Mit Google fortfahren
Dein Handy erkennt Berührungen, speichert Fotos und zeigt Videos. Auch eine Ampel kann selbst entscheiden, wann sie umschaltet. Dahinter arbeitet oft Digitaltechnik mit sehr einfachen Zuständen.
Was Digitaltechnik macht
Digitaltechnik ist die Technik, die Informationen mit klar unterscheidbaren Zuständen verarbeitet. Meist sind das 0 und 1. Geräte können damit rechnen, speichern und Entscheidungen treffen.
Ein Signal ist eine technische Nachricht. Es kann zum Beispiel mitteilen, ob ein Knopf gedrückt ist. In einer digitalen Schaltung steht 0 oft für aus und 1 oft für an.
Ein Bewegungsmelder prüft, ob jemand im Raum ist.
Keine Bewegung: 0
Bewegung erkannt: 1
Mit diesem Signal kann eine Lampe eingeschaltet werden.
Digitaltechnik unterscheidet festgelegte Zustände. Welche Bedeutung 0 und 1 haben, wird für die Schaltung festgelegt.
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Analog und digital
Ein analoges Signal kann innerhalb eines Bereichs stufenlos viele Werte annehmen. Die Lautstärke deiner Stimme verändert sich zum Beispiel fließend. Ein digitales Signal nutzt dagegen nur festgelegte Stufen.
Stell dir eine Rampe und eine Treppe vor. Auf einer Rampe kannst du an jeder Höhe stehen. Eine Treppe hat einzelne Stufen. Deshalb ist die Rampe ein Bild für analog und die Treppe ein Bild für digital.
Ein Mikrofon nimmt Sprache zunächst als analoges Signal auf. Ein Gerät misst die Lautstärke in kurzen Abständen und ordnet jedem Messwert eine Zahl zu. Danach kann ein Computer die Aufnahme speichern und bearbeiten.
Beim Umwandeln in digitale Werte werden kleine Unterschiede manchmal zusammengefasst. Dafür lassen sich Daten gut kopieren, speichern und prüfen.
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Bits und Binärzahlen
Ein Bit ist die kleinste Informationseinheit in der Digitaltechnik. Es kann genau zwei Werte haben: 0 oder 1. Das Binärsystem ist ein Zahlensystem, das nur die Ziffern 0 und 1 verwendet.
Computer können Binärzahlen leicht mit elektrischen Zuständen darstellen. Mehrere Bits bilden zusammen eine größere Information. Acht Bits nennt man ein Byte.
Mit zwei Bits sind vier Kombinationen möglich:
00
01
10
11
Mit drei Bits gibt es acht Kombinationen. Jedes zusätzliche Bit verdoppelt die Zahl der Möglichkeiten.
Ein Bit hat zwei Möglichkeiten. Mit \(n\) Bits kannst du \(2^n\) verschiedene Kombinationen bilden.
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Entscheidungen mit Logikgattern
Ein Logikgatter ist ein kleiner Baustein, der Eingangssignale nach einer festen Regel verarbeitet. Ein Eingang bringt eine Information in die Schaltung. Der Ausgang ist das Ergebnis der Regel.
Ein UND-Gatter liefert nur dann 1, wenn alle seine Eingänge 1 sind. Ein ODER-Gatter liefert 1, wenn mindestens ein Eingang 1 ist. Ein NICHT-Gatter kehrt den Wert um: Aus 1 wird 0 und aus 0 wird 1.
Eine Maschine darf nur starten, wenn die Schutzhaube geschlossen ist und der Startknopf gedrückt wird. Das ist eine UND-Regel.
Schutzhaube geschlossen: 1
Startknopf gedrückt: 1
Maschine startet: 1
Fehlt eine Bedingung, startet die Maschine nicht.
Eine Alarmanlage soll warnen, wenn ein Fenster oder eine Tür geöffnet wird. Das ist eine ODER-Regel. Schon ein geöffnetes Fenster genügt für den Alarm.
UND verlangt alle Bedingungen. Bei ODER genügt mindestens eine Bedingung. NICHT vertauscht 0 und 1.
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Vom Sensor zum Gerät
Ein Sensor ist ein Bauteil, das etwas aus der Umwelt erkennt. Er kann zum Beispiel Licht, Wärme, Abstand oder Bewegung erfassen. Die Digitaltechnik verarbeitet sein Signal und steuert danach ein Gerät.
Ein Aktor ist ein Bauteil, das etwas ausführt. Eine Lampe, ein Motor oder ein Lautsprecher kann ein Aktor sein. Bei einer automatischen Tür liefert der Sensor die Information und der Motor bewegt die Tür.
Bei einer Ampel erkennt ein Sensor ein wartendes Auto. Die Steuerung wertet das Signal aus. Sie schaltet dann nach einem passenden Ablauf die Ampel auf Grün.
Sensor meldet Auto: 1
Steuerung prüft die Bedingungen
Ampel schaltet
Zwischen Sensor und Aktor können viele Logikgatter, Speicher und Rechenschritte liegen. Trotzdem beginnt die Entscheidung mit einem Signal.
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Speichern und im Takt arbeiten
Manche Schaltungen müssen sich etwas merken. Ein Speicher hält eine Information fest, auch wenn sich der Eingang schon wieder verändert hat. So kann eine digitale Uhr zählen oder ein Computer Daten behalten.
Ein Takt ist ein regelmäßig wiederkehrendes Signal. Er gibt einer Schaltung gemeinsame Zeitpunkte vor. Bei jedem Taktimpuls kann sie zum Beispiel den nächsten Zählerstand übernehmen.
Ein digitaler Zähler speichert nacheinander diese Binärwerte:
000
001
010
011
100
Bei jedem Taktimpuls erhöht sich der gespeicherte Wert um eins.
Ohne Speicher reagiert eine Schaltung nur auf den aktuellen Eingang. Mit Speicher kann sie auch frühere Zustände berücksichtigen.
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Zusammenfassung
Digitaltechnik verarbeitet Informationen mit festen Zuständen, meist 0 und 1. Ein Bit ist die kleinste Einheit dafür. Mehrere Bits können Zahlen oder andere Daten darstellen.
Logikgatter treffen einfache Entscheidungen mit UND, ODER und NICHT. Sensoren liefern Informationen, Aktoren führen Entscheidungen aus. Speicher und Takt machen es möglich, dass digitale Systeme auch Abläufe und frühere Zustände verarbeiten.