Verfügbarkeit: Elektronik für Informatiker

Elektronik für Informatiker: von den Grundlagen bis zur Mikrocontroller-Applikation

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Bibliographische Detailangaben
Hauptverfasser:	Rost, Manfred (VerfasserIn), Wefel, Sandro 1972- (VerfasserIn)
Format:	Buch
Sprache:	German
Veröffentlicht:	Berlin ; München ; Boston De Gruyter Oldenbourg [2021]
Ausgabe:	2. Auflage
Schriftenreihe:	De Gruyter Studium
Schlagworte:	Technische Informatik Analogschaltung Mikrocontroller MSP430 Elektronisches Gerät Elektronisches Bauelement Grundschaltung Digitalschaltung Elektronik Hardware Informatik Rechnerarchitektur TB: Textbook Lehrbuch
Online-Zugang:	http://www.degruyter.com/search?f_0=isbnissn&q_0=9783110608823&searchTitles=true Inhaltsverzeichnis
Beschreibung:	XVI, 595 Seiten Illustrationen, Diagramme 24 cm x 17 cm
ISBN:	9783110608823 3110608820

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adam_text	INHALTSVERZEICHNIS GELEITWORT XIII VORWORT XV VORWORT ZUR 2. AUFLAGE XVII 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 ....................................................................................................... 28 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 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. COMPUTERGESTUETZTE NETZWERKANALYSE ............................................................................. 90 3.6. FRAGEN UND AUFGABEN ....................................................................................................... 91 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 ..................................................................................................... 137 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 INHALTSVERZEICHNIS VII 6.1.4. BEGRENZER - AMPLITUDENFILTER MIT DIODEN .................................................................. 164 6.2. GLEICHRICHTER .................................................................................................................. 165 6.3. VERSTAERKER ........................................................................................................................ 169 6.3.1. VERSTAERKER ALS VIERPOL .................................................................................................. 169 6.3.2. RUECKKOPPLUNG .............................................................................................................. 170 6.3.3. TRANSISTOR-KLEINSIGNALVERSTAERKER .................................................................................. 172 6.3.4. DIREKT GEKOPPELTE VERSTAERKER ........................................................................................ 176 6.4. OPERATIONSVERSTAERKER ..................................................................................................... 179 6.4.1. EIGENSCHAFTEN, KENNGROESSEN UND UEBERTRAGUNGSFUNKTION ........................................... 180 6.4.2. BERECHNUNG VON OPERATIONSVERSTAERKER-SCHALTUNGEN .................................................. 182 6.4.3. LINEARE GRUNDSCHALTUNGEN MIT OPERATIONSVERSTAERKERN ............................................... 185 6.4.4. NICHTLINEARE SCHALTUNGEN MIT OPERATIONSVERSTAERKERN ............................................... 190 6.5. SCHWINGUNGSERZEUGUNG - OSZILLATOREN ........................................................................ 193 6.6. DIGITAL STEUERBARE ANALOGSCHALTUNGEN ........................................................................ 197 6.6.1. ANALOGSCHALTER UND ANALOG-MULTIPLEXER ..................................................................... 198 6.6.2. PROGRAMMIERBARE VERSTAERKER ........................................................................................ 200 6.7. KONZEPTE ZUR STROMVERSORGUNG ..................................................................................... 201 6.7.1. STROMVERSORGUNG NETZGEBUNDENER STATIONAERER GERAETE .............................................. 201 6.7.2. STROMVERSORGUNG MOBILER GERAETE ................................................................................. 206 6.7.3. LEISTUNGS-SCHALTER UND UMSCHALTER, ENERGIEMANAGEMENT ........................................ 210 6.7.4. ENERGY HARVESTING - STROMVERSORGUNG MIT ENERGIE AUS DER UMWELT ......................... 211 6.7.5. DRAHTLOSE ENERGIEUEBERTRAGUNG ..................................................................................... 212 6.8. FRAGEN UND AUFGABEN ..................................................................................................... 214 7. DIGITALE SCHALTUNGSTECHNIK 217 7.1. GRUNDLAGEN .................................................................................................................... 218 7.1.1. DIGITALE SIGNALE UND DIGITALISIERUNG ........................................................................... 218 7.1.2. MATHEMATISCHE BESCHREIBUNG ..................................................................................... 222 7.2. LOGIKKLASSEN ................................................................................................................. 228 7.2.1. SCHALTNETZE, KOMBINATORISCHE DIGITALSCHALTUNGEN ..................................................... 229 7.2.2. SCHALTWERKE, SEQUENTIELLE DIGITALSCHALTUNGEN ........................................................... 235 7.3. REALISIERUNG DIGITALER SCHALTUNGEN ............................................................................... 244 7.3.1. SCHALTER, RELAIS UND ROEHREN ........................................................................................ 245 7.3.2. DER TRANSISTOR ALS SCHALTER ........................................................................................... 247 7.3.3. FET ALS SCHALTER ........................................................................................................... 255 7.3.4. PASS-TRANSISTOR LOGIK UND DIFFERENTIELLE LOGIK ........................................................... 268 7.4. BUSSE UND DIGITALE AUSGANGSSCHALTUNGEN ................................................................. 270 7.4.1. BUSSE .............................................................................................................................. 270 7.4.2. OPEN-COLLECTOR, OPEN-DRAIN SCHALTUNGEN UND WIRED LOGIC ..................................... 272 7.4.3. TRI-STATE ........................................................................................................................ 274 7.4.4. TRANSMISSION GATE ........................................................................................................ 276 7.5. ZIELARCHITEKTUREN ........................................................................................................... 278 7.5.1. ASIC .............................................................................................................................. 278 7.5.2. PLD ................................................................................................................................. 279 7.6. FRAGEN UND AUFGABEN .................................................................................................... 282 VIII INHALTSVERZEICHNIS 8. KOMBINATORISCHE UND SEQUENTIELLE DIGITALSCHALTUNGEN 285 8.1. UEBERSICHT ........................................................................................................................ 285 8.2. KOMBINATORISCHE GRUNDSCHALTUNGEN ........................................................................... 285 8.2.1. MULTIPLEXER UND DEMULTIPLEXER ..................................................................................... 286 8.2.2. KODIERER, DEKODIERER UND CODEUMSETZER ..................................................................... 287 8.2.3. HALB UND VOLLADDIERER, ADDIERERSCHALTUNGEN ........................................................... 290 8.2.4. KOMPARATOR ..................................................................................................................... 294 8.2.5. ARITHMETISCH-LOGISCHE EINHEIT - ALU ........................................................................ 295 8.3. SEQUENTIELLE SCHALTUNGEN ............................................................................................... 296 8.3.1. FLIP-FLOP ........................................................................................................................ 296 8.3.2. TAKTUNABHAENGIGE FLIP-FLOPS ........................................................................................ 299 8.3.3. TAKTPEGELGESTEUERTE FLIP-FLOPS UND LATCHES ............................................................... 304 8.3.4. EINFLANKENGESTEUERTE FLIP-FLOPS .................................................................................. 308 8.3.5. MASTER-SLAVE FLIP-FLOPS ............................................................................................... 311 8.3.6. REGISTER ........................................................................................................................... 316 8.3.7. ZAEHLER-UND TEILERSCHALTUNGEN ..................................................................................... 323 8.3.8. DIGITALE KIPPSCHALTUNG .................................................................................................. 334 8.4. HALBLEITER-SPEICHERSCHALTUNGEN ................................................................................... 335 8.4.1. UEBERSICHT DER SPEICHERTECHNOLOGIEN ............................................................................ 336 8.4.2. SPEICHERORGANISATION ..................................................................................................... 338 8.4.3. RAM-SPEICHERZELLEN ..................................................................................................... 340 8.4.4. FESTWERTSPEICHER ........................................................................................................... 344 8.4.5. EEPROM-/FLASH-SPEICHER ........................................................................................... 345 8.5. FRAGEN UND AUFGABEN ..................................................................................................... 350 9. SENSORIK 353 9.1. LEBEWESEN UND TECHNISCHE SYSTEME ............................................................................ 353 9.1.1. UNSERE SINNE UND SINNESORGANE - SENSOREN, EINE GEGENUEBERSTELLUNG ..................... 354 9.1.2. EFFEKTOREN UND AKTOREN - EINE GEGENUEBERSTELLUNG .....................................................355 9.1.3. SENSOREN UND AKTOREN IM PROZESS .............................................................................. 356 9.2. EFFEKTE UND PRINZIPIEN ZUR REALISIERUNG VON SENSOREN ................................................ 357 9.2.1. ABBILDUNG NICHTELEKTRISCHER GROESSEN AUF ELEKTRISCHE GROESSEN ................................... 358 9.2.2. SENSORELEMENT - SENSOR - SENSORSYSTEM ..................................................................... 358 9.2.3. DIE WEITERE GLIEDERUNG .................................................................................................. 361 9.3. SENSOREN MIT BEWEGLICHEN KOMPONENTEN .................................................................. 362 9.3.1. POTENTIOMETRISCHE (RESISTIVE) SENSOREN ........................................................................ 362 9.3.2. KAPAZITIVE SENSOREN ..................................................................................................... 364 9.3.3. INDUKTIVE SENSOREN ........................................................................................................ 367 9.4. TEMPERATURSEN SOREN ..................................................................................................... 368 9.4.1. WIDERSTANDSTHERMOMETER .............................................................................................. 368 9.4.2. THERMOELEKTRISCHER EFFEKT UND THERMOELEMENTE ..................................................... 371 9.5. OPTISCHE SENSOREN ........................................................................................................ 373 9.6. CHEMISCHE SENSOREN UND BIOSENSOREN ........................................................................ 376 9.6.1. METALLOXID-GASSENSOREN .............................................................................................. 378 9.6.2. LEITFAEHIGKEITSSENSOREN FUER FLUESSIGKEITEN ..................................................................... 379 INHALTSVERZEICHNIS IX 9.6.3. BIOSENSOREN .....................................................................................................................382 9.7. SENSOREN AUS DER SICHT DES ANWENDERS ........................................................................382 9.8. FRAGEN UND AUFGABEN .................................................................................................... 383 10. ANZEIGEN FUER ELEKTRISCHE SIGNALE 385 10.1. MECHANISCHE ANZEIGEN (ZEIGERINSTRUMENTE) .............................................................. 385 10.2. AKUSTISCHE ANZEIGE ........................................................................................................387 10.2.1. PIEZOELEKTRISCHE SCHALLWANDLER .................................................................................... 387 10.2.2. DYNAMISCHE LAUTSPRECHER ...........................................................................................388 10.3. OPTISCHE ANZEIGEN UND DISPLAYS ................................................................................. 388 10.3.1. SELBSTLEUCHTENDE ANZEIGEN UND DISPLAYS ..................................................................... 390 10.3.2. NICHT-SELBSTLEUCHTENDE ANZEIGEN UND DISPLAYS ........................................................ 396 10.3.3. PROJEKTIONSSYSTEME ........................................................................................................ 399 10.3.4. ANMERKUNGEN ZUM ENERGIEBEDARF VERSCHIEDENER DISPLAYS .................................... 401 10.4. FRAGEN UND AUFGABEN .................................................................................................... 401 11. ANALOG-DIGITAL UND DIGITAL-ANALOG-WANDLER 403 11.1. EINLEITUNG .......................................................................................................................403 11.2. WANDLERKENNLINIEN ....................................................................................................... 406 11.2.1. DIGITAL-ANALOG-WANDLER-KENNLINIEN ........................................................................... 407 11.2.2. ANALOG-DIGITAL-WANDLER-KENNLINIEN ........................................................................... 409 11.3. DAC-WANDLERPRINZIPIEN .............................................................................................. 411 11.3.1. DAC NACH DEM PARALLELVERFAHREN ................................................................................. 412 11.3.2. DAC NACH DEM WAEGEVERFAHREN ....................................................................................413 11.3.3. DAC NACH DEM ZAEHLVERFAHREN ..................................................................................... 415 11.4. ADC-WANDLERPRINZIPIEN .............................................................................................. 416 11.4.1. ADC NACH DEM PARALLELVERFAHREN .............................................................................. 417 11.4.2. ADC NACH DEM WAEGEVERFAHREN .................................................................................... 418 11.4.3. ADC NACH DEM ZAEHLVERFAHREN .................................................................................... 419 11.4.4. ADC NACH DEM INTERPOLATIVEN SIGMA-DELTA-VERFAHREN (EA) ................................. 422 11.5. HILFSSCHALTUNGEN ........................................................................................................... 424 11.5.1. ANALOGE HILFSSCHALTUNGEN ........................................................................................... 424 11.5.2. DIGITALE HILFSSCHALTUNGEN UND SCHNITTSTELLEN .............................................................. 427 11.6. FRAGEN UND AUFGABEN .................................................................................................... 430 12. MIKROCONTROLLER UND SOC 433 12.1. BEGRIFF UND WURZELN .................................................................................................... 433 12.2. MIKROPROZESSOR, SOC UND MIKROCONTROLLER ................................................................. 437 12.3. INFORMATIONSVERARBEITUNG IN SOC UND MIKROCONTROLLERN ........................................... 442 12.4. HARDWARE-ASPEKTE ....................................................................................................... 445 12.4.1. PROZESSORKERN (CPU) .................................................................................................... 445 12.4.2. DAS BUSSYSTEM .............................................................................................................. 447 12.4.3. HARVARD VS. VON NEUMANN-ARCHITEKTUR .................................................................... 448 12.4.4. INPUT-OUTPUT-MODULE .................................................................................................... 449 12.4.5. HILFSSCHALTUNGEN ........................................................................................................... 451 X INHALTSVERZEICHNIS 12.5. PROGRAMMIERMODELL UND -SOFTWARE ........................................................................... 453 12.6. MSP430 - EINBLICKE IN EINE MIKROCONTROLLERFAMILIE .................................................. 455 12.6.1. MSP430 - HARDWARE, KOMPONENTEN UND AUSBAUSTUFEN ........................................... 456 12.6.2. MSP430-SOFTWARE ..................................................................................................... 468 12.6.3. MIKROCONTROLLER ENTWICKLUNGSUMGEBUNG UND -WERKZEUGE ........................................ 471 12.6.4. MSP430 - EIN KLEINES PROJEKT ..................................................................................... 475 12.7. SOC-SYSTEME - EINE AUSWAHL ........................................................................................ 490 12.7.1. DERESP8266 UND ESP32 .............................................................................................. 491 12.7.2. DER RASPBERRY PI ........................................................................................................... 496 12.8. FRAGEN UND AUFGABEN ..................................................................................................... 499 13. SIMULATION ELEKTRONISCHER SCHALTUNGEN 501 13.1. SIMULATION UND SYNTHESE DIGITALER SCHALTUNGEN ........................................................ 502 13.2. ANALYSE VON ANALOGEN SCHALTUNGEN DURCH SOFTWARE .................................................. 504 13.2.1. NETZLISTE ........................................................................................................................ 505 13.2.2. ANALYSEMETHODEN UND BEISPIELE .................................................................................. 506 13.2.3. SIMULATIONS-SOFTWARE ..................................................................................................... 512 13.3. FRAGEN UND AUFGABEN ..................................................................................................... 513 A. ANHANG 515 A.L. HAEUFIG VERWENDETE FORMELZEICHEN .............................................................................. 515 A.2. PHYSIKALISCHE GRUNDLAGEN, ERGAENZUNGEN ....................................................................518 A.2.1. PHYSIKALISCHE GROESSEN UND EINHEITEN ...........................................................................518 A.2.2. AUSGEWAEHLTE PHYSIKALISCHE KONSTANTEN (NATURKONSTANTEN) ....................................... 521 A.2.3. ZUR DEFINITION VON AMPERE, VOLT UND OHM ............................................................... 522 A.2.4. LICHT UND SEINE WECHSELWIRKUNGEN ........................................................................... 525 A.2.5. PERIODENSYSTEM DER ELEMENTE .................................................................................... 529 A.3. MATHEMATISCHE WERKZEUGE, ERGAENZUNGEN ................................................................. 531 A.3.1. KOORDINATENSYSTEME .................................................................................................... 531 A.3.2. VEKTOREN ....................................................................................................................... 532 A.3.3. KOMPLEXE ZAHLEN UND FUNKTIONEN .............................................................................. 534 A.3.4. DIFFERENTIALGLEICHUNGEN ................................................................................................. 536 A.4. ERGAENZUNGEN ZU PASSIVEN BAUELEMENTEN .................................................................... 543 A.4.1. E-REIHEN ....................................................................................................................... 543 A.4.2. LEITER UND ISOLATOREN - ELEKTRISCHE EIGENSCHAFTEN .................................................... 544 A.5. KODIERUNG VON INFORMATIONEN .................................................................................... 545 A.5.1. MASSEINHEIT .................................................................................................................... 545 A.5.2. KODIERUNG VON ZAHLEN ................................................................................................. 547 A.5.3. KODIERUNG VON ZEICHEN ................................................................................................. 548 A.6. DIGITALE GATTER .............................................................................................................. 551 A.6. 1. UNAERE OPERATION ........................................................................................................... 551 A.6.2. BINAERE OPERATIONEN ........................................................................................................ 551 A.6.3. WEITERE GATTER .............................................................................................................. 555 A.6.4. UEBERSICHT FLIP-FLOPS ..................................................................................................... 556 INHALTSVERZEICHNIS XI A.7. EIN-CHIP-SYSTEME UND EINPLATINENCOMPUTER .............................................................559 A.7.1. ESP-SYSTEME ................................................................................................................ 559 A.7.2. ERGAENZUNG ZUM RASPBERRY PI EINPLATINENCOMPUTER ................................................. 560 A.7.3. WEITERE AKTUELL VERBREITETE SOC ................................................................................ 561 A.8. HISTORISCHES .................................................................................................................... 562 A.8. 1. VON DER ENTDECKUNG DER GLUEHEMISSION BIS ZUR ENTDECKUNG DES TRANSISTOREFFEKTES 562 A.8.2. VON DER ENTDECKUNG DER HALBLEITERELEMENTE BIS ZUM MIKROPROZESSOR .................563 A.8.3. ZEITTAFEL ZUR GESCHICHTE DER COMPUTERTECHNIK .......................................................... 564 A.8.4. ZEITTAFEL SCHEIBENDURCHMESSER UND STRUKTURBREITEN ................................................. 566 ENGLISCHE FACHBEGRIFFE 567 LITERATURVERZEICHNIS 572 STICHWORTVERZEICHNIS 583
adam_txt	INHALTSVERZEICHNIS GELEITWORT XIII VORWORT XV VORWORT ZUR 2. AUFLAGE XVII 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 . 28 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 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. COMPUTERGESTUETZTE NETZWERKANALYSE . 90 3.6. FRAGEN UND AUFGABEN . 91 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 . 137 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 INHALTSVERZEICHNIS VII 6.1.4. BEGRENZER - AMPLITUDENFILTER MIT DIODEN . 164 6.2. GLEICHRICHTER . 165 6.3. VERSTAERKER . 169 6.3.1. VERSTAERKER ALS VIERPOL . 169 6.3.2. RUECKKOPPLUNG . 170 6.3.3. TRANSISTOR-KLEINSIGNALVERSTAERKER . 172 6.3.4. DIREKT GEKOPPELTE VERSTAERKER . 176 6.4. OPERATIONSVERSTAERKER . 179 6.4.1. EIGENSCHAFTEN, KENNGROESSEN UND UEBERTRAGUNGSFUNKTION . 180 6.4.2. BERECHNUNG VON OPERATIONSVERSTAERKER-SCHALTUNGEN . 182 6.4.3. LINEARE GRUNDSCHALTUNGEN MIT OPERATIONSVERSTAERKERN . 185 6.4.4. NICHTLINEARE SCHALTUNGEN MIT OPERATIONSVERSTAERKERN . 190 6.5. SCHWINGUNGSERZEUGUNG - OSZILLATOREN . 193 6.6. DIGITAL STEUERBARE ANALOGSCHALTUNGEN . 197 6.6.1. ANALOGSCHALTER UND ANALOG-MULTIPLEXER . 198 6.6.2. PROGRAMMIERBARE VERSTAERKER . 200 6.7. KONZEPTE ZUR STROMVERSORGUNG . 201 6.7.1. STROMVERSORGUNG NETZGEBUNDENER STATIONAERER GERAETE . 201 6.7.2. STROMVERSORGUNG MOBILER GERAETE . 206 6.7.3. LEISTUNGS-SCHALTER UND UMSCHALTER, ENERGIEMANAGEMENT . 210 6.7.4. ENERGY HARVESTING - STROMVERSORGUNG MIT ENERGIE AUS DER UMWELT . 211 6.7.5. DRAHTLOSE ENERGIEUEBERTRAGUNG . 212 6.8. FRAGEN UND AUFGABEN . 214 7. DIGITALE SCHALTUNGSTECHNIK 217 7.1. GRUNDLAGEN . 218 7.1.1. DIGITALE SIGNALE UND DIGITALISIERUNG . 218 7.1.2. MATHEMATISCHE BESCHREIBUNG . 222 7.2. LOGIKKLASSEN . 228 7.2.1. SCHALTNETZE, KOMBINATORISCHE DIGITALSCHALTUNGEN . 229 7.2.2. SCHALTWERKE, SEQUENTIELLE DIGITALSCHALTUNGEN . 235 7.3. REALISIERUNG DIGITALER SCHALTUNGEN . 244 7.3.1. SCHALTER, RELAIS UND ROEHREN . 245 7.3.2. DER TRANSISTOR ALS SCHALTER . 247 7.3.3. FET ALS SCHALTER . 255 7.3.4. PASS-TRANSISTOR LOGIK UND DIFFERENTIELLE LOGIK . 268 7.4. BUSSE UND DIGITALE AUSGANGSSCHALTUNGEN . 270 7.4.1. BUSSE . 270 7.4.2. OPEN-COLLECTOR, OPEN-DRAIN SCHALTUNGEN UND WIRED LOGIC . 272 7.4.3. TRI-STATE . 274 7.4.4. TRANSMISSION GATE . 276 7.5. ZIELARCHITEKTUREN . 278 7.5.1. ASIC . 278 7.5.2. PLD . 279 7.6. FRAGEN UND AUFGABEN . 282 VIII INHALTSVERZEICHNIS 8. KOMBINATORISCHE UND SEQUENTIELLE DIGITALSCHALTUNGEN 285 8.1. UEBERSICHT . 285 8.2. KOMBINATORISCHE GRUNDSCHALTUNGEN . 285 8.2.1. MULTIPLEXER UND DEMULTIPLEXER . 286 8.2.2. KODIERER, DEKODIERER UND CODEUMSETZER . 287 8.2.3. HALB UND VOLLADDIERER, ADDIERERSCHALTUNGEN . 290 8.2.4. KOMPARATOR . 294 8.2.5. ARITHMETISCH-LOGISCHE EINHEIT - ALU . 295 8.3. SEQUENTIELLE SCHALTUNGEN . 296 8.3.1. FLIP-FLOP . 296 8.3.2. TAKTUNABHAENGIGE FLIP-FLOPS . 299 8.3.3. TAKTPEGELGESTEUERTE FLIP-FLOPS UND LATCHES . 304 8.3.4. EINFLANKENGESTEUERTE FLIP-FLOPS . 308 8.3.5. MASTER-SLAVE FLIP-FLOPS . 311 8.3.6. REGISTER . 316 8.3.7. ZAEHLER-UND TEILERSCHALTUNGEN . 323 8.3.8. DIGITALE KIPPSCHALTUNG . 334 8.4. HALBLEITER-SPEICHERSCHALTUNGEN . 335 8.4.1. UEBERSICHT DER SPEICHERTECHNOLOGIEN . 336 8.4.2. SPEICHERORGANISATION . 338 8.4.3. RAM-SPEICHERZELLEN . 340 8.4.4. FESTWERTSPEICHER . 344 8.4.5. EEPROM-/FLASH-SPEICHER . 345 8.5. FRAGEN UND AUFGABEN . 350 9. SENSORIK 353 9.1. LEBEWESEN UND TECHNISCHE SYSTEME . 353 9.1.1. UNSERE SINNE UND SINNESORGANE - SENSOREN, EINE GEGENUEBERSTELLUNG . 354 9.1.2. EFFEKTOREN UND AKTOREN - EINE GEGENUEBERSTELLUNG .355 9.1.3. SENSOREN UND AKTOREN IM PROZESS . 356 9.2. EFFEKTE UND PRINZIPIEN ZUR REALISIERUNG VON SENSOREN . 357 9.2.1. ABBILDUNG NICHTELEKTRISCHER GROESSEN AUF ELEKTRISCHE GROESSEN . 358 9.2.2. SENSORELEMENT - SENSOR - SENSORSYSTEM . 358 9.2.3. DIE WEITERE GLIEDERUNG . 361 9.3. SENSOREN MIT BEWEGLICHEN KOMPONENTEN . 362 9.3.1. POTENTIOMETRISCHE (RESISTIVE) SENSOREN . 362 9.3.2. KAPAZITIVE SENSOREN . 364 9.3.3. INDUKTIVE SENSOREN . 367 9.4. TEMPERATURSEN SOREN . 368 9.4.1. WIDERSTANDSTHERMOMETER . 368 9.4.2. THERMOELEKTRISCHER EFFEKT UND THERMOELEMENTE . 371 9.5. OPTISCHE SENSOREN . 373 9.6. CHEMISCHE SENSOREN UND BIOSENSOREN . 376 9.6.1. METALLOXID-GASSENSOREN . 378 9.6.2. LEITFAEHIGKEITSSENSOREN FUER FLUESSIGKEITEN . 379 INHALTSVERZEICHNIS IX 9.6.3. BIOSENSOREN .382 9.7. SENSOREN AUS DER SICHT DES ANWENDERS .382 9.8. FRAGEN UND AUFGABEN . 383 10. ANZEIGEN FUER ELEKTRISCHE SIGNALE 385 10.1. MECHANISCHE ANZEIGEN (ZEIGERINSTRUMENTE) . 385 10.2. AKUSTISCHE ANZEIGE .387 10.2.1. PIEZOELEKTRISCHE SCHALLWANDLER . 387 10.2.2. DYNAMISCHE LAUTSPRECHER .388 10.3. OPTISCHE ANZEIGEN UND DISPLAYS . 388 10.3.1. SELBSTLEUCHTENDE ANZEIGEN UND DISPLAYS . 390 10.3.2. NICHT-SELBSTLEUCHTENDE ANZEIGEN UND DISPLAYS . 396 10.3.3. PROJEKTIONSSYSTEME . 399 10.3.4. ANMERKUNGEN ZUM ENERGIEBEDARF VERSCHIEDENER DISPLAYS . 401 10.4. FRAGEN UND AUFGABEN . 401 11. ANALOG-DIGITAL UND DIGITAL-ANALOG-WANDLER 403 11.1. EINLEITUNG .403 11.2. WANDLERKENNLINIEN . 406 11.2.1. DIGITAL-ANALOG-WANDLER-KENNLINIEN . 407 11.2.2. ANALOG-DIGITAL-WANDLER-KENNLINIEN . 409 11.3. DAC-WANDLERPRINZIPIEN . 411 11.3.1. DAC NACH DEM PARALLELVERFAHREN . 412 11.3.2. DAC NACH DEM WAEGEVERFAHREN .413 11.3.3. DAC NACH DEM ZAEHLVERFAHREN . 415 11.4. ADC-WANDLERPRINZIPIEN . 416 11.4.1. ADC NACH DEM PARALLELVERFAHREN . 417 11.4.2. ADC NACH DEM WAEGEVERFAHREN . 418 11.4.3. ADC NACH DEM ZAEHLVERFAHREN . 419 11.4.4. ADC NACH DEM INTERPOLATIVEN SIGMA-DELTA-VERFAHREN (EA) . 422 11.5. HILFSSCHALTUNGEN . 424 11.5.1. ANALOGE HILFSSCHALTUNGEN . 424 11.5.2. DIGITALE HILFSSCHALTUNGEN UND SCHNITTSTELLEN . 427 11.6. FRAGEN UND AUFGABEN . 430 12. MIKROCONTROLLER UND SOC 433 12.1. BEGRIFF UND WURZELN . 433 12.2. MIKROPROZESSOR, SOC UND MIKROCONTROLLER . 437 12.3. INFORMATIONSVERARBEITUNG IN SOC UND MIKROCONTROLLERN . 442 12.4. HARDWARE-ASPEKTE . 445 12.4.1. PROZESSORKERN (CPU) . 445 12.4.2. DAS BUSSYSTEM . 447 12.4.3. HARVARD VS. VON NEUMANN-ARCHITEKTUR . 448 12.4.4. INPUT-OUTPUT-MODULE . 449 12.4.5. HILFSSCHALTUNGEN . 451 X INHALTSVERZEICHNIS 12.5. PROGRAMMIERMODELL UND -SOFTWARE . 453 12.6. MSP430 - EINBLICKE IN EINE MIKROCONTROLLERFAMILIE . 455 12.6.1. MSP430 - HARDWARE, KOMPONENTEN UND AUSBAUSTUFEN . 456 12.6.2. MSP430-SOFTWARE . 468 12.6.3. MIKROCONTROLLER ENTWICKLUNGSUMGEBUNG UND -WERKZEUGE . 471 12.6.4. MSP430 - EIN KLEINES PROJEKT . 475 12.7. SOC-SYSTEME - EINE AUSWAHL . 490 12.7.1. DERESP8266 UND ESP32 . 491 12.7.2. DER RASPBERRY PI . 496 12.8. FRAGEN UND AUFGABEN . 499 13. SIMULATION ELEKTRONISCHER SCHALTUNGEN 501 13.1. SIMULATION UND SYNTHESE DIGITALER SCHALTUNGEN . 502 13.2. ANALYSE VON ANALOGEN SCHALTUNGEN DURCH SOFTWARE . 504 13.2.1. NETZLISTE . 505 13.2.2. ANALYSEMETHODEN UND BEISPIELE . 506 13.2.3. SIMULATIONS-SOFTWARE . 512 13.3. FRAGEN UND AUFGABEN . 513 A. ANHANG 515 A.L. HAEUFIG VERWENDETE FORMELZEICHEN . 515 A.2. PHYSIKALISCHE GRUNDLAGEN, ERGAENZUNGEN .518 A.2.1. PHYSIKALISCHE GROESSEN UND EINHEITEN .518 A.2.2. AUSGEWAEHLTE PHYSIKALISCHE KONSTANTEN (NATURKONSTANTEN) . 521 A.2.3. ZUR DEFINITION VON AMPERE, VOLT UND OHM . 522 A.2.4. LICHT UND SEINE WECHSELWIRKUNGEN . 525 A.2.5. PERIODENSYSTEM DER ELEMENTE . 529 A.3. MATHEMATISCHE WERKZEUGE, ERGAENZUNGEN . 531 A.3.1. KOORDINATENSYSTEME . 531 A.3.2. VEKTOREN . 532 A.3.3. KOMPLEXE ZAHLEN UND FUNKTIONEN . 534 A.3.4. DIFFERENTIALGLEICHUNGEN . 536 A.4. ERGAENZUNGEN ZU PASSIVEN BAUELEMENTEN . 543 A.4.1. E-REIHEN . 543 A.4.2. LEITER UND ISOLATOREN - ELEKTRISCHE EIGENSCHAFTEN . 544 A.5. KODIERUNG VON INFORMATIONEN . 545 A.5.1. MASSEINHEIT . 545 A.5.2. KODIERUNG VON ZAHLEN . 547 A.5.3. KODIERUNG VON ZEICHEN . 548 A.6. DIGITALE GATTER . 551 A.6. 1. UNAERE OPERATION . 551 A.6.2. BINAERE OPERATIONEN . 551 A.6.3. WEITERE GATTER . 555 A.6.4. UEBERSICHT FLIP-FLOPS . 556 INHALTSVERZEICHNIS XI A.7. EIN-CHIP-SYSTEME UND EINPLATINENCOMPUTER .559 A.7.1. ESP-SYSTEME . 559 A.7.2. ERGAENZUNG ZUM RASPBERRY PI EINPLATINENCOMPUTER . 560 A.7.3. WEITERE AKTUELL VERBREITETE SOC . 561 A.8. HISTORISCHES . 562 A.8. 1. VON DER ENTDECKUNG DER GLUEHEMISSION BIS ZUR ENTDECKUNG DES TRANSISTOREFFEKTES 562 A.8.2. VON DER ENTDECKUNG DER HALBLEITERELEMENTE BIS ZUM MIKROPROZESSOR .563 A.8.3. ZEITTAFEL ZUR GESCHICHTE DER COMPUTERTECHNIK . 564 A.8.4. ZEITTAFEL SCHEIBENDURCHMESSER UND STRUKTURBREITEN . 566 ENGLISCHE FACHBEGRIFFE 567 LITERATURVERZEICHNIS 572 STICHWORTVERZEICHNIS 583
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