Grundlagen der Digitaltechnik

317 Pages·1985·7.825 MB·German

by  Dipl.-Ing. Lorenz Borucki (auth.)

L. Borucki
Grundlagen der Digitaltechnik
Moeller
Leitfaden der Elektrotechnik
Herausgegeben von
Dr.-Ing. Hans Fricke
Professor an der Technischen Universität Braunschweig
Dr.-Ing. Heinrich Frohne
Professor an der Universität Hannover
Dr.-Ing. Paul Vaske
Professor an der Fachhochschule Hamburg
Band X
B. G. Tellbner Stllttgart
Grundlagen der Digitaltechnik
Von Dipl.-Ing. Lorenz Borucki
Professor an der Fachhochschule Niederrhein, Krefeld
unter Mitwirkung von
Dipl.-Ing. Georg Stockfisch
Professor an der Fachhochschule Niederrhein, Krefeld
2., neu bearbeitete und erweiterte Auflage
Mit 292 Bildern, 76 Tafeln und 31 Beispielen
B. G. Teubner Stuttgart 1985
CIP-Kurztitelaufnahme der Deutschen Bibliothek
Leitfaden der Elektrotechnik / Moeller. Hrsg.
von Hans Fricke ... - Stuttgart : Teubner
NE: Moeller, Franz [Begr.) ; Fricke, Hans [Hrsg.)
Bd. 10. Borucki, Lorenz: Grundlagen der
Digitaltechnik. - 2., neubearb. u. erw. Aufl. - 1985
Borucki, Lorenz:
Grundlagen der Digitaltechnik / von Lorenz Borucki.
Unter Mitw. von Georg Stockfisch. -
2., neubearb. u. erw. Aufl. -
Stuttgart : Teubner, 1985.
(Leitfaden der Elektrotechnik; Bd. 10)
ISBN 978-3-519-16415-9 ISBN 978-3-322-91182-7 (eBook)
DOI 10.1007/978-3-322-91182-7
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ren ist.
© B. G. Teubner, Stuttgart 1985
Gesamtherstellung: Zechnersche Buchdruckerei GmbH, Speyer
Umschlaggestaltung: M. Koch, Reutlingen
Vorwort zur zweiten Auflage
Die Digitaltechnik ist eine relativ junge Technik, deren Aufschwung etwa 1950
begann. Ihre Entwicklung geht Hand in Hand mit der der elektronischen Halb
leiterbauelemente und hat in den vergangenen 20 Jahren einen stürmischen
Verlauf genommen. Durch die integrierte Technik ist es möglich geworden,
den Flächenbedarf und die Kosten einer Schaltung gegenüber der Ausführung
in diskreter Technik auf weniger als ein Prozent zu senken sowie ihre Zuverläs
sigkeit stark zu vergrößern. So können heute äußerst komplexe Schaltungen in
einem einzigen Chip untergebracht werden.
Die ziffernmäßige Darstellung von Größen in der Digitaltechnik hat gegenüber
der analogen Darstellung drei entscheidende Vorteile: Erstens können Zahlen
einfach gespeichert werden, zweitens sind der Genauigkeit prinzipiell keine
Grenzen gesetzt, und drittens ist theoretisch eine fehlerlose Weiterverarbeitung
möglich.
Die Vorteile der ziffernmäßigen Darstellung sowie die der integrierten Technik
haben dazu geführt, daß die Digitaltechnik in allen Gebieten der Elektrotech
nik Eingang gefunden und teilweise sogar die Analogtechnik verdrängt hat.
Man spricht heute von digitaler Steuerungstechnik, digitaler Regelungstechnik,
digitaler Meßtechnik, digitaler Datentechnik und digitaler Übertragungstech
nik. Die Digitaltechnik gehört daher wie die Analogtechnik zum Grundwissen
eines jeden Elektroingenieurs. Beide zusammen sind das Rüstzeug zur Lösung
elektrotechnischer AufgabensteIlungen.
Die stürmische Entwicklung der Halbleiter- und Digitaltechnik läßt Details
rasch veralten. Daher muß ein Lehrbuch wie dieses die bleibenden Grundlagen
vermitteln. Die grundsätzlichen Wirkungsweisen von Digitalschaltungen und
die Arbeitsmethoden der Digitaltechnik stehen daher im Vordergrund der Be
trachtungen dieses Buches. Mit diesen Kenntnissen wird es möglich sein, den
jeweiligen Stand der Digitaltechnik zu erfassen; Selbstverständlich wird auch
eine Übersicht über die aktuellen Digitalschaltungen geboten.
In diesem Buch werden in Abschn. 1 bis 4 die allgemeinen, mathematischen,
codierungstheoretischen und schaltalgebraischen Grundlagen, sowie in Ab
schn. 5 bis 7 die elektrischen Grundschaltungen behandelt. Abschn. 8 befaßt
sich mit der Analyse und Synthese von Folgeschaltungen. Standardbaugrup
pen der Digitaltechnik, wie Zähler, Schieberegister, Addierer, Vergleicher,
Code-Umsetzer, Multiplexer und Halbleiterspeicher, sind in Abschn. 9 bis 13
VI Vorwort
und 15 dargestellt. Bussysteme, Schnittstellen, Pegelumsetzung und mikropro
grammierbare Steuerungen werden in Abschn. 14 und 16 behandelt. Den Ab
schluß bilden Abschn. 17 und 18 mit Digital-Analog- sowie Analog-Digital
Umsetzern.
Die häufig vorgenommene Unterteilung der Baugruppen in Schaltnetze bzw.
kombinatorische Schaltungen und Schaltwerke bzw. sequentielle Schaltungen
wird bewußt unterlassen, weil dabei eine praxisbezogene Unterteilung nach
Funktionen nicht möglich ist. Der Praxisbezug steht jedoch im Vordergrund,
da das Buch primär als Lehrbuch für Studiengänge an Fachhochschulen und
Gesamthochschulen gedacht ist. Es vermittelt aber auch die Grundkenntnisse
für ein Universitätsstudium.
Gegenüber der ersten Auflage wurde das Buch um die Abschnitte 2.4, 5.2.5,
5.3, 8, 10.6, 14, 16 und 18.2 erweitert. Diese Erweiterung erschien teils aus di
daktischen Gründen (Absehn. 8), teils wegen der allgemeinen Bedeutung der
Themen geboten. Im Zusammenhang mit der Einfügung von Abschn. 8 mußte
Abschn. 9 neugefaßt werden. Eine Neufassung erhielten auch die Abschnitte 6,
7 und 15, Abschn. 7 wiederum aus didaktischen Gründen, Abschn, 6 und 15,
um die technischen Neuerungen besser einordnen zu können. Darüber hinaus
wurden an zahlreichen Stellen Ergänzungen zur Abrundung der Darstellung
vorgenommen.
Danken möchten wir Herrn Professor Dr.-Ing. Hans Fricke für die kritische
Durchsicht des Manuskripts sowie die vielen wertvollen Hinweise und Rat
schläge, die zum Gelingen der zweiten Auflage dieses Buches beigetragen ha
ben. Unser Dank gilt ferner dem Verlag für die gute Zusammenarbeit, die sorg
fältige Herstellung und die gute Ausstattung des Buches.
Krefeld, April 1985 Lorenz Borucki, Georg Stockfisch
Inhalt
1 Digitaltechnik und Nachrichtentechnik (Lorenz B 0 ru ck i)
1.1 Definition der Digitaltechnik . . . . 1
1.2 Darstellungsarten von Nachrichten 2
1.3 Nachrichtenverarbeitende Systeme 2
2 Zahlen (Lorenz Borucki)
2.1 Zahlensysteme .... 4
2.2 Umwandlungen von und in Dezimalzahlen 6
2.3 Fest- und Gleitkommadarstellung von Zahlen 9
2.4 Darstellung positiver und negativer Zahlen 10
2.5 Dualarithmetik .. 12
2.5.1 Addition .. 12
2.5.2 Subtraktion . 12
2.5.3 Multiplikation 14
2.5.4 Division 14
3 Codes (Lorenz Borucki)
3.1 Begriffsbestimmung . 16
3.2 Binär-dezimale Codes (BCD-Codes) 18
3.3 Einschrittige Codes 21
3.4 Gesicherte Codes 23
3.4.1 Fehlererkennbare Codes 23
3.4.1.1 Quersummenprufung. 3.4.1.2 Gleichgewichtige Codes
3.4.2 Fehlerkorrigierbare Codes ........ . . . . . . . . . . .. 26
3.4.2.1 Blockverfahren. 3.4.2.2 Hamming-Codes
3.5 Alphanumerische Codes ........ 30
VIII Inhalt
4 Schaltalgebra (Lorenz Borucki)
4.1 Grundlagen . . . . . . . . . . 35
4.2 Funktionen der Schaltalgebra 36
4.2.1 Funktionstabelle . . . . . 36
4.2.2 Funktionen von einer Binärvariablen 37
4.2.3 Funktionen von zwei Binärvariablen 38
4.3 Vollformen und Normalformen 41
4.3.1 Vollkonjunktionen und Volldisjunktionen 41
4.3.2 Disjunktive und konjunktive Normalform 43
4.4 Rechenregeln der Schaltalgebra 44
4.4.1 Allgemeine Regeln 44
4.4.2 Regeln für Festwerte ... 45
4.4.3 Regeln für eine Variable und Festwerte 46
4.4.4 Shannonsches Theorem 48
4.5 Aufstellen von Funktionen .. 48
4.5.1 Eindeutige Funktionen . 49
4.5.2 Redundante Funktionen 50
4.6 Vereinfachen von Funktionen 50
4.6.1 Rechnerisches Verfahren nach Quine und McCluskey 52
4.6.2 Graphisches Verfahren nach Karnaugh und Veitch . . 54
4.6.2.1 KV-Diagramm. 4.6.2.2 Darstellen und Vereinfachen
von Funktionen im KV-Diagramm. 4.6.2.3 Regeln für das Ver
einfachen im KV-Diagramm
5 Elektronische Schalter (Lorenz Borucki)
5.1 Idealer und realer Schalter . . . 60
5.2 Bipolarer Transistor als Schalter 63
5.2.1 Ausgangskennlinienfeld und Schaltzustände 63
5.2.2 Statische Dimensionierung . . . 64
5.2.3 Schaltzeiten .......... . 68
5.2.4 Ungesättigter Transistorschalter 71
5.2.5 Gegentaktschalter . . . . . . 72
5.3 Unipolarer Transistor als Schalter . . 75
Inhalt IX
6 Logische Schaltungen (Lorenz Borucki)
6.1 Grundlagen . . . . . . . . . . . . 79
6.2 UND- und ODER-Schaltungen 81
6.2.1 Diodenschaltungen .... 81
6.2.1.1 Arbeitsweise. 6.2.1.2 Dimensionierung. 6.2.1.3 Erweite
rung der Anzahl der Eingänge
6.2.2 Transistorschaltungen . . . 85
6.3 NAND- und NOR-Schaltungen .. 86
6.3.1 Schaltungen aus Diodenverknüpfungen und Negationen 86
6.3.2 Schaltungen aus Negationen im Parallel- und Serienbetrieb 86
6.4 Schaltkreisfamilien . . . 88
6.4.1 DTL-Schaltkreise 89
6.4.2 TTL-Schaltkreise 91
6.4.3 ECL-Schaltkreise 95
6.4.4 I2L-Schaltkreise . 97
6.4.5 MOS-Schaltkreise 98
6.4.6 Vergleich der Schaltkreis familien 102
7 Kippstufen (Lorenz Borucki)
7.1 Flipflops (bistabile Kippstufen) 107
7.1.1 Basis-Flipflops (bistabile Grundschaltungen) .......... 107
7.1.1.1 NOR-Basis-Flipflop. 7.1.1.2 Analysediagramm. 7.1.1.3
Graph. 7.1.1.4 Synthesetabelle. 7.1.1.5 NAND-Basis-Flipflop
7.1.2 Taktgesteuerte Flipflops ..................... 113
7.1.2.1 Taktzustandssteuerung. 7.1.2.2 Taktflankensteuerung.
7.1.2.3 Master-Slave-Flipflop
7.2 Monoflops (monostabile Kippstufen) ... 122
7.2.1 Monoflops mit Differenziergliedern 123
7.2.2 Monoflops mit Verzögerungsgliedern 127
7.2.3 Retriggerbare Monoflops . . . . 130
7.3 Multivibratoren (astabile Kippstufen) ... 132
7.3.1 Multivibrator mit Differenziergliedern 132
7.3.2 Multivibratoren mit Verzögerungsgliedern 133
X Inhalt
7.4 Schwellwertschalter 138
7.4.1 Schwellwertschalter mit Operationsverstärker ......... 139
7.4.1.1 Invertierender Schwellwertschalter. 7.4.1.2 Nichtinver
tierender Schwellwertschalter. 7.4.1.3 Verschieben der Schwel
lenspannungen
7.4.2 Schwellwertschalter aus Negationen ...... . 145
7.4.3 Schwellwertschalter aus diskreten Bauelementen 146
8 Analyse und Synthese von Folgeschaltungen (Lorenz Borucki)
8.1 Beschreibungsarten von Folgeschaltungen 150
8.1.1 Impulsdiagramm ........ . 150
8.1.2 Graph . . . . . . . . . . . . . . . . 151
8.1.3 Übergangs- und Ausgangstabelle 153
8.1.4 Schaltfunktionen 154
8.2 Analyse von Folgeschaltungen . 155
8.3 Synthese von Folgeschaltungen 157
9 Zähler und Schieberegister (Lorenz Borucki)
9.1 Synchrone Zähler 162
9.1.1 Steuerung der taktabhängigen Informationseingänge 164
9.1.2 Steuerung des Zähltakts 166
9.2 Asynchrone Zähler . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 170
9.2.1 Steuerung der taktabhängigen Informationseingänge 171
9.2.2 Steuerung der taktabhängigen und der taktunabhängigen In-
formationseingänge 172
9.3 Schieberegister .............................. 174
10 Rechenschaltungen (Lorenz Borucki)
10.1 Halbaddierer 177
10.2 Volladdierer 178
10.3 Addition mehrsteIliger Dualzahlen 179
10.3.1 Paralleladdition 179
10.3.2 Serienaddition ....... . 181