Lernziele

• Sie wissen, was die Buchstaben des "EVA"-Prinzip bedeuten, und welche Teile auf dem Logik-Board diese Aufgaben übernehmen
• Sie kennen den Hauptunterschied zwischen analogen und digitalen Signalen

EVA = Eingabe-Verarbeitung-Ausgabe

Beginnen wir weit vorne: Ein Computer ist im Grunde eine Datenverarbeitungsmaschine. Inputs aus Maus, Tastatur, Datenbanken, Game-Controllern, et cetera werden verarbeitet und die Resultate als Outputs ausgegeben an Bildschirmen, Lautsprechern, Motoren, und so weiter... Und vielleicht wird zwischendurch ein Speicher gelesen oder beschrieben.

Jetzt sind sie dran

Schauen Sie sich zu zweit oder zu dritt das Logikboard an.

1. Was für Möglichkeiten sehen Sie für Eingabe, Verarbeitung, Ausgabe?
2. Verbinden Sie mit einem Kabel einen Schalter und ein Lämpchen. Was passiert? Was ist jetzt Eingabe, was Verarbeitung, was Ausgabe?

Lösung

Analoge und digitale Signale

Ein analoges Signal ist ein Signal, das unendlich viele Werte innerhalb eines Bereichs annehmen kann und fliessende Übergänge hat. Das Signal kann immer ein bisschen mehr oder ein bisschen weniger stark sein und man kann zwei Zustände ohne Probleme mischen.

Fast alle natürlichen Signale sind eigentlich analog: z.B. die Lautstärke oder die Höhe von Tönen, die Helligkeit von Licht, oder die Stromspannung. Mit analogen Signalen ist es allerdings sehr schwierig, diskrete Werte zu übermitteln: z.B. exakte Zahlen (1, 2.5, 132...) und Buchstaben. Gerade weil sie unendlich viele Werte annehmen können, sind analoge Signale störanfällig — was man früher speziell beim Kopieren von Musik- oder Videokassetten gemerkt hat: jede Kopie einer Kopie wurde schlechter (sogenannter Generationsverlust).

Loading thumbnail... Ein Beispiel für Generationsverlust bei Videokassetten.

Zurück zu unserem Problem mit den Lämpchen: Für die Repräsentation der Zahlen würde ein analoges Signal bedeuten, dass z.B. die Stärke des Signals die Zahl repräsentiert. Wenn wir einem voll eingeschalteten LED den Wert 1000 gäben und einem ausgeschalteten LED 0, müsste das LED für 371 ungefähr ein Drittel so hell leuchten... Aber eben: Es wäre unmöglich abzulesen!

Im Gegensatz dazu arbeitet ein digitales Signal mit klar definierten Zuständen, oft in Form von "ON" (1) und "OFF" (0). Man kann die Zustände nicht mischen, "Halb-ON" (0.5) gibt es schlicht nicht. Ein solches Signal ist viel weniger anfällig auf Störungen, dafür hat man Mühe, Dinge mit weichen Übergängen zu repräsentieren - eben genau wie Töne und Farben. Klar abgetrennte Dinge wie Ganzzahlen und Buchstaben sind dafür sehr gut darstellbar.

Wir werden also ein digitales Signal verwenden - die Lämpchen sind entweder an (ON) oder aus (OFF). Wir sagen: OFF = 0 und ON = 1.

Strom ist naturgemäss analog. Aber gibt es digitale Grössen in der Natur?

Digitale Signale sind Unterschiede in der Stromspannung (Volt). Aber Spannung ist in der Natur eine analoge Grösse. Wenn Sie also die Spannung eines digitalen Signals in einem Kabel messen würden, würde das ungefähr so aussehen.

Es gibt aber durchaus auch natürliche digitale Grössen. Ein Beispiel wären die vier Basen der DNA.

Aus der Perspektive der Teilchenphysik könnte man auch argumentieren, dass viele Grössen, die wir analog erleben, tatsächlich digital sind, wenn sie quantifiziert vorliegen.