西安建筑科技大学华清学院
课程名称：数字电子技术基础
院 （系）：机械电子工程系
专业班级：电子信息科学与技术0801班
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学 号：**********
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2010年 12月 28日
一、设计任务………………………………………………………3
二、设计方案………………………………………………………3
三、电路设计………………………………………………………5
四、电路图的仿真及检测…………………………………………10
五、收获与心得体会………………………………………………13
加减运算电路设计
第一部分 设计任务
一、设计任务
1、设计一个一位十进制并行加/减法运算电路；通过按键输入被减数和减数，并设置+、-号按键；允许减数大于被减数，负号可采用数码管或其他显示器件，并利用LED灯显示计算结果。
2、提出至少两种设计实现方案，并优选方案进行设计。
二、设计目的
1、综合运用相关课程中所学到的知识去完成设计课题。
2、熟悉常用芯片和电子器件的类型及特性，掌握合理选用器件的原则。
3、学会电路的设计与仿真。
4、通过查阅手册和相关文献资料，培养学生独立分析和解决问题的能力。
5、培养严肃认真的工作作风和严谨的科学态度。
第二部分 设计方案
一、设计电路原理
图2-1加减运算原理框图
如图2-1所示
第一步 置入两个四位二进制数。例如（1001）2,（0011）2和（0101）2，（油烟机油杯1000）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，背景音乐播放系统3和5，8。
第二步 通过开关选择加（减）运算方式；
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。即：
若选择加法运算方式，则（1000）2+（0110）2=（1110）2 十进制8+6=14
并在七段译码显示器上显示14。
若选择减法运算方式，则（0101）2-（1000）2=（10011）2十进制5-8= -3
并在七段译码显示器上显示-3。
二、运算方案
1、方案一
通过开关J1——J8接不同的高低电平来控制输入端所置的两个一位十进制数，译码显示器U10和U13分别显示所置入的两个数。数A直接置入四位超前进位加法器74LS283的A4——
A1端，74LS283的B4——B1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S1上，另一输入端分别接开关J5——J8，通过开关J5——J8控制数B的输入。当开关S1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。当开关J1接高电平时，B与1异或的结果为B非 ，置入 的数B在74LS283的输入端为B的反码，且74LS283的进位信号C0为1，其完成S=A+B（反码）+1，实际上其计算的结果为S=A-B完成减法运算。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）2时加上3（0011）2，产生的进位信号送入译码器U15来显示结果的十位，U14显示结果的个位。由于减法运算时两个一位十进制数相减不会大于10，所以不会出现上述情况，用一片芯片U14即可显示结果。
2、方案二
由两异或门两与门和一或门组成全加器，可实现一位二进制加逻辑运算，四位二进制数并行相加的逻辑运算可采用四个全加器串行进位的方式来实现，将低位的进位输出信号接到高位的进位输入端，四个全加器依次串行连接，并将最低位的进位输入端接逻辑“0”，就组成了一个可实现四位二进制数并行相加的逻辑电路。
通过在全加器电路中再接入两个反相器可组成一个全减器，实现一位二进制减逻辑运算，将来自低位的错位信号端接到向高位借位的信号端，依次连接四个全减器，构成可实现四位二进制数并行进行逻辑减运算的电路。
在两组电路置数端接开关控制置数输入加法还是减法运算电路，电路输出端接LED灯显示输出结果，输出为五位二进制数。
3、两种方案比较
通过对两种方案的比较，为实现设计要求，首先在不计入数码管所需芯片的
情况下，方案二一共需要十二个芯片，电路的连接相当复杂，产生接线错误和导线接触不良的几率大大增加，而且耗费较高；而方案一一共需要七或九个芯片，且其中几个芯片只用到一两个门，相对接线较简单，容易实现。
其次，方案二采用串行进位和借位的方式来实现四位逻辑加减运算，任意一位的逻辑运算必须在前一位的运算完成之后才能进行，相较而言运算速度不高；而方案一采用的是超前进位的方式来实现四位逻辑运算的，每位的进位只有加数和被加数决定，而与低位的进位
无关，它的运算速度较方案二高出很多。
综上所述，方案一较方案二更加优秀，不仅电路简单而且运算速度更快，经综合小组各设计方案，被选为小组共同方案。
第三部分 电路设计
一、加法电路的实现
用两片4位全加器74LS183和门电路设计一位8421BCD码加法器。
由于一位8421BCD数A加一位数B有0到18这十九种结果。而且由于显示的关系,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：
0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | |
0 | 0 | 0 | 0 | 1 | 0 | 1 |
0 | 0 | 0 | 1 | 0 | 0 | 2 |
0 | 0 | 0 | 1 | 1 | 0 | 3 |
0 | 0 | 1 | 0 | 0 | 0 | 4 |
0 | 0 | 1 | 0 | 1 | 0 | 5 |
气体放电灯0 | 0 | 1 | 1 | 0 | 0 | 6 |
0 | 0 | 1 | 1 | 1 | 0 | 7 |
0 | 1 | 0 | 0 | 0 | 0 | 8 |
| 医学护理模型 0 | 1 | 0 | 0 | 1 | 0 | 9 |
0 | 1 | 0 | 1 | 0 | 1 | 10 | 需要装换 |
0 | 1 | 0 | 1 | 1 | 1 | 11 |
0 | 1 | 1 | 0 | 0 | 1 | 12 |
0 | 1 | 1 | 0 | 1 | 1 | 13 |
0 | 1 | 1 | 1 | 0 | 1 | 14 |
0 | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 | 15 |
1 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 16 |
1 | 0 | 0 | 0 | 1 | 0 | 17 |
1 | 0 | 0 | 1 | 0 | 0 | 18 |
1 | 0 | 0 | 1 | 1 | 0 | 19 | 无关项 |
1 | 0 | 1 | 0 | 0 | 0 | 20 |
1 | 0 | 1 | 0 | 1 | 0 | 21 |
1 | 0 | 1 | 1 | 0 | 0 | 22 |
1 | 0 | 1 | 1 | 1 | 0 | 23 |
1 | 1 | 0 | 0 | 0 | 0 | 24 |
1 | 1 | 0 | 0 | 1 | 0 | 25 |
1 | 1 | 0 | 1 | 0 | 1 | 26 |
1 | 1 | 0 | 1 | 1 | 1 | 27 |
| | | | | | | |
1 | 1 | 1 | 0 | 0 | 1 | 28 | 无关项 |
1 | 1 | 1 | 0 | 1 | 1 | 29 |
1 | 1 | 1 | 1 | 0 | 1 | 30 |
1 | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 | 31 |
| | | | | | | |
由前16项得①：
由后10项得②
由①②得
Y=CO+S3S2+S3S1
由于用与非门比较方便所以我们选用了与非门电路有以下两种选择：
(1)
(2)
但由于（1）方式简单所以我们选用了（1）方式得到了如下的理论图:
加法电路
图3-1加法实现电路
二、减法电路的实现
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加法器电路原，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
因为B1= B非，B0=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
由于2n=24=(10000)2,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，它与2n的差为0；当进位输出信号为0时，它与2n差值为1，同时还要发出借位信号。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，借位信号为0。
减法电路：
图3-2减法实现电路
三、译码显示电路
译码显示电路是由一个七段LED译码驱动器74HC4511和一个七段LED数码显示器组成。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．
图3-3译码显示电路
第四部分 电路图的仿真及检测
一、软件介绍
Multisim是美国国家仪器（NI）有限公司推出的以Windows为基础的仿真工具，适用于板级的模拟/数字电路板的设计工作。它包含了电路原理图的图形输入、电路硬件描述语言输入方式，具有丰富的仿真分析能力。Multisim随着计算机技术飞速发展，电路设计可以通过计算机辅助分析和仿真技术来完成。计算机仿真在教学中的应用，代替了大包大揽的试验电路，大大减轻验证阶段的工作量；其强大的实时交互性、信息的集成性和生动直观性，为电子专业教学创设了良好的平台，极大地激发了学生的学习兴趣，能够突出教学重点、突破教学难点；并能保存仿真中产生的各种数据，为整机检测提供参考数据，还可保存大量的单元电路、元器件的模型参数。采用仿真软件能满足整个设计及验证过程的自动化。 Multisim软件是一个专门用于电子线路仿真与设计的 EDA 工具软件。作为 Windows 下运行的个人桌面电子设计工具， Multisim 是一个完整的集成化设计环境。Multisim计算机仿真与虚拟仪器技术可以很好地解决理论教学与实际动手实验相脱节的这一问题。我们可以
很方便地把刚刚学到的理论知识用计算机仿真真实的再现出来，并且可以用虚拟仪器技术创造出真正属于自己的仪表。Multisim极大地提高了我们的学习热情和积极性，真正的做到了变被动学习为主动学习——这些在课设活动中已经得到了很好的体现。因而学习Multisim，除了可以提高仿真能力、综合能力和设计能力外，还可进一步提高实践能力。初步掌握一种电子电路计算机辅助分析和设计软件对学习模拟电子技术基础课很有必要。鉴于Multisim上述特点，本课设选用Multisim11.0作为基本工具，力图使我们从中学习电子电路的仿真方法和测试方法。
图4-1软件操作示意图
二、电路的调试
通过学习Multisim软件和对前面加减法运算电路的讨论，研究我们小组总结出一套简单方便又可达到要求的方案，并设计出以下电路图：
图4-2加减运算电路
图4-3加法显示电路
图4-4减法显示电路
图4-5无符号减法运算电路图
图4-6有符号减法实现电路图
三、元器件清单
1、加法电路器件
可用的加法运算器件为超前进位加法器74LS283或者4008来实现，还需用到2输入与门74LS08，3输入或门。
图4-7 74LS283和4008的引脚图
图4-8 74LS08的引脚图
2、减法电路器件
图4-9 74LS86的引脚图
由于没有直接做减法运算的器件，所以用补码来完成减法运算，仍要用到
74LS283或者4008，只需在加法器前加上4个异或门（一片74LS86）即可。
另外还有很多元器件比如：11个开关，五个异或门，一个或非门，两个与门和一个非门，四个显示器和一个七段译码显示器。这些元器件通过导线连接，形成闭合电路，在仿真软件中，进行仿真得出结果。装配自动流水线
第五部分 收获与心得体会
通过这次课程设计，加强了我们动手、思考和解决问题的能力。在整个设计过程中，经常会遇到这样那样的情况，就是心里想老着这样的接法可以行得通，但实际接上电路，总是实现不了，因此耗费在这上面的时间用去很多。我沉得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，平时课间的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，我们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。尤其学习软件Multisim，除了可以提高仿真能力、综合能力和设计能力外，还可进一步提高实践能力。初步掌握一种电子电路计算机辅助分析和设计软件对学习模拟电子技术基础课很有必要。
经过两个星期的实习，过程曲折可谓一言难尽。在此期间我们也失落过，也曾一度热情高涨。从开始时满富盛激情到最后汗水背后的复杂心情，点点滴滴无不令我回味无长。生活就是这样，汗水预示着结果也见证着收获。劳动是人类生存生活永恒不变的话题。我想说，设计确实有些辛苦，但苦中也有乐，在如今单一的理论学习中，很少有机会能有实践的机会，但我们可以，而且设计也是一个团队的任务，一起的工作可以让我们有说有笑，相互帮助，配合默契，多少人间欢乐在这里洒下，大学里一年的相处还赶不上这十来天的合作，我感觉我和同学们之间的距离更加近了；我想说，确实很累，但当我们看到自己所
做的成果时，心中也不免产生兴奋； 正所谓“人各有志”。我们同样可以为社会作出我们应该做的一切，这有什么不好？我们不断的反问自己。也许有人不喜欢这类的工作，也许有人认为设计的工作有些枯燥，但我们认为无论干什么，只要人生活的有意义就可。社会需要我们，我们也可以为社会而工作。既然如此，那还有什么必要失落呢？于是我们决定沿着自己的路，执着的走下去。
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