“Logische Gatter” Modulentwicklungsszenarien: Digitale Elektronik

Elektronik im Allgemeinen und digitale Elektronik im Speziellen sind maßgebliche Motoren des aktuellen technologischen Fortschrittes. Schließlich ist ein Computer auch nur ein komplexes, digitales System.

Obwohl er ein komplexes System ist, ist ein Computer vom digitalen Standpunkt aus gesehen, ein System mit zwei möglichen Werten, nämlich 0 und 1 und drei Arten von Gattern (logischen Operatoren): AND, OR und NOT. Dieses Modul handelt von den Prinzipien dieser Bits und den logischen Operatoren.

In der digitalen Elektronik, wie auch auf anderen Gebieten, besteht die Hauptaufgabe aus der Analyse und dem Design von Systemen, nämlich digitalen in diesem Fall.  Die Besonderheit und das Neue für SchülerInnen ist es nun, dass digitale Elektronik auf Informationen (Bits)  und Algebra (Boole) basiert. Deshalb müssen wir, bevor wir beginnen Systeme zu analysieren und zu designen, auch lernen, wie man binäre Codes repräsentiert und digitale, binäre Information manipuliert (Boolesche Algebra). Die folgende Abbildung zeigt drei Schwerpunkte von digitaler Elektronik: Binäre Codes, Boolesche Algebra und die Analyse und das Design von digitalen Systemen

 

Analysis and design of digital systems

 

Digitale Schaltkreise werden in vier Gruppen eingeteilt: kombinatorische oder sequenzielle, Bit- oder Wort-Ebene. In diesem Modul werden wir nur mit kombinatorischen Bit-Level Systemen (logischen Gattern) arbeiten, weil diese konzeptionell am einfachsten sind und weile diese außerdem die geeignetsten von der methodologischen Betrachtungsweise her sind. Bevor wir beginnen, ist es wichtig sich daran zu erinnern, dass der einfache Designmechanismus einen Kreislauf darstellt: vorgeschlagenes Schaltkreisdesign (Hypothese), vorgeschlagene Schaltkreisanalyse (Evaluation gemäß der Anforderungen) und wiederholte, sorgfältige Ausführung des vorgeschlagenen Designs (unter Berücksichtigung der Analyseresultate).

 

How do you carry out the analysis and design

 

Die Modulentwicklung besteht aus zwei Teilen. Zuerst wird die binäre Repräsentation der Information (binäre Codes) und deren mathematische Manipulation (Boolesche Algebra) betrachtet und dann wird die digitale,  kombinatorische Bit-Level-Systemanalyse ausgeführt, z. B. die Analyse und das Design von digitalen Schaltkreisen basierend auf logischen Gattern (bit-level).

Zu diesem Zweck arbeiten wir mit zwei Werkzeugen: Boole-Deusto und Weblab-Deusto. Boole-Deusto ist eine Anwendung, die es SchülerInnen erlaubt, Schritt für Schritt ein digitales Bit-level System zu analysieren und zu designen. Diese Anwendung erlaubt es auch den Lehrenden, Schritt für Schritt ein digitales Bit-Level System zu analysieren und zu designen, einschließlich der Erfassung, Minimierung und dem Zeichnen von digitalen Schaltkreisen.

WebLab-Deusto ist ein Remote Lab, das SchülerInnen erlaubt, reale, digitale Experimente im Bereich Elektronik durchzuführen, ohne direkt in einem „echten“ Lab arbeiten zu müssen. Der Zugang und die Kontrolle des Experimentes erfolgt via Internet, zu jeder Zeit und an jedem Ort. So können SchülerInnen und Lehrende ein reales, digitales System in der Klasse oder zu Hause analysieren und designen, ohne wirtschaftlichen und organisatorischen Aufwand zu haben.