Elektronik für Informatiker: von den Grundlagen bis zur Mikrocontroller-Applikation
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München
Oldenbourg
2013
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INHALTSVERZEICHNIS
GELEITWORT
XI
VORWORT
XIII
1. EINLEITUNG UND UEBERBLICK 1
2. PHYSIKALISCHE GRUNDLAGEN DER ELEKTRONIK
5
2.1. ELEKTRIZITAET UND ELEKTRISCHER STROM 5
2.1.1. STATISCHE ELEKTRIZITAET 5
2.1.2. ELEKTRISCHE LADUNG 6
2.1.3. DAS ELEKTRISCHE FELD - ELEKTRISCHES POTENTIAL 8
2.1.4. ELEKTRIZITAET UND ATOMBAU 11
2.1.5. LEITER UND ISOLATOREN 13
2.1.6. BEWEGUNG FREIER LADUNGSTRAEGER 14
2.2. MAGNETISMUS - EIN UEBERBLICK 17
2.2.1. PERMANENT-UND ELEKTROMAGNETE 17
2.2.2. MAGNETISCHE KRAEFTE - DAS MAGNETISCHE FELD 17
2.2.3. INDUKTIONSGESETZ 20
2.3. DER GLEICHSTROMKREIS 21
2.3.1. DARSTELLUNG VON STROMKREISEN - SCHALTZEICHEN 21
2.3.2. OHMSCHES GESETZ UND OHMSCHER WIDERSTAND 22
2.3.3. KIRCHHOFFSCHE REGELN 27
2.3.4. MESSUNG VON SPANNUNG, STROM UND WIDERSTAND 34
2.3.5. KONDENSATOREN - ENERGIESPEICHER IM GLEICHSTROMKREIS 37
2.3.6. SPULEN - MAGNETISCHE ENERGIESPEICHER IM GLEICHSTROMKREIS 45
2.4. WECHSELSTROM 48
2.4.1. ERZEUGUNG UND DARSTELLUNG VON WECHSELSTROM 48
2.4.2. WIDERSTAENDE IM WECHSELSTROMKREIS 54
2.4.3. ZUSAMMENSCHALTUNG VON WIDERSTAENDEN IM WECHSELSTROMKREIS 57
2.4.4. SCHWINGKREISE 60
2.4.5. TRANSFORMATOREN 64
2.4.6. IDEALE VERSUS REALE BAUELEMENTE 66
2.5. FRAGEN UND AUFGABEN 68
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VI INHALTSVERZEICHNIS
3. GRUNDLAGEN ELEKTRISCHER NETZWERKE
71
3.1. VORBEMERKUNGEN UND UEBERBLICK 71
3.2. LINEARE ZWEIPOL-NETZE 73
3.2.1. BERECHNUNG LINEARER ZWEIPOL-NETZE 73
3.2.2. LINEARE ZWEIPOL-NETZE - BEISPIELE UND ANWENDUNGEN 76
3.3. VIERPOLE UND ZWEITORE 82
3.4. LEITUNGEN 86
3.5. FRAGEN UND AUFGABEN 90
4. HALBLEITER UND HALBLEITERBAUELEMENTE
93
4.1. ABGRENZUNG DER HALBLEITER 93
4.2. HALBLEITERMATERIALIEN 94
4.3. AUSGEWAEHLTE FESTKOERPERPHYSIKALISCHE GRUNDLAGEN 98
4.3.1. STRUKTUR FESTER KOERPER 98
4.3.2. ZUR LEITFAEHIGKEIT IM FESTKOERPER 102
4.3.3. LEITFAEHIGKEIT IM HALBLEITER 106
4.3.4. EINIGE MATERIALDATEN UND ERGAENZUNGEN 111
4.4. GRUNDSTRUKTUREN VON HALBLEITERBAUELEMENTEN 113
4.4.1. UEBERSICHT 113
4.4.2. PN-UEBERGANG 114
4.4.3. MOS-KAPAZITAET UND FELDEFFEKT 118
4.5. HALBLEITERBAUELEMENTE 120
4.5.1. BAUELEMENTE MIT HOMOGENEM HALBLEITER 121
4.5.2. DIODEN - BAUELEMENTE MIT EINEM PN-UEBERGANG 123
4.5.3. BIPOLARTRANSISTOREN - BAUELEMENTE MIT ZWEI PN-UEBERGAENGEN 126
4.5.4. MOS-FELDEFFEKTTRANSISTOREN 131
4.5.5. SPERRSCHICHT-FELDEFFEKT-TRANSISTOREN (JFET) 134
4.5.6. HALBLEITERBAUELEMENTE - STAND UND ENTWICKLUNGSTRENDS 136
4.6. FRAGEN UND AUFGABEN 138
5. SIGNAL UND INFORMATION 141
5.1. ABGRENZUNG UND BEGRIFFSBESTIMMUNGEN 141
5.2. NUTZ- UND STOERSIGNALE 144
5.3. ANALOGE UND DIGITALE SIGNALE 147
5.4. DARSTELLUNGEN VON SIGNALEN 149
5.4.1. DARSTELLUNG ANALOGER SIGNALE 149
5.4.2. DARSTELLUNG DIGITALER SIGNALE 152
5.5. FRAGEN UND AUFGABEN 155
6. ANALOGSCHALTUNGEN
157
6.1. FILTER 157
6.1.1. FREQUENZFILTER - FILTERCHARAKTERISTIKEN 158
6.1.2. RC-TIEFPASS 160
6.1.3. RC-HOCHPASS 162
6.1.4. BEGRENZER - AMPLITUDENFILTER MIT DIODEN 164
INHALTSVERZEICHNIS VII
6.2. GLEICHRICHTER 165
6.3. VERSTAERKER 168
6.3.1. VERSTAERKER ALS VIERPOL 169
6.3.2. RUECKKOPPLUNG 169
6.3.3. TRANSISTOR-KLEINSIGNALVERSTAERKER 171
6.3.4. DIREKT GEKOPPELTE VERSTAERKER 176
6.4. OPERATIONSVERSTAERKER 179
6.4.1. EIGENSCHAFTEN, KENNGROESSEN UND UEBERTRAGUNGSFUNKTION 179
6.4.2. BERECHNUNG VON OPERATIONSVERSTAERKER-SCHALTUNGEN 182
6.4.3. LINEARE GRUNDSCHALTUNGEN MIT OPERATIONSVERSTAERKERN 184
6.4.4. NICHTLINEARE SCHALTUNGEN MIT OPERATIONSVERSTAERKERN 189
6.5. SCHWINGUNGSERZEUGUNG - OSZILLATOREN 192
6.6. DIGITAL STEUERBARE ANALOGSCHALTUNGEN 196
6.6.1. ANALOGSCHALTER UND ANALOG-MULTIPLEXER 196
6.6.2. PROGRAMMIERBARE VERSTAERKER 198
6.7. FRAGEN UND AUFGABEN 200
7. DIGITALE SCHALTUNGSTECHNIK
203
7.1. GRUNDLAGEN 204
7.1.1. DIGITALE SIGNALE UND DIGITALISIERUNG 204
7.1.2. MATHEMATISCHE BESCHREIBUNG 209
7.2. LOGIKKLASSEN 214
7.2.1. SCHALTNETZE, KOMBINATORISCHE DIGITALSCHALTUNGEN 215
7.2.2. SCHALTWERKE, SEQUENTIELLE DIGITALSCHALTUNGEN 222
7.3. REALISIERUNG DIGITALER SCHALTUNGEN 230
7.3.1. SCHALTER, RELAIS UND ROEHREN 232
7.3.2. DER TRANSISTOR ALS SCHALTER 233
7.3.3. FET ALS SCHALTER 242
7.3.4. PASS-TRANSISTOR LOGIK UND DIFFERENTIELLE LOGIK 255
7.4. BUSSE UND DIGITALE AUSGANGSSCHALTUNGEN 257
7.4.1. BUSSE 257
7.4.2. OPEN-COLLECTOR, OPEN-DRAIN SCHALTUNGEN UND WIRED LOGIC 259
7.4.3. TRI-STATE 262
7.4.4. TRANSMISSION GATE 264
7.5. ZIELARCHITEKTUREN 265
7.5.1. ASIC 265
7.5.2. PLD 266
7.6. FRAGEN UND AUFGABEN 269
8. KOMBINATORISCHE UND SEQUENTIELLE DIGITALSCHALTUNGEN
273
8.1. UEBERSICHT 273
8.2. KOMBINATORISCHE GRUNDSCHALTUNGEN 273
8.2.1. MULTIPLEXER UND DEMULTIPLEXER 274
8.2.2. KODIERER, DEKODIERER UND CODEUMSETZER 275
8.2.3. HALB- UND VOLLADDIERER, ADDIERERSCHALTUNGEN 278
VM
INHALTSVERZEICHNIS
8.2.4. KOMPARATOR . : 281
8.2.5. ARITHMETISCH-LOGISCHE EINHEIT - ALU 283
8.3. SEQUENTIELLE SCHALTUNGEN 284
8.3.1. FLIP-FLOP 284
8.3.2. TAKTUNABHAENGIGE FLIP-FLOPS 287
8.3.3. TAKTPEGELGESTEUERTE FLIP-FLOPS UND LATCHES 292
8.3.4. EINFLANKENGESTEUERTE FLIP-FLOPS 296
8.3.5. MASTER-SLAVE FLIP-FLOPS 299
8.3.6. REGISTER 305
8.3.7. ZAEHLER- UND TEILERSCHALTUNGEN 311
8.3.8. DIGITALE KIPPSCHALTUNG 322
8.4. HALBLEITER-SPEICHERSCHALTUNGEN 324
8.4.1. UEBERSICHT DER SPEICHERTECHNOLOGIEN 324
8.4.2. SPEICHERORGANISATION 326
8.4.3. RAM-SPEICHERZELLEN 328
8.4.4. FESTWERTSPEICHER 333
8.4.5. EEPROM-/FLASH-SPEICHER 334
8.5. FRAGEN UND AUFGABEN 338
9. SENSORIK 341
9.1. LEBEWESEN UND TECHNISCHE SYSTEME 341
9.1.1. UNSERE SINNE UND SINNESORGANE - SENSOREN, EINE GEGENUEBERSTELLUNG
342
9.1.2. EFFEKTOREN UND AKTOREN - EINE GEGENUEBERSTELLUNG 343
9.1.3. SENSOREN UND AKTOREN IM PROZESS 344
9.2. EFFEKTE UND PRINZIPIEN ZUR REALISIERUNG VON SENSOREN 345
9.2.1. ABBILDUNG NICHTELEKTRISCHER GROESSEN AUF ELEKTRISCHE GROESSEN 346
9.2.2. SENSORELEMENT - SENSOR - SENSORSYSTEM 347
9.2.3. DIE WEITERE GLIEDERUNG 349
9.3. SENSOREN MIT BEWEGLICHEN KOMPONENTEN 350
9.3.1. POTENTIOMETRISCHE (RESISTIVE) SENSOREN 350
9.3.2. KAPAZITIVE SENSOREN 352
9.3.3. INDUKTIVE SENSOREN 354
9.4. TEMPERATURSENSOREN 355
9.4.1. WIDERSTANDSTHERMOMETER 355
9.4.2. THERMOELEKTRISCHER EFFEKT UND THERMOELEMENTE 358
9.5. OPTISCHE SENSOREN 359
9.6. CHEMISCHE SENSOREN UND BIOSENSOREN 363
9.6.1. METALLOXID-GASSENSOREN 364
9.6.2. LEITFAEHIGKEITSSENSOREN 366
9.6.3. BIOSENSOREN 368
9.7. SENSOREN AUS DER SICHT DES ANWENDERS 369
9.8. FRAGEN UND AUFGABEN 370
INHALTSVERZEICHNIS IX
10. ANALOG-DIGITAL- UND DIGITAL-ANALOG-WANDLER
373
10.1. EINLEITUNG 373
10.2. WANDLERKENNLINIEN 376
10.2.1. DIGITAL-ANALOG-WANDLER-KENNLINIEN 377
10.2.2. ANALOG-DIGITAL-WANDLER-KENNLINIEN 379
10.3. DAC-WANDLERPRINZIPIEN 381
10.3.1. DAC NACH DEM PARALLELVERFAHREN 382
10.3.2. DAC NACH DEM WAEGEVERFAHREN 383
10.3.3. DAC NACH DEM ZAEHLVERFAHREN 385
10.4. ADC-WANDLERPRINZIPIEN 386
10.4.1. ADC NACH DEM PARALLEL VERFAHREN 387
10.4.2. ADC NACH DEM WAEGEVERFAHREN 388
10.4.3. ADC NACH DEM ZAEHL VERFAHREN 389
10.4.4. ADC NACH DEM INTERPOLATIVEN SIGMA-DELTA-VERFAHREN (A) 392
10.5. HILFSSCHALTUNGEN 394
10.5.1. ANALOGE HILFSSCHALTUNGEN 394
10.5.2. DIGITALE HILFSSCHALTUNGEN UND SCHNITTSTELLEN 397
10.6. FRAGEN UND AUFGABEN 400
11. MIKROCONTROLLER
403
11.1. BEGRIFF UND WURZELN 403
11.2. MIKROPROZESSOR, SOC UND MIKROCONTROLLER 407
11.3. INFORMATIONSVERARBEITUNG IM MIKROCONTROLLER 410
11.4. MIKROCONTROLLER - EINIGE HARDWARE-ASPEKTE 413
11.4.1. PROZESSORKERN (CPU) 413
11.4.2. DAS BUSSYSTEM 415
11.4.3. HAVARD- VS. VON NEUMANN-ARCHITEKTUR 416
11.4.4. INPUT-OUTPUT-MODULE 417
11.4.5. HILFSSCHALTUNGEN 419
11.5. PROGRAMMIERMODELL UND -SOFTWARE 422
11.6. ENTWICKLUNGSWERKZEUGE FUER MIKROCONTROLLER 423
11.7. MSP430 - EINBLICKE IN EINE MIKROCONTROLLERFAMILIE 425
11.7.1. MSP430 - HARDWARE, KOMPONENTEN UND AUSBAUSTUFEN 427
11.7.2. MSP430 - SOFTWARE 439
11.7.3. MSP430 - ENTWICKLUNGSUMGEBUNG 442
11.7.4. MSP430 - EIN KLEINES PROJEKT 444
11.8. FRAGEN UND AUFGABEN 458
A. ANHANG 461
A.L. HAEUFIG VERWENDETE FORMELZEICHEN 461
A.2. PHYSIKALISCHE GRUNDLAGEN, ERGAENZUNGEN 464
A.2.1. PHYSIKALISCHE GROESSEN UND EINHEITEN 464
A.2.2. AUSGEWAEHLTE PHYSIKALISCHE NATURKONSTANTEN 467
A.2.3. ZUR DEFINITION VON AMPERE, VOLT UND OHM 468
X
INHALTSVERZEICHNIS
A.2.4.
LICHT UND SEINE WECHSELWIRKUNGEN .
470
A.2.5.
PERIODENSYSTEM DER ELEMENTE
. .
474
A.3.
MATHEMATISCHE WERKZEUGE, ERGAENZUNGEN .
476
A.3.1.
VEKTOREN
. . .476
A.3.2.
KOMPLEXE ZAHLEN UND FUNKTIONEN .
478
A.3.3.
DIFFERENTIALGLEICHUNGEN .
481
A.4.
ERGAENZUNGEN ZU PASSIVEN BAUELEMENTEN . . .487
A.4.1.
E-REIHEN , .
487
A.4.2.
LEITER UND ISOLATOREN - ELEKTRISCHE EIGENSCHAFTEN , .
488
A.5.
KODIERUNG VON INFORMATIONEN . .
489
A.5.1.
MASSEINHEIT . .
489
A.5.2.
KODIERUNG VON ZAHLEN . . . .491
A.5.3.
KODIERUNG VON ZEICHEN . .
492
A.6. DIGITALE GATTER
. .
495
A.6.1.
UNAERE OPERATION . . . .495
A.6.2.
BINAERE OPERATIONEN . .
495
A.6.3.
WEITERE GATTER . .
499
A.6.4. UBERSICHT FLIP-FLOPS . .
500
A.7.
HISTORISCHES . .
503
A.7.1.
VON DER ENTDECKUNG DER GLUEHEMISSION BIS ZUR ENTDECKUNG DES
TRANSISTOREFFEKTES 503
A.7.2. VON DER ENTDECKUNG DER HALBLEITERELEMENTE BIS ZUM MIKROPROZESSOR
. . . .
504
A.7.3.
ZEITTAFEL ZUR GESCHICHTE DER COMPUTERTECHNIK . . . .505
ENGLISCHE FACHBEGRIFFE 507
LITERATURVERZEICHNIS 511
STICHWORTVERZEICHNIS 517 |
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