Einiges aus der Digitaltechnik




Die Masse:

In einer elektronischen Schaltung braucht man ein Bezugspotential, welches man als "Masse" bezeichnet. Darunter versteht man im allgemeinen den Minuspol der Stromquelle. Wenn man nun davon spricht, dass eine bestimmte Leitung "5 Volt führt", so versteht man darunter, dass zwischen dieser Leitung und der Masse eine Spannung von 5 Volt anliegt. Sämtliche Span-nungsangaben einer elektronischen Schaltung beziehen sich auf diese "Masse". Sie selbst führt die Spannung 0 Volt, hat also das Potential 0 Volt. Alle Leitungen der elektronischen Schaltung, die mit der Masse verbunden sind, haben deswegen ebenfalls das Potential 0 Volt. Das Kürzel für die Masse-Leitung lautet "GND" (für Ground)

Die Sache mit dem LOW und HIGH:

Um in der Digitaltechnik Signale definieren zu können, muss man ihnen eine Spannung zuord-nen. Da fast alle Digitalbausteine (Microcontroller und andere Chips) 5 Volt als Versorgungs-spannung benötigen, liegt es nahe, diese Spannung auch zur Beschreibung von Bits zu ver-wenden. Man definiert also eine Leitung, welche 5 Volt führt, als HIGH. Eine solche, welche die Spannung 0 Volt führt (also in irgend einer Form mit der Masse verbunden ist), bezeichnet man als LOW. Ein Signal, das entweder aus 5V oder aus 0V besteht, bezeichnet man als TTL-kompatibles Signal (weil alle Digitalbausteine so untereinander kommunizieren).

Sinn und Zweck von Pullups:

Fast jeder TTL-Ausgang hat die Eigenschaft, dass er im Zustand HIGH wenig Ausgangsstrom liefert, jedoch in der Lage ist, ein Vielfaches seines Ausgangsstromes auf die Masse abzuleiten, also ein sogenannter "Open-Drain-Ausgang". Das bedeutet anschaulich, dass der Chip intern nur die Fähigkeit besitzt, den TTL-Ausgang zwar mit der Masse, nicht aber mit der Versor-gungsspannung (VCC) zu verbinden. Diese Eigenschaft wiederum würde dazu führen, dass der Ausgangspin bei LOW zwar 0 Volt führt, jedoch bei HIGH keine 5 Volt führt (weil er dann mit nichts verbunden wäre). Deshalb verbindet man ihn ständig über einen Widerstand mit der Ver-sorgungsspannung.

Konkret: Einen solchen Widerstand bezeichnet man als Pullup-Widerstand oder einfach Pullup (von "Po-tential hochziehen" auf 5 Volt). Ein solcher Pullup ist ein ganz normaler Widerstand, man ver-wendet dazu üblicherweise einen mit 10 Kiloohm. Verwendet man als Pullups Widerstände mit weniger als 10 Kiloohm, so spricht man von "starken Pullups", bei Widerständen mit mehr als 10 Kiloohm spricht man von "schwachen Pullups".

Umgekehrt kann man Widerstände auch als sogenannte "Pulldowns" einsetzen. Diese verbin-den ein Signal über einen Widerstand mit der Masse. Eine so "gePulldownte" Leitung hat also solange das Potential 0 Volt, wie sie nicht mit der Versorgungsspannung verbunden ist. Wird sie mit dieser verbunden, so führt sie 5 Volt, weil zwar ein kleiner Strom über den Widerstand ab-fließt, aber die Leitung ja direkt mit der Versorgungsspannung verbunden ist.

Also: Eine nirgends angschlossene Leitung hat in Bezug auf die Masse kein definiertes Potenti-al. Um ihr ein Potential zuzuweisen, verbindet man sie über einen Widerstand mit einem der logischen Potentiale 5V der Versorgungsspannung oder 0V der Masse. Erst dann kann man sagen, dass die Leitung "HIGH" oder "LOW" ist.

Zusammenfassung: Ein Pullup oder Pulldown ist ein Widerstand, der einer nicht angeschlosse-nen Leitung (also eine Leitung, die weder mit der Versorgungsspannung noch mit der Masse verbunden ist), ein logisches Potential zuweist (also 5V oder 0V). Jedoch kann man durch direk-tes Verbinden der Leitung mit der Versorgungsspannung oder der Masse dieses Potential je-derzeit ändern.

Ein- oder Ausgang?

Nutzt ein Chip eines seiner Pins als digitalen Eingang, so mißt er praktisch ständig die an die-sem Pin anliegende Spannung und entscheidet, ob diese gemessene Spannung ein LOW oder ein HIGH bedeutet. Deswegen ist es wichtig, dass an einem Eingangspin stets ein definiertes Potential anliegt.

Was sollte der Chip auch messen, wenn nichts an dem Eingangspin angsschlossen wä-re? 0V? 5V? Oder irgendwas zwischendrin? Die Antwort ist einfach: Durch elektromag-netische Wellen (Radio, Handy, "Elektrosmog") wechselt ein offener Eingang dauernd blitzschnell zwischen LOW und HIGH. Wird dieses Signal dann weitergeleitet, kann es durch seine hohe Frequenz die Schaltung stören.

Um dieses definierte Potential zu gewährleisten, benutzt man einen Pullup. Man verbindet den Eingangspin also über einen Widerstand mit der Versorgungsspannung. Solange nichts daran angeschlossen ist, führt dieses Pin nun 5 Volt, es hat also das gleiche Potential wie die Versor-gungsspannung. Der Chip stellt also fest, dass das Pin auf HIGH ist. Da der Pullup nur ein rela-tiv hochohmiger Widerstand ist (er hat ja immerhin 10 Kiloohm...), kann man das Potential die-ses Eingangspins natürlich leicht ändern: Man braucht es nur mit der Masse zu verbinden, und schon ist es LOW!

Solange ein digitaler Eingang eines Chips nicht über einen Pullup mit der Versorgungsspan-nung verbunden ist, beeinflusst er ein Signal nicht. Anschaulich kann man sich vorstellen, dass ein digitaler Eingang ein Spannungsmessgerät ist, das nur zwei Zustände kennt: Spannung da oder keine Spannung da. Und ein Meßgerät hat ja auch keinen Einfluß auf die Schaltung.

Nutzt ein Chip einen Pin als Ausgang, so kann dieser nur das Potential der daran angeschlos-senen Leitung absenken. Eine digitale Leitung wird im Ruhezustand über einen Pullup-Widerstand auf HIGH gehalten (Dieser Pullup ist meistens schon in dem Chip eingebaut). Man kann den Pullup-Effekt jedoch je nach Wunsch noch verstärken, in dem man einen weiteren Pullup an die entsprechende Leitung anschließt. Schaltet der Ausgang nun auf LOW, so ver-bindet er die Leitung intern mit der Masse, das Potential der Leitung wird dadurch auf 0 Volt abgesenkt. An eine solche digitale Leitung kann man logischerweise beliebig viele Eingänge anschließen, weil diese ja nur das Potential der Leitung messen.






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