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2007 | Book

Digitaltechnik

Lehr- und Übungsbuch für Elektrotechniker und Informatiker

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About this book

In vielen technischen Anwendungen sind Kenntnisse der Digitaltechnik unerlässlich. Die M- rocomputertechnik, digitale Regelungen und viele Einrichtungen der Telekommunikation sind ohne die Methoden der Digitaltechnik nicht mehr zu verstehen, ein Trend, der verstärkt wird durch den Einsatz integrierter mechanisch-elektronischer Systeme. Dieses Buch vermittelt einen fundierten Einstieg in die Digitaltechnik, indem es die Grundlagen bis hin zum Aufbau und der Programmierung einfacher Mikroprozessoren lückenlos darstellt. Neben einer soliden theoretischen Grundlage erwirbt der Leser also Kenntnisse, die das Verständnis der meisten digitaltechnischen Schaltungen ermöglichen. Der gute Absatz der ersten drei Auflagen bes- tigt das gewählte Konzept, so dass auf grundsätzliche Änderungen verzichtet wurde. Das vorliegende Buch richtet sich hauptsächlich an Ingenieure und Informatiker an Fachho- schulen und Universitäten. Da zum Verständnis des Buches keine besonderen Vorkenntnisse benötigt werden, eignet sich das Buch aber auch für den interessierten Laien. Lediglich für das Kapitel „Schaltungstechnik“ muss der Leser Grundkenntnisse in der Elektronik haben. Das Kapitel ist aber zum Verständnis der anderen Kapitel des Buches nicht erforderlich und kann übersprungen werden. Die Darstellung der booleschen Algebra und die verwendeten Symbole entsprechen weitgehend der geltenden DIN-Norm. Um das Selbststudium zu erleichtern, sind zu jedem Kapitel Übungsaufgaben angegeben, mit denen das Verständnis des behandelten Stoffs überprüft werden kann. In der 5. Auflage wurden auf vielfältigen Wunsch weitere Aufgaben hinzugefügt. Ein Lösungsvorschlag ist jeweils im Anhang zu finden.

Table of Contents

Frontmatter
1. Einleitung
Auszug
Die Digitaltechnik hat in den letzten Jahren an Bedeutung weiter zugenommen. Dies ist auf die wesentlichen Vorzüge der Digitaltechnik zurückzuführen, die es erlauben, sehr komplexe Systeme aufzubauen. Man erreicht dies, indem man sich auf zwei Signalzustände beschränkt, die in logischen Gattern mit stark nichtlinearem Übertragungsverhalten ohne Fehlerfortpflanzung übertragen werden können. Durch diese Beschränkung gelingt es, eine Halbleiter-Technologie aufzubauen, die eine Realisierung von über 107 logischen Gattern auf einem Chip ermöglicht.
2. Codierung und Zahlensysteme
Auszug
Codes werden in der Digitaltechnik häufig verwendet, um ein Signal für einen Anwendungsfall optimal darzustellen. Ein Code bildet die Zeichen eines Zeichenvorratses auf die Zeichen eines zweiten Zeichenvorrates ab. Sinnvollerweise soll auch eine Dekodierung möglich sein, bei der aus dem codierten Zeichen wieder das ursprüngliche gewonnen wird.
3. Schaltalgebra
Auszug
Die Digitaltechnik hat der Analogtechnik voraus, dass sie auf einer relativ einfachen, aber dennoch mächtigen Theorie beruht, der booleschen Algebra, die auch Schaltalgebra genannt wird. In diesem Kapitel werden diese theoretischen Grundlagen der Digitaltechnik dargestellt. Die boolesche Algebra kann man auf fast alle bei der Entwicklung einer digitalen Schaltung vorkommenden Probleme anwenden, unter der Bedingung, dass einige technologische Voraussetzungen erfüllt sind, die im Kapitel 4 behandelt werden.
4. Verhalten logischer Gatter
Auszug
In diesem Kapitel soll insoweit auf das reale Verhalten logischer Gatter eingegangen werden, wie es zum Verständnis der Dimensionierung digitaler Schaltungen notwendig ist. Im folgenden Kapitel 5 wird das Thema weiter vertieft.
5. Schaltungstechnik
Auszug
Transistoren werden in digitalen Schaltkreisen als Schalter eingesetzt. Sie haben die Aufgabe, einen Stromkreis zu öffnen oder zu trennen. Idealerweise müssten sie daher von einem Kurzschluss im eingeschalteten Zustand zu einem unendlich hohen Widerstand im ausgeschalteten Zustand umgeschaltet werden können. Auch sollen sie gemäß Bild 4–6 bei einer definierten Schwellenspannung Us abrupt schalten. Reale Transistoren erfüllen diese Vorgaben jedoch nur unvollständig. In den nächsten Abschnitten werden die gängigen Schaltkreistechnologien sowie deren Eigenschaften diskutiert.
6. Schaltnetze
Auszug
Ein Schaltnetz ist eine Funktionseinheit, die einen Ausgangswert erzeugt, der nur von den Werten der Eingangsvariablen zum gleichen Zeitpunkt abhängt. Es wird durch eine Schaltfunktion beschrieben. In der Praxis stellt sich oft die Aufgabe, zu einer gegebenen Schaltfunktion die einfachste Realisierung zu finden. Hier werden Verfahren vorgestellt, die eine Minimierung mit graphischen Methoden oder mit Hilfe von Tabellen ermöglichen. Die minimierte KDNF wird minimale disjunktive Normalform (DNF), die minimierte KKNF wird minimale konjunktive Normalform (KNF) genannt.
7. Asynchrone Schaltwerke
Auszug
Ein asynchrones Schaltwerk kann man sich aus einem Schaltnetz entstanden denken, bei dem zumindest ein Ausgang auf den Eingang zurückgeführt wurde. Dieses Schaltnetz wird im Folgenden mit SN1 bezeichnet. Schaltwerke werden auch sequentielle Schaltungen oder endliche Automaten genannt. Das Verhalten eines Schaltwerks hängt neben den aktuell anliegenden Eingangsvariablen auch von den Eingangsvariablen xi vorhergegangener Zeiten ab. Es ist daher in der Lage, Information zu speichern. Die gespeicherten Größen heißen Zustandsgrößen, die hier mit zi bezeichnet werden.
8. Synchrone Schaltwerke
Auszug
Ein synchrones Schaltwerk kann man sich aus einem asynchronen Schaltwerk entstanden denken, bei dem in die Rückkopplung Pufferspeicher eingebaut worden sind, die von einem Takt CLK gesteuert werden (Bild 8–1). Mit den Speichern wird der geschlossene Kreis entkoppelt, der durch die Rückkopplung entsteht.
9. Multiplexer und Code-Umsetzer
Auszug
In diesem Kapitel werden zwei Standard-Bauelemente, nämlich Multiplexer und CodeUmsetzer, vorgestellt. Diese Bausteine sind für eine Reihe von Anwendungen, wie zum Beispiel die Realisierung von booleschen Funktionen oder die Bündelung von mehreren Nachrichtenkanälen auf einer Leitung geeignet.
10. Digitale Zähler
Auszug
Digitale Zähler sind asynchrone oder synchrone Schaltwerke, die in der Regel aus kettenförmig angeordneten Registern bestehen. Der Registerinhalt wird als der Zählstand des Zählers interpretiert.
11. Schieberegister
Auszug
Schieberegister bestehen aus einer Kette von mehreren Registern, in denen der Informationstransport wie in einer Eimerkette weitergegeben wird. Sie können z.B. aus D-Flipflops oder JK-Flipflops aufgebaut sein. Ein Beispiel mit 4 JK-Flipflops ist in Bild 11–1 gezeigt. Damit die Information gleichzeitig über die Kette übertragen wird, werden flankengesteuerte Flipflops verwendet.
12. Arithmetische Bausteine
Auszug
Im Kapitel 3 wurde bereits die Addition zweier Binärzahlen unter Berücksichtigung des Übertrags definiert. Ein Schaltnetz, das diese Addition für eine Stelle durchführt, heißt Volladdierer. Der Übertrag von der vorherigen Stelle und die beiden Summanden werden addiert und die Summe und ein Übertrag zur nächsten Stelle werden ausgegeben. Der Volladdierer beinhaltet die Schaltfunktionen für den Summenausgang Fi und den Übertrag (carry) zur nächsten Stufe
13. Digitale Speicher
Auszug
Speicherbausteine dienen der Speicherung größerer Datenmengen. Sie werden als ein wichtiger Bestandteil von Digitalrechnern eingesetzt. Man unterscheidet zwischen:
14. Programmierbare Logikbausteine
Auszug
Sollen Schaltwerke oder Schaltnetze aufgebaut werden, so gibt es verschiedene Möglichkeiten der Realisierung. Aus Kostengründen wird man nach Möglichkeit Standardbauelemente bevorzugen, die in großen Stückzahlen gefertigt werden können. Es stellt sich daher die Frage, wie Standardbauelemente den speziellen Anforderungen der einzelnen Kunden angepasst werden können. Der Halbleitermarkt bietet die folgenden Alternativen:
15. VHDL
Auszug
Zur Entwicklung digitaler Schaltungen stehen heute eine Vielzahl verschiedener Entwurfswerkzeuge zur Verfügung. Sie sind eine unerlässliche Voraussetzung für den Entwurf komplexer Schaltungen. So konnten sich ASIC nur auf dem Markt durchsetzen, weil leistungsfähige Software für ihren Entwurf vorhanden war. Es gibt eine Vielzahl verschiedener Sprachen für die Entwicklung von Hardware. Man unterscheidet zwischen Architektur-unabhängigen und Architektur-abhängigen Sprachen:
16. Mikroprozessoren
Auszug
Schaltwerke mit sehr vielen inneren Zuständen, die zusätzlich von einer Vielzahl von Eingängen abhängig sind, können mit den bisher gezeigten Methoden nur schwer entwickelt werden. Die Schwierigkeit liegt im großen Umfang der benötigten Zustandsfolgetabelle. Prinzipiell können daher mit dem besprochenen Entwurfsverfahren nur einfache Schaltwerke konzipiert werden.
Backmatter
Metadata
Title
Digitaltechnik
Author
Klaus Fricke
Copyright Year
2007
Publisher
Vieweg
Electronic ISBN
978-3-8348-9038-2
Print ISBN
978-3-8348-0241-5
DOI
https://doi.org/10.1007/978-3-8348-9038-2