Digitaltechnik

Die Digitaltechnik ist ein Teilgebiet der technischen Informatik und befasst sich mit digitalen Schaltungen. In diesen erfolgt die Signalverarbeitung mit digitalen Signalen, d. h. mit Signalen, die diskretisiert (zeitdiskret) wie auch quantisiert (wertediskret) sind. Sie stellt das Gegenstück zur Analogtechnik dar. Durch technologische Innovationen seit 1900 konnte sie zunehmend Funktionen aus der Analogtechnik ersetzen und vor allem neue ermöglichen. Die Digitaltechnik hat unsere Welt derart verändert, dass der Begriff „Postdigital“ entstand.

Wikipedia digital als Binärcode

Allgemeines

In der realen, physischen Welt verhält sich vieles stufenlos (analog). Seit dem letzten Jahrhundert hat die Wissenschaft Technologien entwickelt, mit denen sich manche Aufgaben leichter und besser lösen lassen. Das geschieht mit Hilfe der Digitaltechnik, indem alle ursprünglich analogen Werte quantisiert werden. Diese können leichter verarbeitet werden, weil damit kleine Nuancen eines Signals nicht immer beachtet werden müssen. Um die Ergebnisse dieses Vorgangs wieder in der realen Welt nutzen zu können, ist meist eine Umwandlung zurück in die analoge Form nötig (Mikrofon mit Analog-Digital-Umsetzer → Speicherung → Lautsprecher mit Digital-Analog-Umsetzer). Das einfachste Beispiel für analog und digital ist eine Rampe und eine Treppe. Natürlich kann man mit steigendem Aufwand die Stufen der Treppe immer kleiner machen, bis der Unterschied unkenntlich wird. Seit 1950 kann man diese Fortschritte am deutlichsten am Leistungsumfang von Mikroprozessoren nachvollziehen, siehe auch Mooresches Gesetz.

Wertigkeiten

einzelnes Bit: Ein Bit kann je nach Technologie verschieden viele Werte darstellen:

Elektronisch: Es gibt nur 2 Zustände des Signals: Ein/Aus, oder 1/0, High/Low, Wahr/Falsch
Biologisch: Bei DNA-Sequenzen sind mit den 4 Basenpaaren 16 Zustände möglich
Organisch: Peptide können mit 20 Zuständen rechnen
QuantenBits: 2 Zustände, wobei die Wahrscheinlichkeit jedes Messwertes durch den vor der Messung vorliegenden Zustand bestimmt wird.

Wortlängen: Durch Kaskadierung werden Bits zu Worten zusammengefasst. Ein einziges Wort kann je nach Technologie verschieden große Werte darstellen. Diese Werte werden je nach Anwendung auf verschiedene Arten interpretiert.

Elektronisch:
- 4 Bits: Dezimal 0–9 (Digit), Hexadezimal 0–15
- 8 Bits: Hexadezimal 0–255, Codierung von Textzeichen
- 16 Bits: Hexadezimal 0–65535, Codierung von Textzeichen in Unicode (internationale Zeichen)
- 32, 64, 80, 128 Bits: Hexadezimal oder Gleitkommazahlen-Formate
Biologisch: DNA-Sequenzen können fast unbegrenzte Längen erreichen
QuantenBits: Der technologische Aufwand begrenzt die Bit-Anzahl noch sehr

Gepackte Worte: In einem Wortfeld können mehrere Bitgruppen verschiedener Länge Informationen unterschiedlicher Bedeutung beinhalten. Ein Beispiel sind OP-Codes von Mikroprozessoren.

Informationsübertragung

Parallel: Über mehrere Leitungen (Datenbus) können mehrere Bits gleichzeitig übertragen werden.
Seriell: Über eine einzelne Leitung wird nacheinander ein Bit des Wortes nach dem anderen gesendet. In der Regel sind immer mehrere Worte zu senden. Für den zeitlichen Ablauf der Übertragung gibt es verschiedene Verfahren (Protokolle).
Mischformen: Durchaus können über mehrere Leitungen Teile eines Wortes parallel übertragen werden, bis das ganze Wort seriell ankommt. Die Übertragungsdauer dividiert sich dann um die Anzahl der Leitungen.

Bauteile

Hier eine Übersicht der wichtigsten Teile, die in der Digitaltechnik Verwendung finden.

Sensoren
AD- und DA-Wandler
Transistoren
Logikgatter, FlipFlops, Register und Treiber
Komprimierte Logik designed in FPGAS oder Gatearrays.
Mikroprozessoren und Speicher (ROM, RAM, Flash u.s.w)
Transputer
Massendatenträger (Festplatten, Solidstatememory, Wechseldatenträger wie USB-Sticks und CD-Roms)
Anzeigen und Displays
Interfaceanschlüsse für externe Geräte, Diagnose und Internet.

Entwicklungswerkzeuge

Während bis ca. 1970 Schaltpläne noch von Hand entworfen und gezeichnet wurden, haben heute neuere Werkzeuge Anwendung gefunden. Schaltpläne werden am Computer entworfen und ihre Funktionalität dann im Simulator getestet. Schaltpläne wurden ersetzt durch Hardwarebeschreibungssprachen wie VHDL, die dann den Schaltplan (Netzliste) und die Bauteilliste compilierten. Vorteil: Diese Daten können dann auch gleich genutzt werden, um das Layout der Leiterbahnen auf der Platine zu erzeugen (Floorplanning).

Vorteile

Vorteile der digitalen Signalverarbeitung gegenüber der analogen Technik sind die geringeren Kosten der Bauteile aufgrund hoher Integrationsdichte und vereinfachter Entwicklung und in der höheren Flexibilität. Mit Hilfe spezieller Signalprozessoren oder Computer können Schaltungen in Software und programmierbarer Hardware (PLDs) realisiert werden. Dadurch lassen sich Funktionen leichter an veränderte Anforderungen anpassen. Außerdem sind komplexe Algorithmen einfach anwendbar, die analog nur mit hohem Aufwand oder gar nicht realisierbar wären.

Durch stetige Verkleinerung der Bauelemente wurden die Geräte immer kleiner und kompakter. Die Technologie ist robuster gegenüber Temperatureinflüssen, Alterung, Schwankungen der Spannungsversorgung, und elektromechanischen Störungen. Durch sparsamen Strombedarf wird langer Batteriebetrieb möglich.

Mit der Einführung der Musik-CD (1980) entstand eine Diskussion, ob diese digital-gespeicherte Musik die hörbare Qualität erreicht, die die analoge Schallplatte bietet (Live-Musik sowieso). Die Musikindustrie fürchtete Verluste durch Raubkopien, was durch das folgende MP3 Format noch verstärkt wurde. Seit 2020 ist die Schallplatte wieder deutlich im Kommen. Trotzdem ist die CD und MP3 die meistgenutzte Möglichkeit.

Nachteile

Durch den schnellen Entwicklungsfortschritt sind die Produkte schnell überholt, und es gibt oft bessere. Das führt zu mehr Elektronikschrott, der die Umwelt belastet.

Historisches

Obwohl noch nicht als Digitaltechnik eingeordnet, erfüllte der Morsecode als erstes Signal 1837 die Anforderungen an eine serielle Datenübertragung. Ab 1938 wurden die ersten Rechner von Konrad Zuse mit Relais oder elektronischen Röhren gebaut. Alan Turing hat ebenfalls Bahnbrechendes entwickelt. Nach der Erfindung des Transistors 1925 ersetzte dieser langsam die Röhren und wurde zunächst für analoge Zwecke eingesetzt, dann aber immer öfter für digitale Aufgaben. Dies führte dann immer schneller zur Entwicklung integrierter Schaltkreise und dann zum Mikroprozessor.

Rezeption in der Öffentlichkeit

2020 ist das Wort „digital“ so gebräuchlich geworden, dass es stellvertretend für fast alle elektronischen Geräte und Vorgänge steht. Ja, es gibt schon digitale Währungen obwohl diese eher virtuell sind. Konten werden digital geführt, nicht mehr durch Bankangestellte. Vieles wird mit Smartphone und Internet geregelt. Das hat viele ältere Menschen abgehängt, die die Anwendung der neuen Technologien nicht so schnell erlernen konnten oder wollten.

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