哈工大数字电路设计加减乘三则计算器

H a r b i n I n s t i t u t e o f T e c h n o l o g y

数字电子技术基础大作业

课程名称：数字电子技术基础Ⅱ

设计题目：四位二进制计算器

院系：

班级：

设计者：宇之翔LEO

学号：

指导教师：

设计时间：2015年12月-2016年1月

作者声明：本大作业是本人在考试之前花费大量时间完成的，之前在网上也可以相关的文章和做法，但是水平不是很高，而且存在很多错误，我在参考的时候也受到许多误导，最终在本人汇总和潜心钻研后总结出一篇较完整、较准确的文章。考虑到我完成作业时受到的各种辛苦，特将这份资料分享给大家。仅供参考，有问题可以给我提！由于含有本人大量的心血，所以需要的劵也偏高，希望各位理解！完成作业对你们的帮助更是巨大的，希望对你们有所帮助，解决令人头疼的作业！

另外，目前除法计算器的电路设计过于复杂且难度较高，尚无法完成，资料也查阅不到，有完成者可以与本人交流！

一、设计目的和要求

本次大作业是在学完本门课程后，对所学知识的综合性考察和对思维的锻炼。通过本次作业，灵活运用学过的数字电子元器件和数字电子技术等方面的知识，完成从设计、选片、连线、调试、排除故障到实现一个数字系统的全过程。

本次作业我选择设计四位二进制的计算器，使用Multisim 软件进行设计和仿真，最终实现四位二进制数的加、减、乘的目的，并能够通过数码显示管将输入的数字和输出的运算结果显示出来。

二、设计方案

1.设计综述

此计算器分加减区和乘法区，通过开关选择运算方式，选择加减法区，则乘法区的数码管为清零状态，通过控制开关置数，在加减法区数码管显示输入和运算结果：选择乘法区，则加减法区的数码管为清零状态，通过控制开关置数，在乘法区数码管显示输入和运算结果。在加减法区中，通过开关选择加、减运算方式，分别在数码管中显示输入和运算结果。

2. 系统方框图

三、各部分计算器电路的设计和仿真

1.加法计算器器电路

如图1所示，这是加法器最简单的电路，也是本次设计的核心电路部分。

（1）输入置数

通过控制左边的8个开关连接高低电平来对两个四位二进制数置数，上面4个为第一个四位二进制数，下面4个为第二个四位二进制数。置数电路如右下图2所示：

（2）加法运算电路

通过中规模四位全加器74ls283进行两个数的加法运算，输出结

果为二者的和。

（3）输入输出译码显示电路

通过共阳极数码管和74ls47译码器组成显示电路，将输入和输

出接到74ls47译码器中，数码管便可以显示数字。

但是当和大于10的时候，输出结果显示的是十六进制中对应的

图案，还需查表进行识别，可读性比较差，还需要进一步改进。但

是加法器初具功能。

仿真结果如下图3所示：

图2

图3

2.加法计算器器改进电路

当大于9的时候要加六转换才能显示成我们熟悉的十进制数，所以进行如下设计，通过两位数码管分别表示十位和个位，便可增强可读性。增加一片74ls283、门电路和一组数码管译码电路，通过真值表得出逻辑电路，对原来的那片74ls283大于9的数进行“加六”设计，并且给增加的全加器进行“置一”来表示进位。电路图如图4所示：

图4

仿真结果如图5所示：

图5

3.减法计算器电路及加减计算器电路

（1）减法计算器电路

对于减法，只需利用原补码的知识，在减数置数端通过异或门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。当被减数大于减数时，二者相加结果为正数补码，即为原码。

图6

（2）加减计算器电路及转换

对于加减运算的转换，使用开关即可。当异或门的下方另一端子接高电平时，异或运算结果为B的反，即进行减法运算，当异或门的下方接低电平时，异或运算结果为B，即进行正常的加法运算。电路图如图6所示。

仿真结果如下图7、图8所示：

加法：

图7 减法：

图8

4.乘法计算器电路：

乘法计算器电路图如下图9所示：

图9

利用乘法的基本原理图(如右图10)，进行三次八进制

的加法运算，使用6片中规模4位全加器，两片一组进行

高低位级联，使用16片74ls08与门对8位输入每位相与，

得到的结果输入根据需要输入给8位全加器组，每组进行

一次8位加法运算，并将进位信号输出给下一组，共进行

三次全加运算，最后一组输出结果给译码器和数码管进行

数据显示。

仿真结果如图11所示:

图10

图11

四、计算器电路的组合设计和仿真

如下图12，本次设计用最简易的方法进行两组电路的组合和转换，使二者构成

一个具有两个四位二进制数加、减、乘功能的整体计算

器。

其中上半部分电路为加减计算器，数码显示管为加

减区，下半部分电路为乘法计算器，数码显示管为乘法

区。

通过双刀双掷开关（如图13），将两组电路接到一

起，通过控制置数端高低电平连接与否，变换开关，对

希望运行的电路输入端正常置数，不希望运行的电路输

入全为0，这样的结果使得加减法区、乘法区在运行的

时候有显示，不运行的时候该区显示全部为0（清零）。

图13 仿真结果如图14、图15、图16所示：

1.加法计算器的仿真

将总开关拨到加减区，再拨动加法开关，置数0101,1000输入显示5,9 输出结果为14=5+9，与预期结果相同。说明完成加法功能。

图14