加减法运算电路设计.docx

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加减法运算电路设计

电子课程设

——加减法运算电路设计

学院：

电信息工程学院

专业：

电气工程及其自动化

班级：

：

学号：

*******

2014年12月19日

加减法运算电路设计

一、设计任务与要求

1.设计一个4位并行加减法运算电路，输入数为一位十进制数，

2.作减法运算时被减数要大于或等于减数。

3.led灯组成的七段式数码管显示置入的待运算的两个数，按键控制运算

模式，运算完毕，所得结果亦用数码管显示。

4.系统所用5V电源自行设计。

二、总体框图

1.电路原理方框图：

图2-1二进制加减运算原理框图

2.分析：

如图1-1所示，第一步置入两个四位二进制数（要求置入的数小于1010），如（1001）2和（0111）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和7；第二步通过开关选择运算方式加或者减；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码器显示。

例如：

若选择加法运算方式，则（1001）2+（0111）2=（10000）2十进制9+7=16，并在七段译码显示器上显示16；

若选择减法运算方式，则（1001）2-（0111）2=（00010）2十进制9-7=2，并在七段译码显示器上显示02。

三、选择器件

1.器件种类：

序号

元器件

个数

1

74LS283D

2个

2

74LS86N

5个

3

74LS27D

1个

4

74LS04N

9个

5

74LS08D

2个

6

七段数码显示器

4个

7

74LS147D

2个

8

开关

19个

9

LM7812

1个

10

电压源220V

1个

11

电容

2个

12

直流电压表

1个

表3-1

2.重要器件简介：

（1）.4位二进制超前进位加法器74LS283：

完成加法运算使用该器件。

1）.74LS283基本特性：

供电电压：

4.75V--5.25V输出高电平电流：

-0.4mA输出低电平电流：

8mA。

2）.引脚图：

图3-1

引出端符号:

A1–A4运算输入端

B1–B4运算输入端

C0进位输入端

∑1–∑4和输出端

C4进位输出端

3）.逻辑符号:

图3-2

4）.部原理图：

图3-3

5）.功能表：

表3-2

（2）异或门：

74LS86

1）.引脚图：

2）.逻辑符号：

图3-4图3-5

3）.逻辑图：

图3-6

4）.真值表：

表3-3

分析：

异或：

当AB不相同时,结果才会发生。

函数式：

（3）.三输入或非门：

74LS27

1）.引脚图：

图3-7

2）.逻辑符号：

图3-8

3）.逻辑图：

图3-9

4）.真值表：

表3-4

函数式：

分析逻辑功能：

A、B、C中只要出现“1”，则输出为“1”；只有A、B、C都为“0”时，输出才为“0”。

（4）.非门：

74LS04

当输入为高电平时输出等于低电平，而输入为低电平时输出等于高电平。

因此输出与输入的电平之间是反向关系，也叫非门或反向器。

图3-10

1）结构

TTL反相器由三部分构成：

输入级、中间级和输出级。

2）原理

A为低电平时，T1饱和，VB1≈0.9V，VB2≈0.2V，T2和T5截止，T4和D2导通，Y为高电平；A为高电平时，VB1≈2.1V，T1倒置，VB2≈1.4V，T2和T5饱和，T4和D2截止，Y为低电平。

74LS04为六反相器，输入是A，输出是Y，6个相互独立倒相。

供电电压5V，电压围在4.75~5.25V可以正常工作。

门数6，每门输入输出均为TTL电平（<0.8V低电平 >2v高电平）,低电平输出电流-0.4mA,高电平输出电流8mA。

其逻辑符号、逻辑功能表、部结构、管脚图分别如下：

图3-1174LS04的逻辑图表3-574LS04功能表

图3-1274LS04的逻辑符号图3-1374LS04的管脚图

函数式：

（5）.与门74LS08

1）.引脚图：

2）.逻辑符号：

图3-1474LS08管脚图图3-15

3）.逻辑图：

图3-16

4）.真值表：

表3-6

函数式：

（6）.七段数码管：

图3-17是七段数码管的符号，数码管用七个发光二极管做成a、b、c、…、g七段，通过七段亮灭的不同组合，来显示信息。

并分为共阴极与共阳极两种。

共阴极是将七个发光二极管的阴极接在一起并接在地上，阳极接到译码器的各输出端，当发光二极管对应的阳极为高电平时，发光二极管就亮，共阳极则与之相反。

只要按规律控制各发光段的亮、灭，就可以显示各种字形或符号，共阴极七段数码管

原理图如图3-18所示。

图3-17图3-18

七段显示译码器是驱动七段显示器件的专用译码器，它可以把输入的二―十进制代码换成七段显示管所需要的输入信息，以使七段显示管显示正确的数码，应用原理如图3.3.11所示。

BCD七段译码器的输入是一位BCD码（以D、C、B、A表示），输出是数码管各段的驱动信号（以Fa~Fg表示）。

若用它驱动共阴LED数码管，则输出应为高有效，即输出为高

（1）时，相应显示段发光。

例如，当输入8421码DCBA=0100时，应显示4，即要求同时点亮b、c、f、g段，熄灭a、d、e段，故译码器的输出应为Fa~Fg=0110011，这也是一组代码，常称为段码。

图3-19共阳极数码管应用原理图图3-20七段数码显示 

其真值表如下表所示：

表3-7

（7）74LS147：

 10线-4线8421BCD码优先编码器74LS147的真值表见表3.5。

74LS147的引脚图如图3.5所示，其中第9脚NC为空。

74LS147优先编码器有9个输入端和4个输出端。

某个输入端为0，代表输入某一个十进制数。

当9个输入端全为1时，代表输入的是十进制数0。

4个输出端反映输入十进制数的BCD码编码输出。

74LS147优先编码器的输入端和输出端都是低电平有效，即当某一个输入端低电平0时，4个输出端就以低电平0的输出其对应的8421BCD编码。

当9个输入全为1时，4个输入出也全为1，代表输入十进制数0的8421BCD编码输

1）.管脚图如下：

图3-21

功能表如下：

表3-8

部原理图如下：

图3-22

（7）LM7812

LM7812是指三段稳压集成电路IC芯片元器件，适用于各种电源稳压电路，输出稳定性好、使用方便、输出过流、过热自动保护。

本设计使用的电路为：

图3-23

部原理图如下：

图3-24

（注：

在此设计中，如电阻，电容二极管等器件均无特别要求，按电路中所标参

数选取即可。

）

四．功能模块

1:

减法电路的实现：

（1）：

原理：

如图1所示（如下），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

（2）：

因为B

1=B非，B

0=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，

（3）：

由于2n=24=（10000）2,要求相加结果与相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，即相当于2n，可实现减2n，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。

减法仿真图：

下页图为4-1

分析结果：

数A为9，数B为7，（1001）2-（0111）2=（00010）2十进制9-7=2

并在七段译码显示器上显示02。

2：

加法电路的实现如下：

（1）加法原理:

A.通过开关S1——S9接编码器74LS147U12输入端，通过开关节高低电平使译码显示器U5显示所置入的数A，同理，通过开关S10——S18接编码器74LS147U23输入端，通过开关节高低电平使译码显示器U22显示可置入数B。

数A直接置入四位超前进位加法器74LS283的A1——A4端，74LS283的B1——B4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S19上。

B.当开关S19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。

C.由于译码显示器只能显示0——9，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）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）加法电路的实现:

用两片4位全加器74LS83和门电路设计一位8421BCD码加法器

A．由于一位8421BCD数A加一位数B有0到18这十九种结果。

a）两个8421码相加，其和仍应为8421码，如不是8421码则结果错误。

如：

b）

产生错误的原因是8421BCD码为十进制，逢十进一，而四位二进制是逢十六进一，二者进位关系不同，当和数大于9时，8421BCD应产生进位，而十六进制还不可能产生进位。

为此，应对结果进行修正。

当运算结果小于等于9时，不需修正或加“0”，但当结果大于9时，应修正让其产生一个进位，加0110即可。

如上述后两种情况：

故修正电路应含一个判9电路，当和数大于9时对结果加0110，小于等于9时加0000。

除了上述大于9时的情况外，如相加结果产生了进位位，其结果必定大于9，所以大于9的条件为

1. 

2. 

图4-2

图4-3

B.另一种设计：

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：

C4

S4

S3

S2

S1

Y

数的大小

8

4

2

1

0

0

0

0

0

0

0

没有超过9

0

0

0

0

1

0

1

0

0

0

1

0

0

2

0

0

0

1

1

0

3

0

0

1

0

0

0

4

0

0

1

0

1

0

5

0

0

1

1

0

0

6

0

0

1

1

1

0

7

0

1

0

0

0

0

8

0

1

0

0

1

0

9

0

1

0

1

0

1

10

需要转换

0

1

0

1

1

1

11

0

1

1

0

0

1

12

0

1

1

0

1

1

13

0

1

1

1

0

1

14

0

1

1

1

1

1

15

1

0

0

0

0

0

16

1

0

0

0

1

0

17

1

0

0

1

0

0

18

1

0

0

1

1

0

19

无关项

1

0

1

0

0

0

20

1

0

1

0

1

0

21

1

0

1

1

0

0

22

1

0

1

1

1

0

23

1

1

0

0

0

0

24

1

1

0

0

1

0

25

1

1

0

1

0

1

26

1

1

0

1

1

1

27

1

1

1

0

0

1

28

1

1

1

0

1

1

29

1

1

1

1

0

1

30

1

1

1

1

1

1

31

表4-1

由表4-1我们可以算出Y的表达式:

（1）由前16项有:

Y=S4S3+S4S2

（2）由后10项有:

Y=C4=1

由

（1）

（2）有:

得到了如下的加法仿真图（下页图为4-4）：

分析结果：

数A为9，数B为7，（1001）2+（0111）2=（10000）2十进制9+7=16

并在七段译码显示器上显示16。

3：

译码显示电路的实现

一个七段LED译码驱动器74HC4511和一个七段LED数码显示器组成。

七段LED译码驱动器74HC4511的功能表如下．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．

表4-2：

七段LED译码驱动器74HC4511功能表

表4-3：

七段LED译码驱动器74HC4511功能表续

图4-5译码显示电路

4.电源部分

图4-6

电路图如上，系统输出为5v，可以为电路提供合适电压。

五．总体设计电路图

Nultisim仿真电路图：

（注：

下面两图分别为4-7,4-8）

结果分析：

（1）加法运算：

选择开关接低电平，S9选择低电平，S10也选择高电平，则编码器74LS147输出0110,1110，再通过输出端的非门后变为1001,0001，则（1001）2+（0001）2=（01010）2十进制9+1=10，并在七段译码显示器上显示10.

（2）减法运算

开关接高电平，S9选择低电平，S10也选择高电平，则编码器74LS147输出0110,1110，再通过输出端的非门后变为1001,0001，则为（1001）2-（0001）2=（01000）2十进制9-1=8，并在七段译码显示器上显示08.

六、心得体会

通过这次课程设计，加强了我动手、思考和解决问题的能力。

在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，平时学习并不能很好的理解和运用各个元件的功能，而且考试容有限，所以在这次课程设计过程中，我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。

查阅了很多有关的资料，平时看课本时，有时问题老是弄不懂，做完课程设计，那些问题就迎刃而解了。

而且还可以记住很多东西。

比如一些芯片的功能，平时看课本，这次看了，下次就忘了，通过动手实践让我们对各个元件印象深刻。

认识来源于实践，实践是认识的动力和最终目的，实践是检验真理的唯一标准。

所以这个期末测试之后的课程设计对我的作用是非常大的。

在制作EDA时，发现细心耐心，恒心一定要有才能做好事情，首先是元件与线的布局上既要美观又要实用和走线简单，兼顾到方方面面去考虑是很需要的，否则只是一纸空话，而且更重要的是加深了我对EDA技术的进一步深入理解。

通过这次课程设计使我懂得了理论与实际相结合是很重要的，只有理论知识是远远不够的，只有把所学的理论知识与实践相结合起来，从理论中得出结论，才能真正为社会服务，从而提高自己的实际动手能力和独立思考的能力。

在设计的过程中遇到问题，可以说得是困难重重，这毕竟第一次做的，难免会遇到过各种各样的问题，同时在设计的过程中发现了自己的不足之处，对以前所学过的知识理解得不够深刻，掌握得不够牢固。

12月19日上午，我们进行了硬件实验。

由于时间有限，我们只能进行一部分实验。

做实验之前，我先测试芯片74LS283得输入端接开关在数码管上的显示情况，我将输入端A1—A4，B1—B4接高低电平控制开关，再与数码显示器相接，结果输入端A1—A4通过开关控制在数码管上可以正常显示一系列数字，而B1—B4端不能正常显示，当B1—B4为0000时，数码管显示4，接着，我又重新连了一次，还是错误。

之后，在老师的指导下，问题解决了，原来是B3相接的高低电平开关坏了。

我将B3直接接地，调试B1、B2、B4的开关，可以正常工作了。

接着，我按照减法仿真图4-1连接好电路，电路的减法功能得以实现，达到了预期的效果。

在这次硬件实验中，我明白了，第一，“工欲善其事必先利其器”，不要着急做实验，先将各芯片，开关及导线测试一下，能正常再连电路，这些准备工作不仅不会浪费时间反而会提高做实验的效率。

第二，在实验中遇到问题要善于思考，将问题一个一个攻克。

这样，我们才会在实验中不断提高自己解决问题的能力。