数字电路加法运算电路

1设计任务描述1.1设计题目：加法运算电路1.2设计要求1.2.1设计目的(1)掌握1位十进制加法运算电路的构成，原理和设计原理；(2)熟悉集成电路的使用方法。1.2.2基本要求(1)设计键盘以及编码电路；(2)设计加数寄存器A和被加数寄存器B单元；(3)实现4bit二进制码加法的BCD调整；(3)用数码管以十进制形式显示最后运算结果。1.2.3发挥部分(1)拓展十进制减法；(2)MR存储运算中间值；(3)其他。2设计思路根据此次课程设计的要求，我设计的简单计算器包括两大部分：加法计算部分，减法计算部分。其中加法计算部分由五个部分组成，键盘及编码电路、加数寄存器A和被加数寄存器B、加法运算电路、4bit二进制码加法的BCD调整和译码显示器。减法计算部分和加法计算部分共用同一个键盘，其他部分由反相器，求补逻辑电路以及相应的译码显示器组成。其中有几个难点：如何实现2位十进制和怎样利用寄存器把数据传输到加法器中。因为经键盘及编码器输出的是2进制数，那么寄存器接受并输出的数据也是2进制数，所以加法器输出的数据应是8421BCD码，使显示装置最终显示十进制数。因为1位十进制数的8421BCD码与二进制数表现形式相同，但2位十进制数的8421BCD码与二进制数不同，所以我设计的加法运算装置是由两个74S283N芯片来实现2位十进制数的输出。原理是让第二个芯片的一个输入端接第一个芯片的输出端，另一个输入端进行对第一个芯片的运算结果进行判断，大于等于10时输入6即2进制数的0110，反之输入0。输出结果即为2位十进制数的8421BCD码。寄存器的设计是由一个74LS374N芯片和两个74S194N芯片组成的，其中两个74S194N芯片并联后与74LS374N芯片串联。74LS374N芯片的脉冲由键盘的数字键提供，使得按下数字键后该寄存器就存储输入的数字，并通过译码显示器显示。两个74S194N芯片的脉冲分别由键盘的+号和=号提供，分别存储加数与被加数并输入到第一个74S283N芯片中运算。最后通过译码显示器显示运算结果。当对应数字的开关被按下后，译码器显示数字同时将数字存到寄存器中。然后经过加法运算，对运算结果进行BCD调整，最后显示运算结果。1键盘及编码电路：用开关及电阻组成键盘部分，用10-4线BCD优先编码器74147及四个非门组成编码电路，实现将0-9转化成二进制数。2加数寄存器A和被加数寄存器B：由4位并行寄存器74LS175实现对数据的存储，用2个4双向模拟开关4066、开关及非门判断是将二进制数存储到加数寄存器A还是被加数寄存器B。3加法运算电路：用集成4位超前进位加法器74HC283对加数和被加数进行运算。44bit二进制码加法的BCD调整：用4位数值比较器74HC85对和进行比较、控制加法器是加0还是加6从而达到调整的目的。5译码显示器：将8421BCD码通过译码显示器转化成十进制数并显示出来。3设计方案门控寄存器加法器4各部分电路设计及参数计算4.1键盘部分电路的设计图4.1键盘部分电路本电路中的数字键盘与开关控制键盘的设计是利用一个5伏电压产生高电平端，另一端与地相接，当开关即数字键盘0到9被按下接通时，有低电平输入信号产生，另一方面由控制开关J1的断开与连接并先后储存两个信号（加数和被加数）进不同的寄存器A和B。由编码器进行编码，进行接下来的程序。4.2编码电路的设计图4.2.1编码电路图4.2.2寄存器74LS374N与键盘连接电路图上图为74LS147N编码器，是低电平有效的器件，当在键盘上按下相应的按键时便会有相应的电信号输入到编码器中，编码器接收的电信号就会把其经过编码后输出8421BCD码，它由9个输入端和4个输出端构成数据传输，可以对1到9的数字进行编码。4.3寄存器部分电路4.3.1寄存器74LS374N的电路设计及工作原理图4.3.1寄存器74LS374N与键盘连接电路图在以上例图中，我们可以看到，74LS374N译码器由8个输入端、8个输出端、CP端及高阻态端构成。这里我们用到了4个输入端、四个输出端及CP端，其中CP端与键盘的数字键相连接，输入端与编码器相连接。当按下键盘的数字键时编码器把数据传输到寄存器中，同时数字键接通与断开的信号相当于一个脉冲使寄存器可以输出数据，即按哪个数字键寄存器就会同时输出那个数字的2进制数4.3.2寄存器74LS194N电路设计及工作原理在运算过程中，当我们通过键盘，用74LS374N把加数输出后，按下键盘的加号键（即开关J2），此时加数寄存器有了一个脉冲信号；把加数输出，使其进入加法器中；在74LS374N将被加数输出后，按下等号键（即开关J11）,此时被加数寄存器得到一个脉冲信号把被加数输出到加法器中。该电路图是两个开关控制元件4066BD和一个非门及两个寄存器组成的。由于4双向模拟开关4066BD开关为高有效，工作电压在5伏以下，它由高电平控制，当按下加号时便会产生低电平，在经过非门控制便可以实现两个数据的分别储存。它有4个开关来控制4个通道的传输与截止。经过开关的选择处理最后把数据传给储存器。寄存器74LS194N的作用为，实现加数与被加数的输出。其构造如图4.3.2所示图4.3.2寄存器74LS194N电路图4.4加法器74S283N的电路设计连接与BCD码的转换4.4.1加法器的工作原理加法运算电路是加法运算电路的中心部分，它的线路图如下图4-4加法电路加法运算电路的原理是将加数A与被加数B进行加法运算进行求和，过比较器将结果与九进行比较。当结果小于或等于九的时候，我们不需要对其进行进行BCD调整。此时可将二进制数进行加“0”。如果结果大于九的时候，我们就需要对结果进行BCD调整，通过把二进制数进行加“6”来实现。最后将调整过的结果用译码显示器显示输出。此工作原理可具体为：加数与被加数经过74LS194N输出后进入首个加法器74S283N中经过计算得出数字，此时另一个加法器需要判断得数是否大于等于10，所以需要在两个加法器中间建立一个门电路来判断得数。如果得数大于等于10，经过门电路判断需要在另一个加法器输入6即0110，经过它的计算得出的数字即为本次运算的最终结果；如果小于10则不需要加6直接输出即可。4.4.2BCD码的转换C0dcbaL000000000000000011100000000111111110000000111100001111000001100110011001100101010101010101010100000000000111111111加法电路真值表由该真值表经卡诺图可以得出：L=DC+DB。由此我门可以对其进行8421BCD码的转换，如10的二进制码为1010加六可得00010000。我们可以看得出当得数大于等于十时我们可以对它加六来实现它的转换。4.5译码显示电路4.5.1译码显示电路的连接首先，我们要了解显示译码器的作用。我们应用的是，DCD_HEX显示译码器，DCD_HEX是将8421BCD码经过译码后以十进制数现实的装置。译码显示电路的连接如图4.5所示图4.5.1译码器与显示器的连接电路4.5.2译码显示电路的工作原理译码就是把给定的代码进行翻译，变成相应的状态，用于驱动LED七段数码管，只要在它的输入端输入8421码，七段数码管就能显示十进制数字。选用的译码器为7448N，输出高电平有效，接共阴极七段显示器。当数据经加法器运算得出结果后，如果得数小于10则只在一个显示器里显示结果，另一个没有输出；如果得数大于等于10则在两个显示器里显示左后结果。5工作过程分析5.1加法工作过程在简单计算器运算加法过程中，如前第四部分工作原理所阐述的一样。首先，，在键盘上按一个想要的数字，通过电阻电源的组合，将其转化为脉冲，输入到编码器中，将其转化为二进制数字。然后，在加号，及开关的作用下，将被加数寄存在一个寄存器中。输入加数，同样也寄存在另一个寄存器中。两个数通过加法器运算，得出的数通过译码显示器显示出来。当加法运算的结果经过数值比较器与二进制数“9”进行比较。当结果小于或等于九的时候，我们不需要对其进行进行BCD调整。当结果大于九的时候，我们就需要对结果进行BCD调整，通过把二进制数进行加六来达到。最后将调整过的结果用译码显示器显示输出。工作中运行出的结果如下：例如：4+7=11；图5.1.1输入被加数4图5.1.2输入加数7图5.1.3得出结果115.2减法工作过程减法与加法在键入运算对象和寄存方式上类似，没有大体区别，只是在J11和J2等开关处并接开关J3，使其在寄存被减数和减数时起作用。减法器主要有求补逻辑电路和相应的译码显示器构成。其构造如下图所示：图5.2.1输入加数7其工作过程如下：例如：8-5=3图5.2.2输入被减数8图5.2.3输入减数5图5.2.4得出结果36元器件清单序号元件名称规格及用途数量1编码器74LS147N1片1片3片2片2片3片2片2片2片2片12个1个3个2个2寄存器A3寄存器B4加法器5减法逻辑电路5显示器74LS374N74LS194N74S283N74S283NHCD-HEX-DIGRED7448N6译码器7非门74ALS03BN74ALS10AN7486N8三输入与非门9二输入异或门10电阻11九线开关12一线开关13电源1kDSWPKDIPSW5V7主要元器件介绍7.110-4线BCD优先编码器741477.1.1引脚图图7.274LS374N引脚图7.1.2功能表7.1.3功能介绍74147为10-4线BCD优先编码器，其功能是，把输入端代表“0”~“9”的这10个数字编码成BCD码。74147的编码输入有效电平为低电平，编码输出为BCD反码。由于它有优先编码功能，只要输入端有“0”输入（如果有多个输入端为“0”则以编号最大的输入端为准），输出端就输出与之对应的BCD码的反码。例如“3”“4”同时输入“0”，则按“4”进行编码，内部编码成BCD码0100，输出则为BCD的反码1011。7.2寄存器74LS374N7.2.1引脚图图7.274LS374N引脚图7.2.2功能表工作模式输入内部触发器输出～OCCLKD存入和读出数据LL↑L↑HLH相应内部触发器的状态存入数据禁止输出HH↑L↑HLH高阻高阻7.2.3功能介绍当～OC接高电平时不管内部触发器为何值输出都为高阻状态即不输出。当～OC接低电平时，只有遇到脉冲的上升沿时才会输出，此时输出的数据为内部触发器的相应状态；没有脉冲时只暂存前一状态的数据。7.3寄存器74LS194N7.3.1引脚图图7.374LS194N引脚图7.3.2功能表表7.174194功能表输入输出CLRCPS1SODRDLdddddd1d0dd1d0ddDCBAddddddddX3X2X1X0ddddddddddddddddddddQDQCQBQA1ddddd110101101000000000…0上0上0上0上0上0dX3X2X1X0……………7.3.3功能介绍有4个输入端4个输出端，当S0、S1、～CLR接高电平时，为并行寄存器。此时CLR端有脉冲信号则能输出前一状态的数据，否则只能暂存数据。7.4加法器74S283N7.4.1引脚图图7.474S283N的引脚图7.4.2功能表C0dcbaL0000000000000000000011110000111100000011001100110101010101010000000000110000111111001111000011000101011111117.4.3功能介绍它是常用的二进制加法器，有两组输入端，分别为：A1B1C1D1；A2B2C2D2，然后分别对相应的二进制相加，在设计中，我们巧妙的运用了加六的运算来实现向8421BCD码的转换。如10的二进制码为1010加六可得00010000。我们可以看出当得数大于等于十时我们可以对它加六来实现它的转换，因此我们再一次引入74284加法器并在它的2、3脚上加入我们推得的信号来实现。小结通过为期一周的课程设计的锻炼，我深刻体会到自己知识的匮乏，也深深的感觉到自己对所学知识了解得是多么肤浅。曾经在课堂上所学的东西只是一个表面性的，理论性的，而且是理想化的，根本不能够解决在现实中所存在的需要我们在未来解决的很多问题。因此，在学习过程中，我们应注意理论知识与实际应用之间的相互联系。在今后的学习中，我要吸取在这次课设中得到的经验教训，要以学习理论知识为基础，尽量多接触实际应用知识。在动手操作能力的培养上，我们更要加以重视，加强锻炼。我将多参加实践活动，以锻炼自己的动手能力以及实践理论知识的能力，做一名合格的自控类专业学生。设计一个完整的电路，不仅要以过硬的知识功底为前提，还要具有灵学活用，举一反三的能力。一个电路设计，要有完整的设计思路，要满足课题的各项要求，还要通过报告把原理及流程表达的清清楚楚。从设计的第一天起，我就遇到了很多麻烦。所以在着手之前我便仔细阅读并研究了教材中所有有关课设部分的章节，之后，又利用图书馆的资源和网上资源，对课设电路做了具体的了解和分析。有关计算部分我也参考了很多的资料，但有的元件的参数还是不明白为何设成这样，只好参考经典值。通过老师和同学们的帮助，我渐渐的有了眉目。这样，在很大程度上提高了我考虑问题的全面性。简单计算器运算电路是数字电子技术的一种综合应用，是采用数字电路实现十进制数的加减法运算的装置,整个加法运算电路是由五个部分组成，可以详细分为，键盘及编码电路、加数寄存器A和被加数寄存器B、加法运算电路、4bit二进制码加法的BCD调整和译码显示器。加法运算电路最典型的应用就是计算器，它为我们的生活带来了更多的便利。通过本次设计，了解了加法运算电路的基本原理，同时也很好的掌握了编码器、寄存器、加法器、开关、显示译码器等数字系统的实现方法。在设计的过程中，融入了自己的创新想法，增加了设计的兴趣。在这充实的一周中，我们也深深地感受到各组员之间彼此团结互助的精神，每个人都为了自己的小组一点点努力着，尽管避免不了失败和摩擦，但我们仍然互相打气，为了设计成果献上各自的一份力量。通过这次对加法运算电路的设计与制作，我了解了一些设计电路的步骤，同时也了解了关于加法运算电路的设计原理与设计思想，更进一步地熟悉了芯片的结构及掌握了各芯片的工作原理和其具体的使用方法。虽然设计时间很紧迫，但在设计的过程中我们还是学到不少东西的，由于有些芯片我们根本没有学过，我们在查找这些资料的过程中就学到了很多东西，有些芯片本来我们不懂的，但是经过查资料我们还是对那些不懂的芯片有了一定的了解。能有这样的一次学习机会，我感到十分的幸运，看到了自己一周以来的成果，我也感到十分欣慰，在未来的学习生活中，我会吸取这次学习经验，争取取得更出色的成绩！致谢暑假之后，我们又开始了为期一周的实训，短短一周，有太多汗水，太多耕耘，也有太多欣慰，太多感动，我们每个人都在为自己的任务尽着自己最大的努力，也在丝毫不保留的赠与给彼此最贴心的帮助和温暖。首先还是要感谢我们的数电课讲师——黄硕老师。新学期开始，每个人并不是很习惯课程中的忙碌，不免会陷入