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2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：置数电路开关选择运算方式加法运算电路减法运算电路译码显示计算结果显示所置入的两个一位十进制数电源部分3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：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：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和输出端序号元器件个数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4C4进位输出端3）.逻辑符号:图3-24).内部原理图：图3-35）.功能表：5表3-2（2）异或门：74LS861).引脚图：2）.逻辑符号：图3-4图3-53）.逻辑图：6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：(3).三输入或非门：74LS271).引脚图：图3-72）.逻辑符号：图3-8BABABAY73）.逻辑图：图3-94).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3-10CBAY81）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，电压范围在4.75~5.25V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：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74LS08AY91）.引脚图：2).逻辑符号：图3-1474LS08管脚图图3-153）.逻辑图：图3-164）.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。BAY10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：11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内部原理图如下：12图3-22（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：图3-23内部原理图如下：13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。14152：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+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：16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1784210000000没有超过900001010001002000110300100040010105001100600111070100008010010901010110需要转换010111110110011201101113011101140111111510000016100010171001001810011019无关项1010002010101021101100221011102311000024110010251101012618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。1101112711100128111011291111013011111131S2.S4S3.S4C4S2.S4S3.S4C4Y19203：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21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）222324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