加减法运算电路设计

1、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： 姓名： 学号： 指导老师：闫晓梅2014年 12月 19 日加减法运算电路设计、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。、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、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

3、174LS283D2个274LS86N5个374LS27D1个474LS04N9个574LS08D2个6七段数码显示器4个774LS147D2个8开关19个9LM78121个10电压源 220V1个11电容2个12直流电压表1个表 3-12. 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：运算输入端 运算输入端 进位输入端 和输出端图 3-1引出端符号 :A1A4B1B4C014C4进位输出端3). 逻辑符

4、号 :4). 内部原理图：图 3-25).功能表：表 3-2(2)异或门：74LS861). 引脚图：2). 逻辑符号：图 3-5图 3-43) . 逻辑图：5图 3-64) . 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：YA B(3). 三输入或非门： 74LS271). 引脚图：2). 逻辑符号：图 3-7图 3-83). 逻辑图：4). 真值表：表 3-4A、 0”。1”，则输出为“ 1”；只有 A、B、C都为“0”函数式： Y 分析逻辑功能： 时，输出才为(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。

5、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 3-101）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，VB10.9V，VB20.2V，T2和 T5截止， T4和D2导通， Y为高电平； A为高电平时， VB12.1V，T1倒置，VB21.4V，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， 电压范围在 4.755.25V 内可以正常工作。门数 6，每门输入输出均为 TTL 电平 （2v高电平） ,低电平输出电流 -0.4mA,高电平输出电流 8

6、mA。 其逻辑符号、逻辑功能表、内部结构、管脚图分别如下：图 3-11 74LS04 的逻辑图表 3-5 74LS04 功能表图 3-13 74LS04 的管脚图图 3-12 74LS04 的逻辑符号函数式： Y A5).与门 74LS08表 3-62).逻辑符号：1). 引脚图：图 3-14 74LS08 管脚图3). 逻辑图：图 3-154) . 真值表：函数式： Y A B(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

7、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 FaFg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

8、） 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 FaFg=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：10表 3-7（7）74LS147：10 线-4 线 8421 BCD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

9、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 8421 BCD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 8421 BCD编码输1）. 管脚图如下：图 3-21功能表如下：表 3-8内部原理图如下：11（7）LM7812LM7812 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

10、的电路为：12图 3-23内部原理图如下：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-2 n=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）：

11、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。13142：加法电路的实现如下：（ 1）加法原理 :A. 通过开关 S1S9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

12、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+B9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 S9（ 1001） 时加上 6（ 0110），产生的进位信

13、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

14、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：15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。图 4-2图 4-3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 9B. 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：C4S4S3S2S1Y数的大 小842100000000000101000100200011030010004没有超过001010590011006001110701000080100109010101100101

15、1111011001120110111301110114需要转换0111111510000016100010171001001810011019101000201010102110110022无关项10111023110000241100102511010126171101112711100128111011291111013011111131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= S 4S3+ S4S2（2） 由后 10 项有: 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。18193：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 74HC

17、4511功能表续204. 电源部分图 4-5 译码显示电路图 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 ）212223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 74

18、LS147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， 而且考试内容有限， 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