加减法运算电路设计

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。

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：
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3-1
2.重要器件简介：
（1）[
（2）. 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：输出高电平电流：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
C4 进位输出端3）.逻辑符号:
图3-2 4).内部原理图：
-
图3-3 5）.功能表：
表3-2
（3）异或门：74LS86
1).引脚图： 2）.逻辑符号：、
图3-4 图3-5
3）. 逻辑图：
图3-6
·
4）.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：74LS27
1).引脚图：
\
图3-7 2）.逻辑符号：
B A
B
A
B
A
Y⋅
+
⋅
=
⊕
=
图3-8
3）. 逻辑图：
图3-9
.
4).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。

`
C
++=B A Y
<
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，V B1≈，V B2≈，T2和T5截止，T4和D2导通，Y为高电平；A为高电平时，V B1≈，T1倒置，V B2≈，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~内可以正常工作。

门数6，每门输入输出均为TTL电平（<低电平>2v高电平）,低电平输出电流,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3-11 74LS04的逻辑图表3-5 74LS04功能表
图3-12 74LS04的逻辑符号图3-13 74LS04的管脚图
Y
A
函数式：
》
（5）.与门74LS08
1）.引脚图： 2).逻辑符号：
图3-14 74LS08管脚图图3-15
<
3）.逻辑图：
图3-16
4）.真值表：
表3-6
函数式：]
B A
Y⋅=
（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。

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F a~F g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F a~F g=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：
表3-7
（7）74LS147：
10线-4线8421 BCD码优先编码器74LS147的真值表见表。

74LS147的引脚图如图所示，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：
图3-22
（7）LM7812
LM7812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：
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。

（
]
/
]
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+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
(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)!
c)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：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4-3
B. 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：
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 4S 3+ S 4S 2 (2)由后10项有: Y= C 4=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。

&
—
^
S 2
.S 4S 3.S 4C 4S 2.S 4S 3.S 4C 4Y ++=++=
` | ! - #
！
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D
3D
2
D
1
D
，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
；
—
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）
（
$ ]
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，只有把所学的理论知识与实践相结合起来，从理论中得出结论，才能真正为社会服务，从而提高自己的实际动手能力和独立思考的能力。

在设计的过程中遇到问题，可以说得是困难重重，这毕竟第一次做的，难免会遇到过各种各样的问题，同时在设计的过程中发现了自己的不足之处，对以前所学过的知识理解得不够深刻，掌握得不够牢固。

12月19日上午，我们进行了硬件实验。

由于时间有限，我们只能进行一部分实验。

做实验之前，我先测试芯片74LS283得输入端接开关在数码管上的显示情
况，我将输入端A1—A4，B1—B4接高低电平控制开关，再与数码显示器相接，结果输入端A1—A4通过开关控制在数码管上可以正常显示一系列数字，而B1—B4端不能正常显示，当B1—B4为0000时，数码管显示4，接着，我又重新连了一次，还是错误。

之后，在老师的指导下，问题解决了，原来是B3相接的高低电平开关坏了。

我将B3直接接地，调试B1、B2、B4的开关，可以正常工作了。

接着，我按照减法仿真图4-1连接好电路，电路的减法功能得以实现，达到了预期的效果。

在这次硬件实验中，我明白了，第一，“工欲善其事必先利其器”，不要着急做实验，先将各芯片，开关及导线测试一下，能正常再连电路，这些准备工作不仅不会浪费时间反而会提高做实验的效率。

第二，在实验中遇到问题要善于思考，将问题一个一个攻克。

这样，我们才会在实验中不断提高自己解决问题的能力。