Digitaltechnik


von Prof. Jürgen Plate

Einführung

Der Begriff "Digitaltechnik" ist abgleitet von lateinisch "Digitus" (Finger) und dem altgriechischen "Techne" (Fähigkeit). Bei der Digitaltechnik deutet "Finger" an, dass man es mit Größen zu tun hat, die nur eine endliche Anzahl von Werten annehmen können - die man "an den Fingern abzählen kann". Im einfachsten Fall sind das nur zwei mögliche Werte, man müßte dann von "binärer Digitaltechnik" sprechen.

Die "Fähigkeit" deutet an, dass man in der Lage ist, mit derartigen Größen umzugehen. Wir beschäftigen und also mit Schaltungen, Geräten und Systemen, die digitale Größen verarbeiten können. Das Spektrum reicht vom Ein-Aus-Schalter bis zum komplexen Computerchip.

In der Technik gibt es grundsätzlich zwei verschiedene Darstellungsarten:

Beispiele digitaler und analoger Geräte

Digitale GeräteAnaloge Geräte
DigitalrechnerAnalogrechner
DigitaluhrAnaloguhr
Pkw-KilometerzählerPkw-Tachometer
TaschenrechnerRechenschieber
CD-SpielerPlattenspieler
PersonenwaagePersonenwaage
DAT-RecorderKassettenrecorder
Voltmeter mit ZiffernanzeigeVoltmeter mit Zeigerausschlag


Digitales und analoges Messinstrument

Um beispielsweise mit einem analogen Instrument eine Spannung zu messen, muss man die Zeigerstellung mit der Skala vergleichen. Da die Skala in Bruchteilen des Endausschlags eingeteilt ist, wird der eigentliche Spannungswert in der Regel geschätzt. Der Spannungsbetrag, der dem Abstand zweier Teilstriche zugeordnet ist, dient als dabei Schätzhilfe. Es erfolgt also eine Quantisierung der analogen Messgröße, d. h. man denkt sich den kontinuierlichen Ausschlag des Zeigers wie einen stufenförmigen Verlauf, um jeder einzelnen Stufe einen Zahlenwert zuordnen zu können. Zwei unabhängige Beobachter würden unter Umständen ein und demselben Zeigerausschlag unterschiedliche Meßwerte zuordnen.

Bei der digitalen Darstellung der Meßgröße liegt systembedingt ebenfalls eine Quantisierung vor. Diese erfolgt jedoch bereits im Messgerät. Die Ziffern-Darstellung der Messgröße ist in jedem Falle eindeutiger als die analoge. Während zum Beispiel bei einer Analogwaage das Ergebnis erst durch einen subjektiven und somit unsicheren Vergleich mit einem Vergleichsnormal gewonnen wird, ergibt sich eine fast beliebige Darstell- und Ablesegenauigkeit bei der digitalen Anzeige eines Gewichts. Die Darstellgenauigkeit kann durch das Zufügen weiterer Stellen erhöht werden.

Im Gegensatz zur eindeutigen digitalen Anzeige ist vielfach die analoge Anzeige schneller zu erfassen. Dies gilt immer dann, wenn es auf relative Werte oder auf Tendenzen ankommt. So interessiert es oft nicht, ob eine Spannung von 227,3 V oder 232,6 V vorliegt, sondern ob sie in der Gegend von 230 V liegt oder ob überhaupt eine Spannung anliegt.

Vorteile bietet die analoge Darstellung auch bei der Auswertung von Messwerten über einen längeren Zeitraum. Bei einer liniengrafik der erfassten Werte wird wesentlich schneller erkennbar, ob bestimmte Grenzwerte zu irgendeiner Zeit unter- oder überschritten werden, als dies mit Zahlenkolonnen möglich wäre. Andererseits sind digital dargestellte Meswerte für die Weiterverarbeitung im Computer besonders gut geeignet.

Die Feinheit der Stufung und damit die Genauigkeit der digitalen Darstellung lässt sich durch Hinzufügen weiterer Ziffern fast beliebig erhöhen, während der analogen Darstellung technisch Grenzen in der Genauigkeit gesetzt sind.

Die wichtigsten Vor- und Nachteile beider Techniken sind:

 VorteileNachteile
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 hat die früher dominierende Analogtechnik weitgehend verdrängt. Nachfolgend einige Beispiele für Anwendungen:

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.

   
Funktionsweise eines Transistors

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".

Digital-Simulatoren

Wer ohne Lötkolben schon einmal etwas üben will, findet unter folgenden Webadressen einen passenden kostenlosen Simulator:

Minimier-Programme

Online-Skripten

Literatur

Zum Inhaltsverzeichnis Zum nächsten Abschnitt


Copyright © Hochschule München, FK 04, Prof. Jürgen Plate
Letzte Aktualisierung: