数电课程设计报告书.docx

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数电课程设计报告书

1绪论

每学期末专业课都会要求我们进行课程设计，以检验我们对书本知识的掌握程度，提高我们的实践能力。

通过将书本上的知识运用到实际的电路上去，完成相应的电路功能。

这学期所学的数字电子也不例外，为了完成此次课程设计，我不仅查阅了书上所学的加减法的电路设计，并参考了网上的一些设计方案，对我在部分电路的设计上有了很大的启发。

下面就来阐述我此次课程设计的过程。

首先我就是要确定我此次电路设计的目标。

按照课程设计任务书的要求，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。

结合课本上的所学加法运算电路和减法运算电路，我觉得到达此次的课程设计目标不是特别困难。

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，这个过程大概一天就可以完成。

第二步利用软件对电路进行仿真，以验证电路的正确性，大概需要1天来完成。

第三步硬件焊接与调试，这个过程是最艰巨的，估计得要3天时间来完成。

第四步完成课程设计报告，1天半时间完成。

2设计原理说明

2.1电路原理方框图

电路原理方框图如下：

图2.1二进制加减运算原理框图

如图2.1所示，第一步，置入两个四位二进制数（要求置入的二进制数小于1010），如（1001）和（0111），同时在两个气短译码器上显示十进制数9和7；第二步，运用开关选择运算方式加法或者减法；第三步，若选择加法运算，则所置数据被送到加法运算电路进行运算，同理如果选择减法运算，则所置数据被送到减法运算电路进行运算；第四步，前面所得结果通过另外两段译码器显示。

即：

若选择加法运算方式，则（1001）+（0111）=（10000）十进制为：

9+7=16在数码管上显示结果为16；

若选择减法运算方式，则（1001）+（0111）=（0010）十进制为：

9-7=2在数码管上显示02。

2.2电路方案的设计

2.2.1加法运算电路的实现

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74LS283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。

利用74LS283构成的加法运算电路。

和

分别是两个二进制加数的输入端，

是低位进位输入端，通过高电平置数。

是和输出端，可通过LED灯显示。

是高位输出端。

2.2.2减法运算电路的实现

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-

。

通过对A-B的运算转化为对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。

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=

-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-

。

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，由于

=（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。

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。

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U11即可显示结果。

2.2.3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D3D2D1D0，再译码输出，最后在七段LED显示器中显示出来．

具体电路原理如下：

图2.2显示电路连接图

3电路设计与仿真

3.1电路原理图的设计

3.1.1输入整合电路

我们使用两个寄存器74LS192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，我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Co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运算时不同的输入要求。

当给74LS192输入脉冲后74LS192即可给74LS283输入数据。

设计的电路图如下：

图3.1输入整合电路

3.1.2输出整合电路

当进行加法计算的时候，计算结果在第一片283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283上输出结果，当进行小数减大数的时候，第一片283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283的输出经过异或门后输出不改变，从而第二片283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283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。

设计的电路图如下：

图3.2输出整合回路

3.1.3设计的总电路图

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。

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。

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。

而加法运算的时候都只需要输入数据的原码。

还有就是在输出方式上的不同，加法运算在第一片283的输出上就可得到结果，减法运算则需要在第二片283的输出得到结果。

所以我想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，并讲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。

设计的总电路图：

图3.3总电路图

3.2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。

我选择比较易用的Multisum软件进行电路的仿真，下面截取了几个个比较有代表性的仿真结果。

加法运算仿真结果如下图：

图3.4加法运算仿真图

减法运算仿真结果如下图：

图3.5减法运算仿真图

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果完全一致，说明我此次设计的电路成功的。

随后，我们又对电路图进行了一些修改，使其布局更加合理、导线的连接分布更加均匀，同时也使电路图整体看起来不叫匀称，为后续的硬件制作与调试步骤打下坚实的基础。

仿真成功后，接下来就是最艰巨的硬件制作和调试了。

4电路的焊接与调试

在电路仿真出来后，我们买回了元件进行电路板的焊接，由理论走向实践。

设计图上的高低电平输入，我们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“等于”按键。

电路的焊接和调试在设计中我使用了7个芯片，大概有差不多有50根连线。

在如此之小的板子上走线，需要很大的耐心来排线和焊接。

最后在同组同学的合作下，终于完成了焊接。

焊接完成了不代表板子就做成了，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。

图4.1实物电路板

5心得体会

这次课程设计是我第一次将课本上的理论知识以电路板的形式在实践中完成。

让我深刻感受到理论上的知识与实际的电路实现是有很大区别的。

这次在课程设计中出现的问题，使我知道了我所学的专业必须经过多实践才能真正的掌握。

在电路图设计的时候在网上我查到了一个方案，但是在看了那个方案后我觉得他虽然能实现加法和减法的运算，但是当是小数减大数的时候结果将出现补码，而并不是原码。

而且不能表示最高位和符号位。

于是我开始自己设计这个电路，使加法和减法电路能很好地融合在一起。

网上的设计方案解决了加减法输入的切换。

我设计的重点就在加减法输出的整合上。

使电路即能解决减法计算时出现的补码问题，又能在加法时显示进位，减法时显示符号位，并且共用输出端。

利用真值表我顺利的完成了设计的目标，理论知识第一次有了成功的运用。

　　在硬件制作时却遇到了很大的麻烦，平时都是使用实验箱来完成电路的连接，很多细节上的东西都不用考虑。

在电路板的焊接时触发了我对很多现时问题的思考。

比如芯片需要多大的直流电压才能工作，如何获得？

高低电平信号的接收范围是多少，如何产生？

脉冲信号如何简易产生？

通过解决这一系列的实际问题，我对知识有了更深一步的认识。

在调试的时候我们就发现了芯片的低电平不能用悬空得到，必须接地。

而脉冲的产生也并非原来所想的那样置入搞电平就可获得，而是需要置低电平，因为它自己悬空的时候就是高电平信号。

　　最后在解决了所有这些问题后我们的电路终于可以正确的工作了，那一刻我们是多么的兴奋。

这一次课程是很有意义的一次课程设计。

我第一次在课程设计上感受到了自己所学的知识，而不是机械的制作。

同时也摆正了自己对课程设计的态度，由从前的抵触到现在的喜欢。

参考文献

[1]蔡良伟.数字电路与逻辑设计.西安电子科技大学出版社,2003

[2]邹虹.数字电路与逻辑设计.人民邮电出版社,2004

[3]童诗白.华成英模拟电子技术基础高等教育出版社,2003

[4]邱关源.电路第5版:

高等教育出版社,2006年.

[5]吴锡龙编.电路分析.北京：

高等教育出版社，2004.