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Digitaltechnikvon Prof. Jürgen Plate |
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Digitaltechnikvon Prof. Jürgen Plate |
Beispiele: Tachometer, Rechenschieber, Analogmultimeter
Beispiele: Taschenrechner, Digitaluhr, Digitalmultimeter
| Vorteile | Nachteile | |
| Analogtechnik (kontinuierlich) |
einfach, anschaulich geringer technicher Aufwand |
begrenzte Genauigkeit (kaum besser als 1 %) |
| Digitaltechnik (diskret) |
beliebige Genauigkeit hohe Störsicherheit keine Ergebnisverschlechterung |
relativ hoher Aufwand bei der Verarbeitung von Analogwerten |
Der Begriff "Digitaltechnik" wird heute gleichbedeutend mit "binärer" Digitaltechnik gebraucht. Es gibt also nur zwei verschiedene Werte, die meist durch "0" und "1" oder "H" und "L" dargestellt werden. Digitale Schaltungen bestehen hauptsächlich aus Bausteinen, die digitale Informationen logisch verknüpfen sowie aus Speicherbausteinen (Flipflops). Bei der Digitaltechnik wird unter Verwendung der Schaltalgebra das Dualsystem (entsprechend den binären Werten) zugrunde gelegt. So lässt sich für jedes Logikelement eine Schaltfunktion erstellen, die seine Funktionsweise beschreibt. Ein Datenverarbeitungssystem (Computer) besteht ebenfalls nur aus Logik- und Speicherelementen.
Die Digitaltechnik bildet außerdem die Basis für viele nachfolgende Fächer der Elektrotechnik und Informationstechnik:
Digitale Schaltungen lassen sich aus einer kleinen Zahl von primitiven Elementen bauen, indem man diese auf vielfache Art und Weise kombiniert. Bei einer digitalen Schaltung gibt es wie gesagt nur zwei logische Werte. Normalerweise stellt ein Signal zwischen beispielsweise 0 und 1 V den logischen Wert "0" und ein Signal zwischen beispielsweise 4 und 5 V den logischen Wert "1" dar. Spannungen außerhalb dieser beiden Bereiche sind nicht zulässig. Einzelheiten darüber, wie die logischen Schaltungen technisch realisiert werden und wie sie funktionieren, folgen später.
Parallel zur "Digitaltechnik" geniessen Sie die Vorlesung "Elektronische Bauelemente", in der ausführlich die Eigenschaften von Diode und Transistor erläutert werden. Um auch hier in der Digitaltechnik beispielhaft auf die schaltenden Funktion von Diode und Transistor zurückgreifen zu können, soll an dieser Stelle ein (sehr vereinfachtes und abstraktes) Modell vorgestellt werden. Dabei wird der Transistor nur als als sehr schneller, binärer Schalter betrachtet.
In der folgenden Grafik wird die Funktionsweise anschaulich über eine Analogie mit fließendem Wasser erklärt: Die große Klappe an der 'Leitung' zwischen Emitter- (E) und Collectoranschluss (C) stoppt das Fliessen des Wassers. Durch einen schwachen Stroms (symbolisiert durch die kleinere Rinne) Basis-Anschluss (B) wird die kleine Klappe geöffnet und damit die große Klappe betätigt, die nun einen stärkeren Strom von E nach C ermöglicht.
In der Abbildung rechts daneben ist ein einzelner bipolarer Transistor in Schalterfunktion dargestellt. Auch der Transistor hat drei Verbindungen mit der Außenwelt: den Collektor, die Basis und den Emitter. Liegt die Eingangsspannung Vin unter einem bestimmten kritischen Wert ("Low"-Pegel, "0"), sperrt der Transistor und verhält sich wie ein fast unendlicher Widerstand. Dies veranlaßt den Ausgang der Schaltung Vout, einen Wert nahe Vcc anzunehmen. Überschreitet Vin den kritischen Wert und liegt auf "High"-Pegel ("1"), schaltet der Transistor durch und hat nun einen sehr geringen Innenwiderstand, wodurch Vout fast auf Masse geschaltet wird. Der Transistor kann also als steuerbarer Schalter - ähnlich wie ein Relais - verwendet werden.
Wichtig dabei ist folgendes: Wenn Vin auf "Low"-Pegel liegt, liegt Vout auf "High"-Pegel und umgekehrt. Folglich ist diese Schaltung ein Inverter, der eine logische 0 in eine logische 1 und eine logische 1 in eine logische 0 verwandelt. Die Widerstände sind nötig, um den vom Transistor gezogenen Strom zu begrenzen. Ohne sie würde der Transistor zerstört. Auch schaltet ein Transistor nicht in Nullzeit um, der Wechselt von einem Zustand in den anderen dauert normalerweise einige Nanosekunden.
Dies war nur eine sehr, sehr vereinfachte Vorstellung dieses Schaltelements der digitalen Elektronik. Wesentlich genauer informiert Sie die Vorlesung "Elektronische Bauelemente".
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