Ch.Weddigen W.Jüngst

Elektronik Einführung für Naturwissenschaftler und Ingenieure

Mit 240 Abbildungen

Springer-Verlag Berlin Heidelberg GmbH 1986

Praf. Dr. rer. nat. Christian Weddigen Kernforschungszentrum Karlsruhe Institut fur Kernphysik WeberstraBe 5 7500 Karlsruhe

Dr. rer. nat.Wolfgang Jungst Institut fur Experimentelle Kernphysik Universităt Karlsruhe KaiserstraBe 12 7500 Karlsruhe

ISBN 978-3-540-16413-5

CI P-Kurztitelaufnahme der Deutschen Bibliothek

Weddigen, Christian: Elektronik: Einf. fiir Naturwiss. u. lngenieure 1 Christian Weddigen ; Wolfgang Jiingst.

NE: Jiingst, Wolfgang:

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© by Springer-Verlag Berlin Heidelberg 1986 UrsprOnglich erschienen bei Springer-Verlag Berlin Heidelberg New York Tokyo 1986

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2160/3020-543210

ISBN 978-3-540-16413-5 ISBN 978-3-662-06985-1 (eBook) DOI 10.1007/978-3-662-06985-1

Das vorliegende Buch befaßt sich mit ausgewählten Kapiteln der Elektronik. Es ist aus einer Vorlesung entstanden, die zusammen mit einem begleitenden Prakti­kum Physikstudenten des fünften bis siebenten Semesters angeboten wird. Ver­gleichbare Veranstaltungen wurden wiederholt am Kernforschungszentrum Karlsruhe im Rahmen der innerbetrieblichen Fortbildung durchgeführt. Sie stießen auf reges Interesse bei Betriebsangehörigen, angefangen von Lehrlingen elektrotechnischer Fachrichtungen bis zu promovierten Wissenschaftlern, auch benachbarter Diszipli­nen.

Eine Einführung in die Elektronik soll nicht nur Wissen über spezielle Schal­tungen vermitteln, sondern insbesondere den Leser mit den Grundbegriffen und den rechnerischen Methoden dieses Gebietes vertraut machen. Deren Verständnis sind Voraussetzung für das Einarbeiten in Spezialgebiete, für den Entwurf benö­tigter Schaltungen und für die Planung des Einsatzes kommerzieller Geräte. Als Lernobjekt sind Schaltungen besonders geeignet, die mit geringem experimentel­len Aufwand realisiert und untersucht werden können. Unter diesem Gesichtspunkt wurde der behandelte Stoff auf die Halbleiterelektronik beschränkt. Dabei nimmt die Informationselektronik eine bevorzugte Stellung ein, da sie ein breites Spektrum interessanter Schaltkreise umfaßt und in nahezu allen Gebieten der Technik angewandt wird.

Die vorliegende Einführung umfaßt drei Teile. Im ersten Teil werden die Ele­mente der analogen Elektronik (lineare Netzwerkelemente, Dioden, bipolare und Feldeffekttransistoren, Operationsverstärker) und eine Vielzahl ihrer Schaltun­gen behandelt. Unter Verwendung elementarer Netzwerktheorie werden insbesondere die Transistorgrundschaltungen vollständig durchgerechnet und die Ergebnisse für die Prinzipschaltungen auf realistische Dimensionierungsbeispiele angewandt.

Der zweite Teil führt in die Grundlagen der digitalen Elektronik ein und be­handelt wichtige digitale Schaltkreise. Schaltungen zur Realisierung der vier Grundrechenarten werden anhand gängiger TTL-Bausteine eingeführt.

Der dritte Teil des Buches beginnt mit komplexeren Schaltungen, mit denen der Experimentator häufig konfrontiert wird, nämlich mit Signalumsetzern, die insbe­sondere analoge, digitale und Zeitsignale ineinander überführen. Anhand typischer

kernphysikalischer Meßanordnungen wird das Zusammenspiel derartiger elektroni­scher Einheiten erläutert. Nach der Beschreibung von Vielkanalanalysatoren und ihrer Anwendungen endet das Buch mit einem Oberblick über die physikalischen Grenzen der Meßwerterfassung und mit Techniken zur Messung kleiner Signale.

Die meisten Kapitel sind durch Abschnitte DO IT YOURSELF ergänzt, in denen insbesondere Experimentiervorschläge gemacht werden. Die betreffenden Schaltun­gen sind erprobt und werden zum größten Teil seit vielen Jahren in unserem Praktikum bearbeitet.

Ohne die gewährte Unterstützung durch das Kernforschungszentrum Karlsruhe und durch die Universität Karlsruhe hätte dieses Buch nicht geschrieben werden können. Herr Dipl.-lng. Ulrich Kluge, Springer-Verlag Berlin, hat das Manuskript kritisch durchgesehen und zahlreiche Verbesserungsvorschläge gemacht. Ihm gilt unser besonderer Dank, ebenso wie Frau Gertrud Firl für das unermüdliche Schrei­ben und Korrigieren des Textes und Frau Monika Hochstrate für die sorgfältige Gestaltung der Zeichnungen. Dem Springer-Verlag danken wir für die angenehme und konstruktive Zusammenarbeit.

Karlsruhe, Frühjahr 1986 W. Jüngst Ch. Weddigen

Inhalt

Einleitung .............•....•..........••..••..•••••..•.••.•..•..•...•..•..

1 • Lineare Netzwerke 1 emente ..••.......•..••.....••••.•••••..•.••.•...•..•..

1.1 Der Widerstand .•..............•......••......•..•..••.......•..•••••

1.2 Die Spannungsquelle .•........•......•....••••...••••.••••.•.••..•..•

1.3 Die Stromquelle .................................................... .

1.4 Die Kapazität .•.....•..•...•...••..•••.••.•••••.••••....••••..••••••

1.5 Die Induktivität

1.6 Das Koaxialkabel ..........•......•....•••....•••..••.•.•.•..•..•....

1.6.1 Das ideale Koaxialkabel ...•..•..•........•••.•.•.....•.....•••

1.6.2 Abschlußwiderstand und Reflexionen •..••.....•••.••••.•..•..•..

1.6.3 Angepaßte Signalabschwächung und -Verteilung .•...•....•.......

1.6.4 Das reale Koaxialkabel .....•...•.....••.•.••....•••........•••

1.6.5 Das Verzögerungskabel .•...•.•...•..•..••••...•••...••••..•..•.

1.E DO IT YOURSELF ..........................•..••..••...•......•.....•••

2. Das Wechselstromverhalten von RCL-Schaltungen ....•..•.••........•.•.....

2.1 Die komplexe Beschreibung des Wechselstromverhaltens linearer

Netzwerke ...•........•...•......•...•.•.••...•.••...•.••.•..••••..•.

2.2 Serienschaltungen vonRund C (Hoch- und Tiefpaß) ....•.•.•.........•

2.3 Schwingkreise •.•..•.•........•...••.•.•.••.•••.•.•••..•..••.....•..•

2.4 Kettenschaltungdreier RC-Glieder ••..•••...•.••.••..••••.•.•.•....••

2.5 Der frequenzkompensierte Spannungsteiler

3

4

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9

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13 14 15 17

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22

25 26

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29

2.6 Ein Verfahren zur Messung von Impedanzen ..•.....••...•..•.••...•.... 30

2.E DO IT YOURSELF . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . • • . . . • . . . . . . . . . . . • . . . . . . . . . .. . 32

3. Analyse linearer Netzwerke ..........•......•••..•..•.................... 36

3.1 Die Maschenanalyse . . . . . . . • . . . . . • . • . . . . . . . . . . . . . . . . . . . • . . . . • . . . . • . . • . 36

3.2 Die Knotenanalyse . . . . . . . . . . . . . . • . . . . . . • . . . . • . . . . . . . . • . . • . . . . . . . . . . . . 40

3.3 Das Oberlagerungstheorem .•....•........•......•.......•.........••.. 42

3.4 Der Satz von der Zweipolquelle (Das Theorem von Thevevin) .......•... 42

3.5 Der Satz von der Ersatzstromquelle (Das Theorem von Natron) .•.....•. 43

VIII

3.6 Analyse eines DAC-Leiternetzwerkes •..••.••••••..•.•••••.••.••••••••• 44

3.E DO IT YOURSELF • • • • • • . • • • • • • • • • • • . . • • • • • • • • • • . • • • • . • • • • • • • • • • • • • • • • • • 45

4. Das Impulsverhalten von RCL-Schaltungen •••••••••••.•.••••••.•.•.••••.••• 47 4.1 Die RL-Serienschaltung •••••••••••••••••••..•.•••••..••••.....•••.••. 48 4.2 Die Re-serienschaltung ••••••••.•.•••••.••••••..•••.••.•...•.••••..•. 50

4.2.1 Das Differenzierglied ••••••••.•.•.••••.•••••.•..•••..•....•••• 51 4.2.2 Das Integrierglied •••••••••••••.•.•••••••.•••......••..••.•••• 53

4. 3 RCL -Scha 1 tungen • • • • • • • • . • • • • . . . . • • • • . • • • • . • • . • • • • • • • . . . • . . • • • • • • . • • • 54 4.3.1 Die RCL-Serienschaltung •.•.••.•••••••••...•••...•.....•••.•••• 54 4.3.2 Die RCL-Parallelschaltung • . • • . • • . • • . • • • • • • . • • • . • . • • . • • . • • • . • . . 58

4.4 Zwei weitere RC-Netzwerke •••••••.•.•••••.•..•...•••••.•...••...•.••• 59 4.4.1 Das Integrier-Differenzierglied ••••..••.•.••.•.•.••....••...•• 59 4.4.2 Das Doppeldifferenzierglied ••.•••••.••••.......••......•••...• 60

4.5 Antwortfunktionen für beliebige Eingangsimpulse •....•..••.......•••• 62 4. E DO IT YOURSELF • • . . • . . • . • • • . • • • • • • . • • . • . . • • • . • . • • • • . . . . . • . • • . . • . . . . • . 63

5. Dioden und Diodenschaltungen ••••...•••••.......••.••......•.•..•......•. 66 5.1 Die Fl~chendiode •••.•..•..•••....••.•...••..•.••....•••••..•..••••.• 66

5.1.1 Kennlinie und Schaltverhalten ••..•••...•.•.••..••••..•...•.••. 66 5.1.2 Linearisierte Ersatzschaltungen ••••..••..••..•....•..•.•...•.. 68

5.2 Spezialdioden . . • • • . . . • . • . . . • • . . • • • . . • • • . . . • • • . . . . • . • . . • . • . . . . . . . •. • . 69 5.2.1 Die Zener-Diode ..•..••.•.•••.•••••....•••..••.........•..••..• 69 5.2.2 Die Tunnel- und die Backwarcl-Diode •...•...........•........... 70 5.2.3 Kapazit~ts- und Schottky-Dioden .•.•...•...•......•.......•.... 72 5.2.4 Foto- und Luminiszenzdioden .••••..•••......•....•.........••.• 72

5.3 Einige Diodenschaltungen •••....•...•••..•••......•••••..•.•.....•..• 73 5.3.1 Die Vollweggleichrichtung ••.•.••..•.•.......••.••..••......••. 73 5.3.2 Die Kaskadenschaltung ••••.••••••..•••..•.•••..•••.......•.•••. 74 5.3.3 Die Zener-Diode als Spannungsquelle •.....•••................•• 78 5.3.4 Eine Klammerschaltung mit Zener-Dioden ...•.••......•.•...•.••. 78 5.3.5 Kippschaltungen mit Tunneldioden ••..•.•...•.•..•.•.•.••.•..•.• 79

5.E DO IT YOURSELF .. .. .. .. .. .. .. • .. .. .. • • .. .. .. .. .. .. .. .. .. . .. .. .. .. . .. • 81

6. Transistoren und Eintransistorschaltungen ••...••.••.•••.....•......•..•. 85 6.1 Der bipolare Transistor . . . • • . . • . • . • • • . . . • . • • . • • . . • . • . . . . • . . . . . . . . . • . 85

6.1.1 Kennlinien und Kenngrößen .••••.••..••.••••..•......•••...•.•.. 86 6.1.2 Linearisierte Ersatzschaltungen .••...•••••..••..•..••...•••••. 88 6.1.3 Der Transistor als Schalter •••.•.•••.....•.....••......•.•...• 90

6.2 Transistorschaltungen •..•..•.•.•••••...•.•••••..••••...••.....••...• 91 6.2.1 Kenngrößen von Transistorschaltungen ••...•••....•...•...•••.•• 91

IX

6.2.2 Der Entwurf einer Transistorschaltung ••.•••••••••••••••••••••• 92 6.2.3 Beispiel 1: Der Emitterfolger ••••••••••••••••••••••••••.•••••• 92 6.2.4 Beispiel 2: Der stromgegengekoppelte Verstärker ••.•••.•••••••• 95 6.2.5 Serienschaltung von Verstärker und Emitterfolger •••••••••••••• 97

6.3 Die Transistorgrundschaltungen •.•••••••••••••••••••••••••••.••••.••• 98 6.3.1 Die formale Berechnung der Kenngrößen ••••••••••••••••••••••••• 98 6.3.2 Die Kollektorgrundschaltung (Emitterfolger) ••••••.•.•••.•••••• 99 6.3.3 Die Basisgrundschaltung ••••••••••••••••••••.•••••••••••••••••• 100 6.3.4 Die Emittergrundschaltung •••••••••••••••••••.•••••..••••••••.• 101

6.4 Zwei weitere Eintransistorschaltungen •••••••••••.••••••.•••••••••••• 103 6.4.1 Der stromgegengekoppelte Verstärker •••••..••••.•••••••••••••.. 103 6.4.2 Der spannungsgegengekoppelte Verstärker ••••••••.•••••••••••••• 104

6.5 Eintransistorschaltungen (Zusammenfassung) •••••••••••••.••••••••.••• 105 6. E DO IT YOURSELF . . • • . • • • • • • • • . . • • • • • • • . • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • 106

7. Weitere Transistorschaltungen .••••••.•••••••••.••••••••••••.•••••.•••••• 109 7.1 RUckkopplung •••.••.•••••••.•..•••••..•••••.••••••••.•.•••••••.••••.•• 109

7.1.1 Mitkopplung: G> 0 ••••••••••••••••••.•••••••••••••....•.••...•• 109 7.1.2 Gegenkopplung: G<O ••••.•••••••••••.••••••••••••••..••.••••.•• 110

7.2 Der Begriff der virtuellen Masse •.•••..•••••••••.•••..••.•..•••••.•• 113 7.3 Kippschaltungen mit zwei Transistoren •.•••••.•••••••.•••...••••••••• 113

7.3.1 Das RS-Flipflop ............................................... 113 7.3.2 Der Univibrator ............................................... 114 7 .3.3 Der Multivibrator ............................................. 114

7.4 Impedanzwandler ..•...•••••.••••••••••..••••••••••••••••.....••.•••.• 116 7.4.1 Der Whitesche Emitterfolger •••••••••••••.•••••..•..•...•••.•.• 117 7.4.2 Darlington-Schaltungen und Spannungsfolger •••..•..•...••.•..•. 118 7 .4·.3 Impedanzwandler mit Bootstrap 119

7.5 Schaltungen mit 'long-tailed pairs' ••.•••..•••••••••••••.••.•••..•.• 119 7 .5.1 Das 1 ineare Tor ............................................... 120 7.5.2 Der Differenzverstärker •••••••••••••••••••••.•••••••..••.•••.• 120

7.6 Schnelle Schaltungen (Miller-Effekt) •.•••.••••••.••••••••..•••.•..•• 122 7.6.1 Differenzverstärker mit einem Eingang ••••..••••..•••..••••••.. 123 7.6.2 Die Kaskodenschaltung •••.••••••.••••••••.•.•.••••..••..••..••• 123

7. 7 Stromspiegel ........................................................ 123 7. E DO IT YOURSELF • • . . . • • • • • . • . • • • • • • • • • . • . . • . • • • • • • • • . • . • • • . • • . . • • . • . • • 124

8. Feldeffekttransistoren (FETs) .••.••..•••••••••••.••••••••••.•.•.....•••. 128 8.1 Der JFET •..••••..••••.••.•.•.•.•.••..•.•..••••.••••..••••..•••••..•• 129 8.2 Der MOSFET •.•.••.•••.•••••••••••••••.••••••••••..••••.••••..•.••..•• 131 8.3 Linearisierte Ersatzschaltung für FEls •.•••.••••.••.•••.•••••••••••. 133

X

8.4 Einige typische FET-Schaltungen ••••••••••••••••••.•••••••••••••••••• 134 8.4.1 Sourcefolger •••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••. 134 8.4.2 Kaskaden-Differenzverstärker ••••••••••••••••••••••••.••••••••• 135 8.4.3 Variable Widerstände ••••••••••••••••••.••••••••••••••••••••••• 136 8.4.4 Lineare Schalter •••••••.•••••••••••••••••••••••.••••.••••••••• 137

8.E DO IT YOURSELF ...................................................... 138

9. Der integrierte Operationsverstärker (IOP) ••••••••••••.•.••••.•••••••••• 141 9.1 Der elektronische Aufbau des 741 •••••.•••••••••••••.•••••..•••••.••• 142 9.2 Kenngrößen und linearisierte Ersatzschaltung des IOP ••••.•••••..•••. 143 9.3 Der IOP in analogen Schaltungen (Goldene Regeln) .....•••••.••.••••.• 144 9.4 Berechnung der Grundschaltungen des IOP •••..•.••....••••.••••..••••• 146

9.4.1 Die invertierende Grundschaltung (Umkehrverstärker, Drift-kompensation) •••••..••••.•.•••.•••••.••.•.•••..••..•••..••••.• 146

9.4.2 Die nichtinvertierende Grundschaltung (Elektrometerverstärker und Spannungsfolger) •••.••••••••.••••••••.•••.•••.••••...••••. 148

9.5 Das dynamische Verhalten des IOP ••••••....••..•••.......•.......••.. 150 9.5.1 Frequenzgang und Frequenzkompensation ....•••..•.•••..••..•.••• 150 9.5.2 Anstiegsgeschwindigkeit und interne Verzögerung ........••••••• 152

9. E DO IT YOURSELF • • • . . • • • • . . • • • . . . . . • . • • • . • • . • . . • • . • . • . . • • • • . . . . • . . • • • • 153

10. Weitere Schaltungen mit Operationsverstärkern •••.••••••...•••..••.•..••• 154 10.1 Analoge Rechenoperationen •....•••.•.•.....•••...•••..••.•...•.•..•• 155

10.1.1 Der Rechenverstärker •..•••.•••...•••.•...••••...••..•••..••• 155 10.1.2 Die analoge Subtraktion ••••••••.•••••.•••••..••••..•••••••.• 156

10.2 Schwellenwertdetektoren •••....••..•.....•....••...••.•••.••.•••••.. 157 10.2.1 Der Komparator •••••••.••••..•••.•••...•...•.•...........•... 157 10.2.2 Der Schmitt-Trigger mit IOP •••••••••••••.••••.•.••.••••••... 157

10.3 Generatoren . • • • • • • • • • • • • • . • . . • . • . • • • • . • . • • . • . • . . . . • • • . • • . . • . . • • • . . . 158 10.3.1 Der Phasenschieberoszillator •...••.•••.•••••••.••••..•.••.•• 158 10.3.2 Der Rampengenerator (Spannung-Frequenz-Umsetzer) ••...••..••• 159 10.3.3 Flipflop-Schaltungen mit IOP •••...••••••.•.•••..••.•••...••. 160

10.4 Ideale Gleichrichter •••••••••••••••••.•••••..•••••••..••.•••...•••. 161 10.4.1 Der ideale Halbwellengleichrichter und Spitzenwertdetektor .• 161 10.4.2 Der ideale Vollwellengleichrichter •.••.••..•..•••....•••..•• 162

10.5 Nie-Schaltungen •.•.•.••••..••..•...•••••.••••....•••••.•.•.••••.••. 163 10.5.1 Die Erzeugung negativer Widerstände und Kapazitäten .•••.•.•. 163 10.5.2 Konstantstromquelle mit NIC ..•••.•••••••...•.••.••.•.••...•• 164 10.5.3 Der Gyrator ••.•••••.••••••..••••••.••..•.•.••••..•.•..•..•.• 165

10.6 Aktive Filter ••.•••••.••••••.•...•......••••.....•.•........••...•• 167 10.E DO IT YOURSELF ....••.••••••.•••••••.••••.•.•••.....•...•...•••..••• 169

XI

11. Grundlagen der digitalen Elektronik ••..•.••...•....••.••.•.............. 176 11.1 Grundlagen der Schaltalgebra .••..••.••••....•.•...•...•........•... 177

11.1.1 Schaltalgebraische Variable und ihre Standardverknüpfungen .• 177 11.1.2 Normalformen schaltalgebraischer Funktionen •.•........•.•... 179 11.1.3 Gesetze und Regeln der Schaltalgebra •.•.....•••.....•....... 181

11.2 Der Entwurf einer digitalen Schaltung .••••••••.•••••••••••......... 183 11.3 Logikfamilien ...................................................... 184

11.3.1 DTL-Grundschaltungen .•...••...••..••..•.......•........•.... 185 11.3.2 Die TTL-Grundschaltung ....•.••..•...•..•......•..•.......... 185 11.3.3 Die ECL-Grundschaltung ..•.•..............••..•.............. 186 11.3.4 CMOS-Grundschaltungen •...•....••.•..•.•••....•...•.•.•.....• 187 11.3.5 Vergleich der Logikfamilien •.•..••...•.••..............•.•.. 188

11.4 Weiteres über TTL-Gatter ........................................... 189 11.4.1 TTL-Baureihen ............................................... 189 11.4.2 NANO- und AND-Gatter, TTL-Schaltverhalten .....•.........•... 190 11.4.3 NOR-, OR- und EXOR-Gatter •....•.••.•........•............... 192 11.4.4 Inverter, offene Eingänge und spezielle Ausgänge von

TTL-Gattern ...•••....••..•...........••..................... 193 11.E DO IT YOURSELF ..................................................... 194

12. Digitale Kippschaltungen ....•..•....•.•........•..•..................... 196 12. 1 Grundscha 1 tungen . . . . . . . • • . . . . • . . . . . . . . . • . . . • . . . . . . . . . • . . . . . . . . . . . • . 196

12.1.1 Das RS-Fl ipflop ............................................. 196 12.1.2 Das D-Flipflop .............................................. 197 12.1.3 Der Univibrator und der Multivibrator ....................... 198

12.2 Klassifizierung digitaler Flipflops .........•......•............... 199 12.2.1 Klassifizierung nach Ansteuerung ............•...........•... 199 12.2.2 Klassifizierung nach Wahrheitstabelle •••.•••...............• 200

12.3 Beispiele für Flipfloptypen .••....•.•.•••••.••...•...•.....••.•.•.. 201 12.3.1 RS-Fl ipflops .................•...•...•.....•.•.............. 201 12.3.2 D-Fl ipflops ...........•....••......•..•..................... 202 12.3.3 JK-Fl ipflops ...........•...................................• 202

12.4 Clock-Generatoren .....•.......................•.................... 203 12. E DO IT V DURSELF .....•........•..•..•...••...•....•.................. 205

13. Weitere digitale Schaltungen .....................................•...... 208 13.1 Statische Schaltungen ............•.••..•....•...................... 208

13.1.1 Codewandler ..................•.............................. 208 13.1.2 Multiplexer und Demultiplexer ••••........•....•..........•.. 209

13.2 Zählerschaltungen ....•........................•...............•.... 210 13.2.1 Asynchrone Binärzähler ...................................... 210

XII

13.2.2 Synchrone Binärzähler ., •••••.•••••••••••••••••••••••••••••.• 211 13.2.3 Untersetzer (Frequenzteiler) •••••••••••••••••••.••...•••.••• 212

13.3 Schieberegister •••••••••.•••••••••••••••..••••..•.•••••••.••••••••• 213 13.4 Ha 1 b 1 eiterspei eher ••••••••••••••••••••••••••••.•••.••••....•.••.••• 214 13.E DO IT YOURSELF ..................................................... 216

14. Digitale Rechenschaltungen •.••••••.•.••..••.•.•••••.•.•.•••.•...•..•••.• 219 14.1 Addierer ........................................................... 219

14.1.1 Der Halbaddierer ............................................ 219 14.1.2 Der Volladdierer •..•••••••••••.•••.••••....•••..•••.•••.•••• 220 14.1.3 Der 4-Bit-Volladdierer SN7483 ••••••.••.••.•••••••.•..••.•.•. 220

14.2 Die Darstellung auch negativer Dualzahlen ••••••••••.••.••.••••.•••• 221 14.2.1 Die Standarddarstellung A(n) .•••••••.••••.••.•..•..•.••.••.• 221 14.2.2 Dien-Bit-Darstellung A(n) ••••.••..•.•.••.•••...•..•....•..• 222

14.3 Digitale Parallelrechenwerke •••••••••..••••.•.••.••.••.•.••...••••• 223 14.3.1 Addierwerke ................................................. 223 14.3.2 Subtrahierwerke ............................................. 224 14.3.3 Die parallele Multiplikation ••.••..•••.....••••.•..•....•••. 225 14.3.4 Die parallele Division •..•.•..•••..••••..•••••..•.•.....•..• 226

14.4 Die serielle Multiplikation •.••.•••..••••...•..••••••..••...•.••... 227 14.E DO IT YOURSELF ..................................................... 228

15. Signalumsetzer •....••...••.•.........•••.•..•...••..••......••....•..•.. 231 15.1 Ampl itudenumsetzer •.•••••••..••••••••••••.•.....••.........•....••. 232

15.1.1 Diskriminatoren ............................................. 232 15.1.2 Amplitude-Zeit-Umsetzer (ATC) •••...••.••••..•••.••......••.. 233 15.1.3 Spannung-Frequenz-Umsetzer (VFC, VCO) ••.....•.........•..•.• 235

15.2 Umsetzung digitaler Signale •••.•••••.•.••..•.••...•.••.••.•....•••• 235 15.2.1 Digital-Analog-Umsetzer (DAC) .•.••.•.••••......••...•••.••.• 235 15.2.2 Funktionsgeneratoren •..••.••.••.••••••••••.•........•.•.•••• 236 15.2.3 Erzeugung eines Zeitintervalls (Timer) ••••.....•••..•••.••.• 236

15.3 Frequenzumwandlung •.••••••...••.•..•••.•.••.•••••.•....••....••.••• 237 15.3.1 Zählratenmesser ('rate meter') •••••••.•••...•..••.•••.••.••• 237 15.3.2 Weitere Frequenzumwandler ................................... 237

15.4 Un~andlung von Zeitsignalen •.••••.•.•••..•.•••.•..••••..••...•••••. 238 15.4.1 Zeit-Amplitude-Umsetzer (TAG) ••••..••••.•.••••••••...••..••• 238 15.4.2 Koinzidenzen •••..•••.•••••.•••....••••..••••••••••...••••••• 238 15.4.3 Zeit-Digital-Umsetzer (TDC) •••...••••.•••....••••.••••.•.•.. 240 15.4.4 Zeitmittelwertbildner ('mean-timer') .•••.•.•••••.••.•..••••• 240

15.5 Analog-Digital-Umsetzer (ADCs) ••••••••.••••••••••..•••••••.•••••••• 241 15.5.1 Parallelkonversion (FADCs) ••••.•••••••.•••...••.....•....••. 241

XIII

15.5.2 Dieinkrementelle Technik •.••••....••....•....••.•....•.•.•. 242 15.5.3 Die schrittweise Näherung ('successive approximation') •..••• 243 15.5.4 Die Methode der gleitenden Schwellen •••.....•.........•...•. 243 15.5.5 Serielle Konversion .•.•.•••••••.•••.••••..•.•••...••..•.•..• 244

15. E DO IT YOURSELF • • • • . • • • . . . • . . . • . . • • • • • • . • • • • • • • • • . . . • • • . • . . . . • . . . . • • 245

16. Kernphysikalische Meßanordnungen ..•••••.•••••••.••.•....•........••..... 250 16.1 Flugzeitmessungen •••••.•••.••.••••..••••..••••.••....•.......•..... 250 16.2 Messung von Energiespektren mit Teilchenidentifizierung ...•.......• 253

17. Digitale Aufbereitung von Analogsignalen ••••••.•..•.•••....•......•...•• 257 17.1 Der Vielkanalanalysator (VKA) •••..•••••••••••.•.•..••...........•.. 257 17. 2 Anwendungen des VKA . • . . • . . • • • • • • • . • • • • . . . • • . • . . . . . • . . . • • . . • • . . . . • . . 259

17.2.1 Der Vielfachzählerbetrieb •••••••••..••....•.••.•...........• 259 17.2.2 Messung von Mößbauer-Spektren ....••••••....••...•..•••...••. 259 17.2.3 Messung von Signalhöhenwahrscheinlichkeiten •...•...••.....•• 260 17.2.4 Zweiparametrige Vielkanalanalysatoren .••..•••.•••......•.... 261

17.3 Der Signalhöhenmittler •....•.••..•...•••.•.•.•••.••........•...•... 261

18. Messung kleiner Signale .....•.•...•...•.•.•....••.........•.....•....•.. 263 18.1 Elektrometer-Multimeter ••.••••.•..•••.•.••.............•.••......•. 263 18.2 Störungen bei der Messung kleiner Signale .•.•.........•.......•.... 265

18.2.1 Rauschen ....•...•...•...•.....••....•....................... 266 18.2.2 Äußere Störeinflüsse ..........•...•...••..•....••...•....... 269

18. 3 Rauschkenngrößen . . • • . . . . • . . . • . • . . . . • • • • . • . . . • • • . . . • • . . . . . . . . . • • . • . . 271 18.4 Techniken zur Messung kleiner Signale ••••••.••.••.••.•.......•..••. 272 18.E DO IT YOURSELF ..................................................... 274

Anhang A: Rechnen mit komplexen Zahlen ••.•••..••••...•••.....••.......••..•• 275

Anhang B: Verzeichnis der übungsaufgaben •..••.•••.•.••••............•....... 278

Anhang C: Zur Bearbeitung der Experimentiervorschläge •••........•..••......• 281

Quellen und Literaturhinweis ................................................ 285

Sachregister •.•••.....•........••...•...•.•...•••••...•...•.•...•....•...... 286