Digitaltechnik

Die binäre Technik ist nur ein kleines Teilgebiet der Digitaltechnik. In diesem Artikel wird zwischen verschiedenen Thematiken hin- und hergesprungen. Das sind im Wesentlichen: Digitale Schaltungen, digitale Signale. Es wird gemischt zwischen diesen Themen hin- und hergesprungen, sehr lückenhaft dargestellt, verbunden mit eingestreutem Inselwissen.}}

Wikipedia digital als Binärcode

Die Digitaltechnik ist ein Teilgebiet der technischen Informatik in dem die Signalverarbeitung anhand der Unterscheidung diskreter Zustände erfolgt. Digitale Schaltungen arbeiten mit digitalen Signalen, d. h. mit Signalen, die diskretisiert (zeitdiskret) wie auch quantisiert (wertediskret) sind. Sie stellen damit den Gegenpol zu analogen Schaltungen dar. Neben diesen gibt es noch gemischte Schaltungen (mixed signal) wie auch Schaltungen, die teilweise Eigenschaften reiner digitaler Schaltungen aufweisen, wie z. B. getaktete Analogschaltungen.

Die in der Praxis bedeutsamste Form stellt die binäre Digitaltechnik dar, die nur zwei diskrete Signalzustände umfasst. Diese werden üblicherweise als logisch null (0) und als logisch eins (1) bezeichnet.

Nichtbinäre digitale Schaltungen, dabei liegen mehr als zwei Wertzuständen vor, stellen beispielsweise MLC-Speicherzellen dar, wo pro MLC-Speicherzelle mehr als ein Bit an Information dargestellt und gespeichert werden kann. Außerdem findet die nichtbinäre Digitaltechnik im Rahmen der digitalen Signalverarbeitung wie bei digitalen Modulationsverfahren Anwendung.

Elektronische Bauelemente der Digitaltechnik sind beispielsweise Logikgatter, Mikroprozessoren und Datenspeicher. In der Analogtechnik kann ein Analogsignal beliebige viele Wertzustände annehmen, der Übergang findet in sogenannten Mixed-Signal-Schaltkreisen, wie beispielsweise Analog-Digital-Umsetzern bzw. Digital-Analog-Umsetzern, statt.

Allgemeines

Auf einem Keramikgehäuse gebondeter Chip eines Motorola-68040-Mikroprozessors

Die binäre Digitaltechnik, im Folgenden erfolgt eine Einschränkung auf diese, bedient sich des Dualsystems mit zwei möglichen Signalzuständen. Diese beiden Werte sind je nach Zusammenhang verschiedenartig bezeichnet. Beispiele für die Bezeichnung sind logisch null (0), L (eng. low), oder „falsch“. Das zweite Symbol wird üblicherweise als logisch Eins (1), H (eng. High), oder „Wahr“ bezeichnet. Wenn ein High-Pegel mit 1 und ein Low-Pegel mit 0 dargestellt wird, spricht man von positiver Logik, bei umgekehrtem Sachverhalt von negativer Logik.

Die Hauptkomponenten digitaler Schaltungen sind Logikgatter wie NOT und NAND sowie Kondensatoren als flüchtige Speicher, darauf aufbauend werden alle anderen Gatter, Zähler, Flipflops und so weiter aufgebaut. Komplexere Schaltungen stellen dann Speicherschaltkreise und Prozessoren dar. Bei der Digitaltechnik wird meist unter Verwendung der Schaltalgebra das Dualsystem (entsprechend obiger Ja-Nein-Unterscheidung) zugrundegelegt. So lässt sich für jedes Logikelement eine Schaltfunktion erstellen, die ihre Funktionsweise beschreibt. In der Praxis verwendet man meist nur NAND-Gatter, mit denen man die Funktionen der anderen Gatter nachbilden kann.

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 Eingänge, 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.

Eigenschaften

Weitere 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 leichter an veränderte Anforderungen anpassen. Außerdem sind komplexe Algorithmen einfach anwendbar, die analog nur mit hohem Aufwand oder gar nicht realisierbar wären.

In der Digitaltechnik können spezielle Entwicklerwerkzeuge im Rahmen des Computer-aided engineering (CAE) und Beschreibungssprachen wie Very High Speed Integrated Circuit Hardware Description Language (VHDL) oder Verilog bei der schnellen Entwicklung neuer Anwendungen und Schaltungen eingesetzt werden.

Die Anzahl der möglichen Bauelemente auf einem Chip ist in digitalen Schaltungen meist wesentlich größer als bei analogen Schaltungen. So besteht ein aktueller Mikroprozessor aus Milliarden von Transistoren, Operationsverstärker aus etwa 100 Transistoren und ein Leistungsdarlington-Transistor aus 2 Transistoren. Das wird jedoch durch eine hohe Integrationsdichte auf entsprechenden Chips kompensiert.

Siehe auch

• Digitaltechnik - Artikel in der deutschen Wikipedia
• Digitaltechnik - Eine Einführung (Buch) - Artikel in der deutschen Wikipedia

Literatur

•  Klaus Beuth, Olaf Beuth: Digitaltechnik. 12. Auflage. Vogel Verlag, Würzburg 2003, ISBN 3-8023-1958-3.
•  Armin Biere, Daniel Kroening, Georg Weissenbacher, Christoph M. Wintersteiger: Digitaltechnik - eine praxisnahe Einführung. Springer, Berlin / Heidelberg 2008, ISBN 978-3-540-77728-1.
•  Lorenz Borucki: Digitaltechnik. 5. Auflage. Teubner, Stuttgart 2000, ISBN 3-519-46415-2.
•  Hans Martin Lipp, Jürgen Becker: Grundlagen der Digitaltechnik. 6. Auflage. Oldenburg, München 2007, ISBN 3-4865-8274-7.
• Jean Pütz (Hrsg.): Digitaltechnik – eine Einführung VDI-Verlag 1992, ISBN 978-318-4004-040
•  Manfred Seifart, Helmut Beikirch: Digitale Schaltungen. 5. Auflage. Verlag Technik, Berlin 1998, ISBN 3-341-01198-6.

Weblinks

 Wikibooks: Digitale Schaltungstechnik – Lern- und Lehrmaterialien

• Grundlagen der Digitaltechnik
• Digitaltechnik von A bis Z
• Technische Informatik: Grundlagen