Modellierung und Simulation von Schaltungen und Systemen (MOSIM)5 ECTS
(englische Bezeichnung: Modeling and Simulation of Circuits and Systems)
(Prüfungsordnungsmodul: Modellierung und Simulation von Schaltungen und Systemen)

Lehrveranstaltungen:

• • Modellierung und Simulation von Schaltungen und Systemen
    (Vorlesung, 2 SWS, Klaus Helmreich, Mo, 16:15 - 17:45, HF-Technik: SR 5.14; Online-Angebot. Details Absatz *Voraussetzungen / Organisatorisches*)
  • Modellierung und Simulation von Schaltungen und Systemen Übung
    (Übung, 2 SWS, Klaus Helmreich et al., Online-Angebot. Details Absatz *Voraussetzungen / Organisatorisches*)

Inhalt:

Motivation
Ohne Simulation ist weder der Entwurf (mikro-)elektronischer Bauteile und Schaltungen denkbar, noch der von technischen Systemen, die solche Schaltungen und zusätzlich z.B. mechanische Komponenten enthalten. In Elektrotechnik, Elektronik und Informationstechnik werden zu entwerfende Systeme daher auf verschiedenen Abstraktionsebenen simuliert. Dazu müssen sie geeignet modelliert sein, so daß die Simulation mittels numerischer Algorithmen rasch und genau erfolgen kann.

Gliederung
Die Vorlesung umfaßt Modellierungsansätze und Simulationsalgorithmen für elektronische Bauteile, hochfrequenztechnische Anordnungen, analoge elektrische Schaltkreise, digitale und gemischt analog-digitale Schaltungen sowie Systeme gemischter, also nicht rein elektrischer Natur.
In der Übung werden wesentliche Algorithmen mit Matlab implementiert, wobei z.B. ein einfacher Schaltkreissimulator entsteht.

1 Einführung
Begriffe und Definitionen, Modellierungsansätze, Modell- und Theoriebildung in der Naturwissenschaft, naturwissenschaftliche Darstellungen als Modelle der Wirklichkeit, Nutzung physikalischer Prinzipien und Theorien zur Behandlung technischer Fragestellungen durch Modellierung und Simulation, Abstraktionsebenen für Modellierung und Simulation in der Mikroelektronik

2 Beschreibung räumlich verteilter Systeme am Beispiel elektromagnetischer Felder
Begriffe, mathematische Hilfsmittel: Operationen und Rechenregeln, Entstehung feldtheoretischer Begriffe und Darstellungen, Voraussagen der elektromagnetischen Feldtheorie und deren technische Anwendungen, Modellierung der Wechselwirkung elektromagnetischer Felder mit einfacher Materie, Darstellung im Frequenzbereich, Formulierung mathematischer Probleme in elektromagnetischen Größen zur Behandlung technischer Aufgabenstellungen

3 Simulation räumlich verteilter Systeme am Beispiel elektromagnetischer Felder
Diskretisierung, Übersetzung der Operatoren und mathematischen Probleme auf räumliches Gitter, alternative Diskretisierungs- und Darstellungsmethoden, resultierende numerische Aufgabenstellungen, Formulieren von Randbedingungen

4 Simulation elektrischer Schaltkreise aus konzentrierten Bauelementen
Übergang auf Netzwerke aus konzentrierten Bauelementen, Signaldarstellung durch Spannungen und Ströme, Knotenanalyse und modifizierte (erweiterte) Knotenanalyse, Zweigströme und Bauteilgleichungen, Problemformulierung als lineares Gleichungssystem, Einbeziehung nichtlinearer Bauelemente und Reaktanzen, Algorithmen zur numerischen Simulation elektrischer Schaltkreise, Schaltkreis-Simulationsprogramme: Schaltungsdarstellung und Analysearten

5 Simulation wert- und zeitdiskreter Systeme
Übergang auf Signaldarstellung durch diskrete Werte, Abstraktionsebenen: Gatter-, Register-Transfer- und Algorithmenebene, Simulationsprogramme: Kategorien und Anforderungen, Klassifikation von Simulatoren hinsichtlich der Zeitverwaltung, Abstraktionsgrade bei der Modellierung des Zeitverhaltens von Komponenten, prinzipieller Simulationsalgorithmus

6 Hardware-Beschreibungssprachen für zeitdiskrete Systeme
Begriff, Notwendigkeit, Entstehungsgeschichte und Anwendungsspektrum, aktuelle Hardware-Beschreibungssprachen, enthaltene Konzepte für Modellierung und Simulation am Beispiel VHDL: Strukturmodellierung, nebenläufige und sequentielle Verhaltensmodellierung, unterstützte Zeitverhaltensmodelle, Beispiele

7 Hardware-Beschreibung gemischt analog-digitaler Systeme und verschiedener analoger Naturen
Konzept der Modellierung konservativer und mathematisch ähnlicher Systeme verschiedener analoger Naturen (elektrisch, mechanisch, hydraulisch, ...), Fluß- und Potentialgrößen, Simulationstechnik für gemischt analog-digitale Systeme, Entstehungsgeschichte entsprechender Simulatoren und Hardware-Beschreibungssprachen, unterstützte Abstraktionsebenen und Konzepte am Beispiel VHDL-AMS, Schnittstellenbeschreibung analoger Modelle, konservative und Signalflußmodellierung, Attribute und implizite Größen, Modellbeschreibung durch algebraische bzw. gewöhnlicher DGL, Modellbeispiele: FET, Inverter, A/D-Umsetzer, Gleichstrommotor

Lernziele und Kompetenzen:

Die Studierenden arbeiten an den folgenden Fachkompetenzen:

Fachkompetenz

Wissen

• physikalische Prinzipien zur Behandlung technischer Fragestellungen durch Modellierung und Simulation nennen

• alternative Diskretisierungs- und Darstellungsmethoden zur simulativen Behandlung feldtheoretischer Probleme darstellen

• Anforderungen an Simulationsprogramme für wert- und zeitdiskrete Systeme angeben
  

Verstehen

• Netzlistendarstellung elektrischer Schaltungen kennen und interpretieren, die wesentlichen Algorithmen der elektrischen Schaltkreissimulation verstehen und Analysearten der Schaltkreissimulation erläutern

• wesentliche Konzepte von Hardware-Beschreibungssprachen für zeitdiskrete Systeme erläutern

• Konzept der Modellierung konservativer und mathematisch ähnlicher Systeme verschiedener analoger Naturen verstehen und beschreiben
  

Anwenden

• bei raumverteilten Systemen Differentialoperationen in diskretisierte Darstellung übersetzen, Gleichungssystem bzw. Eigenwertproblem formulieren und in Datenstrukturen (Systemmatrix) übertragen

• auf elektrische Schaltkreise bzw. Netzwerke aus konzentrierten Elementen die modifizierte Knotenanalyse anwenden, Gleichungssystem aufstellen sowie in Datenstrukturen (Systemmatrix , Absolutvektor) übertragen
  

Analysieren

• die für technische Fragestellungen gebräuchlichen Modellierungsansätze unterscheiden

• die verschiedenen Abstraktionsebenen für Modellierung und Simulation in der Mikroelektronik untereinander abgrenzen hinsichtlich Anwendungsbereich, zugrundeliegender Annahmen, beschriebener Objekte, mathematischer Systembeschreibung und relevanter Darstellungsgrößen

• Simulationsprogramme hinsichtlich der Zeitverwaltung klassifizieren

• Abstraktionsgrade bei der Modellierung des Zeitverhaltens von Komponenten zeitdiskreter Systeme unterscheiden

• bei Hardware-Beschreibungssprachen zwischen Strukturmodellierung, nebenläufiger und sequentieller Verhaltensmodellierung unterscheiden
  

Evaluieren (Beurteilen)

• elektrotechnische Fragestellungen in Bezug auf Modellierung und Simulation hinsichtlich der Abstraktionsebene einstufen

• Simulationswerkzeuge hinsichtlich der Eignung für eine gegebene Aufgabenstellung bewerten

• für eine gegebene Aufgabenstellung die geeignete Modellierung und Simulationsunterstützung wählen
  

Erschaffen

• einfaches Simulationsprogramm für potentialtheoretische Probleme erstellen

• elementaren Schaltkreissimulator entwickeln
  

Lern- bzw. Methodenkompetenz

Lernziele hinsichtlich Lern- und Arbeitsmethoden:

• Programmiersprache, Datenstrukturkonzepte und wesentliche Operationen des Numerik-Werkzeugs Matlab exemplarisch für ähnliche Produkte erlernen

• in der Lage sein, sich das Arbeiten mit ähnlichen Werkzeugen und Programmiersprachen selbständig zu erschließen

• numerische Simulationsalgorithmen mit speziell dafür geeigneten Werkzeugen wie Matlab, Scilab oder Octave umsetzen

• Simulationswerkzeuge in der Ingenieurtätigkeit souverän und mit Überlegung einsetzen

Selbstkompetenz

Lernziele hinsichtlich persönlicher Weiterentwicklung:

• naturwissenschaftliche Aussagen und Beziehungen als Modelle verstehen

• Möglichkeiten und Grenzen kommerzieller Simulationswerkzeuge auf verschiedenen Abstraktionsebenen beurteilen und sich deren effiziente Nutzung selbst aneignen

• Modelle hinsichtlich Plausibilität, Falsifizierbarkeit und Gültigkeitsgrenzen hinterfragen sowie auf Simulationergebnissen beruhenden Aussagen kritisch begegnen
  

Sozialkompetenz

Lernziele hinsichtlich des Umgangs mit Menschen:

• Programme gemeinsam in Kleingruppen entwickeln

• dabei auf Vorkenntnisse anderer zugreifen und aufbauen
  

Verwendbarkeit des Moduls / Einpassung in den Musterstudienplan:

1. Elektrotechnik, Elektronik und Informationstechnik (Master of Science)
   (Po-Vers. 2015s | TechFak | Elektrotechnik, Elektronik und Informationstechnik (Master of Science) | Gesamtkonto | Studienrichtung Mikroelektronik | Vertiefungsmodule Mikroelektronik | Modellierung und Simulation von Schaltungen und Systemen)

Studien-/Prüfungsleistungen:

Modellierung und Simulation von Schaltungen und Systemen_ (Prüfungsnummer: 39111)

Prüfungsleistung, mündliche Prüfung, Dauer (in Minuten): 30, benotet

Anteil an der Berechnung der Modulnote: 100.0 %

Erstablegung: WS 2020/2021, 1. Wdh.: SS 2021, 2. Wdh.: keine Wiederholung

1. Prüfer:

Klaus Helmreich