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(zhuān)業(yè)：電氣工程及其自動(dòng)化班級(jí)： 姓名： 學(xué)號(hào)：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)一、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)。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(gè)一位十進(jìn)制數(shù) 加法運(yùn)算電路 開(kāi)關(guān)選擇運(yùn)算方式譯碼顯示計(jì)算結(jié)果 減法運(yùn)算電路置數(shù)電路圖2-1二進(jìn)制加減運(yùn)算原理框圖2.分析：如圖1-

2、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和（0111）2，同時(shí)在兩個(gè)七段譯碼顯示器上顯示出對(duì)應(yīng)的十進(jìn)制數(shù)9和7；第二步通過(guò)開(kāi)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(guò)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

3、器件1.器件種類(lèi)：序號(hào)元器件個(gè)數(shù) 174LS283D2個(gè)2 74LS86N5個(gè) 3 74LS27D1個(gè) 4 74LS04N9個(gè) 5 74LS08D2個(gè) 6七段數(shù)碼顯示器 4個(gè) 7 74LS147D2個(gè) 8 開(kāi)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(jiǎn)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：圖3-1引出端符號(hào):A1A4運(yùn)算輸入端B1B4運(yùn)算輸入端C0進(jìn)

4、位輸入端14和輸出端C4進(jìn)位輸出端3）.邏輯符號(hào):圖3-24).內(nèi)部原理圖：圖3-35）.功能表：表3-2（2） 異或門(mén)：74LS86 1).引腳圖： 2）.邏輯符號(hào)： 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(shí), 結(jié)果才會(huì)發(fā)生。函數(shù)式：(3).三輸入或非門(mén)：74LS271).引腳圖：圖3-72）.邏輯符號(hào)：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(shí)，輸出才為“0”。（4）.非門(mén)：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

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(mén)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(jí)、中間級(jí)和輸出級(jí)。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(mén)數(shù)6，每門(mén)輸入輸出均為T(mén)TL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(hào)、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(hào) 圖3-13 74LS04的管腳圖函數(shù)式：（5）.與門(mén)74LS081）.引腳圖： 2).邏輯符號(hào)： 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(hào)，數(shù)碼管用七個(gè)發(fā)光二極管做成a、b、c、g七段，通過(guò)七段亮滅的不同組合，來(lái)顯示信息。并分為共陰極與共陽(yáng)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上，陽(yáng)極接到譯碼器的各輸出端，當(dāng)發(fā)光

7、二極管對(duì)應(yīng)的陽(yáng)極為高電平時(shí)，發(fā)光二極管就亮，共陽(yáng)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(hào)， 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(dòng)七段顯示器件的專(zhuān)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(dòng)信號(hào)(以FaFg表示)。若用它驅(qū)動(dòng)共陰LED數(shù)碼管，則輸出應(yīng)為高有效，即輸出為高(1)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

8、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(chēng)為段碼。圖3-19 共陽(yáng)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(xiàn)-4線(xiàn)8421 BCD碼優(yōu)先編碼器74LS147的真值表見(jiàn)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)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。

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(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(duì)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：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(guò)流、過(guò)熱自動(dòng)保護(hù)。本設(shè)計(jì)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(jì)中，如電阻，電容二極管等器件均無(wú)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(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(duì)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)-2n=A+B反+1-2n(2)：因?yàn)锽1= B非，B0=B，所以通過(guò)異或門(mén)74LS86對(duì)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)：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(hào)完成。當(dāng)進(jìn)位輸出信號(hào)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

11、值就是A-B差的原碼。減法仿真圖：下頁(yè)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。2：加法電路的實(shí)現(xiàn)如下：（1）加法原理:A. 通過(guò)開(kāi)關(guān)S1S9接編碼器74LS147U12輸入端，通過(guò)開(kāi)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(guò)開(kāi)關(guān)S10S18接編碼器74LS147U23輸入端，通過(guò)開(kāi)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A1A4端，74LS283的B1B4端接四個(gè)2輸入異或門(mén)。四個(gè)2輸入異或門(mén)的一輸入端同時(shí)接到開(kāi)關(guān)S19上。B. 當(dāng)開(kāi)關(guān)

12、S19接低電平時(shí)，B與0異或的結(jié)果為B，通過(guò)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09，所以當(dāng)A+B>9時(shí)不能顯示，我們?cè)诖擞昧硪黄酒?4LS283完成二進(jìn)制碼與8421BCD碼的轉(zhuǎn)換，即S>9（1001）時(shí)加上6（0110），產(chǎn)生的進(jìn)位信號(hào)送入譯碼器U10來(lái)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(mén)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(cuò)誤。如：  b

13、) 產(chǎn)生錯(cuò)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(duì)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：  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(duì)結(jié)果加0110， 小于等于 9 時(shí)加0000。 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 9 的條件為 1.  2.  圖4-2圖4-3B

14、. 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84210000000沒(méi)有超過(guò)900001010001002000110300100040010105001100600111070100008010010901010110需要轉(zhuǎn)換010111110110011201101113011101140111111510000016100010171001001810011019無(wú)關(guān)項(xiàng)10100020101010211011002210111023110000241100102511010126110111271110012811101

15、1291111013011111131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= S4S3+ S4S2(2)由后10項(xiàng)有: Y= C4=1由（1）（2）有:得到了如下的加法仿真圖(下頁(yè)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。3：譯碼顯示電路的實(shí)現(xiàn)一個(gè)七段LED譯碼驅(qū)動(dòng)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(dòng)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

16、在七段LED顯示器中顯示出來(lái)表4-2：七段LED譯碼驅(qū)動(dòng)器74HC4511功能表表4-3：七段LED譯碼驅(qū)動(dòng)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(jì)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(yùn)算：選擇開(kāi)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(guò)輸出端的非門(mén)后變?yōu)?001,0001，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(kāi)

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(guò)輸出端的非門(mén)后變?yōu)?001,0001，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08.6、 心得體會(huì)通過(guò)這次課程設(shè)計(jì)，加強(qiáng)了我動(dòng)手、思考和解決問(wèn)題的能力。在做課程設(shè)計(jì)同時(shí)也是對(duì)課本知識(shí)的鞏固和加強(qiáng)，由于課本上的知識(shí)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(guò)程中，我了解了很多元件的功能，并且對(duì)于其在電路中的使用有了更多的認(rèn)識(shí)。查閱了很多有關(guān)的資料，平時(shí)看課本時(shí)，有時(shí)問(wèn)題老是弄不懂，做完課程設(shè)計(jì)，那些

18、問(wèn)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(guò)動(dòng)手實(shí)踐讓我們對(duì)各個(gè)元件印象深刻。認(rèn)識(shí)來(lái)源于實(shí)踐，實(shí)踐是認(rèn)識(shí)的動(dòng)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(cè)試之后的課程設(shè)計(jì)對(duì)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(xiàn)的布局上既要美觀又要實(shí)用和走線(xiàn)簡(jiǎn)單，兼顧到方方面面去考慮是很需要的，否則只是一紙空話(huà)，而且更重要的是加深了我對(duì)EDA技術(shù)的進(jìn)一步深入理解。 通過(guò)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(shí)是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，只有把所學(xué)的理論知識(shí)與實(shí)踐相結(jié)合起來(lái)，從理論中得出結(jié)論，才能真正為社會(huì)服務(wù)，從而提高自己的實(shí)際動(dòng)手能力和獨(dú)立思考的能力。在設(shè)計(jì)的過(guò)程中遇到問(wèn)題，可以說(shuō)得是困難重重，這畢竟第一次做的，難免會(huì)遇到過(guò)各種各樣的問(wèn)題，同時(shí)在設(shè)計(jì)的過(guò)程中發(fā)現(xiàn)了自己的不足之處，對(duì)以前所學(xué)過(guò)的知識(shí)理解得不夠深刻，掌握得不夠牢固。12月19日上午，我們進(jìn)行了硬件實(shí)驗(yàn)。由于時(shí)間有限，我們只能進(jìn)行一部分實(shí)驗(yàn)。做實(shí)驗(yàn)之前，我先測(cè)試芯片74LS283得輸入端接開(kāi)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(kāi)關(guān)，再與數(shù)碼顯示器相接，結(jié)果輸入端A1A4通過(guò)開(kāi)關(guān)控制在數(shù)碼管上可以正常顯示一系列數(shù)字