Klicktafel Technik

Analog & digital

Vom schwingenden Gummiband bis zur Null und Eins: wie aus Schall Zahlen werden und aus Zahlen wieder Schall.

Blättern mit den Pfeiltasten, dem Presenter oder den Knöpfen unten rechts. Esc beendet den Tafelmodus.

Zwei Uhren, eine Zeit

Frage zum Einstieg

Beide Uhren zeigen dieselbe Zeit. Schaut genau hin: Was macht der rote Zeiger anders als die Ziffern?

Was bedeutet Digitalisierung?

Sammelt zuerst eure Ideen. Tippt dann eine Karte an.

Auf diese Fragen kommen wir auf der letzten Tafel zurück.

Wie entsteht ein Ton?

Schallloch Resonanzkörper Gummiband (Saite)

Was passiert, wenn ihr die Saite mit dem Finger kürzer macht?

Frequenz bestimmt die Tonhöhe
Wie oft die Saite pro Sekunde hin- und herschwingt. Einheit: Hertz (Hz).
Amplitude bestimmt die Lautstärke
Wie weit die Saite dabei ausschlägt.
Der Kasten macht den Ton laut
Die dünne Saite allein bewegt kaum Luft. Der Holzkasten schwingt mit und schiebt viel mehr Luft an (Resonanzkörper). Durch das Schallloch kommt der Schall nach außen.

Das Grammophon spielt Musik ganz ohne Strom

Lupe: Rille von oben 1 2 3 4 5

Kein Strom, keine Zahlen: Von der Rille bis zum Ohr bleibt alles eine stufenlose Bewegung. Das Grammophon ist rein analog.

Wo gibt es noch eine Membran, die Luft anstößt?

Schall ist eine Welle aus Luftteilchen

Die Membran stößt die Luftteilchen direkt vor ihr an. Diese stoßen ihre Nachbarn an, und so weiter. So wandert eine Verdichtung durch die Luft.

Achtet auf das orange Teilchen: Es wandert nicht mit. Es schwingt nur ein kleines Stück hin und her.

Fachwort: Längswelle (Longitudinalwelle). Die Teilchen schwingen in dieselbe Richtung, in die die Welle läuft. Ähnlich beim Kugelstoßpendel: Die Kugeln bleiben fast an ihrem Platz, nur der Stoß läuft weiter.

Kann man im Weltall Schall hören?

Mikrofon und Lautsprecher

Magnet Spule Membran elektrisches Signal Schall

Aus der Luftschwingung wird eine elektrische Schwingung mit derselben Form. Sie ist immer noch analog.

Bewegung wird Strom, Strom wird Bewegung

Beide haben Membran, Spule und Magnet. Beim Mikrofon erzeugt Bewegung eine Spannung. Beim Lautsprecher erzeugt Spannung eine Bewegung.

Fachwort: Induktion. Bewegt sich eine Drahtspule in einem Magnetfeld, entsteht in ihr eine elektrische Spannung.

Noch ein Wandler: der Piezokristall

Druck auf den Kristall erzeugt eine Spannung, je stärker, desto höher. Umgekehrt verformt er sich, wenn Spannung anliegt. So piept ein Rauchmelder.

Was passiert im Piezo-Feuerzeug, wenn ihr drückt?

Analog oder digital? Sortiert!

analog stufenlos, jeder Zwischenwert
Noch einsortieren ziehen oder antippen
digital feste Schritte, Zahlen

Sieben Striche für alle Ziffern

Baut ein Preisschild: Tippt die Segmente an, die leuchten sollen. Jedes Segment ist nur AN oder AUS.

Aufgabe:

Auflösung

Ein Messgerät mit einer Stelle nach dem Komma zeigt 3,4 V oder 3,5 V, aber nie 3,45 V. Alles dazwischen wird gerundet: Die Anzeige kennt nur ein festes Raster.

Wie viele verschiedene Muster kann eine einzige Ziffer mit 7 Segmenten zeigen?

Und wenn Buchstaben angezeigt werden sollen?

Nullen und Einsen: so zählt ein Computer

Stellen:

Knobelaufgabe

Stellt diese Zahl ein: 5

Jedes zusätzliche Bit verdoppelt die Anzahl der Möglichkeiten.

Ein Bit ist eine Stelle, die nur 0 oder 1 sein kann: Loch oder kein Loch, Strom AN oder AUS. Jede Stelle hat einen Wert: 1, 2, 4, 8 … Die eingeschalteten Werte werden zusammengezählt.

StellenMöglichkeiten
1 Bit2
3 Bit8
8 Bit (1 Byte)256
16 Bit65.536

Moderne Computer rechnen mit 64 Bit. Wie viele verschiedene Zahlen passen in 64 Stellen?

AN und AUS: Morsen und Lochstreifen

Dasselbe Wort auf einem Lochstreifen

Jede Spalte ist ein Buchstabe im ASCII-Code: Loch = 1, kein Loch = 0. Die kleinen Löcher sind für den Vorschub.

Morsezeichen

Es gibt nur AN und AUS: Lampe, Ton oder Funksignal. Die Dauer entscheidet, ob ein Zeichen kurz (·) oder lang (−) ist. Buchstaben bestehen aus 1 bis 4 Zeichen, Ziffern aus 5.

Lochstreifen und Lochkarten

Schon um 1805 steuerten Lochkarten Webstühle, die Muster in Stoffe webten. Auch Drehorgeln spielen nach gelochten Notenbändern. Konrad Zuse las 1941 die Programme seines Rechners Z3 von gelochtem Kinofilm.

Warum ist das E nur ein einziger Punkt?

Wie eine CD Nullen und Einsen speichert

Gelesen:

Der Laser misst, wie viel Licht zurückkommt. Wechsel zwischen Pit und Land = 1, kein Wechsel = 0.

Wie lang ist die Datenspur einer CD, wenn man sie abwickelt?

CD, DVD, Blu-ray

Die Spur läuft als Spirale von innen nach außen, ein Laser liest sie von unten. Die Pits sind nur etwa 0,5 µm breit: Auf die Breite eines Haares passen rund 40 Spuren. Je enger die Spuren, desto mehr passt drauf: CD 0,7 GB, DVD 4,7 GB, Blu-ray 25 GB pro Schicht.

Festplatte

Winzige Bereiche einer Scheibe werden magnetisiert. Der Lesekopf springt direkt an jede Stelle. Eine Kassette muss man dafür erst spulen.

USB-Stick, SSD, Handy-Speicher

Sie halten Daten als elektrische Ladungen in Milliarden winziger Speicherzellen fest. Hier bewegt sich nichts mehr.

Der A/D-Wandler macht aus einer Kurve Zahlen

Abtasten
In festen Abständen messen: Abtastrate (senkrechte Linien).
Runden
Auf die nächste Stufe runden, n Bit ergeben 2ⁿ Stufen: Bittiefe (waagrechte Linien).
Stufen8
Messungen pro Schwingung8
Abweichung von der Kurve–

Die ersten Messwerte als Bits:

Was hilft mehr gegen die Treppe: öfter messen oder feiner messen?

Wie fein ist fein genug?

Wo?BittiefeStufenMessungen pro Sekunde
Telefon (ISDN)8 Bit2568.000
Musik-CD16 Bit65.53644.100
Film, Video, Rundfunk16 oder 24 Bitbis 16,8 Mio.48.000
Tonstudio24 Bit16.777.21648.000 bis 192.000

Beim Bearbeiten rechnen Programme oft sogar mit 32 Bit, damit beim Mischen möglichst nichts verloren geht.

Messwerte, die ein CD-Spieler gelesen hat, seit diese Tafel offen ist:

0

44.100 Messungen pro Sekunde, mal 2 für Stereo.

Wir hören Töne bis etwa 20.000 Hz. Warum misst die CD dann 44.100-mal pro Sekunde?

Wie viele Bits liest ein CD-Spieler pro Sekunde?

Bei Film, Video und Rundfunk sind 48.000 Messungen pro Sekunde die übliche Norm. Darum nehmen Videokameras und Schnittprogramme meist mit 48 kHz auf.

Der D/A-Wandler macht aus Zahlen wieder eine Kurve

Wo steckt ein D/A-Wandler?

In jedem Gerät, das gespeicherte Musik abspielt: Handy, Laptop, Smart-Speaker, USB-Lautsprecher, Kopfhörer-Adapter.

Der D/A-Wandler macht aus jeder Zahl wieder eine Spannung. Weil er nur feste Werte ausgeben kann, entsteht zuerst eine Treppe.

Ein Tiefpass-Filter reagiert träge auf schnelle Sprünge. Er schleift die Kanten ab, ähnlich wie eine Feile. Heraus kommt wieder eine glatte Kurve.

Probiert den Regler: Ist das Filter zu stark, wird die Kurve kleiner und kommt verspätet.

Bluetooth-Kopfhörer: Wo sitzt dort der D/A-Wandler?

Vom Gesang bis zum Kopfhörer: die ganze Kette

Warum steht am Ende der Kette immer etwas Analoges?

Ein USB-Mikrofon: Wo sitzt der A/D-Wandler?

Früher analog, heute digital

Tippt eine Karte an, um zu sehen, wie es heute aussieht. Welche Beispiele fallen euch noch ein?

Was geben wir aus der Hand?

Abstimmung: Darf das eine Maschine allein entscheiden?

Wer Entscheidungen an digitale Systeme abgibt, muss ihnen vertrauen. Deshalb lohnt sich die Frage: Wo hilft uns das, und wo wollen wir selbst entscheiden?

Zwei Seiten der Digitalisierung

Vieles wird einfacher: online bezahlen, Termine buchen, Formulare ausfüllen, die Heizung per App steuern. Gleichzeitig entstehen Datenspuren: Wege, Einkäufe und Klicks können gespeichert und ausgewertet werden.

Schaut noch einmal auf die Fragen von Tafel 1. Seht ihr sie jetzt anders?