LERN­ZUSAMMENFASSUNG 1 · Signale & A/D 2 · Zahlensysteme 3 · Binär-Rechnen 4 · Komplemente 5 · Codes 6 · Quiz
KLAUSURVORBEREITUNG · INFORMATIONSTECHNIK

Zahlensysteme, Binär­rechnen & Codes

Alles aus deinen Unterlagen an einem Ort – mit ausklappbaren Themen, animierten Rechenbeispielen zum Durchklicken und den passenden Tastenfolgen für deinen Casio fx-991DE X.

Der rote Faden: 75 °C
Ein Temperatursensor misst beim Motortest 75 °C. Diese eine Information wird auf dem Weg durch die Anlage ständig neu codiert: als Dualzahl in der SPS, als BCD-Code für das 7-Segment-Display, als ASCII-Zeichen am PC – und das fertige Produkt bekommt EAN- und QR-Code. Genau diese Stationen gehen wir durch.
1

Signale & Analogwertverarbeitung

Eine SPS (oder ein Computer) kann ausschließlich elektrische Signale verarbeiten. Deshalb muss jede physikalische Größe – Druck, Temperatur, Füllstand – zuerst in ein elektrisches Signal und dann in einen digitalen Wert überführt werden.

Die Signalkette: von der Messgröße zur SPS
Physikalische Größe
z. B. Druck, 75 °C
Sensor /
Messumformer
analoges Signal
0–10 V oder 4–20 mA
A/D-Wandler digitaler Wert
16-Bit-Wort
SPS-Programm
PEW / PAW, Prozessabbild
Warum überhaupt? Erst als elektrisches Signal lässt sich der Messwert übertragen, verstärken und einlesen – und erst als digitaler Wert kann die Steuerung damit rechnen, ihn speichern, anzeigen und weitermelden. Bei SPS-Analogwerten ist das Wandlungsergebnis stets ein Wort von 16 Bit.
Analoges Signalkontinuierlich
Wert- und zeitkontinuierlich: kann jeden Zwischenwert annehmen – z. B. ein Temperaturverlauf oder das 0–10-V-Signal eines Drucksensors.
Digitales Signalwertdiskret
Nur endlich viele, gestufte Werte – entsteht z. B. am Ausgang des A/D-Wandlers. Der Verlauf wirkt „treppenförmig“.
Binäres Signal2 Zustände
Sonderfall des digitalen Signals mit nur zwei Zuständen: 0/1, EIN/AUS. Ein Schaltzustand belegt genau 1 Bit.
kontinuierlich = stetig, lückenlos zusammenhängend diskret = durch endliche Abstände voneinander getrennt
Die vier Signaltypen: Wert × Zeit
Jedes Signal ist im Wert und in der Zeit entweder kontinuierlich oder diskret – das ergibt genau vier Kombinationen.
wertkontinuierlich · zeitkontinuierlich
{{ sig_ac }}
Analoges Signal
Kann zu jedem Zeitpunkt jeden beliebigen Wert annehmen. Die Änderung ist nicht sprunghaft – lässt sich mit dem Stift ohne Absetzen zeichnen.
wertkontinuierlich · zeitdiskret
{{ sig_cc }}
Abgetastetes Analogsignal
Kann jeden beliebigen Wert annehmen, aber nur zu bestimmten Zeiten. Beispiel: ein analoges Signal wird in festen Intervallen abgetastet.
wertdiskret · zeitkontinuierlich
{{ sig_dc }}
Digitales Signal (Schaltungstechnik)
Kann zu jeder Zeit nur bestimmte Werte annehmen. Beispiel: ein digitaler Ausgang einer Steuerung – er hat zu jedem Zeitpunkt einen festen Ausgangswert.
wertdiskret · zeitdiskret
{{ sig_dd }}
Digitales Signal (Theorie)
Nur bestimmte Werte und nur zu bestimmten Zeiten. Beispiel: ein analoges Signal, das durch Abtastung diskrete Werte zugeordnet bekommen hat.
A/D-Wandler: die drei Verfahren
Für Multiple-Choice: Einordnung reicht – tief gerechnet wird hier nicht
Der A/D-Wandler (ADC) wandelt die Eingangsspannung in eine dazu proportionale Zahl um. Drei prinzipielle Verfahren:
Verfahren Schritte Referenz­spannungen Merkmale
Parallelverfahren (word at a time) 1 n aufwendig (1 Komparator pro Wert), aber sehr schnell
Wägeverfahren (digit at a time) ld n ld n stellenweise ab dem MSB – guter Kompromiss
Zählverfahren (level at a time) n 1 einfach, aber langsam (z. B. Dual-Slope)
Das Wägeverfahren kurz erklärt
Wie eine Balkenwaage – pro Bit ein Vergleich: Mit der höchsten Stelle beginnen. Ist die Eingangsspannung ≥ der Referenzspannung dieser Stelle → Bit = 1 und Referenz abziehen, sonst Bit = 0. Dann mit dem Rest zur nächstniedrigeren Stelle. So viele Schritte, wie die Dualzahl Stellen hat.
Skalierung / Normierung
Einheitenbehaftete Größe ↔ Prozessgröße, z. B. 0–10 V ↔ 0–100 %
Für die Verarbeitung im Programm wird die Messgröße linear in eine Prozessgröße umgerechnet (Dreisatz). Im SPS-Programm meist: elektrische Größe (0–10 V) → Prozent (0–100 %).
Beispiel aus der Übung: Drucksensor 0–10 V ≙ 0–5,5 bar, gemessen U = 4,4 V
p = (4,4 V / 10 V) · 5,5 bar
p = 2,42 bar
Allgemeine Formel (auch mit Startwert ≠ 0):
y = y₀ + (x−x₀)/(x₁−x₀) · (y₁−y₀)
x = Eingangsgröße (V), y = Prozessgröße (bar, %, …)
Datentypen in der Steuerung
BOOL, INT, WORD, REAL – so klein wie nötig, so groß wie erforderlich
Datentypen legen fest, wie viel Speicher ein Wert belegt, welchen Wertebereich er abdeckt und wie er interpretiert wird.
Typ Größe Wertebereich / typische Nutzung
BOOL1 BitSchaltzustand EIN/AUS (0 oder 1)
BYTE8 BitBitmuster, 1 Zeichen (z. B. ein ASCII-Zeichen)
WORD16 BitBitmuster ohne Vorzeichen – Standard für Analogwerte (PEW/PAW)
INT16 BitGanzzahl mit Vorzeichen: −32 768 … +32 767
DINT32 Bitgroße Ganzzahl mit Vorzeichen: ca. ±2,1 Milliarden
REAL32 BitGleitkommazahl – Messwerte mit Nachkommastellen
Achtung: Ein ungeeigneter Datentyp führt zu Informationsverlust, Überlauf oder fehlerhafter Regelung. Der INT-Wertebereich (−32 768 … +32 767) ist übrigens genau das 16-Bit-Zweierkomplement → Abschnitt 4!
2

Zahlensysteme

Jedes Zahlensystem hat einen begrenzten Zeichenvorrat. Die Basis ist die Anzahl der verfügbaren Ziffern – alles andere folgt aus der Stellenschreibweise.

Klausur-Hinweis: Der Rechenweg muss immer angegeben werden – der Taschenrechner dient nur zur Kontrolle! Außerdem können auch theoretische Systeme wie ein 5er- oder 6er-System drankommen (siehe Akkordeon unten – die Verfahren bleiben gleich).
🎬 Einführungsvideo · Zahlensysteme
DezimalBasis 10
0–9
Schreibweise: 7510
Dual (Binär)Basis 2
0–1
Schreibweise: 10010112
OktalBasis 8
0–7
Schreibweise: 1138
HexadezimalBasis 16
0–9, A–F
Schreibweise: 4B16 oder 4BH
Grundbegriffe: Basis, Stellenwert, Potenzwert
So ist jede Zahl aufgebaut – das Fundament für alles Weitere
Basis B
Anzahl der verfügbaren Ziffern. Die Basis ist gleich der Mächtigkeit des Zeichenvorrats.
Stellenwert W
W = Bn−1 (n = Stellennummer). Nach dem Komma: W = B−n = 1/Bn.
Potenzwert
Ziffer × Stellenwert. Der Zahlenwert ist die Summe aller Potenzwerte.
Übertrag
Wird beim Hochzählen die höchste Ziffer erreicht, beginnt die Stelle wieder bei 0 und die nächsthöhere Stelle zählt +1.
Beispiel im Dezimalsystem:
547,210 = 5·10² + 4·10¹ + 7·10⁰ + 2·10⁻¹
Zähltabelle 0–15
Am besten auswendig können – spart in der Klausur enorm Zeit
Dezimal Dual Oktal Hexadezimal
0000000
1000111
2001022
3001133
4010044
5010155
6011066
7011177
81000108
91001119
10101012A
11101113B
12110014C
13110115D
14111016E
15111117F
Gelb markiert: ab 10 braucht das Hexadezimalsystem Buchstaben (A=10 … F=15).
Potenzwertverfahren: Dual / Hex → Dezimal
Jede Ziffer mal ihren Stellenwert, dann alles addieren
SCHRITT FÜR SCHRITT {{ stPot.pos }}
{{ stPot.display }}
{{ stPot.note }}
Bei Hexadezimal genauso, nur mit 16er-Potenzen: A3H = 10·16¹ + 3·16⁰ = 16310
Divisionsverfahren: Dezimal → Dual / Hex
Wiederholt durch die Basis teilen, Reste von unten nach oben lesen
SCHRITT FÜR SCHRITT {{ stDiv.pos }}
{{ stDiv.display }}
{{ stDiv.note }}
Für Hexadezimal teilst du durch 16: 7770 : 16 = 485 R A → 485 : 16 = 30 R 5 → 30 : 16 = 1 R E → 1 : 16 = 0 R 1 ⇒ 1E5AH
Direktumwandlung: Dual ↔ Hex / Oktal
Der schnellste Weg – einfach Gruppen bilden
Dual ↔ Hexadezimal: Vierergruppen
1011 1001 1111
  B    9    F  = B9F16
Dual ↔ Oktal: Dreiergruppen
100 100 001
  4   4   1  = 4418
  • Immer von rechts gruppieren, fehlende Stellen vorn mit Nullen auffüllen.
  • Rückrichtung genauso: jeder Hex-Ziffer ihre Vierergruppe zuordnen (3DH → 0011 1101).
  • Oktal ↔ Hex: über das Dualsystem als Zwischenschritt umwandeln.
Theoretische Systeme: 3er-, 5er-, 6er-System & Co.
Beliebte Klausurfrage – die Verfahren funktionieren mit jeder Basis
Merke: Ein System mit Basis B hat den Zeichenvorrat 0 … B−1 (6er-System: Ziffern 0–5). Potenzwert- und Divisionsverfahren bleiben exakt gleich – nur die Basis ändert sich.
3er-System → Dezimal (Stellenwerte 27, 9, 3, 1):
1120₃ = 1·27 + 1·9 + 2·3 + 0·1
1120₃ = 42₁₀
5er-System → Dezimal (Stellenwerte 125, 25, 5, 1):
1034₅ = 1·125 + 0·25 + 3·5 + 4·1
1034₅ = 144₁₀
Rückrichtung mit dem Divisionsverfahren (durch die Basis teilen):
144 : 5 = 28  Rest 4
 28 : 5 =  5  Rest 3
  5 : 5 =  1  Rest 0
  1 : 5 =  0  Rest 1  → von unten gelesen: 1034₅
CASIO fx-991DE X Zahlensysteme umrechnen
Basis-N-Modus öffnen MENU 3
Basis wählen (Tasten direkt drücken) DEC x◻HEX logBIN lnOCT
Umrechnen, z. B. 75 → Binär 7 5 = log 1001011
Hex-Ziffern A–F eintippen A=[(−)]  B=[°’”]  C=[hyp]  D=[sin]  E=[cos]  F=[tan]
⚠ Basis-N kennt nur ganze Zahlen (keine Kommazahlen). Zurück zum normalen Rechnen: [MENU] [1].
ZUM ÜBEN
Interaktiver Umrechner
Tippe in ein beliebiges Feld – die anderen rechnen live mit. Erst selbst schätzen, dann prüfen!
{{ convErrText }}
3

Rechnen mit Dualzahlen

Alle vier Grundrechenarten funktionieren wie das schriftliche Rechnen aus der Grundschule – nur mit zwei Ziffern. Du musst nicht erst in Dezimal umwandeln.

Addition
Vier Regeln – die wichtigste: 1 + 1 = 0 mit Übertrag 1
1011 + 0110
0 + 0 = 0 0 + 1 = 1 1 + 0 = 1 1 + 1 = 0, Übertrag 1
SCHRITT FÜR SCHRITT {{ stAdd.pos }}
{{ stAdd.display }}
{{ stAdd.note }}
Subtraktion (über das Zweierkomplement)
Der Computer subtrahiert nie – er addiert das Zweierkomplement
1011 − 0110
1. Bits kippen (Einerkomplement) 2. +1 (Zweierkomplement) 3. Addieren 4. Überlauf streichen
SCHRITT FÜR SCHRITT {{ stSub.pos }}
{{ stSub.display }}
{{ stSub.note }}
Multiplikation
Wie schriftliches Multiplizieren – nur 0·x und 1·x
101 · 10
0 · 0 = 0 0 · 1 = 0 1 · 0 = 0 1 · 1 = 1
Beispiel: 101 · 10 (= 5 · 2)
101 · 10 ─────── 101 000 ───── 1010
1010₂ = 10 ✓ (5 · 2 = 10)
  • Erste Zahl mit jeder Ziffer der zweiten Zahl multiplizieren.
  • Zwischenergebnisse stellenversetzt untereinander schreiben.
  • Am Ende alle Zeilen binär addieren (Regeln von oben!).
  • Trick: ·10₂ heißt eine Stelle nach links schieben (wie ·10 im Dezimalen).
Division
Vergleichen statt rechnen: kleiner → 0, größer/gleich → 1
1111 : 101
Beispiel: 1111 : 101 (= 15 : 5)
1111 : 101 = 0011 111 −101 ───── 0101 −101 ──── 000
0011₂ = 3 ✓ (15 : 5 = 3)
  • Stelle für Stelle vom Dividenden herunterziehen.
  • Ziffernfolge mit dem Divisor vergleichen: kleiner → 0 ins Ergebnis, größer oder gleich → 1.
  • Bei einer 1: Divisor stellenweise subtrahieren (1−1=0, 1−0=1, 0−1=1).
  • Fertig, wenn alle Stellen verbraucht sind und der Rest 0 ist.
CASIO fx-991DE X Binär rechnen & Ergebnisse prüfen
Im Basis-N-Modus auf Binär stellen MENU 3 log BIN
Aufgabe ganz normal eintippen 1011 + 110 = 10001
Gemischte Basen in einer Rechnung OPTN Präfix d / h / b / o wählen, z. B. d25 + b101
💡 Perfekt zum Kontrollieren deiner schriftlichen Rechnung – in der Klausur musst du den Rechenweg trotzdem zeigen!
4

Negative Zahlen: Einer- & Zweierkomplement

Ein Computer kennt kein Minuszeichen. Negative Zahlen werden über das Vorzeichenbit und das Zweierkomplement dargestellt.

Vorzeichendarstellung
Das höchstwertige Bit (MSB) ist das Vorzeichen: 0 = positiv, 1 = negativ. Wertebereich bei n Bit: −2ⁿ⁻¹ … +2ⁿ⁻¹−1
4 Bit−8 … +7
8 Bit−128 … +127
16 Bit−32768 … +32767
Einerkomplement
Alle Bits kippen (0→1, 1→0). Nachteil: Es gibt zwei Nullen (+0 und −0) – deshalb heute kaum noch genutzt.
0110  (+6)
1001  Einerkompl.
Zweierkomplement STANDARD
Einerkomplement + 1. Nur eine Null, und Subtraktion wird zur Addition – so rechnet jeder Prozessor.
0110  (+6)
1001  kippen
1010  +1 → das ist −6
Videos aus dem Unterricht
Deine hochgeladenen Erklärvideos – direkt hier anschauen
1 · Vorzeichendarstellung
2 · Einerkomplement
3 · Zweierkomplement
CASIO fx-991DE X Zweierkomplement anzeigen lassen
Im BIN-Modus „Neg(“ einfügen OPTN „Neg(“ auswählen
Beispiel: −6 darstellen Neg(110) = 1111…1010
⚠ Der Rechner arbeitet mit 32 Bit – das Ergebnis hat also viele führende Einsen. Die letzten 4 Bit (1010) entsprechen deinem 4-Bit-Ergebnis. Auch 1011 − 110 = funktioniert direkt: negative Ergebnisse erscheinen automatisch im Zweierkomplement.
5

Codes: BCD, ASCII, EAN, QR & Gray

Codierung = Zuordnung eines Zeichenvorrats zu einem anderen. Decodieren gelingt nur, wenn die Zuordnungsvorschrift (der Code) bekannt ist. Jeder Code hat seinen Einsatzzweck – hier alle fünf aus dem Unterricht.

KLAUSUR-SPICKZETTEL
Kernidee & Einsatzzweck auf einen Blick
Laut Lehrer die kleinste Aufgabe – Kernidee und Verwendungszweck kennen reicht. Details dann in den Akkordeons darunter.
Code Kernidee Typischer Einsatz
EAN / Barcode eindeutige 13-stellige Warennummer als 1D-Strichcode B2B & Supermarktkasse: Identifikation von Waren
QR-Code 2D-Code, speichert komplexe Infos und Links, mit Fehlerkorrektur B2C (Endanwender): Webseiten, Tickets, WLAN, vCards
ASCII Zeichen ↔ Binärzahl (7 Bit, 128 Zeichen) PC-Eingabe per Tastatur, Zeichendarstellung am Monitor
BCD jede Dezimalziffer einzeln in 4 Bit (Tetrade) digitale Anzeigen (Uhren, 7-Segment), SPS, Finanzwesen
Gray-Code einschrittig: pro Schritt ändert sich genau 1 Bit Sensoren, Dreh-/Inkrementalgeber, Motoren, Anzeigen
BCD-Code (Binary Coded Decimal)
Jede Dezimalziffer einzeln als 4-Bit-Gruppe – z. B. fürs 7-Segment-Display
Der BCD-Code verschlüsselt jede Dezimalziffer (0–9) einzeln in eine 4-Bit-Binärfolge. Einsatz heute: digitale Anzeigen (Uhren, Messgeräte), Finanzwesen (keine Rundungsfehler) und SPS-Technik (einfache Werteeingaben).
UNSER BEISPIEL: 75 °C FÜR DAS 7-SEGMENT-DISPLAY
75 → 0111 0101
jede Ziffer einzeln: 7 = 0111, 5 = 0101 — nicht 75 = 1001011!
Tetradische Codes
4 Bits pro Zeichen = eine Tetrade. Mit 4 Bits sind 2⁴ = 16 Kombinationen möglich – BCD nutzt nur 10, es entstehen Lücken.
Pseudotetraden
Die verbotenen Kombinationen 1010 (10) bis 1111 (15) – sie kommen im BCD-Code nicht vor.
Ein- vs. mehrschrittig
Einschrittig: nur 1 Bit ändert sich pro Zählschritt (Gray-Code). Mehrschrittig: mehrere Bits gleichzeitig (Standard-BCD: 1→2 = 0001→0010, 2 Bits).
Vorteil einschrittiger Codes
Keine „unsicheren“ Zwischenzustände bei mechanischen Sensoren (z. B. Drehgebern) – es müssen sich nie zwei Bits gleichzeitig ändern.
Dezimal 0123456789 10–15
BCD 0000000100100011010001010110011110001001 Pseudo­tetraden
Gewichtete Codes: BCD ist ein 8-4-2-1-Code
Ein Code ist gewichtet, wenn jede Position in der Tetrade einen festen Wert hat.
Wert = Bit₃·8 + Bit₂·4 + Bit₁·2 + Bit₀·1
Ziffer 7: 0111 → 0·8 + 1·4 + 1·2 + 1·1 = 7
Gray-Code (einschrittiger Code)
Pro Schritt ändert sich genau 1 Bit – der Code für Sensoren und Drehgeber
Beim Gray-Code ändert sich von Zahl zu Zahl immer nur ein einziges Bit (einschrittig). Zum Vergleich: Beim normalen Dual/BCD können mehrere Bits gleichzeitig kippen (1→2 = 0001→0010, 2 Bits!).
Dezimal 01234567
Dual (mehrschrittig) 000001010011100101110111
Gray (einschrittig) 000001011010110111101100
Warum ist das so wichtig?
Bei mechanischen Sensoren (z. B. Drehgebern/Inkrementalgebern an Motoren) schalten nie zwei Kontakte exakt gleichzeitig. Müssten 2 Bits gleichzeitig kippen, entstünden kurzzeitig falsche Zwischenwerte. Beim Gray-Code kippt immer nur 1 Bit – es gibt keine „unsicheren“ Zustände und keine Fehlinterpretation beim Auslesen.
ASCII-Code (American Standard Code for Information Interchange)
7 Bit, 128 Zeichen, Parity-Bit zur Fehlererkennung
Ein alphanumerischer Code: Er wandelt Zahlen, Buchstaben und Sonderzeichen in Binärzahlen um. 7-Bit-System → 2⁷ = 128 Zeichen (Nr. 0–127). Weg einer Taste: Tastatur sendet Scan-Code → ASCII-Tabelle ordnet die Nummer zu → CPU verarbeitet die Binärzahl.
⌨ Taste „Y“ → Scan-Code → Tabelle: Y = 89 → Umrechnung → 1011001 → CPU
Parity-Bit: Fehlererkennung bei der Übertragung
Das 7-Bit-Zeichen wird um ein 8. Bit ergänzt. Even-Parity: Gesamtzahl der Einsen wird gerade. Odd-Parity: ungerade. Der Empfänger zählt nach – stimmt die Parität nicht, ist bei der Übertragung ein Bit gekippt. Senden → Zählen → Überprüfen. (Einzelbitfehler werden erkannt, aber nicht korrigiert.)
Zeichen Dezimal Binär (7 Bit) Parity-Bit (even) Gesendet (8 Bit)
P 80 1010000 0 (zwei Einsen → schon gerade) 01010000
BS (Backspace) 8 0001000 1 (eine Eins → +1 macht gerade) 10001000
EAN-Code (European Article Number)
13 Stellen, weltweit im Handel – mit Prüfziffer zum Nachrechnen
13-stelliger Code zur eindeutigen Kennzeichnung von Produkten – weltweit in Einzelhandel, Logistik und Inventur. Die Ziffern sind für Menschen lesbar, die Balken und Lücken für Maschinen (Scanner).
400 Länderkennung
(2–3 Stellen, DE: 400–440)
6381 Hersteller­nummer
(4–6 Stellen)
33393 Artikel­nummer
(3–5 Stellen)
1 Prüfziffer
(Kontrolle)
Codierung A, B, C
Linke Hälfte: Mischung aus Muster A und B – diese Kombination codiert versteckt die 1. Ziffer. Rechte Hälfte: Muster C (Spiegelbild von A). Die Parität regelt die Leserichtung → der Scanner erkennt, ob er den Code über Kopf liest. Schutz vor Lesefehlern!
PRÜFZIFFER BERECHNEN – SCHRITT FÜR SCHRITT {{ stEan.pos }}
{{ stEan.display }}
{{ stEan.note }}
QR-Code (Quick Response)
2D-Barcode mit Fehlerkorrektur – Aufbau, Einsatz, Schutz, Zukunft
QR = Quick Response („schnelle Antwort“). Ein 2D-Barcode aus quadratischen Mustern, der Daten in zwei Dimensionen speichert – viel mehr als ein Strichcode. Einsatz: Webseiten-Links, vCards, WLAN-Zugänge, Tickets, Handel/Marketing/Logistik.
{{ qrDiagram }}
Findemuster (3 Ecken) – Lage & Orientierung erkennen
Ausrichtungsmuster – gleicht Verzerrungen aus
Zeitmuster (Taktlinien) – definiert das Raster
Datenbereich – die eigentliche Information + Korrekturdaten
Ruhige Zone – heller Rand, damit der Scanner den Code findet
Schutz vor Attagging
Fehlerkorrektur (Reed-Solomon): bis zu ~30 % des Codes dürfen beschädigt/überklebt sein. Dazu Verifizierungsmethoden: Integritätsprüfung & Authentizität der Daten.
Neuentwicklungen
Farbreduktion & integrierte Logos, erhöhte Kapazität, dynamische Inhalte (Ziel nachträglich änderbar), zusätzliche Sicherheitsschichten, anpassbare Formen.
6

Selbsttest

{{ quizScoreText }}
{{ qz.n }} {{ qz.q }}
{{ qz.ex }}
Erstellt aus deinen Unterlagen: Zahlensysteme & Codes (T. Jakob), Westermann IT, mathetreff-online, Flipchart-Poster der Expertengruppen. Stand: Juni 2026