Digitalelektronik Einführung Prof. Metzler

Transkript

1 Digitalelektronik Einführung 1

2 Prof. Uwe Metzler Hochschule für Technik und Wirtschaft FB 1, Studiengänge IKT (BA) & (MA) Wilhelminenhofstr. 75A Berlin Raum C 307 Tel.: uwe.metzler@htw-berlin.de Prof. Metzler 2

3 Digitalelektronik Dieser Kurs Mikrocomputer Ab 23. Oktober 2014 Informationstechnik/CAE Nächstes Semester 3

4 Ziele der Lehrveranstaltung Grundlagen Digitaltechnik Praktisches Arbeiten mit Digitaltechnik Simulation der Schaltung Aufbau der Schaltung 4

5 Grundlagen der Digitaltechnik 1. Einführung 2. Zahlen und Kodes 3. Logische Verknüpfungen 4. Schaltalgebra 5. Schaltungssynthese 6. Kombinatorische Schaltungen 7. Kippstufen 5

6 Übungsaufgaben im Labor Entwicklung einer Digitaluhr Simulation mit Digsim Schaltplanerstellung mit Eagle Aufbau der Schaltung auf dem Steckbrett 6

7 7

8 Terminplanung HE024 Termine Veranstaltung Einführung Digitaltechnik, Zahlen und Kodes Logische Verknüpfungen Projekt (Labor) 10 SWS, Schaltungssynthese (KV-Diagramme) Kippstufen (Flipflop), Zähler Projekt (Labor) 8 SWS Kombinatorische Schaltungen Projekt (Labor) 8 SWS Klausurvorbereitung Klausur 8

9 Literaturempfehlung zur Vorlesung Beuth, Klaus: Digitaltechnik, Elektronik 4. Vogel Verlag Würzburg ISBN

10 Analoge und digitale Größendarstellung Definition: Analoge Größen sind Werte der Analogiegröße, die innerhalb eines zulässigen Bereichs jeden beliebigen Wert annehmen dürfen. 10

11 Analoge und digitale Größendarstellung 11

12 Analoge und digitale Größendarstellung Die analoge Größendarstellung hat den Vorteil großer Anschaulichkeit. Es ist möglich, Aussagen über den Trend der Größenentwicklung zu machen. 12

13 Analoge und digitale Größendarstellung Definition: Eine Größe, die nur eine endliche Anzahl bestimmter Werte annehmen kann, nennt man digital (lat. digitus Finger). 13

14 Analoge und digitale Größendarstellung 14

15 Analoge und digitale Größendarstellung Digitale Größen bestehen aus abzählbaren Elementen. Digitale Größen können mit beliebiger Genauigkeit dargestellt werden. Eine ziffernmäßige Anzeige wird digitale Anzeige genannt. 15

16 Analoge und digitale Größendarstellung Definition: Ein Sonderfall einer digitalen Größe ist eine binäre Größe, die nur zwei Werte annehmen kann (lat. bin je zwei). 16

17 Analoge und digitale Größendarstellung Erster Zustand Schalter geschlossen Transistor leitend Spannung niedrig Werkstoff magnetisch Zweiter Zustand Schalter geöffnet Transistor gesperrt Spannung hoch Werkstoff nicht magnetisch Da in der Digitaltechnik elektronisch gearbeitet wird, werden vor allem Spannungspegel als binäre Zustände genutzt 17

18 Technische Pegel und logische Zustände Definition: Die beiden Pegel LOW (L) und HIGH (H) eines binären Spannungssignals werden technische Pegel genannt. Dabei gilt: H > L. Die binären Zustände haben für sich genommen noch keine Aussagekraft. Ihnen müssen sogenannte logische Zustände zugeordnet werden. 18

19 Technische Pegel und logische Zustände Definition: Ein Signal mit den beiden Werten 1 (wahr) und 0 (falsch) wird binäres logisches Signal genannt. Die (realen) technischen Pegel werden zur Beschreibung des elektrischen Verhaltens von digitalen Schaltkreisen verwendet, die (fiktiven) logischen Pegel zur Beschreibung des schaltalgebraischen Verhaltens. 19

20 Positive und negative Logik Die Zuordnung der technischen Pegel zu den logischen Zuständen ist beliebig. Ist sie einmal vorgenommen worden, muss sie jedoch konsequent beibehalten werden. LOW = 0 V (Masse) HIGH = 5 V positive Logik 0 1 negative Logik

21 Binäre Elemente, digitales System Definition: Ein Bauelement, das nur zwei stabile Zustände annehmen kann, wird binäres Element genannt. Beispiele: Bipolarer Transistor, Schalter 21

22 Binäre Elemente, digitales System Definition: Ein System, das binäre Eingangsgrößen zu binären Ausgangsgrößen verarbeitet, heißt digitales System. 22

23 Binäre Elemente, digitales System Digitale Systeme haben gegenüber analogen eine Reihe von Vorteilen: Digitale Systeme unterliegen keiner Fehlerfortpflanzung, dadurch sind fast beliebig komplexe Systeme, wie z.b. Mikroprozessoren realisierbar. Auch für die Übertragung über weite Strecken ist diese Eigenschaft von Vorteil. Digitale Systeme sind leicht zu konstruieren, denn die boolesche Algebra (Schaltalgebra) stellt eine sehr einfache Beschreibung dar. Die Entwicklung von komplexen Digitalschaltungen ist heute durch die Verwendung sehr leistungsfähiger Algorithmen automatisierbar geworden. Digitale Systeme sind relativ einfach zu testen. (Der Nachteil digitaler Systeme ist, dass sie langsamer als analoge Systeme sind.) 23

24 Aufgaben 1. Wie unterscheidet sich eine digitale Größe von einer analogen? 2. Was versteht man unter binären Größen? 3. Welche Genauigkeit ist bei der digitalen Größendarstellung erreichbar? 4. Was sind logische Zustände und wie werden sie dargestellt? 5. Geben Sie an, wie Messgrößen bei einem analog anzeigenden und einem digital anzeigenden Messgerät dargestellt werden. 24