4位二进制乘法器的设计
一、概述
4位二进制乘法器在实际中的应用相当广泛，是一些计算器的基本组成部分，其原理适用于很多计算器和大型计算机，它涉及到时序逻辑电路如何设计、分析和工作等方面。通过此电路更深刻的了解时序逻辑部件的工作原理，从而掌握如何根据需要设计满足要求的各种电路图，解决生活中的实际问题，将所学知识应用于实践中。
根据任务书设计电路主要要求是：绘制出电路的原理图，并且诠释每部分的功能；根据设计的电路图分析所需要元器件种类和个数；根据技术指标制定实验方案，验证所设计的电路；进行实验数据处理和分析。
设计任务技术指标；输入数据：被乘数X（0000~1111）；乘数Y（0000~1111）；输入命令：启动信号S1，高有效。输出数据：乘积C（00000000~11100001）；其乘积可以存贮。
二、方案说明
此方案采用74LS194双向移位寄存器，74LS283加法器和 74LS00、74LS04等门电路。乘法就是反复进行移位和加法，被乘数放入MD寄存器，乘数放入MQ 寄存器，A寄存器中放结果，乘数的位数放在C寄存器中。AC寄存器的初值为0。A寄存器的内容被右移时，最高位移入0，其最低位内容被移入MQ的最高位。C 寄存器右移时，其最高位移入1。若MQ寄存器的最低位（用M(0)来表示）为1时，将被乘数与A寄存器中的内容用全加器相加后，将结果放回A寄存器中保存。若M(0)的值为0，将0与A寄存器的内容相加，将其结果再存入A寄存器。接着，将A、MQ、C寄存器的内容右移1位。将此动作反复进行乘数位数那么多遍。此乘法电路通过同步电路操作，运算与时钟脉冲同步进行。
从以上方案中可知，方案设有信号发生电路，数据输入电路，移位寄存电路，加法电路和运算结束判断电路和启动电路。各部分功能明确且之间的联系容易理解，所以采用这种方案。
原理框图如图1所示。
1
图1 4位二进制乘法器电路的原理框图
三、电路设计
1. 信号发生电路
因为A 寄存器起着存储并移位的作用，所以它的时钟信号频率应为主时钟频率的2倍，占空比相同且都大于50%，如图2信号发生电路。
图2 信号发生电路
加法器 E(触发器）
寄存器B(被乘数)
计数器P 检n
寄存器A(累加和)
寄存器Q(乘数)
进位
Q 0 Z 主时钟信号50HZ ，占空比50%
辅助时钟信号100HZ ，占空比50%
U21、U24的clk
U6的clk
U7、U10的clk
3
S2Key = 1
R6100Ω
R7100Ω
R8100Ω
R9100Ω
R10100Ω
R11100Ω
R12100Ω
R13100Ω
S3Key = 2
S4Key = 3
S5Key = 4
S6Key = 5
S7Key = 6
S8Key = 7
S9Key = 8
5
6
7
8
3
4
2
9V1
5 V
10
2. 数据输入电路
两个4位二进制数用开关控制其输入高低电平，左边四个为被乘数输入端左高位右低位，右边四个为乘数输入端，左高位右低位，如图4数据输入电路。
图3 数据输入电路
3. 移位寄存电路
因为两个4位二进制数相加结果可能为5位二进制数，所以将两个74LS194芯片连成一个8位双向移位寄存器,被乘数和乘数分别保存在两个74LS194寄存器中，如图4移位寄存电路。
图4 移位寄存电路
U6的4个输入端左高位右高位
U10的4个输入端左高位右高位
被乘数
乘数
主时钟
主时钟
辅助时钟
U15的4个输出端左高右低
U15的4个输入端左高右低
U15的另4个输入端左高右低
启动信号
U15的进位
4. 加法电路
该电路将根据主时钟信号和乘数最低位数字有选择性的把A寄存器中的数据和被乘数或0000相加，相加结果传送到A寄存器的输入端，如图5加法电路。
图5 加法电
5. 运算结束判断电路
用一个移位寄存器初始存储0000，随着主时钟信号右移输入1，当寄存器中四个输出端均为1时，返回给主时钟信号和辅助时钟信号一个低电平，所有时钟控制的芯片停止工作，此时A寄存器中存储乘积的高位，MQ寄存器中存储乘积的低电位，如图6运算结束判断电路。
主时钟
反馈给主时钟的停止信号
图6 运算结束判断电路
6. 启动电路
用电源电阻和一个单刀双掷开关组成的启动电路，开关左掷时至零，右掷时开始计算，如图7启动电路图。
U7至零端U7和U10的S1端
图7 启动电路图
四、性能的测试
按电路图连接好电路，根据闭合或打开S2至S9的开关确定输入的被乘数和乘数，打开仿真电源然后右掷S10，右上两个数码管（左端为高位，右端为地位）稳定后的显示即为乘法的结果，如图8。函数发生器信号发射如图9。表4.1列出了一些二进制数相乘的结果，一个结果出来后再计算其它值可先在输入端改正
5
输入的乘数和被乘数，将开关S10左掷时瞬间清零，然后右掷，即可得出新测试的值。
7
E X
图8 被乘数1111与乘数1111运算结果图
图9 函数发生器信号发射图
五、结论、性价比
该4位二进制乘法电路实现了任务书中的性能指标，具有启动开关S10（单刀双掷），其乘积可以被存储；S10右掷开始计算，输入和输出以及中间计算的移位过程通过LED数码显示器显示出来，非常直观。得出结果后若要继续计算其他数值可先改变输入端，再将S10左掷清零，然后S10右掷开始计算，因此具有较好的连续计算能力。
该电路主要用到了移位寄存器和加法器这两钟器件，各元件功能明确联系紧密，对乘法原理的实现简明易了。所用元器件种类较少性价比比较合适。
六、课设体会及合理化建议
通过设计4位二进制乘法器电路使我更深刻的了解时序逻辑部件的工作原理，从而掌握如何根据需要设计满足要求的各种电路，解决生活中的实际问题，将自己所学知识应用到生活和理论研究中，从而进一步对数字电子技术基础的知识有了新的理解。这次的课设我参阅了一些资料但与此课设相关的资料甚少，只找到了一篇关于二进制数乘法原理的介绍，通过仔细阅读分析深刻了解了乘法运算过程中的移位和相加过程，结合任务书的原理图，我开始逐个的测试、学习和使用74LS194和74LS283，通过半天多的时间掌握了这两个元件为后续电路的设
