Heim

Digitaltechnik

Die Digitaltechnik beschäftigt sich mit der Verarbeitung wert- und zeit-diskreter Werte und Zahlenfolgen sowie der Verarbeitung digitaler Signale. Typische Bauelemente sind Logikgatter, Mikroprozessoren und Datenspeicher und keine Verstärker wie in der Analogtechnik.

Die Signale beider Technologien lassen sich mit Analog-Digital-Umsetzern bzw. Digital-Analog-Umsetzern ineinander umformen.

Inhaltsverzeichnis

Aufbau

Die Digitaltechnik arbeitet im Gegensatz zur Analogtechnik mit diskreten anstatt kontinuierlichen Signalen. Zudem haben die Signale meist nur einen geringen Wertevorrat, in aller Regel von zwei Werten. Diese Werte sind meist 1 und 0 oder H und L, welche die booleschen Konstanten „Wahr“ und „Falsch“ repräsentieren. 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. Zusätzlich müssen in realen Schaltungen noch weitere mögliche Zustände beachtet werden. Hierzu gehört etwa der unbestimmte und der hochohmige Zustand.

Digitale Schaltungen bestehen hauptsächlich aus Logikelementen, wie AND, NAND, NOR, OR, NOT-Gattern, XOR, XNOR 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, 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 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.

Logikgatter

Logikgatter sind die Grundbausteine digitaler Schaltungen. Die genaue Funktionsweise kann den verlinkten Wikiartikeln entnommen werden, hier folgt nur eine Grobübersicht über die wichtigsten Logikgatter. Zur Erläuterung der Funktion der verschiedenen Gatter werden deren Schaltfunktion und Wahrheitstabelle genutzt.

Das Und-Gatter (engl. AND)

Das Und-Gatter (die Verknüpfung von Leitungen mittels Und-Gattern wird Konjunktion genannt) ist ein 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
0 0 0
0 1 0
1 0 0
1 1 1

Um eine logische 1 am Ausgang y zu erreichen, müssen also beide Eingänge auf logisch 1 sein.

Das Oder-Gatter (engl. OR)

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
0 0 0
0 1 1
1 0 1
1 1 1

Um eine logische 1 am Ausgang y zu erreichen, müssen also ein oder beide Eingänge auf logisch 1 sein.

Das XOR-Gatter

Das Exklusiv-Oder-Gatter weist zwei Eingänge auf. 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
0 0 0
0 1 1
1 0 1
1 1 0

Das Nicht-Gatter (engl. NOT)

Das Nicht-Gatter (auch Komplement-Gatter oder Inverter genannt) ist die elementarste digitale Logikfunktion. Es besitzt lediglich einen Eingang. Der Ausgang dreht dabei den logischen Zustand des Eingangs um.

(gesprochen: y ist x nicht)

Wahrheitstabelle

x y
0 1
1 0

Somit ist der Ausgang y das Komplement des Eingangs x.

NAND, NOR, XNOR

Ein NAND-Gatter ist ein Und-Gatter mit nachgeschaltetem Nicht-Gatter. Dementsprechend ist ein Oder-Gatter mit nachgeschaltetem Nicht-Gatter ein NOR-Gatter und ein XOR-Gatter mit nachgeschaltetem Nichtgatter ein XNOR-Gatter. Mit NAND- oder NOR-Gatter lassen sich durch entsprechende Verschaltung alle anderen Logik-Gatter nachbilden.

Vorteile digitaler Systeme

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

Anwendungen

Siehe auch

 Wikibooks: Digitale Schaltungstechnik – Lern- und Lehrmaterialien

Weiterführende Literatur