Technische Informatik 1: Grundlagen Der Digitalen Elektronik

ISBN-13: 9783540404187 / Niemiecki / Twarda / 2003 / 345 str.

Wolfram Schiffmann; Robert Schmitz

Opis

Die beiden Bande Technische Informatik bieten einen verstandlichen Einstieg in dieses wichtige Teilgebiet der Informatik. Band 1 - Grundlagen der digitalen Elektronik fuhrt in die fur die Elektronik wichtigen Gesetze der Physik und Elektrotechnik ein. Sodann werden Halbleiterbauelemente und darauf aufbauend elektronische Verknupfungsglieder, Schaltnetze, Speicherglieder, Schaltwerke und integrierte Schaltungen behandelt. In die Neuauflage sind Erfahrungen aus der Vorlesung und Hinweise von Studenten eingeflossen: Begriffe und Sachverhalte werden noch anschaulicher und verstandlicher dargestellt, z. B. der Begriff Spannung oder der Aufbau von Bipolar- und MOSFET-Transistoren. Neu sind die Abschnitte "Arithmetik-Logik-Einheit (ALU)" und "Vom Addierer zum Prozessor." Durch diese Beispiele wird die Anwendung der im theoretischen Teil eingefuhrten Methoden demonstriert."

Spis treści

1. Grundlagen der Elektrotechnik.- 1.1 Historischer Überblick.- 1.2 Elektrische Ladungen und elektrisches Feld.- 1.2.1 Elektrische Ladungen.- 1.2.2 Das Coulombsehe Gesetz.- 1.2.3 Das elektrische Feld und der elektrische Fluss.- 1.2.4 Elektrische Spannung und Potential.- 1.2.5 Der Kondensator.- 1.3 Gleichstromkreis.- 1.3.1 Stromstärke.- 1.3.2 Das Ohmsche Gesetz.- 1.3.3 Arbeit und Leistung des elektrischen Stromes.- 1.3.4 Kirchhoffsche Sätze.- 1.3.5 Quellenspannung und Klemmenspannung.- 1.4 Elektromagnetisches Feld.- 1.4.1 Magnetisches Feld elektrischer Ströme.- 1.4.2 Das Durchflutungsgesetz.- 1.4.3 Kraftwirkung magnetischer Felder auf stromdurchflossene Leiter.- 1.4.4 Lorentzkraft und Halleffekt.- 1.4.5 Elektromagnetische Induktion.- 1.4.6 Materie im Magnetfeld.- 1.4.7 Datenspeicher auf magnetischer Basis.- 1.5 Wechselstromkreis.- 1.5.1 Wechselspannung und Wechselstrom.- 1.5.2 Kennwerte von Wechselgrößen.- 1.6 Schaltvorgänge.- 1.6.1 Schaltverhalten an einem Widerstand.- 1.6.2 Schaltverhalten an einer Kapazität.- 1.6.3 Schaltverhalten an einer Induktivität.- 1.7 Datenübertragung.- 1.7.1 Physikalische Darstellung.- 1.7.2 Übertragungsmedien.- 2. Halbleiterbauelemente.- 2.1 Halbleiterphysik.- 2.1.1 Aufbau der Materie.- 2.1.2 Energiebändermodell.- 2.1.3 Kristallstruktur von Germanium und Silizium.- 2.1.4 Eigenleitfähigkeit.- 2.1.5 Störstellenleitfähigkeit (Dotierte Halbleiter).- 2.1.6 pn-Übergang.- 2.2 Halbleiterdioden.- 2.2.1 pn-Übergang mit äußerer Spannung.- 2.2.2 Kennlinie des pn-ßbergangs.- 2.2.3 Halbleiterdioden mit besonderen Eigenschaften.- 2.3 Optoelektronische Halbleiterbauelemente.- 2.3.1 Kenngrößen der optischen Strahlung.- 2.3.2 Strahlungsempfänger.- 2.3.3 Strahlungssender.- 2.4 Bipolartransistoren.- 2.4.1 Aufbau und Funktionsprinzip.- 2.4.2 Kennlinienfelder.- 2.4.3 Verstärkerschaltung und Arbeitspunkt.- 2.5 Feldeffekttransistoren.- 2.5.1 Sperrschicht-Feldeffekttransistor (FET).- 2.5.2 Isolierschicht-Feldeffekttransistoren (MOSFET).- 3. Elektronische Verknüpfungsglieder.- 3.1 Elektronische Schalter.- 3.1.1 Der ideale Schalter.- 3.1.2 Modell eines realen Schalters.- 3.1.3 Bipolartransistor als Schalter.- 3.1.4 Unipolartransistor als Schalter.- 3.1.5 Kenngrößen.- 3.2 Verknüpfungsglicder mit bipolaren Transistoren.- 3.2.1 TTL-Schaltkreise.- 3.2.2 ECL-Schaltkreise.- 3.3 Verknüpfungsglieder mit unipolaren Transistoren.- 3.3.1 PMOS Schaltkreise.- 3.3.2 NMOS Schaltkreise.- 3.3.3 CMOS-Schaltkreise.- 4. Schaltnetze.- 4.1 Schaltalgebra.- 4.1.1 Definition der Booleschen Algebra.- 4.1.2 Schaltalgebra - ein Modell der Booleschen Algebra.- 4.2 Schaltfunktionen.- 4.2.1 Definitionen.- 4.2.2 Darstellung.- 4.2.3 Minimierung von Schaltfunktionen.- 4.3 Analyse von Schaltnetzen.- 4.4 Synthese von Schaltnetzen.- 4.5 Code-Umsetzer.- 4.5.1 Schaltnetzentwurf für die 8421-BCD zu 7-Segment Umsetzung.- 4.5.2 Schaltnetzentwurf für die 8421-Dual-Code zu Gray-Code Umsetzung.- 4.5.3 Schaltnetzentwurf für einen Adressdecodierer.- 4.6 Addierglieder.- 4.6.1 Halbaddierer.- 4.6.2 Volladdierer.- 4.6.3 Paralleladdierer.- 4.7 Komparatoren.- 4.8 Multiplexer.- 4.9 Arithmetik-Logik Einheit (ALU).- 4.9.1 Zahlendarstellung und Zweierkomplement.- 4.9.2 Addierer/Subtrahierer.- 4.10 Schaltnetze mit programmierbaren Bausteinen.- 4.10.1 ROM.- 4.10.2 PROM, EPROM.- 4.10.3 PAL.- 4.10.4 PLA.- 4.11 Laufzeiteffekte in Schaltnetzen.- 5. Speicherglieder.- 5.1 Funktionsprinzip einer bistabilen Kippschaltung.- 5.2 Funktionsprinzip von RAM-Speicherzellen.- 5.3 RS-Kippglied.- 5.3.1 Kippglied aus NOR-Schaltgliedern.- 5.3.2 Kippglied aus NAND-Schaltgliedern.- 5.4 RS-Kippglied mit Zustandssteuerung.- 5.5 D-Kippglied mit Zustandssteuerung.- 5.6 RS-Kippglied mit Zwei-Zustandssteuerung.- 5.7 JK-Master-Slave-Kippglied.- 5.8 Master-Slave T-Kippglied.- 5.9 Kippglieder mit Taktflankensteuerung.- 5.9.1 Taktflankensteuerung durch RC-Differenzierglieder.- 5.9.2 Taktflankensteuerung realisiert durch Verknüpfungsschaltungen.- 5.10 Zusammenfassung.- 6. Schaltwerke.- 6.1 Automaten.- 6.2 Funktionelle Beschreibung von Schaltwerken.- 6.3 Analyse von Schaltwerken.- 6.3.1 Beispiel 1.- 6.3.2 Beispiel 2.- 6.4 Synthese von Schaltwerken.- 6.4.1 Beispiel 1: Umschaltbarer Zähler.- 6.4.2 Beispiel 2: Schieberegister als Schaltwerk.- 6.5 Realisierung von Schaltwerken.- 6.5.1 Schaltwerke mit diskreten Baugliedern.- 6.5.2 Schaltwerke mit programmierbaren Logikbausteinen.- 6.6 Vom Addierer zum Prozessor.- 6.6.1 4-Bit Paralleladdierer.- 6.6.2 Arithmetisch-Logische Einheit mit Registern (RALU).- 6.6.3 RALU mit Eingabeeinheit, Ausgabeeinheit und Datenbus.- 6.6.4 RALU mit Leitwerk.- 6.6.5 RALU und Leitwerk mit RAM.- 6.6.6 Der Miniprozessor.- 7. Integrierte Schaltungen.- 7.1 Schaltungsentwurf.- 7.1.1 Entwurfsebenen.- 7.1.2 Darstellung.- 7.1.3 Werkzeuge und Entwurfsschritte.- 7.1.4 ASICs.- 7.2 Herstellung.- 7.2.1 Herstellung der Siliziumscheibe (Wafer).- 7.2.2 Herstellung der Masken.- 7.2.3 Scheibenprozesse.- 7.2.4 Test.- 7.2.5 Montage.- Abkürzungen.- Schaltzeichen für binäre Verknüpfungsglieder.

O autorze

 

Wolfram Schiffmann,

geboren 1956 im Saarland. Nach dem Studium der Elektrotechnik an der Universität des Saarlandes arbeitete er als wissenschaftlicher Mitarbeiter an der Universität Koblenz–Landau. Von 1983 bis 1988 war er als Lehrbeauftragter an der Universität des Saarlandes tätig. In Koblenz lehrte er von 1983 bis 2000 und habilierte sich dort 1998 im Fachgebiet Technische Informatik. Seit Sommer 2000 ist er Professor im Fachbereich Informatik an der FernUniversität in Hagen.

Robert Schmitz

Geboren 1936 in Schönberg Kreis Bernkastel. Nach Studium der Pädagogik und Didaktik in Trier studierte er Physik und Astronomie an der Universität in Bonn. Von 1974 bis zu seiner Pensionierung im Jahre 2001 war er als wissenschaftlicher Mitarbeiter im Institut für Physik der Universität Koblenz -Landau in der Lehrerbildung tätig. Seit Einführung des Studiengangs Informatik in Koblenz lehrte er auch im Grundstudium Technische Informatik. Über einen Lehrauftrag ist er weiterhin im Bereich Technische Informatik tätig.

 

Blurb

 

Die beiden Bände Technische Informatik bieten einen verständlichen Einstieg in dieses wichtige Teilgebiet der Informatik. Band 1 Grundlagen der digitalen Elektronik führt in die für die Elektronik wichtigen Gesetze der Physik und der Elektrotechnik ein. Sodann werden Halbleiterbauelemente und darauf aufbauend Verknüpfungsglieder, Schaltnetze, Speicherglieder, Schaltwerke und integrierte Schaltungen behandelt.

In der Neuauflage ist der Abschnitt Vom Addierer zum Prozessor im Kapitel Schaltwerke neu konzipiert worden. Die Schaltungen in diesem Abschnitt können mit dem kostenlos verfügbaren HADES–Entwurfssystem (Hamburg Design System) simuliert werden.

Beispielentwürfe sind unter der Webadresse zu den Lehrbüchern Technische Informatik: www.technische-informatik-online.de zu finden. In diesen Simulationen werden Eigenschaften und Fähigkeiten der realer Digitalschaltungen nachgebildet.