Einführung in die Digitaltechnik

Man kennt die Begriffe Analog und Digital beispielsweise von Uhren: Es gibt Uhren in analoger und digitaler Ausführung. Aber auch in der elektrotechnischen Welt finden sich die Begriffe Digitaltechnik und Analogtechnik wieder. „Die Digitalisierung schreitet immer weiter voran“ kann man immer wieder als Schlagzeile lesen. Doch was bedeutet Digital? Was ist der Unterschied zu Analog? Antworten auf diese Fragen liefert der folgende Artikel.

Analog vs. Digital

Die Begriffe Analog und Digital lassen sich anhand von Uhren sehr gut erklären. Analoge Signale sind stufenlos und liefern in der Theorie unendliche genaue Information. Befindet sich beispielsweise der Stundenzeiger einer analogen Uhr zwischen zwei Ziffern, liefert er die Information, wie lange es noch bis zur nächsten vollen Stunde dauert. Im Gegensatz dazu können digitale Signale nur eine endliche Anzahl von Werten annehmen und liefern daher nur eine begrenzte Menge an Informationen. Bei einer Digitaluhr beispielsweise zeigt die Stundenanzeige lediglich die aktuelle Stunde an. Es liegt somit keine Information vor, wie viel Zeit bis zur nächsten vollen Stunde verbleibt. Am Beispiel der Uhren ist auch erkennbar, dass digitale Signale eindeutige Werte besitzen und auch als diese erkannt werden. Bei analogen Signalen hingegen hängt die Genauigkeit der Darstellung davon ab, wie genau die analoge Größe gemessen werden kann.

Folgende Abbildungen zeigen ein analoges und ein digitalisiertes Sinussignal. Das analoge Signal ändert sich wert- und zeitkontinuierlich. Mit anderen Worten, es kann in einem zeitlichen Verlauf unendlich viele Werte annehmen.  Im Gegensatz dazu nimmt das digitale Signal zu bestimmten Zeitpunkten (zeitdiskret) nur bestimmte endliche Werte (wertediskret) an.

Analoges Signal:

Digitales Signal:

Binäre Digitaltechnik

Das für uns übliche Zahlensystem ist das Dezimalsystem mit Ziffern von Null bis Neun. Mit den unterschiedlichen Wertigkeiten für Einerstelle, Zehnerstelle, Hunderterstelle usw. lassen sich alle Zahlen darstellen. In der Elektrotechnik hat sich jedoch das Dualsystem, auch als Binärsystem bezeichnet, durchgesetzt. Daher müsste es strenggenommen auch Binäre Digitaltechnik heißen. Im normalen Sprachgebrauch wird aber meist lediglich der Begriff Digitaltechnik verwendet. Das Binärsystem hat nur zwei Ziffern, Null (0) und Eins (1), auch als Bit bezeichnet. Man spricht auch von zwei logischen Zuständen. Den logischen Zuständen werden binäre Zustände zugeordnet. Beispiele für binäre Zustände sind:

  • Schalter geschlossen/offen
  • Spannung hoch/niedrig
  • Strom hoch/niedrig
  • Transistor leitend/gesperrt

Durch folgende beispielhafte Zuordnung

  • Null (0) entspricht 0 V
  • Eins (1) entspricht +5 V

sind äußere Zustände auf logische Zustände abgebildet und die Recheneinheit kann diese einlesen, verarbeiten und auch wieder ausgeben. Elektronische Bauelemente der Digitaltechnik sind beispielsweise Mikrocontroller und Mikroprozessoren sowie Logikgatter und Speicherelemente.

Binäre Darstellung

Um den binären Zustand eines Schalters darzustellen, reicht eine Ziffer des Dualsystems, also ein Bit, aus:

  • Logischer Zustand Null (0) = Schalter offen
  • Logischer Zustand Eins (1) = Schalter geschlossen

Möchte man nun aber eine größere Zahl darstellen, benötigt man mehrere Bits. Mit zwei Ziffern lassen sich vier Zustände darstellen: 00, 01, 10 und 11. Diese könnten beispielsweise die Zahlen von Null bis Drei bedeuten. Möchte man nun die Zahlen von Null bis Neun sowie alle Buchstaben darstellen, benötigt man wesentlich mehr Bits. Hier hat sich der American Standard Code for Information Interchange (ASCII) durchgesetzt. Dieser Code ordnet jedem Zeichen ein aus sieben Bits bestehendes Bitmuster zu. Die ASCII-Tabelle beinhaltet sämtliche Ziffern, Buchstaben und Sonderzeichen und deren zugeordnetes Bitmuster.

Beispiele aus der ASCII-Tabelle:

  • 1000001 = „A“
  • 1100001 = „a“
  • 1011010 = „Z“
  • 0110001 = „1“
  • 0111001 = „9“
  • 0100011 = „#“

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