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）和（0111），同时在两个七段译码显示器上显示出对应的十进制数229和7；第二步通过开关选

2、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）+（0111）=（10000）十进制9+7=16,222并在七段译码显示器上显示16；若选择减法运算方式，则（1001）-（0111）=（00010）十进制9-7=2，222并在七段译码显示器上显示02。三、选择器件1.器件种类：序号兀器件个数174LS283D2个274LS86N5个374LS27D1个474LS04N9个574LS08D2个6七段数码显示器4个774LS147

3、D2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。D.74LS283基本特性：供电电压：4.75V5.25V输出高电平电流：-0.4mA输出低电平电流：8mA。2）.引脚图：5兀氐说过沌Ee耳冷LJLJULdLJLLlLJLdQ02兢QW5GND引出端符号:A1A4B1B4COE1-E4图3-1运算输入端运算输入端进位输入端和输出端5C4进位输出端3).逻辑符号:Ey二AlJ:冲iSTM1:二>AfilSTM-1恥ESJJ-Ei*1COC4-LJ-74L

4、S283图3-24).内部原理图:图3-35).功能表:说明：An环zb?和Cq是用T确定輸出豐工抽内部进位q值的*屁环心因和G是用丁确定输出召、巧和q直的:表3-2(2) 异或门：74LS861) .引脚图：2).逻辑符号1A151vcc逻辑符号:让213J4B=i32JIA1=?A411Hy74LS862BS10I3B2Y59JAGND7a|3Y图3-4图3-53) .逻辑图:4) .真值表:真值表:ABY000011101表3-3分析：异或：当AB不相同时，结果才会发生。函数式：Y=AB=A-B+A-B(3) .三输入或非门：74LS271) .引脚图：I6日出匸闕匸SIEJH1H胆E*

5、山汨匸SD匸1K图3-72) .逻辑符号74LS273) .逻辑图:4) .真值表:ABCY00000011010101111001101111011111函数式：表3-4Y=A+B+C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。ILJlkI!T!输出级图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，VB10.9V,VB20.2V,T2和T5

6、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（0.8V低电平2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：VUCarimriRirnrnULJLJLdULdLJ图3-1174LS04的逻辑图图3-1274LS04的逻辑符号1A1141VCC1Y2136A2A3126Y2Y4115A3A51

7、05Y3Y694AGND184Y图3-1374LS04的管脚图YA函数式：（5）.与门74LS081).引脚图:2).逻辑符号召YSA5Y：A:YrwwwitlTLiMdllflLrLLftLH1AIY2A2X3A3YGXD图3-1474LS08管脚图3) .逻辑图：74LS08图3-154) .真值表:ABY000010100111表3-6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上，阳极接到译码器的各

8、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。13口t?dejgLL1LZLJZLJZVL图3-18图3-17七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FF表示）。若用它驱动共阴LED数码ag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，

9、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FF=0110011，这也是一组代码，常称为段码。ag氓BCDT码務时QcBIJKD_HEKDIG_BLUE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:D输CAF.出F”FjF.BA耳F.几宇聲000011I11I0n屛000I01100001100I01101101匚00111111001Z101000110011U01011011011501010I1111O01111110000111Q0011111111Q100111I101口r表3-7(7

10、) 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：567CHGHDiwutsou

11、tputs图3-21功能表如下:InputsOutputsDCBAHHHHHHHHHHHHHXXXXXXZXLLHrtLXXXXXXXLHLMHHXXXXXXLHHIHLLLXXXXXLHHHIHLLHXXXXLHHHHHLHLXXXLHHHHHIHLHHXXLHHHHHHIHHLLXLHHHHHHHHHLHLHHHHHHHHIHHHL表3-8内部原理图如下:(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图323内部原理图如下:1血宦tn*GNOH1B5DQQ-25-O呃片

12、R114.97kR1fiOkA127kC2(注：在此数选取即口设计中,RT3四.R14BIS如1DDC120pF图3-极管24Q5R1Q特别要求,按电路中所标参1：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，则与它相对应的补码为N=2n-N，补码与反码的关系式为N=N原补原补反+1,A-B=A+B-2n=A+B+1-2n补反(2) ：因为B1=B非，B0=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+1，(3) :由于2n=24=(10000),要求相加结

13、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12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)-(0111)=(00010)十进制9-7=2222并在七段译码显示器上显示02。19142：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S10S18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

14、超前进位加法器74LS283的A1A4端，74LS283的B1B4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.由于一位8421BCD

15、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+001110111（0111）是8421BCD码的7,结果正确。81000+6-+0110141110<1110）不是8421BCD码，结果错误。81000+9+10011710001（10001）不是8421BCD码，结果错课。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“

16、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141010010001+0110两位8421BCD码，正好是1710111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,图4-2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，所以设计的时候有如下的真值表:C4S4S3S2S1Y数的大小表4-1由表4-1我们可以算出Y的表达式：（1）由前16项有：Y=SS+SS4342由后10项有：Y=C=1由（1

17、）（2）有:Y=C4+S4S3+S4S2=C4+S4S3+S4S2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）+（0111）=（10000）十进制9+7=16222并在七段译码显示器上显示16。#193：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DDDD，再译码输出，最后在七段LED显示器中显示出3210来.表4-2：七段LED译码驱动器74HC4511功能表千进创或功输入输出字形LEB

18、LLT巧巧nCIF0LHHL1LLHHHHHHL1L11HI.LLFILHHLLLL2L11HLLHLHHLHHLH3LUHLLHFIHHHHLLH4LHHI.HLI.LHHLLHHLHHI.HI.HHI.HHLHH6LHHI.HHI.I.HHHHH丁LHHLHHHHHHLLLLSLHHHLLLHHHHHHH9LHHHLLHHHHHLHH表4-3：七段LED译码驱动器74HC4511功能表续十进输入输出LEBI-LT划巧坷%orr'fiFriaLHHHLHLLLLLLLL灼灭HLHHElLH1<LLLLLLLiiLHHElHLLLLLLLLLisLHHHHIHLLLLLLL熄灭L

19、HHHHHLLLLLLLL15LHHElHHHLLLLLLL试XXLXXXXdHElHHHH|_|灭nX1HXXXXLLLLLLLifl存HHHXXXX*23SS13121110图4-5译码显示电路4.电源部分五总体设计电路图Nultisim仿真电路图：（注：下面两图分别为4-7,4-8）2223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)+(0001)=(01010)22十进制9+1=10，并在七段译码显示器上显示10.2(2)减法运算开关接高电平，S9

20、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)-(0001)二22(01000)十进制9-1=8，并在七段译码显示器上显示08.2六、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