加减运算器利用简单的数字电路和电路逻辑设计完成简单的具有加减功能的计算器.doc

1、河北大学工商学院2014届本科生学年论文（课程设计） 摘要本设计是利用简单的数字电路和电路逻辑设计完成简单的具有加减功能的计算器。设计电路时主要分两个方面：第一就是加运算，第二是就是减运算。加运算是以简单的二进制加运算为基础的加运算，减运算利用加运算来实现。关键词：数字电路；加运算；减运算Addition and subtractionABSTRACTThis design is a calculator of the function of addition and subtraction, based on digital circuit and circuit logic.The cir

2、cuit divides into two aspects,add operation and subtraction operation.Add operation base on Binary addition, and subtraction operation using add operation to achieve.Key words:digital circuit；addition；subtraction目录1设计目标、要求及思路.11.1设计目标.11.2设计要求.11.3设计思路.1 2原理设计.22.1加法运算电路.22.2减法运算电路.32.3总体设计.42.4单元电路

3、设计.52.5完成设计的总电路图.73电路仿真.94电路的焊接与调试.11参考文献.13 1设计目标、要求及思路1.1设计目标这次的课程设计的任务是设计一个具备加减运算功能的电路，能够通过按键控制进行加法计算和减法计算，并利用LED灯显示计算结果。1.2设计要求1) 设计并行加减运算电路；2) led灯显示结果，按键控制运算模式；3) 掌握数字电路的设计及调试方法；1.3设计思路确定设计目标后我就开始规划我的课程设计过程：第一步进行功能分析，设计出可行的电路图；第二步利用软件对电路进行仿真，以验证电路的正确性；第三步硬件焊接与调试；第四步完成课程设计报告。2原理设计加减运算电路主要由加-法运算

4、电路和减法运算电路这两个功能电路组成。所以我对这两种电路进行分析和比较，以求用最简单的方式来达到我设计的目标。下面就是我对加法运算电路和减法运算电路的分析。2.1加法运算电路1查阅了教材上资料后，一般构成加法运算电路主要由集成4位超前进位加法器74LS2832实现。这个芯片可以进行两个4位2进制数的全加，符合我此次课程设计的要求，所以就采用它来完成我的电路功能。图2-1 74LS283逻辑符号图2-2 74LS283管脚排列图利用74LS283构成的加法运算电路：A1、A2、A3、A4和B1、B2、B3、B4分别是两个二进制加数的输入端，C0是低位进位输入端，通过高电平置数。S1、S2、S3、

5、S4是和输出端，可通过LED灯显示。C4是高位输出端。图2-3加法运算电路2.2减法运算电路1由二进数算术运算，减法运算的原理是将减法运算变成加法运算进行的。运算原理：A-B=A+B补+1-2n .（公式2-1）3通过对A和B的减法运算转化为对A和B的补码之间的加法运算，即可用加法运算器件实现减法的运算，从而简化了电路的硬件要求。第二片74LS283的作用是：在小数减大数时出现的补码转化为原码，而在大数减小数时保持输出不变。 具体电路原理如下：图2-4减法运算电路图2.3总体设计4通过分析以上的加法和减法功能电路可以知道，加法和减法运算都可用74LS283超前进位加法器实现。主要差别在于：1.

6、 加法运算需要1块74LS283芯片，而减法运算需要2块这样的芯片。2. 在输入方式上的不同，加法运算的时候都只需要输入数据的原码，而减法运算的时候需要输入的数据是被减数，减数的反码并加1。3. 在输出方式上的不同，加法运算在第一片74LS283的输出上就可得到结果，减法运算则需要在第二片74LS283的输出得到结果。因此可以以减法运算电路为原型进行改进，将加法和减法这两个功能运算电路整合到一个电路上来，通过开关整合数据的输入方式来切换运算模式，并将结果输出整合到统一的输出端。这样不仅可以减少元件的使用，而且在焊接时可以降低焊接的难度。下面是我设计的框图：加法运算器功能实现电路减法运算器控制开

7、关LED显示图2-5设计框图2.4单元电路设计在总的设计构思下我多需要做就是对输入和输出进行整合，以符合加法和减法运算时对数据输入和结果输出的不同要求。（1）输入电路整合使用两个寄存器74LS1945来给超进位加法器置入数字。为了使在加法运算时B输入的是原码，减法运算时输入的是B的反码，可通过四个异或门来控制B输入的是原码还是反码，从而实现切换加减法的切换。取异或门的一端作为控制信号，当这一端输入0的时候，异或门输出的结果就和另一端的相同。当控制信号端输入1时，异或门的输出就和另一端的输入相反，并且将控制信号的输入到74LS283的C0端进行反码加1，符合减法的运算逻辑。这样设计就达到了加减法

8、运算时不同的输入要求。当给74LS194输入脉冲后74LS194即可给74LS283输入数据。输入电路如下：图2-6输入电路图（2）输出电路整合当进行加法计算的时候，计算结果在第一片74LS283芯片就输出了（即只需一片74LS283）。而进行减法运算的时候需要在第二片74LS283上输出结果，当进行小数减大数的时候，第一片74LS283输出的结果只是最后运算结果的补码。所以要使用统一的输出端，必须要对输出端进行整合，运算加法的时候输出加法的结果，减法的时候输出减法的结果。在非门后加入一个与门，取加减运算开关的信号作为控制信号，进行加法运算时，控制信号为0电平，与门输出恒为0电平，让第一片74

9、LS283的输出经过异或门后输出不改变，从而第二片74LS283输出的结果与第一片的结果相同。当进行减法运算时，控制信号为1电平，与门导通，电路变换为减法的运算电路。通过在加减控制信号端和第一片74LS283的高位进位输出端接一个异或门可实现最高位显示的切换。加法运算时，控制信号为0电平，异或门导通，C4输出到最高位的LED灯，作为输出结果的最高位。减法运算时，控制信号为1电平，最高位LED灯的输出为减法运算结果的符号位，输出0表示输出结果是正数，输出1表示输出结果为负数。输出电路如下：图2-7输出整合电路2.5完成设计的总电路图6可以在A、B端输入被加数和加数（被减数和减数），通过加减法切换

10、开关切换加法运算和减法运算。在同一的输出端显示计算结果。此次设计的电路图是以减法运算电路图为原型改进而成，使电路不仅能进行减法运算还能正确的进行加法运算，并且在一个输出上得到计算结果。最后的总电路图如下：图2-8设计总图3电路仿真在硬件制作之前需要对设计好的电路进行仿真，以验证电路的正确性。此次选择比较简单的Multisim软件进行电路的仿真，下面截取两个比较有代表性的仿真结果。加法运算 0111+1100=10011 仿真结果如下图：图3-1加法仿真结果减法运算 0101-1011=-0110 仿真结果如下图:图3-2减法仿真结果利用仿真软件对所有的取值进行仿真后，仿真得到的结果与理论计算结

11、果完全一致，说明我此次设计的电路成功的。4电路的焊接与调试在电路仿真出来后，接下来就是最艰巨的硬件制作和调试了，由理论走向实践。设计图上的高低电平输入，采用单刀双掷开关的形式分别与电源正极和负极接通，形成高低电平信号。由于这个电路不需要连续脉冲信号，所以我们决定也采用开关控制电路通断的形式形成单脉冲信号，即可设计成我们平时所用计算器上的“=”按键。电路的焊接和调试6是此次课程设计最难的一部分，以前都是在实验箱上插线完成，但是现在要在板子上焊接而成，所需的精力和时间大大增加。在设计中我使用了9个芯片，60根连线，开关11个完成了焊接。图4-1焊接好的电路图图4-2完成后的电路板焊接完成了不代表板

12、子就做成了，还得经过调试。平时在实验箱上插线都很可能第一次插线会有错的，焊板子就更不用说了。接错、短路的都可能发生，所以万用表成了我检查电路的利器。果然，刚接上电源后电路完全没反应，也不受控制。最后在短路、缺焊、开关连接设计错误等等错误被查出和改正后，电路终于能正常工作了，辛苦的工作最后有了成果。参考文献1张锁良等.数字电子技术基础.北京：北京邮电大学出版,20112邱关源.电路 第5版:高等教育出版社,2006年3邹虹.数字电路与逻辑设计. 人民邮电出版社,20044(Rabaey.J.M)拉贝艾. 数字集成电路:电路、系统与设计(第2版).电子工业出版社,20045吴锡龙编.电路分析.北京：高等教育出版社,20046卢结成等电子电路实验及应用课题设计.合肥：中国科学技术大学出版社,200216