的轉(zhuǎn)換，即S>9（1001）時加上6（0110），產(chǎn)生的進位信號送入譯碼器U10來顯示結(jié)果的十位，U11顯示結(jié)果的個位(2)加法電路的實現(xiàn):用兩片4位全加器74LS83和門電路設(shè)計一位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 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

13、) 產(chǎn)生錯誤的原因是 8421BCD碼為十進制，逢十進一， 而四位二進制是逢十六進一，二者進位關(guān)系不同， 當(dāng)和數(shù)大于 9 時，8421BCD應(yīng)產(chǎn)生進位，而十六進制還不可能產(chǎn)生進位。為此，應(yīng)對結(jié)果進行修正。當(dāng)運算結(jié)果小于等于 9 時，不需修正或加“0”，但當(dāng)結(jié)果大于 9 時，應(yīng)修正讓其產(chǎn)生一個進位，加0110即可。如上述后兩種情況：  故修正電路應(yīng)含一個判 9 電路，當(dāng)和數(shù)大于 9 時對結(jié)果加0110， 小于等于 9 時加0000。 除了上述大于 9 時的情況外，如相加結(jié)果產(chǎn)生了進位位，其結(jié)果必定大于 9， 所以大于 9 的條件為 1.  2.  圖4-2圖4-3B

14、. 另一種設(shè)計：當(dāng)大于9的時候要加六轉(zhuǎn)換才能正常顯示，所以設(shè)計的時候有如下的真值表：C4S4S3S2S1Y數(shù)的大小84210000000沒有超過900001010001002000110300100040010105001100600111070100008010010901010110需要轉(zhuǎn)換010111110110011201101113011101140111111510000016100010171001001810011019無關(guān)項10100020101010211011002210111023110000241100102511010126110111271110012811101

15、1291111013011111131表4-1由表4-1我們可以算出Y的表達式:(1)由前16項有: Y= S4S3+ S4S2(2)由后10項有: Y= C4=1由（1）（2）有:得到了如下的加法仿真圖(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 十進制9+7=16并在七段譯碼顯示器上顯示16。3：譯碼顯示電路的實現(xiàn)一個七段LED譯碼驅(qū)動器74HC4511和一個七段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)前面運算電路運算所得的結(jié)果輸入74HC4511的D3D2D1D0，再譯碼輸出，最后

16、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74HC4511功能表續(xù)圖4-5譯碼顯示電路4.電源部分圖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)計電路圖Nultisim仿真電路圖：（注：下面兩圖分別為4-7,4-8）結(jié)果分析： (1) 加法運算：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)?001,0001，則（1001）2+（0001）2=（01010）2 十進制9+1=10，并在七段譯碼顯示器上顯示10.(2) 減法運算開

17、關(guān)接高電平，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)?001,0001，則為（1001）2-（0001）2=（01000）2十進制9-1=8，并在七段譯碼顯示器上顯示08.6、 心得體會通過這次課程設(shè)計，加強了我動手、思考和解決問題的能力。在做課程設(shè)計同時也是對課本知識的鞏固和加強，由于課本上的知識太多，平時學(xué)習(xí)并不能很好的理解和運用各個元件的功能，而且考試內(nèi)容有限，所以在這次課程設(shè)計過程中，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識。查閱了很多有關(guān)的資料，平時看課本時，有時問題老是弄不懂，做完課程設(shè)計，那些

18、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，平時看課本，這次看了，下次就忘了，通過動手實踐讓我們對各個元件印象深刻。認識來源于實踐，實踐是認識的動力和最終目的，實踐是檢驗真理的唯一標(biāo)準(zhǔn)。所以這個期末測試之后的課程設(shè)計對我的作用是非常大的。 在制作EDA時，發(fā)現(xiàn)細心耐心，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)的進一步深入理解。 通過這次課程設(shè)計使我懂得了理論與實際相結(jié)合是很重要的，只有理論知識是遠遠不夠的，只有把所學(xué)的理論知識與實踐相結(jié)合起來，從理論中得出結(jié)論，才能真正為社會服務(wù)，從而提高自己的實際動手能力和獨立思考的能力。在設(shè)計的過程中遇到問題，可以說得是困難重重，這畢竟第一次做的，難免會遇到過各種各樣的問題，同時在設(shè)計的過程中發(fā)現(xiàn)了自己的不足之處，對以前所學(xué)過的知識理解得不夠深刻，掌握得不夠牢固。12月19日上午，我們進行了硬件實驗。由于時間有限，我們只能進行一部分實驗。做實驗之前，我先測試芯片74LS283得輸入端接開關(guān)在數(shù)碼管上的顯示情況，我將輸入端A1A4，B1B4接高低電平控制開關(guān)，再與數(shù)碼顯示器相接，結(jié)果輸入端A1A4通過開關(guān)控制在數(shù)碼管上可以正常顯示一系列數(shù)字