Wös

tenk

ühle

rGr

undl

agen

der

Dig

italte

chni

k

Gerd Wöstenkühler

Grundlagen der Digitaltechnik

www.hanser.de

€ 29,90 [D] | € 30,80 [A]

ISBN 978-3-446-42737-2

Gerd Wöstenkühler

Grundlagen der DigitaltechnikElementare Komponenten, Funktionen und Steuerungen

Dieses Lehrbuch vermittelt die Grundlagen digitaler Funktionen undSteuerungen mit ihren elementaren Komponenten und Strukturen. Es richtet sich an Studierende der elektrotechnischen Bachelor-Studien -gänge und bietet einen schrittweisen Einstieg in die Grundlagen derDigitaltechnik. Ausgehend von den logischen Verknüpfungen werdenzunächst die Grundlagen der Schalt algebra erläutert. Anschließenderfolgt die Darstellung der digi talen Schaltungssynthese, mit der lo gischeVerknüpfungs schaltungen für Steuerungs- und Rechenzwecke ent -worfen werden. Weitere Kapitel beschreiben Schaltnetze als Basis-Funktionseinheiten digitaler Schaltungen über Wahrheitstabellen oderSchaltfunktionen, Flipflop-Typen, sequentielle Schaltungen und ge -tak tete Schaltwerke. Abschließend werden die Schaltkreisentwicklung mit ihren physikalischen Randbedingungen erläutert und Hardware -fragen besprochen. Das Verständnis digitaler Grundlagen wird durcheine schrittweise Vertiefung und umfangreiche Übungsmöglichkeitenvermittelt. Über 50 Aufgaben mit Lösungen ermöglichen vorlesungs -begleitend selbständiges Lernen und eine grundlegende Prüfungs -vorbereitung.

Der Autor: Prof. Dr.-Ing.Gerd Wöstenkühler lehrtMess-, Analog- und Digital -technik am FachbereichAutomatisierung und Infor -matik der Hochschule Harz.

42737_Wöstenkühler_165x240_42737_Wöstenkühler_RZ 31.01.12 17:40 Seite 1

�

� �

�

Wöstenkühler Grundlagen der Digitaltechnik

Bleiben Sie einfach auf dem Laufenden: www.hanser.de/newsletterSofort anmelden und Monat für Monatdie neuesten Infos und Updates erhalten

v

� �

�

� �

�

Gerd Wöstenkühler

Grundlagen der Digitaltechnik Elementare Komponenten, Funktionen und Steuerungen Mit 317 Bildern, 117 Tabellen und 54 Aufgaben mit Lösungen

Fachbuchverlag Leipzig im Carl Hanser Verlag

� �

Prof. Dr.-Ing. Gerd Wöstenkühler lehrt Mess-, Analog- und Digitaltechnik am Fachbereich Automati-sierung und Informatik der Hochschule Harz. Alle in diesem Buch enthaltenen Programme, Verfahren und elektronischen Schaltungen wurden nach bestem Wissen erstellt und mit Sorgfalt getestet. Dennoch sind Fehler nicht ganz auszuschließen. Aus diesem Grund ist das im vorliegenden Buch enthaltene Programm-Material mit keiner Verpflichtung oder Garantie irgendeiner Art verbunden. Autor und Verlag übernehmen infolgedessen keine Verantwortung und werden keine daraus folgende oder sonstige Haftung übernehmen, die auf irgendeine Art aus der Benutzung dieses Programm-Materials oder Teilen davon entsteht.

Die Wiedergabe von Gebrauchsnamen, Handelsnamen, Warenbezeichnungen usw. in diesem Werk berechtigt auch ohne besondere Kennzeichnung nicht zu der Annahme, dass solche Namen im Sinne der Warenzeichen- und Markenschutz-Gesetzgebung als frei zu betrachten wären und daher von jedermann benutzt werden dürften. Bibliografische Information der Deutschen Nationalbibliothek Die Deutsche Nationalbibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen Nationalbibliografie; detaillierte bibliografische Daten sind im Internet über http://dnb.d-nb.de abrufbar. ISBN: 978-3-446-42737-2 E-Book-ISBN: 978-3-446-42952-9 Dieses Werk ist urheberrechtlich geschützt. Alle Rechte, auch die der Übersetzung, des Nachdruckes und der Vervielfältigung des Buches, oder Teilen daraus, vorbehalten. Kein Teil des Werkes darf ohne schriftliche Genehmigung des Verlages in irgendeiner Form (Fotokopie, Mikrofilm oder ein anderes Verfahren), auch nicht für Zwecke der Unterrichtsgestaltung – mit Ausnahme der in den §§ 53, 54 URG genannten Sonderfälle –, reproduziert oder unter Verwendung elektronischer Systeme verarbeitet, vervielfältigt oder verbreitet werden. © 2012 Carl Hanser Verlag München Internet: http://www.hanser.de Lektorat: Dr. Martin Feuchte Herstellung: Dipl.-Ing. Franziska Kaufmann Satz: le-tex publishing services GmbH, Leipzig Coverconcept: Marc Müller-Bremer, www.rebranding.de, München Coverrealisierung: Stephan Rönigk Druck und Bindung: Friedrich Pustet KG, Regensburg Printed in Germany

�

�Gerd Wöstenkühler: Grundlagen der Digitaltechnik — 2012/2/3 — 12:56 — page 5 — #1

�

�

�

�

�

�

Vorwort

Unsere Welt wird in zunehmendem Maße digitalisiert. Moderne Verfahren ermöglichen denEinsatz immer komplexerer Bausteine. Hiermit können vorhandene Realisierungen preiswer-ter erstellt, mit zusätzlichen Funktionen ausgestattet und/oder durch digitale Steuerungen er-setzt werden. Die Werkzeuge zur Erstellung dieser digitalen Funktionen und Steuerungen ver-wenden immer häufiger Abstraktionen. Die Kenntnisse der elementaren Grundschaltungenermöglichen eine effektivere Nutzung der eingesetzten Tools.

Dieses Buch vermittelt die Grundlagen digitaler Funktionen und Steuerungen. Es ist nicht dasZiel, komplexe Entwurfswerkzeuge durch manuelle Synthese zu ersetzen, sondern die Kennt-nisse über elementare Komponenten und Strukturen zu vermitteln, mit denen moderne Ent-wurfswerkzeuge effizienter eingesetzt werden können.

Die Inhalte des Buches basieren auf dem Lehrplan der Grundlagen-Vorlesungen „Digitaltech-nik“ und „Digitale Systeme“, die ich seit vielen Jahren an der Hochschule Harz in Wernigerodehalte. Zielgruppe sind Studierende elektrotechnischer Bachelor-Studiengänge, aber auch in-teressierte Studierende anderer technischer Ausbildungsrichtungen. Das Verständnis digitalerGrundlagen wird durch eine schrittweise Vertiefung und umfangreiche Übungsmöglichkeitenvermittelt. Das Buch eignet sich neben der Vorlesungsbegleitung auch zur Prüfungsvorberei-tung und zum Selbststudium.

Mein Dank geht an die Mitarbeiter des Hanser Verlages, Frau Mirja Werner, die dieses Werkinitiiert hat, Herrn Dr. Martin Feuchte für die Betreuung während der Abschlussphase undFrau Franziska Kaufmann für die technische Realisierung. Auch bedanke ich mich bei meinerFrau für die Unterstützung bei der Korrektur des Manuskripts und ihr Verständnis, dass ich vielZeit in dieses Buch investiert habe.

Paderborn, Januar 2012 Gerd Wöstenkühler

�

�Gerd Wöstenkühler: Grundlagen der Digitaltechnik — 2012/2/3 — 12:56 — page 6 — #2

�

�

�

�

�

�

�

�Gerd Wöstenkühler: Grundlagen der Digitaltechnik — 2012/2/3 — 12:56 — page 7 — #3

�

�

�

�

�

�

Inhalt

1 Einleitung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111.1 Analoge und digitale Darstellungsformen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11

1.1.1 Analoge Größendarstellung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11

1.1.2 Digitale Größendarstellung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12

1.2 Binäre und logische Zustände . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13

1.3 Zahlensysteme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14

1.3.1 Zahlendarstellungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14

1.4 Codierungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17

1.4.1 Binär Codierte Dezimalziffer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17

1.4.2 Gray-Code . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18

1.5 Verarbeitungsgeschwindigkeit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20

2 Logische Verknüpfungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 212.1 Grundfunktionen und Grundglieder. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21

2.1.1 UND-Verknüpfung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21

2.1.2 ODER-Verknüpfung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23

2.1.3 NEGATION. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24

2.1.4 Verstärker . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25

2.2 Zusammengesetzte Elemente . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26

2.2.1 NAND-Verknüpfung. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26

2.2.2 NOR-Verknüpfung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26

2.2.3 ANTIVALENZ-Verknüpfung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27

2.2.4 ÄQUIVALENZ-Verknüpfung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29

2.2.5 Implikation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29

2.2.6 Inhibition . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30

2.2.7 Verknüpfungen bei Gliedern mit zwei Eingängen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30

2.2.8 Wichtige Glieder mit mehr als zwei Eingängen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32

2.3 Schaltungsanalyse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33

2.4 Aufgaben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34

�

�Gerd Wöstenkühler: Grundlagen der Digitaltechnik — 2012/2/3 — 12:56 — page 8 — #4

�

�

�

�

�

�

8 Inhalt

3 Schaltalgebra . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 363.1 Variable und Konstante . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36

3.2 Rechenregeln . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37

3.2.1 Postulate . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37

3.2.2 Theoreme der Schaltalgebra . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38

3.2.3 Kommutativgesetz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39

3.2.4 Assoziativgesetz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39

3.2.5 Distributivgesetz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40

3.2.6 De-Morgansche-Gesetze . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40

3.2.7 Bindungsregel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41

3.3 Aufgaben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42

4 Schaltungssynthese .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 454.1 Normalformen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45

4.1.1 Disjunktive Normalform . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45

4.1.2 Konjunktive Normalform .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47

4.2 Schaltungsvereinfachung. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48

4.2.1 Algebraische Vereinfachung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48

4.2.2 Grafische Vereinfachung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50

4.2.2.1 KV-Diagramm mit zwei Variablen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50

4.2.2.2 KV-Diagramm mit drei Variablen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51

4.2.2.3 KV-Diagramm mit vier Variablen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52

4.2.2.4 KV-Diagramm mit fünf Variablen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53

4.2.2.5 KV-Diagramm mit sechs und mehr Variablen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54

4.2.2.6 Don’t-Care-Felder . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55

4.2.3 Algorithmische Umformung (Quine-McClusky) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56

4.3 Aufgaben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59

5 Schaltnetze .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 615.1 Darstellung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62

5.2 Codeumsetzer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63

5.3 Datenselektor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65

5.4 Demultiplexer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67

5.5 Adressdecoder . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69

5.6 Addierer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72

5.6.1 Halbaddierer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72

5.6.2 Volladdierer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73

5.7 Komparator . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75

5.8 Aufgaben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79

�

�Gerd Wöstenkühler: Grundlagen der Digitaltechnik — 2012/2/3 — 12:56 — page 9 — #5

�

�

�

�

�

�

Inhalt 9

6 Zeitabhängige binäre Schaltungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 826.1 Übersicht . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82

6.2 RS-Flipflop (RS-FF) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86

6.2.1 Realisierung mit NOR-Gatter. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86

6.2.2 Realisierung mit NAND-Gatter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90

6.3 Taktzustandsgesteuerte Flipflops . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91

6.3.1 RS-FF (taktzustandsgesteuert) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91

6.3.2 D-FF (taktzustandsgesteuert) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94

6.3.3 JK-FF (taktzustandsgesteuert) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96

6.3.4 JK-MS-FF (taktzustandsgesteuert) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98

6.4 Taktflankengesteuerte Flipflops . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100

6.4.1 RS-FF (einflankengesteuert) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101

6.4.2 D-FF (einflankengesteuert). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102

6.4.3 JK-FF (einflankengesteuert) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105

6.4.4 T-FF (einflankengesteuert) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106

6.4.5 RS-MS-FF (zweiflankengesteuert) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106

6.4.6 JK-MS-FF (zweiflankengesteuert) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107

6.5 Charakteristische Gleichung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108

6.6 Synthese-Tabellen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 110

6.7 Monostabile Kippstufen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111

6.8 Taktgeneratoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 114

6.9 Aufgaben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 115

7 Einfache sequenzielle Schaltungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1177.1 Zählerschaltungen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 117

7.1.1 Asynchronzähler . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 118

7.1.2 Synchronzähler . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 122

7.2 Frequenzteiler . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 131

7.3 Schieberegister . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 135

7.4 Aufgaben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 139

8 Getaktete Schaltwerke .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1418.1 Einführung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 141

8.2 Mealy-Automat. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 147

8.3 Moore-Automat . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 154

8.4 Aufgaben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 159

�

�Gerd Wöstenkühler: Grundlagen der Digitaltechnik — 2012/2/3 — 12:56 — page 10 — #6

�

�

�

�

�

�

10 Inhalt

9 Hardware . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1619.1 Einführung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 161

9.2 Schaltkreisentwicklung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 162

9.3 Physikalische Randbedingungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 166

9.3.1 Spannungsbereiche . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 166

9.3.2 Strombereiche. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 167

9.3.3 Geschwindigkeitsbereiche. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 169

9.3.4 Gehäuse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 172

9.4 Spezielle Ausgänge . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 174

9.4.1 Tri-State-Ausgang . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 175

9.4.2 Open-Kollektor-Ausgang . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 177

9.5 Spezielle Eingänge . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 178

9.6 Strukturen komplexer Bausteine . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 183

10 Musterlösungen.. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19010.1 Lösungen zu Kapitel 2.. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 190

10.2 Lösungen zu Kapitel 3.. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 193

10.3 Lösungen zu Kapitel 4.. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 197

10.4 Lösungen zu Kapitel 5.. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 204

10.5 Lösungen zu Kapitel 6.. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 210

10.6 Lösungen zu Kapitel 7.. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 215

10.7 Lösungen zu Kapitel 8.. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 222

Verzeichnis von Formelzeichen und Abkürzungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 229

Literatur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 235

Index .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 237

�

�Gerd Wöstenkühler: Grundlagen der Digitaltechnik — 2012/2/3 — 12:56 — page 11 — #7

�

�

�

�

�

�

1 Einleitung

Digitaltechnische Realisierungen sind in der heutigen Zeit nicht mehr wegzudenken. Man istes gewohnt, Handy und Digitalfernseher zu verwenden. Die Funktionsweise ist den meistenBenutzern nicht bekannt und wird für die Benutzung digital arbeitender Geräte auch nichtbenötigt. Technikinteressierte möchten jedoch mehr über die Funktionsweise wissen. Hierzukönnte man ein komplexes digitaltechnisches Gerät in seine Funktionsgruppen und weiter inseine Einzelkomponenten auflösen und deren Wirkungsweise vertiefen (Top-Down Design).Anschließend weiß man, wie dieses Gerät funktioniert, aber die Anpassung für weitere Anwen-dungen wurde nicht trainiert. Dieses Buch verwendet die andere Entwurfsrichtung. Basierendauf den Grundelementen, wird deren Zusammenschaltung zu einfachen Funktionsgruppenbeschrieben und erläutert, sodass hieraus komplexere Geräte für verschiedene Anwendungenerstellt werden können (Bottom-Up Design). Dieses Buch beschreibt die rudimentären Ele-mente und grundlegenden Funktionsgruppen der Digitaltechnik. In der Einleitung werden dieverwendeten Begriffe erläutert.

1.1 Analoge und digitaleDarstellungsformen

1.1.1 Analoge Größendarstellung

Viele uns bekannte Größen sind analoger Natur. Hierunter fallen u. a. Abstand, Temperatur,elektrische Spannung etc. Zur Beschreibung dieser Größen wurden analoge Darstellungen ver-wendet wie Länge an einem Referenzmaßstab (Metermaß), Flüssigkeitsthermometer, Zeiger-instrumente etc. Die verwendeten Werteangaben in diesem Bereich gehören zu den reellenZahlen R. Die Zuordnung zwischen Messwert (z. B. elektrische Spannung) und Darstellungs-wert (z. B. Winkeländerung der Zeigerposition) ist eine kontinuierliche Funktion. Bild 1.1 zeigtbeispielhaft den Zusammenhang einer analogen Abbildungsfunktion. Theoretisch könnte bei

Messwert

Anzeigewert

Bild 1.1 Abbildungsfunktionanalog → analog