加減法運(yùn)算電路的設(shè)計(jì)

..黔南民族師學(xué)院本科生畢業(yè)〔學(xué)位〕論文題目：加減法運(yùn)算電路的設(shè)計(jì)學(xué)位授予單位：黔南民族師學(xué)院專業(yè)名稱：電子信息工程XX：班林學(xué)號(hào)：指導(dǎo)教師：娜職稱：講師論文提交日期：2016年11月01日論文辯論日期：2016年11月01日辯論委員會(huì)主席:論文評(píng)閱人:..中文摘要：采用一款優(yōu)秀的EDA軟件----Multisim10作為設(shè)計(jì)平臺(tái),對(duì)任意一個(gè)一位十進(jìn)制并行加/減法運(yùn)算電路的設(shè)計(jì)原理及構(gòu)成方法作了詳細(xì)的介紹,通過(guò)按鍵輸入被減數(shù)和減數(shù)，并設(shè)置+、-號(hào)按鍵；允許減數(shù)大于被減數(shù)，負(fù)號(hào)可采用數(shù)碼管或其他顯示器件，并利用LED燈顯示計(jì)算結(jié)果。提出至少兩種設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)方案，并優(yōu)選方案進(jìn)展設(shè)計(jì)。利用該軟件能實(shí)現(xiàn)電子電路的快速設(shè)計(jì)和仿真,大大縮短了電子電路的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)周期。本文以任意一個(gè)一位十進(jìn)制并行加/減法運(yùn)算電路的設(shè)計(jì)為例,詳細(xì)介紹了基于Multisim10的數(shù)字電路加減法運(yùn)算的設(shè)計(jì)與仿真。關(guān)鍵詞：Multisim10，存放器，顯示器，門元件，數(shù)字電路0引言目前人類社會(huì)已逐步實(shí)現(xiàn)了高度興旺的信息化,各種電子產(chǎn)品不但在性能上不斷增強(qiáng),而且更新?lián)Q代的頻率也越來(lái)越快,實(shí)現(xiàn)這種進(jìn)步的主要原因是生產(chǎn)制造技術(shù)和電子設(shè)計(jì)技術(shù)的開(kāi)展,特別是以EDA為核心的電子設(shè)計(jì)技術(shù)得到了飛速開(kāi)展。EDA是以計(jì)算機(jī)為工作平臺(tái),融合電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、智能化技術(shù)等最新成果研制而成的通用軟件。它的主要功能是IC設(shè)計(jì)、各種電路的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)和仿真,以及PCB設(shè)計(jì)。算數(shù)運(yùn)算是數(shù)字系統(tǒng)的根本功能，更是計(jì)算機(jī)中不可缺少的組成單元。要實(shí)現(xiàn)加法運(yùn)算電路，給出任意兩個(gè)四位二進(jìn)制數(shù)能進(jìn)展加法運(yùn)算，首先要掌握加法運(yùn)算電路的構(gòu)成、原理和設(shè)計(jì)方法，設(shè)計(jì)出較合理的電路，來(lái)實(shí)現(xiàn)加法運(yùn)算，加法運(yùn)算是我們經(jīng)常用到的一項(xiàng)操作，因此我們的這項(xiàng)設(shè)計(jì)非常貼近我們是現(xiàn)實(shí)生活，離我們實(shí)際非常近。..1電路圖的仿真及檢測(cè)1.1軟件介紹Multisim是美國(guó)國(guó)家儀器〔NI〕推出的以Windows為根底的仿真工具，適用于板級(jí)的模擬/數(shù)字電路板的設(shè)計(jì)工作。它包含了電路原理圖的圖形輸入、電路硬件描述語(yǔ)言輸入方式，具有豐富的仿真分析能力。Multisim隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)飛速開(kāi)展，電路設(shè)計(jì)可以通過(guò)計(jì)算機(jī)輔助分析和仿真技術(shù)來(lái)完成。計(jì)算機(jī)仿真在教學(xué)中的應(yīng)用，代替了大包大攬的試驗(yàn)電路，大大減輕驗(yàn)證階段的工作量；其強(qiáng)大的實(shí)時(shí)交互性、信息的集成性和生動(dòng)直觀性，為電子專業(yè)教學(xué)創(chuàng)設(shè)了良好的平臺(tái)，極激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，能夠突出教學(xué)重點(diǎn)、突破教學(xué)難點(diǎn)；并能保存仿真中產(chǎn)生的各種數(shù)據(jù)，為整機(jī)檢測(cè)提供參考數(shù)據(jù)，還可保存大量的單元電路、元器件的模型參數(shù)。采用仿真軟件能滿足整個(gè)設(shè)計(jì)及驗(yàn)證過(guò)程的自動(dòng)化。Multisim軟件是一個(gè)專門用于電子線路仿真與設(shè)計(jì)的EDA工具軟件。作為Windows下運(yùn)行的個(gè)人桌面電子設(shè)計(jì)工具，Multisim是一個(gè)完整的集成化設(shè)計(jì)環(huán)境。Multisim計(jì)算機(jī)仿真與虛擬儀器技術(shù)可以很好地解決理論教學(xué)與實(shí)際動(dòng)手實(shí)驗(yàn)相脫節(jié)的這一問(wèn)題。我們可以很方便地把剛剛學(xué)到的理論知識(shí)用計(jì)算機(jī)仿真真實(shí)的再現(xiàn)出來(lái)，并且可以用虛擬儀器技術(shù)創(chuàng)造出真正屬于自己的儀表。Multisim極提高了我們的學(xué)習(xí)熱情和積極性，真正的做到了變被動(dòng)學(xué)習(xí)為主動(dòng)學(xué)習(xí)——這些在課設(shè)活動(dòng)中已經(jīng)得到了很好的表達(dá)。因而學(xué)習(xí)Multisim，除了可以提高仿真能力、綜合能力和設(shè)計(jì)能力外，還可進(jìn)一步提高實(shí)踐能力。初步掌握一種電子電路計(jì)算機(jī)輔助分析和設(shè)計(jì)軟件對(duì)學(xué)習(xí)模擬電子技術(shù)根底課很有必要。鑒于Multisim上述特點(diǎn)，本課設(shè)選用Multisim11.0作為根本工具，力圖使我們從中學(xué)習(xí)電子電路的仿真方法和測(cè)試方法..1.2Multisim的窗口界面。圖1-1軟件操作示意圖啟動(dòng)Multisim2010后，將出現(xiàn)如圖1-1所示的界面。界面由多個(gè)區(qū)域構(gòu)成：菜單欄，各種工具欄，電路輸入窗口，狀態(tài)條，列表框等。通過(guò)對(duì)各局部的操作可以實(shí)現(xiàn)電路圖的輸入、編輯，并根據(jù)需要對(duì)電路進(jìn)展相應(yīng)的觀測(cè)和分析。用戶可以通過(guò)菜單或工具欄改變主窗口的視圖容。菜單欄位于界面的上方，通過(guò)菜單可以對(duì)Multisim的所有功能進(jìn)展操作。不難看出菜單中有一些與大多數(shù)Windows平臺(tái)上的應(yīng)用軟件一致的功能選項(xiàng)，如File，Edit，View，Options，Help。此外，還有一些EDA軟件專用的選項(xiàng)，如Place，Simulation，Transfer以及Tool等。..2設(shè)計(jì)方案2.1設(shè)計(jì)電路原理置數(shù)置數(shù)開(kāi)關(guān)選擇運(yùn)算方式加法運(yùn)算電路減法運(yùn)算電路譯碼顯示計(jì)算結(jié)果顯示所置入的兩個(gè)一位十進(jìn)制數(shù)圖2-1加減運(yùn)算原理框圖如圖2-1所示第一步置入兩個(gè)四位二進(jìn)制數(shù)。例如〔1001〕2,〔0011〕2和〔0101〕2，〔1000〕2，同時(shí)在兩個(gè)七段譯碼顯示器上顯示出對(duì)應(yīng)的十進(jìn)制數(shù)9，3和5，8。第二步通過(guò)開(kāi)關(guān)選擇加〔減〕運(yùn)算方式；第三步假設(shè)選擇加運(yùn)算方式所置數(shù)送入加法運(yùn)算電路進(jìn)展運(yùn)算；同理假設(shè)選擇減運(yùn)算方式，那么所置數(shù)送入減法運(yùn)算電路運(yùn)算；第四步前面所得結(jié)果通過(guò)另外兩個(gè)七段譯碼器顯示。即：假設(shè)選擇加法運(yùn)算方式，那么〔1000〕2+〔0110〕2=〔1110〕2十進(jìn)制8+6=14,并在七段譯碼顯示器上顯示14。假設(shè)選擇減法運(yùn)算方式，那么〔0101〕2-〔1000〕2=〔10011〕2十進(jìn)制5-8=-3,并在七段譯碼顯示器上顯示-3。2.2運(yùn)算方案方案一通過(guò)開(kāi)關(guān)J1——J8接不同的上下電平來(lái)控制輸入端所置的兩個(gè)一位十進(jìn)制數(shù)，譯碼顯示器U10和U13分別顯示所置入的兩個(gè)數(shù)。數(shù)A直接置入四位超前進(jìn)位加法器74LS283的A4——A1端，74LS283的B4——B1端接四個(gè)2輸入異或門。四個(gè)2輸入異或門的一輸入端同時(shí)接到開(kāi)關(guān)S1上，另一輸入端分別接開(kāi)關(guān)J5——J8，通過(guò)開(kāi)關(guān)J5——J8控制數(shù)B的輸入。當(dāng)開(kāi)關(guān)S1接低電平時(shí)，B與0異或的結(jié)果為B，通過(guò)加法器74LS283完成兩個(gè)數(shù)A和B的相加。當(dāng)開(kāi)關(guān)J1接高電平時(shí)，B與1異或的結(jié)果為B非，置入的數(shù)B在74LS283的輸入端為B的反碼，且74LS283的進(jìn)位信號(hào)C0為1，其完成S=A+B〔反碼〕+1，實(shí)際上其計(jì)算的結(jié)果為S=A-B完成減法運(yùn)算。由于譯碼顯示器只能顯示0——9，所以當(dāng)A+B>9時(shí)不能顯示，我們?cè)诖擞昧硪黄酒?4LS283完成二進(jìn)制碼與8421BCD碼的轉(zhuǎn)換，即S>9〔1001〕2時(shí)加上3〔0011〕2，產(chǎn)生的進(jìn)位信號(hào)送入譯碼器U15來(lái)顯示結(jié)果的十位，U14顯示結(jié)果的個(gè)位。由于減法運(yùn)算時(shí)兩個(gè)一位十進(jìn)制數(shù)相減不會(huì)大于10，所以不會(huì)出現(xiàn)上述情況，用一片芯片U14即可顯示結(jié)果。..2.2.2方案二由兩異或門兩與門和一或門組成全加器，可實(shí)現(xiàn)一位二進(jìn)制加邏輯運(yùn)算，四位二進(jìn)制數(shù)并行相加的邏輯運(yùn)算可采用四個(gè)全加器串行進(jìn)位的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)，將低位的進(jìn)位輸出信號(hào)接到高位的進(jìn)位輸入端，四個(gè)全加器依次串行連接，并將最低位的進(jìn)位輸入端接邏輯"0〞，就組成了一個(gè)可實(shí)現(xiàn)四位二進(jìn)制數(shù)并行相加的邏輯電路。通過(guò)在全加器電路中再接入兩個(gè)反相器可組成一個(gè)全減器，實(shí)現(xiàn)一位二進(jìn)制減邏輯運(yùn)算，將來(lái)自低位的錯(cuò)位信號(hào)端接到向高位借位的信號(hào)端，依次連接四個(gè)全減器，構(gòu)成可實(shí)現(xiàn)四位二進(jìn)制數(shù)并行進(jìn)展邏輯減運(yùn)算的電路。在兩組電路置數(shù)端接開(kāi)關(guān)控制置數(shù)輸入加法還是減法運(yùn)算電路，電路輸出端接LED燈顯示輸出結(jié)果，輸出為五位二進(jìn)制數(shù)。2.2.3兩種方案比擬通過(guò)對(duì)兩種方案的比擬，為實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)要求，首先在不計(jì)入數(shù)碼管所需芯片的情況下，方案二一共需要十二個(gè)芯片，電路的連接相當(dāng)復(fù)雜，產(chǎn)生接線錯(cuò)誤和導(dǎo)線接觸不良的幾率大大增加，而且消耗較高；而方案一一共需要七或九個(gè)芯片，且其中幾個(gè)芯片只用到一兩個(gè)門，相對(duì)接線較簡(jiǎn)單，容易實(shí)現(xiàn)。其次，方案二采用串行進(jìn)位和借位的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)四位邏輯加減運(yùn)算，任意一位的邏輯運(yùn)算必須在前一位的運(yùn)算完成之后才能進(jìn)展，相較而言運(yùn)算速度不高；而方案一采用的是超前進(jìn)位的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)四位邏輯運(yùn)算的，每位的進(jìn)位只有加數(shù)和被加數(shù)決定，而與低位的進(jìn)位無(wú)關(guān)，它的運(yùn)算速度較方案二高出很多。綜上所述，方案一較方案二更加優(yōu)秀，不僅電路簡(jiǎn)單而且運(yùn)算速度更快，經(jīng)綜合小組各設(shè)計(jì)方案，被選為小組共同方案。..3電路設(shè)計(jì)3.1電路設(shè)計(jì)原理圖通過(guò)學(xué)習(xí)Multisim軟件和對(duì)前面加減法運(yùn)算電路的討論，研究并總結(jié)出一套簡(jiǎn)單方便又可到達(dá)要求的方案，并設(shè)計(jì)出以下電路圖：圖3-1電路原理圖..3.2加法電路的實(shí)現(xiàn)用兩片4位全加器74LS183和門電路設(shè)計(jì)一位8421BCD碼加法器。由于一位8421BCD數(shù)A加一位數(shù)B有0到18這十九種結(jié)果。而且由于顯示的關(guān)系,當(dāng)大于9的時(shí)候要加六轉(zhuǎn)換才能正常顯示，所以設(shè)計(jì)的時(shí)候有如下的真值表：000000000001010001002000110300100040010105001100600111070100008010010901010110需要裝換010111110110011201101113011101140111111510000016100010171001001810011019無(wú)關(guān)項(xiàng)101000201010102110110022101110231100002411001025110101261101112711100128無(wú)關(guān)項(xiàng)111011291111013011111131由前16項(xiàng)得①：由后10項(xiàng)得②由①②得Y=CO+S3S2+S3S1由于用與非門比擬方便所以我們選用了與非門電路有以下兩種選擇：(1)(2)但由于〔1〕方式簡(jiǎn)單所以我們選用了〔1〕方式得到了如下的理論圖:..加法電路圖3-2加法實(shí)現(xiàn)電路3.3減法電路的實(shí)現(xiàn)該電路功能為計(jì)算A-B。假設(shè)n位二進(jìn)制原碼為N原，那么與它相對(duì)應(yīng)的補(bǔ)碼為N補(bǔ)=2n-N原，補(bǔ)碼與反碼的關(guān)系式為N補(bǔ)=N反+1，A-B=A+B補(bǔ)-2n=A+B反+1-2n因?yàn)锽eq\o\ac(○,+)1=B非，Beq\o\ac(○,+)0=B，所以通過(guò)異或門74LS86對(duì)輸入的數(shù)B求其反碼，并將進(jìn)位輸入端接邏輯1以實(shí)現(xiàn)加1，由此求得B的補(bǔ)碼。加法器相加的結(jié)果為：A+B反+1由于2n=24=(10000)2,相加結(jié)果與相2n減只能由加法器進(jìn)位輸出信號(hào)完成。當(dāng)進(jìn)位輸出信號(hào)為1時(shí)，它與2n的差為0；當(dāng)進(jìn)位輸出信號(hào)為0時(shí)，它與2n差值為1，同時(shí)還要發(fā)出借位信號(hào)。因?yàn)樵O(shè)計(jì)要求被減數(shù)大于或等于減數(shù)，所以所得的差值就是A-B差的原碼，借位信號(hào)為0。..減法電路：圖3-3減法實(shí)現(xiàn)電路..3.4譯碼顯示電路譯碼顯示電路是由一個(gè)七段LED譯碼驅(qū)動(dòng)器74HC4511和一個(gè)七段LED數(shù)碼顯示器組成。在74HC4511中，經(jīng)前面運(yùn)算電路運(yùn)算所得的結(jié)果輸入74HC4511的D3D2D1D0，再譯碼輸出，最后在七段LED顯示器中顯示出來(lái)．圖3-4譯碼顯示電路..4電路的調(diào)試4.1加減運(yùn)算電路圖4-1加法運(yùn)算電路..4.2加法顯示電路圖4-2加法顯示電路4.3減法運(yùn)算電路圖4-3減法運(yùn)算電路4.4減法顯示電路圖4-4減法顯示電路4.5無(wú)符號(hào)減法運(yùn)算電路圖4-5無(wú)符號(hào)減法運(yùn)算電路圖4.6有符號(hào)減法實(shí)現(xiàn)電路圖4-6有符號(hào)減法實(shí)現(xiàn)電路圖5元器件清單5.1加法電路器件可用的加法運(yùn)算器件為超前進(jìn)位加法器74LS283或者4008來(lái)實(shí)現(xiàn)，還需用到2輸入與門74LS08，3輸入或門。圖5-174LS283和4008的引腳圖圖5-274LS08的引腳圖5.2減法電路器件74LS8674LS86=1=1=1=1圖5-374LS86的引腳圖由于沒(méi)有直接做減法運(yùn)算的器件，所以用補(bǔ)碼來(lái)完成減法運(yùn)算，仍要用到74LS283或者4008，只需在加法器前加上4個(gè)異或門〔一片74LS86〕即可。另外還有很多元器件比方：11個(gè)開(kāi)關(guān)，五個(gè)異或門，一個(gè)或非門，兩個(gè)與門和一個(gè)非門，四個(gè)顯示器和一個(gè)七段譯碼顯示器。這些元器件通過(guò)導(dǎo)線連接，形成閉合電路，在仿真軟件中，進(jìn)展仿真得出結(jié)果。6總結(jié)通過(guò)這次課程設(shè)計(jì)，加強(qiáng)了我們動(dòng)手、思考和解決問(wèn)題的能力。在整個(gè)設(shè)計(jì)過(guò)程中，經(jīng)常會(huì)遇到這樣那樣的情況，就是心里想老著這樣的接法可以行得通，但實(shí)際接上電路，總是實(shí)現(xiàn)不了，因此消耗在這上面的時(shí)間用去很多。我沉得做課程設(shè)計(jì)同時(shí)也是對(duì)課本知識(shí)的穩(wěn)固和加強(qiáng)，由于課本上的知識(shí)太多，平時(shí)課間的學(xué)習(xí)并不能很好的理解和運(yùn)用各個(gè)元件的功能，而且考試容有限，所以在這次課程設(shè)計(jì)過(guò)程中，我們了解了很多元件的功能，并且對(duì)于其在電路中的使用有了更多的認(rèn)識(shí)。尤其學(xué)習(xí)軟件Multisim，除了可以提高仿真能力、綜合能力和設(shè)計(jì)能力外，還可進(jìn)一步提高實(shí)踐能力。初步掌握一種電子電路計(jì)算機(jī)輔助分析和