Die Welt von Digital und Analog ist eine zentrale Achse der modernen Technologie. In diesem Kapitel möchten wir dir einen Überblick über die grundlegenden Unterschiede zwischen digitalen und analogen Systemen geben und aufzeigen, wie sie unser tägliches Leben beeinflussen.

Die grundlegenden Unterschiede zwischen digitalen und analogen Systemen liegen in der Art und Weise, wie Informationen repräsentiert und verarbeitet werden. Analoge Systeme verwenden kontinuierliche Signale, die physische Eigenschaften wie Spannung oder Schallwellen darstellen. Im Gegensatz dazu arbeiten digitale Systeme mit diskreten, binären Daten - den sogenannten Nullen und Einsen.

Bei analogen Systemen werden Informationen durch physikalische Eigenschaften repräsentiert. Denke beispielsweise an eine Schallplatte, auf der die Musik durch die Rillen festgehalten wird, die die Vibrationen des ursprünglichen Tons darstellen. Digitale Systeme hingegen speichern Informationen in diskreten Einheiten, den Bits. Jedes Bit, das entweder den Wert Null oder Eins annehmen kann, stellt eine abstrakte Repräsentation der Information dar.

Die Übertragung und Verarbeitung von analogen Signalen erfordert eine kontinuierliche Übertragung der physikalischen Eigenschaften, was sie anfällig für Störungen und Verzerrungen macht. Digitale Signale hingegen können mit hoher Präzision übertragen und verarbeitet werden, wodurch Verzerrungen minimiert und die Integrität der Daten gewährleistet wird.

Analoge Systeme können direkt in ihrer natürlichen Form speichern, was beispielsweise bei analogen Fotografien der Fall ist, die auf Film festgehalten werden. Digitale Systeme hingegen ermöglichen eine einfache und effiziente Speicherung, Reproduktion und Wiedergabe von Informationen. Eine digitale Datei kann unendlich oft kopiert und ohne Qualitätsverlust weitergegeben werden.

Schließlich bieten digitale Formate eine hohe Flexibilität und ermöglichen eine weitreichende Manipulation von Informationen. Mit digitalen Bildbearbeitungsprogrammen können Fotos retuschiert und verändert werden. Die digitale Musikproduktion ermöglicht es, Klänge in einem bisher unvorstellbaren Ausmaß zu erzeugen und zu bearbeiten. Bei analogen Systemen sind solche Manipulationen oft schwer durchzuführen oder mit erheblichem Aufwand verbunden.

Elektronen sind der Kern der Sache

Stell dir vor, du bist ein Orchesterleiter, aber anstatt Musiker zu dirigieren, lenkst du Elektronen. Genau das machen wir in der faszinierenden Welt der Elektronik und Programmierung. Und unsere Hauptdarsteller auf dieser Bühne? Es sind die Elektronen, die sich frei in den äußeren Bahnen der Atome bewegen können, den fundamentalen Bausteinen unserer physischen Welt.

Atome sind eine faszinierende Komposition aus einem positiv geladenen Kern - ein verdichtetes Zentrum, das die meiste Masse enthält und aus Protonen und Neutronen besteht - und einer Hülle, in der sich die Elektronen tummeln. Es gibt immer eine perfekte Balance im Universum: Die Anzahl der Elektronen in der Hülle entspricht genau der Anzahl der Protonen im Kern.

Die Rolle der Elektronen ist entscheidend in der Elektronik und Programmierung. Stell dir vor, sie sind wie die Künstler in unserem Orchester, die wir gezielt lenken können, um die perfekte Symphonie zu erzeugen. In stromleitenden Materialien zum Beispiel lösen sich die äußeren Elektronen und reisen wie Nomaden durch den Leiter. In unserem Fall, dem Arduino-Projekt, fließt der Strom von der Batterie zum Arduino, durchläuft verschiedene Module und kehrt schließlich zur Batterie zurück. Durch geschickte Programmierung des Mikrocontrollers können wir den Fluss dieser Elektronen dirigieren und sie auf bestimmte Pfade lenken, um spezifische Aktionen auszuführen.

Interessant ist, dass nicht alle Materialien gleich gut den Elektronenfluss leiten können. Die besten leitfähigen Metalle in absteigender Reihenfolge sind Silber (Ag), Kupfer (Cu), Gold (Au) und Aluminium (Al). Das ist ein bisschen wie bei unseren Musikern - einige sind in bestimmten Bereichen talentierter als andere. Silber gilt als das beste Metall für die Stromleitung. Kupfer, oft als vertrauenswürdiger Arbeiter in unseren Leitungen gesehen, hat eine hohe Leitfähigkeit. Gold und Aluminium sind ebenfalls gute Stromleiter, werden aber wegen ihrer Kosten bzw. spezifischer Anwendungsbereiche nicht so häufig eingesetzt wie Silber und Kupfer.

Um noch tiefer in die Materie einzutauchen: Silber hat 47 Protonen in seinem Atomkern. Es existieren verschiedene Isotope von Silber, wobei die häufigsten Silber-107 (mit 60 Neutronen) und Silber-109 (mit 62 Neutronen) sind. Isotope sind im Grunde genommen Geschwister des gleichen Elements, die sich nur in der Anzahl der Neutronen im Kern unterscheiden. Sie zeigen ähnliche chemische Eigenschaften, unterscheiden sich jedoch in ihrer Atommasse aufgrund der unterschiedlichen Anzahl von Neutronen. Isotope haben viele Anwendungen, von der Datierung in der Archäologie über medizinische Verwendungen bis hin zu geowissenschaftlicher Forschung. Es ist faszinierend, wie diese subatomaren Partikel unsere Welt prägen, oder? 

Der Mikrocontroller

Stell dir einen Mikrocontroller als Miniatur-Computer vor, der auf einem einzigen integrierten Schaltkreis (IC = Integrated Circuit) basiert. Er beherrscht das Jonglieren von Daten und Befehlen, indem er über eine zentrale Verarbeitungseinheit (CPU - Central Processing Unit), Speicher und Ports für Ein- und Ausgabe verfügt, zusammen mit weiteren nützlichen Zusätzen zur Bearbeitung elektronischer Signale und zur Steuerung von Abläufen.

Arduino, eine hoch angesehene Entwicklungsplattform für Mikrocontroller, öffnet mit verschiedenen Mikrocontroller-Boards den Vorhang zu dieser aufregenden Welt. Diese Boards nutzen unterschiedliche Mikrocontroller-Chips, darunter der ATmega328P, ATmega2560 und ESP32, um nur einige Beispiele zu nennen.

Lass uns einen genaueren Blick auf die Hauptakteure auf einem typischen Arduino-Mikrocontroller-Board werfen:

Mikrocontroller-Chip: Dieses winzige Kraftpaket ist das mathematische Gehirn des Arduino. Es übernimmt die Hauptrolle, indem es Befehle ausführt und Daten verarbeitet.

Digitale Ein- und Ausgabeports: Mit ihnen kannst du Geräte wie Sensoren, Aktuatoren oder andere digitale Komponenten anschließen. Sie übertragen und empfangen digitale Signale, die entweder "HIGH" (logische 1) oder "LOW" (logische 0) sein können.

Analoge Ein- und Ausgabeports: Diese speziellen Ports ermöglichen es dir, mit analogen Komponenten zu kommunizieren und so analoge Signale aufzunehmen und zu erzeugen. Sie erlauben eine stufenlose Variation der Spannung zwischen 0V und 5V.

Stromversorgung: Der Arduino kann entweder über eine externe Stromquelle oder per USB mit Energie versorgt werden. Diese Spannung wird dann vom Mikrocontroller-Chip und den angeschlossenen Komponenten genutzt.

Ein Mikrocontroller führt Befehle aus einem im Speicher geladenen Programm aus. Dieses Programm wird in einer Programmiersprache, wie zum Beispiel C++, geschrieben und enthält Befehle, die verschiedene Aktionen auslösen, basierend auf den Eingabe- und Ausgabesignalen.

Der Mikrocontroller liest Signale von Sensoren oder anderen Quellen, verarbeitet diese Daten und erzeugt Ausgabesignale zur Steuerung von Aktuatoren oder anderen Komponenten. Dies geschieht in der Regel in einer kontinuierlichen Schleife, in der der Mikrocontroller unablässig Eingabesignale überwacht, Daten verarbeitet und die Ausgabesignale entsprechend anpasst.

Ein- und Ausgänge des Arduino

Wenn wir uns den Arduino als einen Schaltkreis vorstellen, dann stellen die Ein- und Ausgänge die Brücken dar, die die Kommunikation mit der Außenwelt ermöglichen. Diese Brücken erlauben es uns, sowohl analoge als auch digitale Signale zu senden und zu empfangen.

Analoge Signale beim Arduino sind stufenlos veränderbare Signale, die einen beliebigen Wert zwischen 0V und 5V einnehmen können. Im Gegensatz dazu bestehen digitale Signale aus fest definierten Zuständen. Ein analoges Signal kann geschmeidig und kontinuierlich variieren und bietet somit eine Fülle von Möglichkeiten zur Informationsübertragung.

Ein analoges Signal beim Arduino kann aus einer Vielzahl von Quellen stammen, beispielsweise von Sensoren wie Potentiometern, Temperatursensoren oder Lichtsensoren. Diese erzeugen eine variable Spannung, die dann proportional zu dem gemessenen Phänomen interpretiert wird. Durch die Verwendung der analogen Eingangspins des Arduino können wir diese variablen Spannungen messen und in digitale Werte umwandeln, die vom Mikrocontroller verarbeitet werden können.

Die daraus gewonnenen analogen Werte können für eine breite Palette von Anwendungen verwendet werden. So können wir beispielsweise die Helligkeit einer LED in Abhängigkeit von einem gemessenen Lichtwert steuern oder die Drehzahl eines Motors auf der Basis eines bestimmten Potentiometerwerts regulieren.

Digitale Signale hingegen bestehen aus zwei diskreten Zuständen, "HIGH" und "LOW", die 5V bzw. 0V repräsentieren. Mit den digitalen Ein- und Ausgängen des Arduino können wir diese Signale erzeugen, senden und empfangen. Jeder Pin kann entweder als Eingang oder als Ausgang konfiguriert werden, um Signale von externen Quellen zu empfangen oder an andere Komponenten zu senden.

Digitale Signale sind besonders nützlich für Anwendungen, in denen klar definierte Zustände benötigt werden, wie zum Beispiel das Ein- und Ausschalten von Komponenten oder die Übermittlung von Informationen. Durch die Programmierung des Arduino können wir mit diesen Signalen auf komplexe und kontrollierte Weise interagieren, um eine Vielzahl von Projekten zu realisieren.

Visuelle Darstellung von digitalen und analogen Signalen

Digitales Signal
Du befindest dich in der spannenden Welt der elektronischen Signale, in der digitale und analoge Signale die Hauptrollen spielen. Ein digitales Signal ist wie ein klarer Schalter - es springt ohne Zögern zwischen zwei bestimmten Zuständen, "HIGH" (5V) und "LOW" (0V), umher. Hier gibt es keine fließenden Übergänge oder Zwischenzustände. In der Darstellung erkennst du die unverkennbare binäre Natur des digitalen Signals: Linien steigen und fallen abrupt, verharren konstant bei "HIGH" oder "LOW", bis ein neuer Befehl sie ändert.

Analoges Signal
Auf der anderen Seite ist ein analoges Signal. Es ist eine sanfte Welle, die zwischen verschiedenen Spannungswerten hin und her schwingt. Es gibt keine plötzlichen Zustandswechsel, sondern einen nahtlosen Übergang von einem Punkt zum nächsten. Auf diese Weise kann das Signal alle Werte zwischen dem Mindestwert (0V) und dem Maximalwert (5V) annehmen. Analoge Signale sind die Wahl für Situationen, in denen eine feinfühlige Steuerung und Veränderung gefragt ist, beispielsweise bei der Regelung der Helligkeit von Lichtquellen oder der Lautstärke von Tonausgaben.

Kommunikation nach außen und innen – OUTPUT / INPUT

Jetzt kommen wir zum Arduino und seiner Interaktion mit der Außenwelt. Der Arduino kann sowohl digitale als auch analoge Signale als Ein- und Ausgänge verarbeiten.

> Signale als Eingang (Input)
Digitaler Eingang: Hier handelt es sich um Signale, die entweder den Zustand "HIGH" (logische 1) oder "LOW" (logische 0) annehmen. Der Arduino kann diese binären Signale von verschiedenen Quellen empfangen und entsprechend darauf reagieren.

Analoger Eingang: Hierbei handelt es sich um kontinuierliche Signale, die Werte zwischen 0V und 5V repräsentieren. Der Arduino ist in der Lage, solche Signale zu verarbeiten und daraus nutzbare Daten zu generieren.

>Ausgang (Output)
Digitaler Ausgang: Hier handelt es sich um Signale, die der Arduino erzeugt und die ebenfalls den Zustand "HIGH" (logische 1) oder "LOW" (logische 0) haben.

Analoger Ausgang: Dies sind variable Signale, die der Arduino erzeugt und die Werte zwischen 0V und 5V annehmen können. Ein gutes Beispiel dafür ist die Pulsweitenmodulation (PWM), die der Arduino zur Erzeugung einer Art "Pseudodigital" verwendet.

Mit der Fähigkeit, sowohl digitale als auch analoge Ein- und Ausgabesignale zu verarbeiten, kann der Arduino effektiv mit der physischen Welt interagieren. Sensoren liefern Eingabedaten, die vom Arduino verarbeitet werden können, um bestimmte Aktionen durchzuführen, wie das Ansteuern von Motoren oder das Senden von Daten an andere Geräte. Die Wahl zwischen digitalen und analogen Signalen hängt davon ab, welche Art von Daten du erfassen oder steuern möchtest.