计算机组成原理_阵列乘法器设计

沈阳航空航天大学

课程设计报告

课程设计名称：计算机组成原理课程设计课程设计题目：阵列乘法器的设计与实现

院（系）：计算机学院

专业：计算机科学与技术

班级：

学号：

姓名：

指导教师：

完成日期：2014年1月10日

沈阳航空航天大学课程设计报告

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目录

第1章总体设计方案 (1)

1.1设计原理 (1)

1.2设计思路 (2)

1.3设计环境 (3)

第2章详细设计方案 (3)

2.1总体方案的设计与实现 (4)

2.1.1总体方案的逻辑图 (4)

2.1.2器件的选择与引脚锁定 (4)

2.1.3编译、综合、适配 (5)

2.2功能模块的设计与实现 (5)

2.2.1一位全加器的设计与实现 (6)

2.2.2 4位输入端加法器的设计与实现 (7)

2.2.3 阵列乘法器的设计与实现 (10)

第3章硬件测试 (13)

3.1编程下载 (13)

3.2 硬件测试及结果分析 (13)

参考文献 (15)

附录（电路原理图） (16)

第1章总体设计方案

1.1 设计原理

阵列乘法器采用类似人工计算的方法进行乘法运算。人工计算方法是用乘数的每一位去乘被乘数，然后将每一位权值对应相加得出每一位的最终结果。如图1.1所示，用乘数的每一位直接去乘被乘数得到部分积并按位列为一行，每一行部分积末位与对应的乘数数位对齐，体现对应数位的权值。将各次部分积求和，即将各次部分积的对应数位求和即得到最终乘积的对应数位的权值。

为了进一步提高乘法的运算速度，可采用大规模的阵列乘法器来实现，阵列乘法器的乘数与被乘数都是二进制数。可以通过乘数从最后一位起一个一个和被乘数相与，自第二位起要依次向左移一位，形成一个阵列的形式。这就可将其看成一个全加的过程，将乘数某位与被乘数某位与完的结果加上乘数某位的下一位与被乘数某位的下一位与完的结果再加上前一列的进位进而得出每一位的结果，假设被乘数与乘数的位数均为4位二进制数，即m=n=4,A×B可用如下竖式算出，如图1.1所示。

X 4 X

3

X

2

X

1

=A

× Y

4 Y

3

Y

2

Y

1

=B

X

4Y

1

X

3

Y

1

X

2

Y

1

X

1

Y

1

X

4Y

2

X

3

Y

2

X

2

Y

2

X

1

Y

2

X

4Y

3

X

3

Y

3

X

2

Y

3

X

1

Y

3

(进位) X4Y4 X3Y4 X2Y4 X1Y4

Z

8 Z

7

Z

6

Z

5

Z

4

Z

3

Z

2

Z

1

图1.1 A×B计算竖式

X

4 ,X

3

,X

2

,X

1

,Y

4

,Y

3

,Y

2

,Y

1

为阵列乘法器的输入端，Z

1

-Z

8

为阵列乘法器

的输出端，该逻辑框图所要完成的功能是实现两个四位二进制既A(X)*B(Y)的

乘法运算，其计算结果为C(Z) (其中A(X)=X

4X

3

X

2

X

1

，B(Y)=Y

4

Y

3

Y

2

Y

1

，

C(Z)=Z

8Z

7

Z

6

Z

5

Z

4

Z

3

Z

2

Z

1

而且输入和输出结果均用二进制表示 )。阵列乘法器的总原

理如图1.2所示。

图1.2 阵列器的总原理图

1.2 设计思路

（1）整体部分：阵列乘法器采用的是先逐位求解部分积，本课程设计要完成X 与Y 的乘法运算(X=X 4X 3X 2X 1,Y=Y 4Y 3Y 2Y 1)， 采用自上而下的设计方法，顶层设计采用8输入和8输出的一个自设置芯片，芯片内部封装16个模块，构成4×4的乘法阵列，如图1.3所示，阵列的每一行送入乘数Y 的每一位数位，而各行错开形成的每一斜列则送入被乘数的每一数位。

图 1.3 阵列乘法器4×4阵列

（2）单元部分：设计整体框图中的每一个细胞模块实现的功能是计算部分积和向高位的进位。

（3）仿真部分：将整个电路连接好以后即可进行仿真，用以验证设计是否

X1

0 X2

0 X3 0 X4

Y4 0

Y3 0

Y1 0

Y2 0

2

1

7

6

3

4

5

8

全加

&

进位入

Xi Yi

部分积出

进位出 部分积入

X1 Z1 X2 Z2 X3 Z3 X4 Z4 Y1 Z5 Y2 Z6 Y3 Z7 Y4 Z8

正确。主要需要仿真的部分有：一位全加器、4输入加法器以及整体电路图。

（4）采用硬件描述语言进行电路设计并实现给定的功能，设计的原理图经编译、调试后形成*.bit文件并下载到XCV200可编程逻辑芯片中，经硬件测试验证设计的正确性。

阵列乘法器是由十六个模块组成，每一个模块构包括一个与门和一位全加器。具体的各个模块的设计在模块设计中一一呈现。

1.3 设计环境

（1）硬件坏境：伟福COP2000型计算机组成原理实验仪、XCV200实验板、微机。具体内容如下：

COP2000实验仪：COP2000计算机组成原理实验系统由实验平台、开关电源、软件三大部分组成实验平台上有寄存器组R0-R3、运算单元、累加器A、暂存器B、直通/左移/右移单元、地址寄存器、程序计数器、堆栈、中断源、输入/输出单元、存储器单元、微地址寄存器、指令寄存器、微程序控制器、组合逻辑控制器、扩展座、总线插孔区、微动开关/指示灯、逻辑笔、脉冲源、20个按键、字符式LCD、RS232口。

XCV200实验板：在COP2000 实验仪中的FPGA 实验板主要用于设计性实验和课程设计实验，它的核心器件是20 万门XCV200 的FPGA 芯片。用FPGA 实验板可设计8 位16 位和32 位模型机

（2）软件坏境：Xilinx foundation f3.1设计软件、COP2000仿真软件。Xilinx foundation f3.1是Xilinx公司的可编程期间开发工具，该平台功能强大，主要用于百万逻辑门设计。该系统由设计入口工具、设计实现工具、设计验证工具三大部分组成。COP2000 集成开发环境是为COP2000 实验仪与PC 机相连进行高层次实验的配套软件，它通过实验仪的串行接口和PC 机的串行接口相连，提供汇编、反汇编、编辑、修改指令、文件传送、调试FPGA 实验等功能，该软件在Windows 下运行。

第2章详细设计方案

2.1 总体方案的设计与实现

本课设采用自上而下的设计方法，其顶层方案图实现4×4位阵列乘法器的逻辑功能，采用原理图设计输入方式完成，把16个细胞模块封装在自设置的芯片内，电路实现基于XCV200可编程逻辑芯片。在完成原理图的功能设计后，把输入/输出信号安排到XCV200指定的引脚上去，实现芯片的引脚锁定，即在每一个IPAD与OPAD都锁定一个引脚。

2.1.1总体方案的逻辑图

顶层图形文件主要由四位被乘数输入端(X

4X

3

X

2

X

1

)、四位乘数输入端(Y

4

Y

3

Y

2

Y

1

)

和八位乘积输出端(Z

8Z

7

Z

6

Z

5

Z

4

Z

3

Z

2

Z

1

)。

4×4阵列乘法器总设计框图可利用Xilinx foundation f3.1模块实现顶层图形文件的设计，顶层图形文件结构如图2.1所示。

图2.1 4×4阵列乘法器总设计框图

2.1.2器件的选择与引脚锁定

（1）器件的选择

硬件设计环境以伟福COP2000型计算机组成原理实验仪和XCV200实验板为硬件平台，采用Xilinx foundation f3.1设计工具和COP2000仿真软件。

（2）引脚锁定

把顶层图形文件中的输入/输出信号安排到Xlinx XCV200芯片指定的引脚上

去，实现芯片的引脚锁定，各信号及Xlinx XCV200芯片引脚对应关系如表2.1所示。

表2.1信号和芯片引脚对应关系

阵列乘法器内部信号原理图中的信号XCV200芯片引脚

Y4 YY4 P41

Y3 YY3 P40

Y2 YY2 P39

Y1 YY1 P38

X4 XX4 P36

X3 XX3 P35

X2 XX2 P34

X1 XX1 P33

Z8 ZZ8 P125

Z7 ZZ7 P124

Z6 ZZ6 P109

Z5 ZZ5 P108

Z4 ZZ4 P107

Z3 ZZ3 P99

Z2 ZZ2 P93

Z1 ZZ1 P78

2.1.3编译、综合、适配

利用Xilinx foundation f3.1对顶层图形文件进行编译、综合、优化、逻辑分割、适配和布线，生成可供时序仿真的文件和器件下载编程文件。

2.2功能模块的设计与实现

4×4阵列乘法器的每一个模块都是由一个两输入与门和一个全加器组成的，设计时将与门和全加器使用原理图输入设计方式实现阵列乘法器一个模块的功能。下面分成三大块：由小单元器件模块到最终阵列乘法器大功能模块（其中包括：功能表，仿真图）

2.2.1一位全加器的设计与实现

2.2.1.1 功能描述

一位全加器指两个多位二进制数中的某一位的加法运算电路，其输入变量有3个：被加数XN、加数YN、低一位的进位输入CIN；输出变量有2个：产生的和FN和进位输出COUT。一位全加器的真值表如表2.1所示。

表2.2一位全加器真值表

XN YN CIN COUT FN

0 0 0 0 0

0 0 1 0 1

0 1 0 0 1

0 1 1 1 0

1 0 0 0 1

1 0 1 0 0

1 1 0 0 0

1 1 1 1 1

由表可写出逻辑表达式如下：

COUTN=（YN）,(CIN)(XN),+（XN）,(CIN),(YN)+（YN）,(CIN),(XN)+（YN）(CIN)(XN)

FN=（YN）(CIN)(XN),+（XN）(CIN)(YN),+（YN）(XN)(CIN),+（YN）(CIN)(XN)化简结果如下：

COUTN=(XN)(YN)+CIN(XN⊕YN)

FN=XN⊕YN⊕CIN

2.2.1.2 电路图

根据逻辑表达式的化简结果可得一位全加器的逻辑图，如下图2.2所示：

图2.2一位全加器的电路图

一位全加器可以由两个与门，三个异或门及一个或门构成，XN,YN,CIN分别表示乘数与被乘数的一位二进制数和来自低位的进位。

2.2.1.3 功能仿真

仿真调试主要验证设计电路逻辑功能、时序的正确性，用高电平代表输入的二进制数为1，低电平代表输入的二进制数为0，本设计中主要采用功能仿真方法对设计的一位全加器电路进行仿真。

（1）建立仿真波形文件及仿真信号选择：

功能仿真时，首先建立仿真波形文件，选择仿真信号，对选定的输入信号设置参数，选定的仿真信号和设置的参数如功能表2.1所示。

图2.3 一位全加器的功能仿真图

（2）功能仿真结果与分析

上图2.3是一位全加器的功能仿真波形结果，而仿真数据结果如表2.1所示，当输入分别为000、001、010、011、100、101、110、111时，相对应的输出分别为00、01、01、10、01、00、00、11，对表与仿真图的结果进行对比，可以看出功能仿真结果是正确的，进而说明电路设计正确性

2.2.2 4位输入端加法器的设计与实现

2.2.2.1功能描述

4位输入端加法器是在一位全加器的基础之上加上一个与门所构成，其真值表如表2.3所示。

表2.3 4位输入端加法器真值表

XIN YIN PARTIN CNIN CNOUT PARTOUT

0 0 0 0 0 0

0 0 1 1 1 0

0 1 0 0 0 0

0 1 1 1 1 0

1 0 0 0 0 0

1 0 1 1 0 0

1 1 0 0 1 0

1 1 1 1 1 1

0 0 0 1 0 0

0 0 1 0 1 0

0 1 0 1 0 0

0 1 1 0 1 0

1 0 0 1 0 0

1 0 1 0 1 0

1 1 0 1 0 1

1 1 1 0 1 1

其中XIN、YIN表示乘数与被乘数多位二进制中的一位二进制数,CNIN表示进位输入,CNOUT表示进位输出,PARTOUT表示部分积。

2.2.2.2电路图

4位输入端加法器可以由一个与门和一位全加器构成，加法器的逻辑图如下图2.4所示：

图2.4 4位输入端加法器电路图

注：AND表示两个逻辑量相与，XOR表示两个逻辑量相异或，OR表示两个逻辑量相或。

阵列乘法器由十六个相同的基本乘法器模块构成，每一个模块的内部图如上图2.4所示，由四个输入端（XIN，YIN，PARTIN，CNIN），两个输出端（PARTOUT，CNOUT）组成。实现XIN，YIN与完后和PARTIN，CNIN相加后，PARTOUT输出部分积结果加到同一列的下一行的模块上，CNOUT输出结果加到同一行的下一列的模块上。依次类推将结果输出。

2.2.2.3功能仿真

仿真调试主要验证设计电路逻辑功能、时序的正确性，用高电平代表输入的

二进制数为1，低电平代表输入的二进制数为0，本设计中主要采用功能仿真方法对设计的4端输入加法器电路进行仿真。

（1）建立仿真波形文件及仿真信号选择：

功能仿真时，首先建立仿真波形文件，选择仿真信号，对选定的输入信号设置参数，选定的仿真信号和设置的参数如功能表2.3所示。

图2.5 4位输入端加法器的功能仿真图

（2）功能仿真结果与分析

功能仿真波形结果如图2.5所示，仿真数据结果如表2.3所示。对表2.3与仿真图2.5的结果进行对比，当输入分别为0000、0011、0100、0111、1000、1011、1100、1111、0001、0010、0101、0110、1001、1010、1101、1110，相对应的输出分别为00、10、00、10、00、00、10、11、00、10、00、10、00、10、

01、11，可以看出功能仿真结果是正确的，进而说明电路设计正确性

2.2.2.4 4输入端加法器的封装

为了能在图形编辑器（原理图设计输入方式）中调用此器件，需要为此器件创建一个元件图形符号，可用Xilinx Foundation3.1编译器的Create Symbol 模块实现。此元件如下图2.6所示（为图2.4的封装图）。

图2.6 4位输入端加法器的封装图

2.2.3 阵列乘法器的设计与实现

2.2.

3.1功能描述

4×4阵列乘法器可以由16个4输入加法器模块构成，一个模块由三个与门、三个异或门和一个或门组成。输入方式采用原理图输入设计方式。四个输入为

XIN、YIN、PARTIN，CNIN，两个输出为PARTOUT、CNOUT。X

1、X

2

、X

3

、X

4

为阵列

乘法器的四个被乘数输入端Y

1、Y

2

、Y

3

、Y

4

为四个乘数输入端。将输入输出连接

在模块上。Z

1、Z

2

、Z

3

、Z

4

、Z

5

、Z

6

、Z

7

、Z

8

为八个乘积的输出端。阵列乘法器的

部分真值表如下表2.4所示。

表2.4 阵列乘法器部分真值表

X1-X4 Y1-Y4Z8-Z1 0100 0111 00001100 0101 1000 00010100 0110 1010 00011110 1000 1110 00001111 1111 1010 01001011 1011 0101 10000010 0101 0011 01111000 1001 0100 00010110 1111 1111 11100001

2.2.

3.2电路图

阵列乘法器的电路图如下图2.7所示

图2.7 4×4阵列乘法器电路图

2.2.

3.3功能仿真

仿真调试主要验证设计电路逻辑功能、时序的正确性，用高电平代表输入的二进制数为1，低电平代表输入的二进制数为0，本设计中主要采用功能仿真方法对设计的4端输入加法器电路进行仿真。

图2.8 4×4阵列乘法器功能仿真图

（1）建立仿真波形文件及仿真信号选择：

功能仿真时，首先建立仿真波形文件，选择仿真信号，对选定的输入信号设置参数，选定的仿真信号和设置的参数如功能表2.4所示。

（2）功能仿真结果与分析

功能仿真波形结果如图2.8所示，仿真数据结果如表2.4所示。对表2.4与仿真图2.8的结果进行对比，当X、Y输入的分别为0100×0111、0101×1000、0110×1010、1000×1110、1111×1010、1011×0101、0101×0011、1001×0100、1111×1111，相对应的输出结果分别为00001100、00010100、00011110、00001111、01001011、10000010、01111000、00010110、11100001（此仿真图从

Z 8到Z

1

的顺序看），可以看出功能仿真结果是正确的，进而说明电路设计正确性。

第3章硬件测试

3.1 编程下载

利用COP2000仿真软件的编程下载功能，将得到ADD.bit文件下载到XCV200实验板的XCV200可编程逻辑芯片中。

3.2 硬件测试及结果分析

利用XCV200实验板进行硬件功能测试。阵列乘法器的输入数据通过XCV200实验板的输入开关k4实现，输出数据通过XCV200实验板的发光二极管LED指示灯实现，其对应关系如表3.2所示。

表3.1XCV200实验板信号对应关系

XCV200芯片引脚信号XCV200实验板锁脚号XCV200实验板对应的开关X1 P033 K4：0

X2 P034 K4：1

X3 P035 K4：2

X4 P036 K4：3

Y1 P038 K4：4

2 P039 K4：5

Y3 P040 K4：6

Y4 P041 K4：7

Z1 P078 B0

Z2 P093 B1

Z3 P099 B2

Z4 P107 B3

Z5 P108 B4

Z6 P109 B5

Z7 P124 B6

Z8 P125 B7

硬件测试图如图3.2所示，当输入：X1 X2X3X4为1111,Y1Y2Y3Y4 为 1111 时其结果输出：E 1即（11100001），查相应功能表2.4，得结果为正确可以看出硬件测试结果是正确的，说明电路设计完全正确。

图3.1硬件测试图

参考文献

[1] 曹昕燕.EDA技术实验与课程设计［M］.北京：清华大学出版社，2006

[2] 范延滨.微型计算机系统原理、接口与EDA设计技术[M].北京：北京邮电大

学出版社，2006

[3] 唐朔飞.计算机组成原理（第2版）[M].北京：高等教育出版社，2008

[4]侯建军.数字逻辑与系统解题指导和Foundation操作指南北京 2001 中国铁道出版社

[5] 李景华.可编程程逻辑器件与EDA技术［M］.北京：东北大学出版社，2001

[6] 范延滨.微型计算机系统原理、接口与EDA设计技术[M].北京：北京邮电大

学出版社，2006

[7] 王爱英.计算机组成与结构(第4版)[M].北京：清华大学出版社，2006

[8] 姜雪松.可编程逻辑器件和EAD设计技术 [M].北京：机械工业出版社，2005

[9] 柳春风.电子设计自动化（EAD）教程[M].北京：北京理工大学大学出版社，2005

[10] 史士英. 计算机组成原理与系统结构[M].北京：国防工业出版社，2006

[11] 颜志英. 微机系统与接口技术[M].北京：清华大学出版社，2009

[12] 李平. 电子设计自动化快速入门教程[M].北京：高等教育出版社，2003

附录（电路原理图）

课程设计总结：

指导教师评语：

指导教师(签字)：年月日课程设计成绩

计算机组成原理阵列乘法器课程设计报告

. 课程设计

. 教学院计算机学院 课程名称计算机组成原理题目4位乘法整列设计专业计算机科学与技术班级2014级计本非师班姓名唐健峰 同组人员黄亚军 指导教师 2016 年10 月 5 日

1 课程设计概述 1.1 课设目的 计算机组成原理是计算机专业的核心专业基础课。课程设计属于设计型实验，不仅锻炼学生简单计算机系统的设计能力，而且通过进行设计及实现，进一步提高分析和解决问题的能力。 同时也巩固了我们对课本知识的掌握，加深了对知识的理解。在设计中我们发现问题，分析问题，到最终的解决问题。凝聚了我们对问题的思考，充分的锻炼了我们的动手能力、团队合作能力、分析解决问题的能力。 1.2 设计任务 设计一个4位的二进制乘法器： 输入信号：4位被乘数A（A1,A2,A3,A4）, 4位乘数B（B1,B2,B3,B4）, 输出信号：8位乘积q(q1,q2,q3,q4,q5,q6,q7,q8). 1.3 设计要求 根据理论课程所学的至少设计出简单计算机系统的总体方案，结合各单元实验积累和课堂上所学知识，选择适当芯片，设计简单的计算机系统。 （1）制定设计方案： 我们小组做的是4位阵列乘法器，4位阵列乘法器主要由求补器和阵列全加器组成。 （2）客观要求 要掌握电子逻辑学的基本内容能在设计时运用到本课程中，其次是要思维灵活遇到问题能找到合理的解决方案。小组成员要积极配合共同达到目的。

2 实验原理与环境 2.1 1.实验原理 计算机组成原理，数字逻辑，maxplus2是现场可编程门阵列，它是在PAL、GAL、CPLD等可编程器件的基础上进一步发展的产物。它是作为专用集成电路（ASIC）领域中的一种半定制电路而出现的，既解决了定制电路的不足，又克服了原有可编程器件门电路数有限的缺点。 用乘数的每一位去乘被乘数，然后将每一位权值直接去乘被乘数得到部分积，并按位列为一行每一行部分积末位与对应的乘数数位对齐，体现对应数位的权值，将各次部分积求和得到最终的对应数位的权值。 2.2 2.实验环境 2.2.1双击maxplu2II软件图标，启动软件 （1）.新建工程，flie->new project ....，出现存储路径的选项框，指定项目保存路径并且为工程命名，第三行设置实体名，保持与工程名一致。点击OK

计算机组成原理_阵列乘法器设计

沈阳航空航天大学 课程设计报告 课程设计名称：计算机组成原理课程设计课程设计题目：阵列乘法器的设计与实现 院（系）：计算机学院 专业：计算机科学与技术 班级： 学号： 姓名： 指导教师： 完成日期：2014年1月10日

沈阳航空航天大学课程设计报告 _______________________________________________________________________________ 目录 第1章总体设计方案 (1) 1.1设计原理 (1) 1.2设计思路 (2) 1.3设计环境 (3) 第2章详细设计方案 (3) 2.1总体方案的设计与实现 (4) 2.1.1总体方案的逻辑图 (4) 2.1.2器件的选择与引脚锁定 (4) 2.1.3编译、综合、适配 (5) 2.2功能模块的设计与实现 (5) 2.2.1一位全加器的设计与实现 (6) 2.2.2 4位输入端加法器的设计与实现 (7) 2.2.3 阵列乘法器的设计与实现 (10) 第3章硬件测试 (13) 3.1编程下载 (13) 3.2 硬件测试及结果分析 (13) 参考文献 (15) 附录（电路原理图） (16)

第1章总体设计方案 1.1 设计原理 阵列乘法器采用类似人工计算的方法进行乘法运算。人工计算方法是用乘数的每一位去乘被乘数，然后将每一位权值对应相加得出每一位的最终结果。如图1.1所示，用乘数的每一位直接去乘被乘数得到部分积并按位列为一行，每一行部分积末位与对应的乘数数位对齐，体现对应数位的权值。将各次部分积求和，即将各次部分积的对应数位求和即得到最终乘积的对应数位的权值。 为了进一步提高乘法的运算速度，可采用大规模的阵列乘法器来实现，阵列乘法器的乘数与被乘数都是二进制数。可以通过乘数从最后一位起一个一个和被乘数相与，自第二位起要依次向左移一位，形成一个阵列的形式。这就可将其看成一个全加的过程，将乘数某位与被乘数某位与完的结果加上乘数某位的下一位与被乘数某位的下一位与完的结果再加上前一列的进位进而得出每一位的结果，假设被乘数与乘数的位数均为4位二进制数，即m=n=4,A×B可用如下竖式算出，如图1.1所示。 X 4 X 3 X 2 X 1 =A × Y 4 Y 3 Y 2 Y 1 =B X 4Y 1 X 3 Y 1 X 2 Y 1 X 1 Y 1 X 4Y 2 X 3 Y 2 X 2 Y 2 X 1 Y 2 X 4Y 3 X 3 Y 3 X 2 Y 3 X 1 Y 3 (进位) X4Y4 X3Y4 X2Y4 X1Y4 Z 8 Z 7 Z 6 Z 5 Z 4 Z 3 Z 2 Z 1 图1.1 A×B计算竖式 X 4 ,X 3 ,X 2 ,X 1 ,Y 4 ,Y 3 ,Y 2 ,Y 1 为阵列乘法器的输入端，Z 1 -Z 8 为阵列乘法器 的输出端，该逻辑框图所要完成的功能是实现两个四位二进制既A(X)*B(Y)的 乘法运算，其计算结果为C(Z) (其中A(X)=X 4X 3 X 2 X 1 ，B(Y)=Y 4 Y 3 Y 2 Y 1 ， C(Z)=Z 8Z 7 Z 6 Z 5 Z 4 Z 3 Z 2 Z 1 而且输入和输出结果均用二进制表示 )。阵列乘法器的总原 理如图1.2所示。

换能器优化设计与实验

燕山大学 本科毕业设计（论文）文献综述 课题名称：超声波换能器优化设计与实验 学院（系）：里仁学院 年级专业：工业自动化仪表2班 学生姓名：孙骏 指导教师：童凯 完成日期： 2013年3月27日

一、课题国内外现状 超声技术出现于20世纪初期.它是以经典声学理论为基础,同时结合电子学、材料学、信号处理技术、雷达技术、固体物理、流体物理、生物技术及计算技术等其他领域的成就而发展起来的一门综合性高新技术学科。近一个世纪的发展历史表明,超声学是声学发展中最为活跃的一部分,它不仅在一些传统的工农业技术中获得广泛应用,而且已经渗透到国防、生物、医学及航空航天等高技术领域。 超声技术已成为国际上公认的高科技领域.随着科学技术的发展,超声技术必将在我国的国民经济建设中发挥越来越大的作用。超声换能器是超声技术中的一个重要组成部分,其研发水平直接决定了超声技术的发展及应用广泛程度。超声换能器的研究是一门综合技术,其发展与现代科学技术密切相关.电子技术、自动控制技术、计算机技术以及新材料技术是影响超声换能器发展水平的一些重要的高新技术。 1、超声换能器的种类 目前超声换能器的种类有很多。按照能量转换的机理和所用的换能材料,可分为压电换能器、磁致伸缩换能器、静电换能器(电容型换能器)、电磁声换能器、机械型超声换能器等.按照换能器的振动模式,可分为纵向(厚度)振动换能器、剪切振动换能器、扭转振动换能器、弯曲振动换能器、纵-扭复合以及纵-弯复合振动模式换能器等。按照换能器的工作介质,可分为气介超声换能器、液体换能器以及固体换能器等.按照换能器的工作状态,可分为发射型超声换能器、接收型超声换能器和收发两用型超声换能器。按照换能器的输入功率和工作信号,可分为功率超声换能器、检测超声换能器、脉冲信号换能器、调制信号换能器和连续波信号换能器等.按照换能器的形状,可分为棒状换能器、圆盘型换能器、圆柱型换能器、球形换能器及复合型超声换能器等。另外,不同的应用需要不同形式的超声换能器,如平面波超声换能器、球面波超声换能器、柱面波超声换能器、聚焦超声换能器以及阵列超声换能器等等。 2、超声换能器的性能参数 超声换能器是一种能量转换器件,其性能描述与评价需要许多参数。超声换能器的特性参数包括共振频率、频带宽度、机电耦合系数、电声效率、

(完整版)计算机组成原理知识点总结

第2章数据的表示和运算 主要内容： （一）数据信息的表示 1.数据的表示 2.真值和机器数 （二）定点数的表示和运算 1.定点数的表示：无符号数的表示；有符号数的表示。 2.定点数的运算：定点数的位移运算；原码定点数的加/减运算；补码定点数的加/减运算；定点数的乘/除运算；溢出概念和判别方法。 （三）浮点数的表示和运算 1.浮点数的表示：浮点数的表示范围；IEEE754标准 2.浮点数的加/减运算 （四）算术逻辑单元ALU 1.串行加法器和并行加法器 2.算术逻辑单元ALU的功能和机构 2.3 浮点数的表示和运算 2.3.1 浮点数的表示 （1）浮点数的表示范围 ?浮点数是指小数点位置可浮动的数据，通常以下式表示： N=M·RE 其中，N为浮点数，M为尾数，E为阶码，R称为“阶的基数（底）”，而且R

为一常数，一般为2、8或16。在一台计算机中，所有数据的R都是相同的，于是不需要在每个数据中表示出来。 浮点数的机内表示 浮点数真值：N=M ×2E 浮点数的一般机器格式： 数符阶符阶码值 . 尾数值 1位1位n位m位 ?Ms是尾数的符号位，设置在最高位上。 ?E为阶码，有n+1位，一般为整数，其中有一位符号位EJ，设置在E的最高位上，用来表示正阶或负阶。 ?M为尾数，有m位，为一个定点小数。Ms=0，表示正号，Ms=1，表示负。 ?为了保证数据精度，尾数通常用规格化形式表示：当R＝2，且尾数值不为0时，其绝对值大于或等于0.5。对非规格化浮点数，通过将尾数左移或右移，并修改阶码值使之满足规格化要求。 浮点数的机内表示 阶码通常为定点整数，补码或移码表示。其位数决定数值范围。阶符表示数的大小。 尾数通常为定点小数，原码或补码表示。其位数决定数的精度。数符表示数的正负。

八位乘法器VHDL及功能模块说明

EDA课程设计报告 实验名称：八位乘法器

目录 一.引言 1.1 EDA技术的概念?? 1.2 EDA技术的特点?? 1.3 EDA设计流程?? 1.4 VHDL介绍?? 二．八位乘法器的设计要求与设计思路??2.1 设计目的?? 2.2 设计要求?? 三．八位乘法器的综合设计?? 3.1 八位乘法器功能?? 3.2 八位乘法器设计方案?? 3.3 八位乘法器实体设计?? 3.4 八位乘法器VHDL设计?? 3. 5八位乘法器仿真图形?? 心得体会?? 参考文献??

一、引言 1.1 EDA技术的概念 EDA是电子设计自动化（Electronic Design Automation）的缩写，在20世纪90年代初从计算机辅助设计（CAD）、计算机辅助制造（CAM）、计算机辅助测试（CAT）和计算机辅助工程（CAE）的概念发展而来的。EDA技术就是以计算机为工具，设计者在EDA软件平台上，用硬件描述语言HDL完成设计文件，然后由计算机自动地完成逻辑编译、化简、分割、综合、优化、布局、布线和仿真，直至对于特定目标芯片的适配编译、逻辑映射和编程下载等工作。 1.2 EDA技术的特点 利用EDA技术进行电子系统的设计，具有以下几个特点：①用软件的方式设计硬件；②用软件方式设计的系统到硬件系统的转换是由有关的开发软件自动完成的；③设计过程中可用有关软件进行各种仿真；④系统可现场编程，在线升级；⑤整个系统可集成在一个芯片上，体积小、功耗低、可靠性高。因此，EDA技术是现代电子设计的发展趋势。 1.3 EDA设计流程 典型的EDA设计流程如下: 1、文本/原理图编辑与修改。首先利用EDA工具的文本或图形编辑器将设计者的设计意图用文本或图形方式表达出来。 2、编译。完成设计描述后即可通过编译器进行排错编译，变成特定的文本格式，为下一步的综合做准备。 3、综合。将软件设计与硬件的可实现性挂钩，是将软件转化为硬件电路的关键步骤。 4、行为仿真和功能仿真。利用产生的网表文件进行功能仿真，以便了解设计描述与设计意图的一致性。 5、适配。利用FPGA/CPLD布局布线适配器将综合后的网表文件针对某一具体的目标器件进行逻辑映射操作，其中包括底层器件配臵、逻辑分割、逻辑优化、布局布线。适配报告指明了芯片内资源的分配与利用、引脚锁定、设计的布尔方程描述情况。

换能器及热量表的原理及设计

换能器及热量表的原理及设计 今天为大家介绍一项国家发明授权专利——一种换能器及热量表。该专利由杭州三花研究院有限公司申请，并于2017年7月11日获得授权公告。 内容说明本发明涉及热交换领域，更具体的说，涉及一种换能器及热量表。 发明背景超声波热量表是利用超声波换能器发射与接收超声波，通过测量超声波在顺、逆流的时间差计算流速的。超声波换能器是超声波热量表的一级传感器，超声波换能器的好坏直接决定了超声波热量表的质量。 一般情况下，超声波换能器是采用压电陶瓷片的压电效应和逆压电效应将电信号转换为超声波信号，经过管段中流动的水后，再将超声波信号转换为电信号。压电陶瓷片的工作环境是高温、高压、浸泡在水中，不经过封装的压电陶瓷裸片，无法在这样的工作环境中正常工作。现有技术中，都是将压电陶瓷片封装上外壳。 超声波换能器的性能参数，如谐振频率，机电耦合系数，机械品质因数、阻抗特性、指向性等，都与压电陶瓷片/的封装工艺有关。不同的封装会导致这些电性能参数不同程度的偏移，进而影响发射与接收效率。另外，压电陶瓷片的封装外壳要保证压电陶瓷片工作在高温、高压、浸泡在水中等恶劣的工作环境中正常使用，不会损坏。因此，压电陶瓷片的封装工艺对超声波热量表的测量精度和正常使用至关重要。 换能器一般采用圆柱形的薄片压电陶瓷片，正反两面分别是正、负电极。现有的压电陶瓷片封装方式是用导电胶将压电陶瓷片与薄膜外壳粘合。现有的换能器技术存在的缺点：压电陶瓷片因长期浸泡在水中或在湿度较大的环境中工作，且容易受外界环境的高温、高压以及静电的影响，信号准确率低且寿命较短。 发明内容本发明的目的之一在于：为解决上述现有技术所述的缺陷提供一种换能器；本发明的目的之二在于：解决上述现有技术所述的缺陷提供一种换能器的封装工艺；本发明的目的之三在于：为解决上述现有技术所述的缺陷提供一种超声波热量表。 本发明为解决上述现有技术的缺陷，提供了一种换能器，包括压电陶瓷片和封装所述压电陶瓷片的外壳和底座，所述外壳为一端开口的壳体，所述壳体内侧底部涂有粘胶，所述压

计算机组成原理电子教案

《计算机组成原理》电子教案 课程名称：计算机组成原理 适用专业：计算机科学与技术网络工程课程总学时：80学时 编写时间： 2006年9月

本课程是计算机专业本科生的核心课程，是主干必修课。课程以阐述原理为主，讲述计算机系统及其各功能部件的工作原理以及逻辑实现，计算机系统及其各功能部件的设计原理以及并行处理技术。设置这一课程的目的是使学生掌握计算机的基本工作原理，掌握计算机各主要部件的硬件结构、相互联系和作用，掌握计算机系统的设计原理以及软硬件的界面，从而对整个计算机系统有完整的了解，为计算机专业的后继课程的学习打下基础。 一、本课程得主要内容 1、计算机系统概论 2、运算方法和运算器 3、存储器 4、计算机指令系统 5、控制器 6、总线系统 7、外围设备 8、输入、输出系统 二、本课程教学重点与难点 重点：信息编码和数据表示 控制器 存储系统 输入输出系统 三、教材选用 《计算机组成原理》白中英.科学出版社， 四、参考教材： 主要参考书： 1、李亚明.《计算机组成与系统结构》.清华大学出版社.2001

2、王爱英.《计算机组成与结构》.清华大学出版社.1998 3、江义鹏.《计算机组成原理》.人民邮电出版社.1998 4、胡越明.《计算机组成和系统结构》.上海科学技术文献出版社.1999 五、教学手段：多媒体课件+版书 六、课程内容和学时分配 （整体安排按信息表示、信息处理、信息输出思路。） 1、计算机系统概论 教学内容： 1、计算机系统的基本构成 2、计算机系统的层次结构 3、计算机系统结构、组成及其实现 4、计算机的性能评价 5、计算机发展简史 6、计算机的应用 基本要求： 通过本章的学习，要求了解整个计算机系统由硬件和软件两部分构成，其中硬件部分包括运算器、控制器、存储器、输入输出设备等五大功能部件构成。通过总线相互连成一个完整的硬件系统；软件部分包括系统软件、应用软件两大部分。通过对计算机层次结构的了解，明确计算机组成原理课程的任务和目的。了解计算机中的一些基本概念，包括性能指标、计算机发展简史以及计算机的应用。 教学重点： 1、计算机系统的基本构成 2、计算机系统的层次结构 3、计算机系统结构、组成及其实现 教学难点：计算机系统的层次结构、系统结构、组成及其实现的关系。明确计算机组成原理课程的任务和目的。 其它： 4、计算机的性能评价（字长、容量、速度、时间、MIPS） 5、计算机发展简史（ENIAC、冯氏计算机、其它自学） 6、计算机的应用（科学计算与数据处理的区别）

超声波发生器与换能器的匹配设计

时间：2008-1-31 16:25:22来源：转载文号：大中小超声波发生器与换能器匹配包括两个方面，一是通过匹配使发生器向换能器输出额定的电功率，这是由于发生器需要一个最佳的负载才能输出额定功率所致，把换能器的阻抗变换成最佳负载，也即阻抗变换作用； 二是通过匹配使发生器输出效率最高，这是由于换能器有静电抗的原因，造成工作频率上的输出电压和电流有一定相位差，从而使输出功率得不到期望的最大输出，使发生器输出效率降低，因此在发生器输出端并上或串上一个相反的抗，使发生器负载为纯电阻，也即调谐作用。由此可见匹配的好坏直接影响着功率超声源的产生和效率。中国超声波论坛 二、阻抗匹配 为了使功率放大器输出额定功率最大；在电源电压给定条件下主要取决于负载阻抗。一般在D类开关型功放中其发生器变压器初级等效负载Rl'上的输出功率表达式，式中，VAm 为等效负载上的基波幅度；vcc为电源电压；vces为功放管饱和压降，故为了保证系统有一定功率余量(因输出变压器，末级匹配回路及晶体管损耗电阻都有损耗，po' 需要乘上一个约等于1．4—1．5的系数。即输出功率po为1．5Po'； 从上式可知，在电源电压给定之后，输出功率的大小取决于等效负载RL’。目前大多数功率超声发生器的负载为压电型换能器，其阻抗约为几十欧姆至几百欧姆间，为了要达到要求的额定功率，因此需要对换能器负载RL进行阻抗变换。由高阻抗变换为低阻抗。一般常用的方法，通过输出变压器的初次级线圈的匝数比进行变换。变压器次初级匝数比为n／m，则输出功率PO时的初级电阻 举例：要求一发生器输出在换能器上的功率为1000W，设直流电VCC为220V，VCES=10V，功率应留有一定余量，则 PO='=1500W。则变压器初级的Ω

计算机组成原理样卷及参考答案

题号一二三四合计 分数 阅卷人 一、单选题（每题2分，共30分） 1 冯.诺依曼计算机结构的核心思想是：_____ 。 A 二进制运算 B 有存储信息的功能C运算速度快 D 存储程序控制 2 计算机硬件能够直接执行的只有_____ 。 A 机器语言 B 汇编语言 C 机器语言和汇编语言 D 各种高级语言 3 零的原码可以用哪个代码来表示：_____ 。 A 11111111 B 10000000 C 01111111 D 1100000 4 某数在计算机中用8421码表示为0111 1000 1001 ，其真值为_____。 A 789 B 789H C 1929 D 11110001001B 5目前在小型和微型计算机里最普遍采用的字符编码是_____。 A BCD码 B 十六进制代码 C AS CⅠⅠ码 D海明码

6 当-1＜x＜0时，【x】原=：______。 A 1-x B x C 2+x D (2-2-n) -︱x ︳ 7 执行一条一地址的加法指令需要访问主存______次。 A 1 B 2 C 3 D 4 8 在寄存器间接寻址中，操作数应在______中。 A 寄存器 B 堆栈栈顶 C 累加器 D 主存单元 9 在串行进位的并行加法器中，影响加法器运算速度的关键因素是：______。 A 门电路的级延迟 B 元器件速度C进位传递延迟 D 各位加法器速度的不同 10 运算器虽由许多部件组成，但核心部件是______。 A 算术逻辑运算单元 B 多路开关 C 数据总线D累加寄存器 11在浮点数编码表示中______在机器中不出现，是隐含的。 A. 阶码 B.符号 C 尾数 D 基数

计算机组成原理阵列乘法器课程设计报告.

课程设计

教学院计算机学院 课程名称计算机组成原理题目4位乘法整列设计专业计算机科学与技术班级2014级计本非师班姓名唐健峰 同组人员黄亚军 指导教师 2016 年10 月 5 日

1 课程设计概述 1.1 课设目的 计算机组成原理是计算机专业的核心专业基础课。课程设计属于设计型实验，不仅锻炼学生简单计算机系统的设计能力，而且通过进行设计及实现，进一步提高分析和解决问题的能力。 同时也巩固了我们对课本知识的掌握，加深了对知识的理解。在设计中我们发现问题，分析问题，到最终的解决问题。凝聚了我们对问题的思考，充分的锻炼了我们的动手能力、团队合作能力、分析解决问题的能力。 1.2 设计任务 设计一个4位的二进制乘法器： 输入信号：4位被乘数A（A1,A2,A3,A4）, 4位乘数B（B1,B2,B3,B4）, 输出信号：8位乘积q(q1,q2,q3,q4,q5,q6,q7,q8). 1.3 设计要求 根据理论课程所学的至少设计出简单计算机系统的总体方案，结合各单元实验积累和课堂上所学知识，选择适当芯片，设计简单的计算机系统。 （1）制定设计方案： 我们小组做的是4位阵列乘法器，4位阵列乘法器主要由求补器和阵列全加器组成。 （2）客观要求 要掌握电子逻辑学的基本内容能在设计时运用到本课程中，其次是要思维灵活遇到问题能找到合理的解决方案。小组成员要积极配合共同达到目的。

2 实验原理与环境 2.1 1.实验原理 计算机组成原理，数字逻辑，maxplus2是现场可编程门阵列，它是在PAL、GAL、CPLD等可编程器件的基础上进一步发展的产物。它是作为专用集成电路（ASIC）领域中的一种半定制电路而出现的，既解决了定制电路的不足，又克服了原有可编程器件门电路数有限的缺点。 用乘数的每一位去乘被乘数，然后将每一位权值直接去乘被乘数得到部分积，并按位列为一行每一行部分积末位与对应的乘数数位对齐，体现对应数位的权值，将各次部分积求和得到最终的对应数位的权值。 2.2 2.实验环境 2.2.1双击maxplu2II软件图标，启动软件 （1）.新建工程，flie->new project ....，出现存储路径的选项框，指定项目保存路径并且为工程命名，第三行设置实体名，保持与工程名一致。点击OK

quartus II 软件做4的位乘法器设计(vhdl 语言)

用quartus II 软件设计4位乘法器 1. 并行乘法的算法： 下面根据乘法例题来分析这种算法，题中M4，M3，M2，M1是被乘数，用M表示。N4，N3，N2，N1是乘数，用N表示 2.乘法模块 Library ieee; Use ieee.std_logic_1164.all; Use ieee.std_logic_unsigned.all; Entity and4a is Port(a:in std_logic_vector(3 downto 0); en:in std_logic; r:out std_logic_vector(3 downto 0)); End and4a; Architecture behave of and4a is Begin Process(en,a(3 downto 0)) Begin If (en='1') then r<=a; Else r<="0000"; End if; End process; End behave;

3.加法模块 Library ieee; Use ieee.std_logic_1164.all; Entity ls283 is Port (o1,o2:in std_logic_vector(3 downto 0); res:out std_logic_vector(4 downto 0)); End ls283; Architecture behave of ls283 is Begin Process(o1,o2) Begin res<=('0'&o1)+('0'&o2); End process; End behave;

超声波发生器与换能器的匹配设计

声波发生器与换能器的匹配设计 超声波发生器与换能器的匹配设计 选自《近代超声原理与应用》袁易全主编作者：陈思忠 、匹配概述超声波换能器与发生器匹配包括两个方面，一是通过匹配使发生器向换能器输出额定的电功率，这是由于发生器需要一个最佳的负载才能输出额定功率所致，把换能器的阻抗变换成最佳负载，也即阻抗变换作用；二是通过匹配使发生器输出效率最高，这是由于换能器有静电抗的原因, 造成工作频率上的输出电压和电流有一定相位差，从而使输出功率得不到期望的最大输出，使发生器输出效率降低，因此在发生器输出端并上或串上一个相反的抗，使发生器负载为纯电阻，也即调谐作用。由此可见匹配的好坏直接影响着功率超声源的产生和效率。 、阻抗匹配 为了使功率放大器输出额定功率最大；在电源电压给定条件下主要取决于负载阻抗。一般在D类开关型功放中其发生器变压器初级等效负载RI' 上的输出功率表达式为： 式中，VAm为等效负载上的基波幅度; vcc为电源电压；vces为功放管饱和压降，故 为了保证系统有一定功率余量（因输出变压器，末级匹配回路及晶体管损耗电阻都有损耗，po'需要乘上一个约等于1. 4—1. 5的系数。即输出功率po为1. 5Po'; 从上式可知，在电源电压给定之后，输出功率的大小取决于等效负载RL'。目前大多数功率超声发生器的负载为压电型换能器，其阻抗约为几十欧姆至几百欧姆间，为了要达到要求的额定功率，因此需要对换能器负载RL进行阻抗变换。由高阻抗变换为低阻抗。一般常用的方法，通过输出变压器的初次级线圈的匝数比进行变换。变压器次初级匝数比为 n/m则输出功率PO时的初级电阻

举例：要求一发生器输出在换能器上的功率为1000W设直流电VCC为 220V, VCES=10V功率应留有一定余量，则PO=1.5PO'=1500W则变压器初级的 6.5 Q 若换能器谐振时等效电阻RL= 200Q,则输出变压器次级/初级圈数比 以上称谓阻抗变换，是通过输出变压器实行的。 输出变压器是超声波发生器阻抗匹配、传输功率的重要部件，它的设计与绕制工艺对发生器的工作安全是十分重要的。它不仅会以漏感、励磁电流等方式影响电路的工作，其漏感还是形成输出电压尖峰的主要原因。为此，在设计时，应选取具有高磁通密度B,高导磁率卩，高电阻率pc 和低矫顽力He的高饱和材料作铁芯。一般在防止高频变压器的瞬态饱和时，在设计时要注意如下几点： 1. 工作磁通密度B的选取 铁芯材料的磁感应增量4B愈大，所需线圈匝数愈少，直流电阻R也愈小，从而线圈的铜损Pm也愈小。4B取得高时，传输的脉冲前沿就愈陡。因此，在设计变压器时，选取高磁通密度的材料作铁芯，这对降低变压器的损耗、减小体积和重量都是很有利的。为了避免在稳态或过渡过程中发生饱和，一般选取工作磁通密度B W Bs/ 3为宜，这里Bs为磁芯的最大和磁通密度。 2. 要保证初级电感量足够大 一般要求变压器初级阻抗应满足下式关系：WLl> 15RL'，其中RL'为次 级负载所算到初级边的等效电阻值，WLl为初级电感感抗，若初级电感 量太小，励磁电流将比较大，励磁电流过大，变压器的损耗将增加，温升随之增高，从而降低Bs，使变压器进入饱和的可能性增大。 3. 要考虑“集肤效应”的影响 在高频工作时，流过导线的电流会产生“集肤效应”。这相当于减少了导线有效截面积，增加了导线的电阻，从而引起导线的压降增大，导致变压器温度升高，结果增大了变压器进入饱和的危险性，建议采用小直径的多股导线并绕的方法。 三、调谐匹配 由于压电换能器有静电容Co,磁致伸缩换能器有静电感L0,在换能器谐振状态时，换能器上的电压VRL与电流IRL间存在着一相位角?，其输出功率pg

移位相加型8位硬件乘法器设计

合肥学院 课程设计报告 题目：移位相加型8位硬件乘法器 系别：电子信息与电气工程系 专业：通信工程 班级： 13通信工程（1）班 学号： 姓名： 导师：石朝毅 成绩： 2016年 6 月 11 日

移位相加型8位硬件乘法器设计 摘要 本次设计是基于时序结构的8位移位相加型乘法器,使用软件QuartusII进行仿真设计。完成此乘法器，我们需要首先设计该乘法器的组件，包括REGSHT模块、SREG8BT模块、AND8B模块和ADDER8BT模块，并对所有元件进行仿真，无误后可进行乘法器的设计。设计方法使用的是元件例化，具体原理是通过逐项相加来实现乘法功能，最终完成整体的VHDL程序设计并仿真。 关键词：时序；乘法器；元件例化

目录 第一章前言............................................ 错误!未定义书签。设计概述............................................. 错误!未定义书签。 问题提出与原理..................................... 错误!未定义书签。 设计需要........................................... 错误!未定义书签。第二章设计过程及结果.................................. 错误!未定义书签。设计思路............................................. 错误!未定义书签。 设计须知........................................... 错误!未定义书签。 基本步骤........................................... 错误!未定义书签。设计代码及仿真....................................... 错误!未定义书签。 元件REGSHT设计代码及仿真结果...................... 错误!未定义书签。 元件SREG8BT设计代码及仿真结果..................... 错误!未定义书签。 元件AND8B设计代码及仿真结果....................... 错误!未定义书签。 元件ADDER8BT设计代码及仿真结果.................... 错误!未定义书签。 总模块设计代码及仿真结果........................... 错误!未定义书签。第三章总结............................................ 错误!未定义书签。致谢................................................... 错误!未定义书签。

超声波发生器与换能器的匹配设计

超声波发生器与换能器的匹配设计 选自《近代超声原理与应用》袁易全主编作者：思忠 一、匹配概述 超声波发生器与换能器匹配包括两个方面，一是通过匹配使发生器向换能器输出额定的电功率，这是由于发生器需要一个最佳的负载才能输出额定功率所致，把换能器的阻抗变换成最佳负载，也即阻抗变换作用； 二是通过匹配使发生器输出效率最高，这是由于换能器有静电抗的原因，造成工作频率上的输出电压和电流有一定相位差，从而使输出功率得不到期望的最大输出，使发生器输出效率降低，因此在发生器输出端并上或串上一个相反的抗，使发生器负载为纯电阻，也即调谐作用。由此可见匹配的好坏直接影响着功率超声源的产生和效率。 二、阻抗匹配 为了使功率放大器输出额定功率最大；在电源电压给定条件下主要取决于负载阻抗。一般在D类开关型功放中其发生器变压器初级等效负载Rl'上的输出功率表达式为： 式中，V Am为等效负载上的基波幅度； V cc为电源电压；V ces为功放管饱和压降，故 为了保证系统有一定功率余量(因输出变压器，末级匹配回路及晶体管损耗电阻都有损耗，Po' 需要乘上一个约等于1．4—1．5的系数。即输出功率Po为1．5Po'； 从上式可知，在电源电压给定之后，输出功率的大小取决于等效负载R L’。目前大多数功率超声发生器的负载为压电型换能器，其阻抗约为几十欧姆至几百欧姆间，为了要达到要求的额定功率，因此需要对换能器负载R L进行阻抗变换。由高阻抗变换为低阻抗。一般常用的方法，通过输出变压器的初次级线圈的匝数比进行变换。变压器次初级匝数比为n／m，则输出功率P O时的初级电阻

举例：要求一发生器输出在换能器上的功率为1000W，设直流电V CC为220V，V CES=1V，功率应留有一定余量，则P O=1.5P O'=1500W。则变压器初级的 6.5Ω 若换能器谐振时等效电阻RL＝200Ω，则输出变压器次级／初级圈数比 以上称谓阻抗变换，是通过输出变压器实行的。 输出变压器是超声波发生器阻抗匹配、传输功率的重要部件，它的设计与绕制工艺对发生器的工作安全是十分重要的。它不仅会以漏感、励磁电流等方式影响电路的工作，其漏感还是形成输出电压尖峰的主要原因。为此，在设计时，应选取具有高磁通密度B，高导磁率μ，高电阻率ρc和低矫顽力Hc的高饱和材料作铁芯。一般在防止高频变压器的瞬态饱和时，在设计时要注意如下几点： 1．工作磁通密度B的选取 铁芯材料的磁感应增量ΔB愈大，所需线圈匝数愈少，直流电阻R 也愈小，从而线圈的铜损P m也愈小。ΔB取得高时，传输的脉冲前沿就愈陡。因此，在设计变压器时，选取高磁通密度的材料作铁芯，这对降低变压器的损耗、减小体积和重量都是很有利的。为了避免在稳态或过渡过程中发生饱和，一般选取工作磁通密度B≤Bs／3为宜，这里Bs 为磁芯的最大和磁通密度。 2. 要保证初级电感量足够大 一般要求变压器初级阻抗应满足下式关系：ωLl≥15R L'，其中R L' 为次级负载所算到初级边的等效电阻值，ωL1为初级电感感抗，若初级电感量太小，励磁电流将比较大，励磁电流过大，变压器的损耗将增加，温升随之增高，从而降低Bs，使变压器进入饱和的可能性增大。 3．要考虑“集肤效应”的影响 在高频工作时，流过导线的电流会产生“集肤效应”。这相当于减少了导线有效截面积，增加了导线的电阻，从而引起导线的压降增大，导致变压器温度升高，结果增大了变压器进入饱和的危险性，建议采用小直径的多股导线并绕的方法。

乘位阵列乘法器设计

乘位阵列乘法器设计集团文件版本号：（M928-T898-M248-WU2669-I2896-DQ586-M1988）

课程设计报告课程设计题目： 4乘4位阵列乘法器设计 学生姓名：杨博闻 学号 专业：计算机科学与技术 班级： 1120701 指导教师：汪宇玲 2014年 1月 4日

一、设计目的 1．掌握乘法器的原理及其设计方法。 2 ．熟练应用CPLD 设计及 EDA 操作软件。 二、设计设备 1．TDN-CM+或 TDN-CM++教学实验系统一套。 2 ·PC 微机一台。 3·ispDesignEXPERT 软件 模型机数据通路结构框图 三、设计原理 本实验用 CPLD 来设计一个 4 ×4 位乘法器，相对于画电路图输入，用 ABEL 语言描述是比较方便的。其算式如下（其中括号中的数字表示在 ABEL 源程序描述中的功能块调用编号）： a3 a2 a1 a0 × b3 b2 b1 b0 ---------------------------------------------------------------------------------------------------------- a3b0(10) a2b0(6) a1b0(3) a0b0(1) a3b1(13) a2b1(9) a1b1(5) a0b1(2)

a3b2(15) a2b2(12) a1b2(8) a0b2(4) ＋ a3b3(16) a2b3(14) a1b3(11) a0b3(7) ----------------------------------------------------------- ------------------------------------------------ p7 p6 p5 p4 p3 p2 p1 p0 四、设计步骤 1．安装EDA 软件 打开计算机电源，进入 Windows 系统，安装上述 ispDesignEXPERT 软件。安装完成后，桌面和开始菜单中则建有 ispDesignEXPERT 软件图 标。 2．用ispDesignEXPERT 软件根据上述乘法的逻辑原理用ABEL 语言 编写功能描述程序。 其在 1032 芯片中对应的管脚如图： 3．编辑、编译和下载 使用 ispDesignEXPERT 软件编辑源程序并进行编译，然后打开实验 系统电源，将生成的 JEDEC 文件下载到 ispLSI1032 中去。 4 ．连接实验电路 按下图连接实验电路。 5 ．给定操作数，观察乘法器输出 将 SWITCH UNIT 单元中的 SW-B、AR 开关置为低电平状态。在 INPUT DEVICE 单元中的 8 个开关的高 4 位为乘数 A ，低四位为被乘

四川大学数电课程设计(四位二进制无符号数乘法器 ).

数字电子技术基础课程设计报告 学院电气信息学院 专业 姓名 学号 设计题目四位二进制无符号数乘法器

目录 1设计任务描述 (1) 1.1设计描述 (1) 1.2设计概述 (1) 2通用器件实现 (1) 2.1方案一与门和全加器组合逻辑电路 (1) 2.1.1设计思路 (1) 2.1.2仿真测试 (2) 2.1.3优缺点分析 (3) 2.2方案二多种通用集成芯片组合逻辑电路 (3) 2.2.1设计思路 (3) 2.2.2仿真测试 (5) 2.2.3优缺点分析 (7) 3使用硬件描述语言——Verilog实现 (7) 3.1设计目的 (7) 3.2设计要求 (7) 3.3硬件语言描述 (7) 3.4BASY2板结果附图 (9) 4结论与心得体会 (11) 4.1结论 (11) 4.2心得体会 (11)

1设计任务描述 1.1设计描述 设计一个乘法器，实现两个四位二进制数的乘法。两个二进制数分别是被乘数3210A A A A 和乘数3210B B B B 。被乘数和乘数这两个二进制数分别由高低电平给出。乘法运算的结果即乘积由电平指示灯显示的二进制数。做到保持乘积、输出乘积，即认为目的实现，结束运算。 1.2设计概述 4位二进制乘法器在实际中具有广泛应用。它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。 2通用器件实现 2.1方案一与门和全加器组合逻辑电路 2.1.1设计思路手动实现两个四位二进制乘法的计算，应为以下过程： 1 23456781 2341234111100011 10111010 0001 10110111 101C C C C C C C C A A A A B B B B 设乘数为1234A A A A (下标数字大则为高位),被乘数为1234B B B B ，使乘数从低位到高位依次与被乘数相乘，得到四个四位二进制加数，再依次对四个加数错位相加，得到八位的二进制的乘法运算结果。 依次算法，两个四进制乘数由8个单刀双掷开关接地（低电平0）和接5V（高电平1）进行输入，乘数A 从低位到高位依次与被乘数B 相乘过程可用二输入与门实现，共得到四个加数16个与运算结果，乘数最低位1A 与被乘数作与运算的四位结果的最低位即是乘法运算结果的最低位1C ；依次用三个四位全加器对四个加数进行全加运算，运算时输入两个四位二进制数，输入进位信号接地为0，低级的全加器的运算结果进位信号作为与下一个加数进行全加运算的被加数的最高位，四位全加运算结果的最低位作为输出结果，并从低到高位的依次输出432C C C 、、，最后一个全加器运算过后得到进位信号是八位二进制计算结果的最高位8C ，剩余的高三位输出分别为567C C C 、、，将8位输出结果直接在通过电阻到地保护的发光二极管表示。

超声波换能器的匹配设计

超声波换能器的匹配设计 一、匹配概述 超声波发生器与换能器匹配包括两个方面，一是通过匹配使发生器向换能器输出额定的电功率，这是由于发生器需要一个最佳的负载才能输出额定功率所致，把换能器的阻抗变换成最佳负载，也即阻抗变换作用；二是通过匹配使发生器输出效率最高，这是由于换能器有静电抗的原因，造成工作频率上的输出电压和电流有一定相位差，从而使输出功率得不到期望的最大输出，使发生器输出效率降低，因此在发生器输出端并上或串上一个相反的抗，使发生器负载为纯电阻，也即调谐作用。由此可见匹配的好坏直接影响着功率超声源的产生和效率。二、阻抗匹配 为了使功率放大器输出额定功率最大；在电源电压给定条件下主要取决于负载阻抗。一般在D类开关型功放中其发生器变压器初级等效负载Rl'上的输出功率表达式为： 式中，V Am为等效负载上的基波幅度； vcc为电源电压；vces为功放管饱和压降，故 为了保证系统有一定功率余量(因输出变压器，末级匹配回路及晶体管损耗电阻都有损耗，po' 需要乘上一个约等于1．4—1．5的系数。即输出功率po为1．5Po'； 从上式可知，在电源电压给定之后，输出功率的大小取决于等效负载RL’。目前大多数功率超声发生器的负载为压电型换能器，其阻抗约为几十欧姆至几百欧姆间，为了要达到要求的额定功率，因此需要对换能器负载RL进行阻抗变换。由高阻抗变换为低阻抗。一般常用的方法，通过输出变压器的初次级线圈的匝数

比进行变换。变压器次初级匝数比为n／m，则输出功率PO时的初级电阻 举例：要求一发生器输出在换能器上的功率为1000W，设直流电VCC为220V，VCES=10V，功率应留有一定余量，则PO=1.5PO'=1500W。则变压器初 级的 若换能器谐振时等效电阻RL＝200Ω，则输出变压器次级／初级圈数比 以上称谓阻抗变换，是通过输出变压器实行的。 输出变压器是超声波发生器阻抗匹配、传输功率的重要部件，它的设计与绕制工艺对发生器的工作安全是十分重要的。它不仅会以漏感、励磁电流等方式影响电路的工作，其漏感还是形成输出电压尖峰的主要原因。为此，在设计时，应选取具有高磁通密度B，高导磁率μ，高电阻率ρc和低矫顽力Hc的高饱和材料作铁芯。一般在防止高频变压器的瞬态饱和时，在设计时要注意如下几点：1．工作磁通密度B的选取 铁芯材料的磁感应增量ΔB愈大，所需线圈匝数愈少，直流电阻R也愈小，从而线圈的铜损Pm也愈小。ΔB取得高时，传输的脉冲前沿就愈陡。因此，在设计变压器时，选取高磁通密度的材料作铁芯，这对降低变压器的损耗、减小体积和重量都是很有利的。为了避免在稳态或过渡过程中发生饱和，一般选取工作磁通密度B≤Bs／3为宜，这里Bs为磁芯的最大和磁通密度。 2.要保证初级电感量足够大 一般要求变压器初级阻抗应满足下式关系：WLl≥15RL'，其中RL' 为次级负载所算到初级边的等效电阻值，WLl为初级电感感抗，若初级电感量太小，励 6.5Ω