Analog und Digital
Viele Messgeräte der Elektronik gibt es in analoger oder digitaler Ausführung, z.B.:
Das obige analoge Messgerät zeigt 1,83V an. Oder sind es 1,87V?
Das digitale Voltmeter zeigt 9,22V an.
Digital ist wie Zählen
Digital kommt vom lateinischen digitus - Finger ab.
Wir zählen mit den Fingern.
Digital - Zählen:
0, 1, 2, 3, ... 10, 11, 11½, 12, ...
Da stimmt was nicht: 11½ gibt es nicht.
Wir zählen nur ganze Zahlen. Natürlich können wir auch zählen, wie viele ½ wir haben. Oder Cent statt Euro oder Millionen oder ..
Wir einigen uns darauf, was oder in welchen Einheiten wir zählen.
- Digitale Werte folgen Stufen, Schritten, Einheiten.
- Digitale Werte können nur bestimmte Werte annehmen.
Analog ist frei
Können wir Temperatur, Geschwindigkeit oder Spannung zählen?
Diese Größen sind nicht digital, sie haben keine Stufen und können jeden beliebigen Wert annehmen.
Elektrische Größen wie Spannung, Strom oder Widerstand sind analoge Größen.
- Analoge Größen können im Prinzip jeden beliebigen Wert annehmen.
Das Wesen von Digital und Analog
Digital ist genauer
Betrachten wir die Messungen in Bild 1 und Bild 2 fällt auf:
- Das analoge Messgerät ist schlecht ablesbar.
- Das digitale Messgerät ist genauer.
Warum brauchen wir überhaupt analoge Technik?
Wir arbeiten doch immer digital!
Spannungen zählen?
Spannungen sind analog.
Wie wandeln wir eine analoge Spannung in einen digitalen Wert um?
Das Voltmeter in Bild 2 zählt offensichtlich in 1/100V. Die Schritte sind 10mV.
Ablesen
- Das Ablesen eines analogen Voltmeters erfordert Kenntnisse und Erfahrung.
- Das Ablesen eines digitalen Voltmeters ist dagegen einfach.
- Die Digitaltechnik hat unsere Qualifikation übernommen.
Digital ist ungenau
In Bild 3 zeigt den Verlauf einer Spannung (rot). Die Spannung ist analog. Die zugehörige digitale Spannung (schwarz) verläuft in Stufen. Die zulässigen Stufen sind gestrichelt dargestellt.
Dieses Bild vermittelt einen ganz anderen Eindruck von der Genauigkeit:
- Die digitalen Werte geben die analogen Werte nur ungenau wieder.
- Wir können die Genauigkeit der digitalen Werte durch feinere Abstufungen verbessern,
- können aber die Werte nicht genauer darstellen, als die feinste Stufe.
Digital braucht Analog
Betrachten wir ein Digitalvoltmeter.
Mit dem Digitalvoltmeter messen wir die analoge Größe Spannung und zeigen den Wert digital an.
Der analoge Wert am Eingang muss in einen digitalen Wert umgewandelt werden.
- Der Analog-Digital-Wandler ist das Herzstück eines Digitalvoltmeters.
- Er bestimmt, wie fein die Stufen der digitalen Werte sind, die Genauigkeit.
- Vor dem Analog-Digital-Wandler befinden sich in der Regel analoge Elemente.
Genauigkeit
In der analogen Elektronik wird oft mit großen Ungenauigkeiten gearbeitet. Widerstände haben manchmal nur eine Genauigkeit von 10%. Transistorgrößen werden in den Datenblättern z.B. mit Werten zwischen 10 und 40 angegeben.
Aber was nützt uns die hochgenaue Digitaltechnik, wenn wir nicht genau messen können?
Es gibt hochgenaue analoge Schaltungen. Sie sind aufwendig und teuer. Ein fünfstelliges Digitalvoltmeter ist nicht wegen der aufwendigen Digitaltechnik so teuer, sondern weil man eine hochpräzise Analogtechnik braucht. Die schicke Anzeige kostet nichts im Vergleich zur Analogtechnik.
Ein Digital-Analog-Wandler enthält mindestens eine analoge Komponente:
- Eine Spannung, die die Höhe der Stufen bestimmt.
- Diese Referenzspannung muss sehr genau sein.
- In der Regel werden weitere analoge Elemente im Digitalvoltmeter benötigt.
- Zum Beispiel, um verschiedene Messbereiche einzustellen.
- Deren Genauigkeit bestimmt die Genauigkeit des Digitalvoltmeters.
Was nützt ein dreistelliges Digitalvoltmeter, das nur auf 1% genau ist? Zwei Stellen genügen.
- Hochgenaue Analogtechnik ist aufwendig und teuer.
-
Nicht die Digitaltechnik bestimmt den Preis eines digitalen Messgerätes,
sondern die Analogtechnik.
- Digitaler Schnickschnack kostet wenig.
Wir brauchen Analogtechnik
Auch wenn wir die digitale Technik nutzen wollen, müssen wir uns mit der analogen Welt der Elektronik beschäftigen. Wir werden lernen, mit dieser Technik umzugehen, um Digitaltechnik mit der realen Welt zu verbinden. Ohne Kenntnisse aus der Analogtechnik wird uns das nicht gelingen.
Wir müssen auch digitale Zustände in analoge umwandeln:
LED an oder LED aus, LED glimmt, LED leuchtet hell.
So geht's weiter
Wir beginnen mit der digitalen Technik, die auf den ersten Blick am einfachsten erscheint und für Einsteiger leicht verständlich ist. Das Praktikum Einführung in Digitaltechnik wird sich hauptsächlich mit der der Digitaltechnik beschäftigen.
In der Digitaltechnik würden wir eigentlich mit LEDs auskommen. Wenn die Technik nicht so verdammt schnell wäre, dass wir den LEDs nicht mehr hinterher kämen 
Die Analogtechnik werden wir in erster Linie als unterstützende Technik für unsere digitalen Schaltungen verwenden.
Wenn wir sie brauchen, werden wir die analoge Technik eher phänomenologisch betrachten, um ein Gefühl für die Technik zu bekommen. Wir werden zunächst ohne Messgeräte auskommen und einige Schaltungen der Analogtechnik unter diesem Aspekt betrachten.
Danach betrachten wir wichtige Elemente der Analogtechnik und setzen Messgeräte ein.