Digital versus Analog und das Elektron

Man könnte die Funktionsweise eines Computerchips auf eine einzige Fähigkeit herunter reduzieren: Elektronen gezielt in bestimmte Bewegung und Richtung zu bringen.

In der Schule lernen wir grundlegende Zusammenhänge der Elektronik wie z.B. Spannung, Strom oder Widerstand kennen – leider oft ohne praktischen Bezug. Dieser Programmierkurs ist angewandte Elektronik. Lass uns einige Begriffe und Zusammenhänge aus der Elektronik und der Programmierung näher betrachten. Dies ist eine kleine Wissenserfrischung. Worauf es in der Elektronik wirklich ankommt, sind die frei beweglichen Elektronen an den äußeren Hüllen eines Atoms.

Alles Stoffliche besteht aus Atomen. Ein Atom wiederum besteht aus einer Atomhülle und einem Atomkern. Der positiv geladene Atomkern enthält so gut wie die gesamte Masse und besteht aus Protonen und Neutronen. Neutronen sind elektrisch neutrale Teilchen und kommen nur im Atomkern vor. Die Protonenanzahl entspricht exakt der Anzahl der Elektronen in der Atomhülle.

Wenn Strom fließt, lösen sich die äußeren Elektronen und bewegen sich durch den Stromleiter. Zum Beispiel von der Batterie in das Arduino, über die Module und zurück zur Batterie. Diesen Strom lenken wir durch unsere Programmierung in bestimmte Bahnen, um Dinge zu bewerkstelligen.

Der Mikrocontroller

Mikrocontroller (auch µController, µC, MCU) wie das Arduino ATMega sind Halbleiterchips und enthalten einen „Prozessor“ und Zusatzmodule:

• Zentrale Recheneinheit (MCU = Microcontroller Unit)
• Arbeitsspeicher
• Datenspeicher
• Taktgeber
• Ein- bzw. Ausgabeports
… usw.

Mikrocontroller sind vergleichbar mit Personal Computern, aber in einer sehr abgespeckten Version. Aus diesem Grund werden sie auch als Ein-Chip-Computersysteme bezeichnet, da viele Komponenten im Gegensatz zum PC in einem einzigen Chipgehäuse vereint werden. Das Arduino kann messen, steuern und regeln. Es erfasst äußere Einflüsse über Sensoren, verarbeitet diese intern mithilfe eines Programms und führt entsprechende Steuerbefehle aus. Mit dem entsprechenden Programm könnte man z.B. bei einem mobilen Roboter von einer gewissen „Eigenintelligenz“ reden. Durch eine flexible Programmierung wäre der Roboter in der Lage eigenständig Entscheidungen treffen.

Herzstück der Arduino-Boards ist der kleine, schwarze Chip. In diesem Bauteil befinden sich integrierte Schaltkreise (IC = Integrated Circuit) – das sind komplexe Schaltungen auf kleinstem Raum. In den Anfängen der Elektronik wurden unzählige Bauteile wie Transistoren, Widerstände oder Kondensatoren platzraubend auf großen Platinen verlötet. Heute ist das alles auf die kleine Größe eines schwarzen Quaders geschrumpft.

Ein- und Ausgänge des Arduino

Das Arduino macht im Grunde nur eine Sache: Es managt elektrische Spannungen (Elektronenfluss) zwischen 0 und 5 Volt auf intelligente Weise. Die elektrische Spannung ist eine Größe der Physik, auf die wir später eingehen werden. Die Einheit, mit der man die Spannung misst, wird Volt (kurz V) genannt.

Das Arduino erzeugt mit den Spannungswerten 0V, 5V und alles was dazwischen liegt sogenannte Signale. Im Allgemeinen können wir zwischen zwei Signalen unterscheiden:

Analoge Signale
Digitale Signale

Warum eigentlich zwei unterschiedliche Signale und nicht einer? Aus einem einfachen Grund: Wir wollen unterschiedliche Verhalten erzeugen. Folgende Beispiele veranschaulichen zwei völlig unterschiedliche Verwendungen einer Leucht-LED.

Digitale Verwendung

Wir können eine LED (Leuchtquelle) ein– oder ausschalten. Es bekommt eine Spannung von 5V oder 0V. Es gibt nur zwei Zustände – an oder aus. Das ist digital.  

Je nachdem ob wir ein analoges oder digitales Signal verwenden verändert sich das Leuchtverhalten von LEDs.

Wie sehen digitale und analoge Signale eigentlich aus?

Signale sind zeitlich sich verändernde Größen, die eine gewisse Information übertragen oder etwas in Gang setzen. Das untere Bild zeigt eine visuelle Repräsentation eines digitalen Signals, das abrupt zwischen 0V und 5V hin- und herwechselt. Die y–Achse stellt die Spannung dar, die x–Achse den Zeitverlauf. Man kann 0V und 5V auch anders ausdrücken: LOW oder HIGH, False oder True, binäre 0 oder 1.  In unserem Beispiel wird die LED ein- oder ausgeschaltet.

Digitaler Graph

Das untere Bild zeigt eine visuelle Repräsentation eines digitalen Signals, das abrupt zwischen 0V und 5V hin- und herwechselt. Die y–Achse stellt die Spannung dar, die x–Achse den Zeitverlauf. Man kann 0V und 5V auch anders ausdrücken: LOW oder HIGH, False oder True, binäre 0 oder 1. In unserem Beispiel wird die LED ein- oder ausgeschaltet.

Analoger Graph

Analoge Signale sind Kurven, die fließend von einem Pol zum anderen wechseln. Die untere Darstellung zeigt ein analoges Signal in Sinus-Form. Im Gegensatz zu digitalen Signalen, sind analoge in der Lage Werte zwischen 0V und 5V anzunehmen. Sie erzeugen fließende Übergänge. In unserem Beispiel wird die LED gedimmt.

Kommunikation nach außen und innen – OUTPUT / INPUT

Wir haben also die Kenntnis über digitale und analoge Signale. Unser Arduino muss in der Lage sein, mit der Außenwelt zu kommunizieren. Ich stelle zwei neue Anhängsel von analogen und digitalen Signalen vor: INPUT und OUTPUT.

Signale müssen eine Richtung haben. Sind es INPUTs, also Sensorwerte (z. B. Temperatur), die zum Arduino kommen? Oder sind es OUTPUTs, also Signale, die zur Außenwelt geschickt werden (z.B. eine blinkende LED)? Insgesamt können wir zwischen vier Signalen unterscheiden:

Im Laufe des Projektes werden wir auf alle vier Signalarten im Detail eingehen. Im nächsten Kapitel gehen wir auf das Arduino-System ein.