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1、哈工大数字电路设计加减乘三则计算器 作者： 日期：Harbin Institute of Technology数字电子技术基础大作业课程名称： 数字电子技术基础 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
2、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！哈尔滨工业大学一、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
3、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。 乘法运算乘法区显示输入和运算结果加减法区显示输入和运算结果 加减法运算加减运算选择 加减法、乘法 分区选择 减法运算 加法运算2. 系统方框图 置数 置数 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
4、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。 图1（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
5、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53.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
6、，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
7、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
8、）。 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142.减法计算器的仿真将总开关拨到加减区，再拨动减法开关，置数1001,0001输入显示9,1输出结果为8=9-1，与预期结果相同。说明完成减法功能。图153.乘法计算器的仿真将总开关拨到乘法区，置数0011,0011输入显示3,3输出结果为9=3*3，与预期结果相同。说明完成乘法功能。图16五、设计总结和感想心得通过以上的设计和仿真结果，说明本设计电路能完成四位二进制数字的加减和乘法运算，并
9、在数码显示管上能够显示出输入的数字和计算的结果。本次大作业的设计，在老师没有提出特别具体的要求、比较开放性的条件下，我就尽我所能地设计出较好的并且更好地完成功能的计算器电路。由于水平有限和时间仓促，可能还有很多不足和需要改进的地方，在考试结束后我会再想办法去做出进一步改进。其实在设计的过程中，先有了基本的想法，然后一点一点地去更改和完善，再一步步地去调试、改错，看看结果能不能满足要求，能不能更好地满足，这个过程其实还是蛮有意思的。我觉得数电知识对我们将来的生活和工作中会有很多运用，所以掌握好和运用好数电知识很重要，它也是我们电类方向学生的基础。本次大作业对我们的思维进行了锻炼，为我们将来解决实际问题也有很大的帮助，同时也让我收获了知识，增长了能力。
