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Die Digitaltechnik beschäftigt sich mit der Umsetzung von analogen (wertkontinuierliche) in digitale (wertdiskrete) Signale und umgekehrt (ADU/DAU), sowie mit der Verarbeitung digitaler Signale.
Aufbau
Digitaltechnik ist das Gegenteil von Analogtechnik. Digitale heist man hat Werte oder Digits 0 oder 1. Bei der Analogtechnik hingegen sind keine feste werte vorhanden sondern ein Diagram. Wie bei ein Digitalen Uhr hat man Digits, wo man bei einer analogen uhr nur Diagram hat was die Uhr anzeigt. Digitale Schaltungen bestehen hauptsächlich aus Logikelementen, wie AND, NAND, OR, NOT-Gattern, * und anderen, mit denen digitale Ja/Nein-Informationen miteinander verknüpft werden, z. B. im Rahmen von Zählern oder Flipflops. Komplexere Anwendungen sind Prozessoren. Theoretisch reicht eine einzige Art (NAND oder NOR) von Gattern aus, dann als „Basis“ bezeichnet, um alle anderen logischen Funktionen zusammenzusetzen. Bei der Digitaltechnik wird meist unter Verwendung der Schaltalgebra das Dualsystem (entsprechend obiger Ja/Nein-Unterscheidung) zugrunde gelegt. So lässt sich für jedes Logikelement eine Schaltfunktion erstellen, die ihre Funktionsweise beschreibt. In der Praxis Hat man aber nur die NAND Logik.
Digitale Schaltungen können zusätzlich zu logischen Funktionen auch zeitabhängige Bestandteile enthalten und ferner takt- oder zustandsgesteuert (synchron/asynchron) arbeiten. Enthält eine digitale Schaltung lediglich Logikelemente ohne Rückkopplung von Ausgängen auf Eingängen, so spricht man von einem Schaltnetz. Werden zusätzlich Speicher verwendet, oder mindestens ein Ausgang auf einen Eingang zurückgekoppelt, so handelt es sich um ein Schaltwerk oder auch einen Automaten. Ein Mikrocontroller oder Prozessor besteht hauptsächlich aus diesen Logikelementen und wird über einen Datenbus mit Speichern und anderen digitalen Baugruppen erweitert. Eine zeitlich gestaffelte Ausführung von Logikverknüpfungen ist möglich. Diese können festverdrahtet oder programmiert sein.
Logikgatter
Wie bereits bemerkt sind Logikgatter die Grundbausteine digitaler Schaltungen. Im folgenden sollen die wichtigsten Logikgatter kurz angesprochen werden. Die genaue Funktionsweise der verschiedenen Gatter können sie den verlinkten Wikiartikeln entnehmen, dies soll nur eine Grobübersicht über die wichtigsten Elemente bieten. Zur Erläuterung der Funktion der verschiedenen Logikgatter werden deren Schaltfunktion und Wahrheitstabelle genutzt.
Das Nicht-Gatter
Das Nicht-Gatter (auch Komplement-Gatter genannt) ist die elementarste digitale Logikfunktion. Es besitzt lediglich einen Eingang. Der Ausgang dreht dabei den logische Zustand des Eingangs um.Wahrheitstabelle
- align="center" | x | y | - align="center" | 0 | 1 | - align="center" | 1 | 0 |
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Das Und-Gatter
Das Und-Gatter (die Verknüpfung von Leitungen wird mittels Und-Gattern wird Konjunktion genannt) ist ein weiteres wichtiges Element der Schaltungslogik. Im Gegensatz zum Nicht-Gatter hat ein Und-Gatter jedoch mindestens zwei Eingänge die es vergleicht. So stellt sich die Schaltfunktion anders dar als die des Nicht-Gatters:Wahrheitstabelle
| x1 | x0 | y | - align="center" | 0 | 0 | 0 | - align="center" | 0 | 1 | 0 | - align="center" | 1 | 0 | 0 | - align="center" | 1 | 1 | 1 |
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Das Oder-Gatter
Auch das Oder-Gatter (die Verknüpfung von Leitungen mit Oder-Gattern wird Disjunktion genannt ) hat mindestens zwei Eingänge welche es vergleicht. Im Gegensatz zum Und-Gatter folgt aber bereits durch eine logische 1 an einem Eingang automatisch eine logische 1 am Ausgang.Wahrheitstabelle
| x1 | x0 | y | - align="center" | 0 | 0 | 0 | - align="center" | 0 | 1 | 1 | - align="center" | 1 | 0 | 1 | - align="center" | 1 | 1 | 1 |
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Das XOR-Gatter
Das Exklusiv-Oder-Gatter weist zwei Eingänge auf und im Gegensatz zum Oder-Gatter darf nur ein Eingang den logischen Zustand 1 aufweisen damit eine logische 1 am Ausgang auftritt.Wahrheitstabelle
| x1 | x0 | y | - align="center" | 0 | 0 | 0 | - align="center" | 0 | 1 | 1 | - align="center" | 1 | 0 | 1 | - align="center" | 1 | 1 | 0 |
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NAND, NOR, XNOR
Ein NAND-Gatter ist ein Und-Gatter mit nachgeschaltem Nicht-Gatter. Demendsprechend ist ein Oder-Gatter mit nachgeschaltem Nicht-Gatter ein NOR-Gatter und ein XOR-Gatter mit nachgeschaltem Nichtgatter ein XNOR-Gatter. Mit NAND- oder NOR-Gatter lassen sich durch entsprechende Verschaltung alle anderen Logik-Gatter nachbilden.Vorteile digitaler Systeme
- Eindeutigkeit
- Keine Fehlerfortpflanzung, somit sind sehr komplexe Systeme realisierbar und die verlustfreie Übertragung von Signalen über weite Strecken wird ermöglicht
- Durch Boolesche Algebra leicht zu beschreiben und somit auch zu konstruieren
- Einfach zu testen
Vorteile der digitalen Signalverarbeitung gegenüber der analogen Technik liegen, neben den geringeren Kosten der Bauteile aufgrund hoher Integrationsdichte und vereinfachter Entwicklung, vor allem in der höheren Flexibilität. Mit Hilfe spezieller Signalprozessoren oder Computer können Schaltungen in Software realisiert werden. Dadurch lassen sich Funktionen sehr schnell an veränderte Anforderungen anpassen. Außerdem sind komplexe Algorithmen einfach anwendbar, die analog nur mit extrem hohem Aufwand oder gar nicht realisierbar wären.
Spezielle Entwicklerwerkzeuge (CAE) und Beschreibungssprachen wie VHDL oder Verilog unterstützen Ingenieure bei der schnellen Entwicklung neuer Anwendungen und Schaltungen.
Nachteile digitaler Systeme
- Anzahl der benötigten Schaltungsbestandteile um ein vielfaches höher als bei analogen Systemen (wird durch eine hohe Integrationsdichte auf entsprechende Chips kompensiert)
- Informationsverlust bei der Umwandlung eines analogen in ein digitales Signal
- Der Mensch kann analoge Größen schneller erfassen (Beispiel: Ablesen der Uhrzeit)
Anwendungen
- Das Erbgut ist diskret kodiert
- Die menschliche Sprache besteht aus diskreten Symbolen
- Geld ist diskret, es wird kein Gold aufgewogen
- Man kann auf analogen Uhren den Tageswechsel auf die Sekunde genau ablesen, eben weil die Zeit mit mehreren Stellen (engl. Digits) angegeben wird: Stunden, Minuten, Sekunden
- Telefone übermitteln Telefonnummern in diskreter Weise
- Telegrafen arbeiten auch während der Verbindung diskret
- Funkverbindungen arbeiteten historisch zuerst diskret und lange gehörte das zur Ausbildung eines Funkers
Siehe auch
Weiterführende Literatur
- Klaus Beuth, Olaf Beuth: Digitaltechnik. Vogel-Verlag, 12. Auflage. Vogel, Würzburg 2003, ISBN 3-8023-1958-3
- Klaus Fricke: Digitaltechnik - Lehr- und Übungsbuch für Elektrotechniker und Informatiker. 3. Auflage, Vieweg, Braunschweig 2002, ISBN 3-528-23861-5
- Hans Martin Lipp: Grundlagen der Digitaltechnik. 2. Auflage, Oldenburg, München 1998, ISBN 3-486-24144-3
- Peter Pernards: Digitaltechnik I. Grundlagen, Entwurf, Schaltungen. 4. Auflage, Hüthig, Heidelberg 2001, ISBN 3-7785-2815-7
- Wolfram Schiffmann, Robert Schmitz: Technische Informatik 1. Grundlagen der digitalen Elektronik. 5. Auflage, Springer, Berlin 2003, ISBN 3-540-40418-X
- Manfred Seifart, Helmut Beikirch: Digitale Schaltungen. 5. Auflage. Verlag Technik, Berlin 1998, ISBN 3-341-01198-6
- Ulrich Tietze, Christoph Schenk: Halbleiter-Schaltungstechnik. 12. Auflage, Springer, Heidelberg 2002, ISBN 3-540-42849-6
- Heinz-Dietrich Wuttke, Karsten Henke: Schaltsysteme - Eine automatenorientierte Einführung. Pearson Studium, München 2003, ISBN 3-8273-7035-3
- Lorenz Boruzki, Digitaltechnik ISBN 3-519-46415-2
Weblinks
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