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和（0111）2,同时在两个七段译码显示器上

2、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：2.重要器件简介:序号元器件个数174LS283D2个:274LS86N5个374L

3、S27D1个474LS04N9个:574LS08D2个6七段数码显示器4 个774LS147D2个8开关19个t9LM78121个10电压源220V1个11电容2个12直流电压表1个：表3-1(1). 4位二进制超前进位加法器1) .74LS283基本特性：供电电压: 输出低电平电流：2) .引脚图：74LS283:完成加法运算使用该器件。4.75V-5.25V 输出高电平电流：-0.4mA8mAVCC 巧 旦R Cj|±| Ld U UJ IU LJ LJ klJ2 02 A2Aj 015 GND图3-1引出端符号：A1- A4B1- B4C0刀 1-E 4运算输入端 运算输入端

4、进位输入端 和输出端C4进位输出端3).逻辑符号:x>A1z* AAc X<JTM IA42Bl曲SI 4B； BSB4CCC<二:IJX土_LS_74LS283图3-24).内部原理图:>-|iHlj1ZLJ4 %,1価fA4HJmil二-牛E CO 图3-35).功能表:入出Co=LOL忍/电/N厶/九/ «4厶/也/ c4八ZLLLLLLLHLLHLLLHLLLHLLHLLHLLLHLHHLLLHLHHLLLHLLHLHHLHL11LHHLLL|LH11LHHLLL|HHHLLLHHL11LLLHLHLHHLHLLHHHLLL|LHLHHHLLLliJH

5、LHLLHHLHLLHHLLHHL!HLHHHLHLH11LHHHHLHLH11HHHHLHHHH11"=陆电平L=#屯平说明：旳.2、G)是用于确定输出冇、乳内勰进俭©隹的:A- UM Z是用于确定输出巧、巧和G值的：表3-2(2)1). /异或门：74LS86引脚图:2).逻辑符号：1A1 314vcc逻辑符号:1B2134BI1Y31?4A* 2A4114Y74LS8628 5103B2Y(69j 3AGND7&j 3Y图3-4图3-53).逻辑图:4).真值表:真值表;ABY000011101分析：异或：当AB不相同时,表3-3结果才会发生。函数式(3).三

6、1).引脚图:二 B -或非门：74LS27图3-7* j u3 V*11JicuDl¥HHjczi胖尹A3,AIA 出C 2 胡匸$ JH C I 爪匸 就匸6 匚；2) .逻辑符号:74LS27图3-83) .逻辑图:4).真值表: 表 3-4函数式：丫 = A R c分析逻辑功能：A、R、C由只要出现“ 1”，则输出为“ 1”；只有A、R 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。输入级；申间级1丄输出级图 3-101）结构TTL反相器

7、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, VB2"0.2V, 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，VB2" 1.4V, T2和T5饱和，T4和D2截止，丫为低电平。74LS04为六反相器，输入是A,输出是丫，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 （<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、内部结构、管脚图分别如下：同 Fl R1

8、 Fl R Fl MAY0110图3-11 74LS04的逻辑图表3-5 74LS04功能表图3-12 74LS04的逻辑符号1A1I4VCC1¥2136A312GY2Y4115A3A5103Y694A784Y图3-13 74LS04的管脚图(5) .与门 74LS081).引脚图:仁 BA ftY SA: YWWW1A 1¥ 2A ：?Y 3A 3Y GXD图3-14 74LS08管脚图3).逻辑图：2).逻辑符号:74LS08图 3-154) .真值表:ABY000010100111表3-6函数式：丫 = A B(6) .七段数码管：图3-17是七段数码管的符号，数码管

9、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，它可以把输入的二一十 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， 应用原理如图所示。BCDt段译码器的输入是一位 BCD码（以D C、B、A 表示），输

10、出是数码管各段的驱动信号（以FaFg表示）0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=010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

11、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：MPUTJOUTPUTS图 3-21功能表如下:InputsOutputs123456789D C B AH H H HXXXXXXXXLL H H LXXXXXXXLHL H H HXXXXXXLHHH L L LXXXXXLHHH

12、H L L HXXXXLHHIHHH L H LXXXLHHHHHH L H HXXLHHHHHHH H L LXLHHHHHHHH H L HH H H L表3-8(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。本设计使用的电路为：input内部原理图如下:图 3-23an图 3-24Ft II 4.97kR13 asoR10= S5012. IkIk4f1 RIT * IBkJL0?1 >AIS 100R14 脚0* Ria r 0 .-25R20Q VQOJFIT百500C12DpFn G

13、MD(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#=N反 +1，A-B=A+B补-2 n=A+B反+1-2n：因为B®仁B非，B®O=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

14、进位输出信 号完成。当进位输出信号为1时，即相当于2；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俞入端，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S10S18接编码器 74LS147U23俞入端，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

15、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09,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.

16、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：40100_+3_十 00订7 0111（0111）是8421BCDFJ的7,结果正确“8 1000+6-*+ Q11Q141110（1110）不是8421BCD码'结果错谋。81000+9 亠 +10011710001Q0001）不是8421BCD码，结果错误。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

17、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：1110+ 0110两位8421BCD码，正好是U1010010001两位8421BCD码*正好是17+ 01101QJ11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-00 01 11 10f10；图4-2I I11 1UtT屯屯川|屯四宜全比赛屯 R热 %凹位全加器图4-3B.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

18、的时候有 如下的真值表：CSS3SSY数的大小842100000000000101000100200011030010004没有超过0010105900110060011107010000801001090101011001011111011001120110111301110114需要转换0111111510000016100010171001001810011019101000201010102110110022无关项101110231100002411001025110101261101112711100128111011291111013011111131表4-1由表4-1我们可以算出

19、丫的表达式：由前16项有：丫= S 4S3+ S4S2由后10项有：丫= C 4=1由（1） （2） 有: Y = 04 0岂0色=04 0电0S2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 DODO，再译码输出，最后在七段LED显示

20、器中显示出 来.表4-2 :七段LED译码驱动器74HC4511功能表+进 扳对網辅入输出LEhlLT巧巧%fjbrefg0LHH1.LLLHHHHHHL1LHHLLLHLHHLLLL2LHHLLIILHIILHHLH5LHHLLHHHHHHLLH4LHHLLLLHHLLHH5LHHLHLHHLHHLHH6LHHLHLLLHHHHH*7LHHLHHHHHHLl.I.LSLHEIHLLLHHHHHHH9LHHHLLHHHHHLHH表4-3 :七段LED译码驱动器74HC4511功能表续+ ift 制僅W A幡出LE BL LT吗 /*! Pl%0bprfrr10LHHHLHLLLLLLLL111

21、HHLHHLLLLLLL121>9HHfiLLLLLLLLL11LHHHHLHLLLLLLL14LHHHHHLLLLLLLL15LHHfiHIfLLLLLLLij 试XXI,XXXXHHHHHHH口 XLHXXXXLLLLLI.LHHHXXXX*«4.电源部分4-711Hi'J21A 2 f d JSLE£? KDD O JI bc°45ll d A i e1613121114LED1图4-5译码显示电路电路图如上，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

22、：(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