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Modellierung und Simulation von Schaltungen und Systemen / Hardware-Beschreibungssprache VHDL (MOSIM+VHDL)5 ECTS (englische Bezeichnung: Modeling and Simulation of Circuits and Systems / Hardware Description Language VHDL)
(Prüfungsordnungsmodul: Modellierung und Simulation von Schaltungen und Systemen / Hardware-Beschreibungssprache VHDL)
Modulverantwortliche/r: Klaus Helmreich, Jürgen Frickel Lehrende:
Klaus Helmreich, Jürgen Frickel, Robért Glein
Start semester: |
WS 2016/2017 | Duration: |
2 semester | Cycle: |
jährlich (WS) |
Präsenzzeit: |
60 Std. | Eigenstudium: |
90 Std. | Language: |
Deutsch |
Lectures:
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Modellierung und Simulation von Schaltungen und Systemen (WS 2016/2017)
(Vorlesung, 2 SWS, Klaus Helmreich, Thu, 12:15 - 13:45, HF-Technik: SR 5.14; Cauerstraße 6)
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Modellierung und Simulation von Schaltungen und Systemen Übung (WS 2016/2017 - optional)
(Übung, 2 SWS, Klaus Helmreich et al., Thu, 16:15 - 17:45, 0.157-115)
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Hardware-Beschreibungssprache VHDL (WS 2016/2017)
(Vorlesung mit Übung, 2 SWS, Jürgen Frickel et al., Mon, 10:15 - 11:45, S1 LIKE, P1 LIKE; LIKE, Am Wolfsmantel 33, Tennenlohe (3. OG im FhG-IIS-Gebäude))
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Hardware-Beschreibungssprache VHDL (SS 2017)
(Vorlesung mit Übung, 2 SWS, Jürgen Frickel et al., Mon, 10:15 - 11:45, S1 LIKE, P1 LIKE; LIKE, Am Wolfsmantel 33, Tennenlohe (3. OG im FhG-IIS-Gebäude))
Inhalt:
Modellierung und Simulation von Schaltungen und Systemen
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 Hardware-Beschreibungssprache VHDL:
Betreuter Multimedia-Kurs über die Syntax und die Anwendung der Hardware-Beschreibungssprache VHDL
(Very High Speed Integrated Circuit Hardware Description Language) nach dem Sprachstandard IEEE 1076-1987 und 1076-1993
Konzepte und Konstrukte der Sprache VHDL
Beschreibung auf Verhaltensebene und RT-Ebene
Simulation und Synthese auf der Gatterlogik-Ebene
Verwendung professioneller Software-Tools
Vorlesung mit integrierten Übungsbeispielen
Übungs-Betreuung in deutsch oder englisch
Kursmaterial englisch-sprachig
Zielgruppe sind Hörer aller Fachrichtungen, die sich mit dem Entwurf und der Simulation digitaler Systeme und Schaltungen beschäftigen wollen.
Lernziele und Kompetenzen:
Hardware-Beschreibungssprache VHDL: Fachkompetenz
Begriffe und Definitionen einer Hardware-Beschreibungssprache können dargelegt werden.
Hardware-Strukturen können in die Beschreibungssprache transformiert werden und umgekehrt.
Ein gewünschtes Systemverhalten kann klassifiziert, in Teilmodule strukturiert, und das System bzw. die Teilmodule in der Hardware-Beschreibungssprache realisiert werden.
VHDL-Modelle können bezüglich des quantitativen und qualitativen Hardware-Aufwandes eingeschätzt, gegen vorliegende Randbedingungen (constraints) überprüft, und mit alternativen Lösungen verglichen werden.
Lern- bzw. Methodenkompetenz
Die theoretischen Inhalte der Sprache können durch Einsatz eines Simulations- und Synthesewerkzeuges im praktischen Einsatz selbständig verifiziert und deren Verständnis vertieft werden.
Sozialkompetenz
Die Fähigkeit, vorliegende Aufgabenstellungen in Gruppenarbeit gemeinsam zu lösen, wird gefördert. Modellierung und Simulation von Schaltungen und Systemen:
- Fachkompetenz
- Wissen
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- 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)
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- Erschaffen
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- 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:
Bemerkung:
Hardware-Beschreibungssprache VHDL:
Anmeldung über Mein Campus
Weitere Informationen:
www: http://www.like.eei.fau.de/lehre/
Verwendbarkeit des Moduls / Einpassung in den Musterstudienplan:
- Wirtschaftsingenieurwesen (Master of Science): 1-2. Semester
(Po-Vers. 2009 | TechFak | Wirtschaftsingenieurwesen (Master of Science) | Ingenieurwissenschaftliche Studienrichtungen | Studienrichtung Informations- und Kommunikationssysteme | Wahlpflicht- und Vertiefungsmodul Modulgruppe 6 | Wahlpflichtmodul Modulgruppe 6 | Modellierung und Simulation von Schaltungen und Systemen / Hardware-Beschreibungssprache VHDL)
- Wirtschaftsingenieurwesen (Master of Science): 1-2. Semester
(Po-Vers. 2009 | TechFak | Wirtschaftsingenieurwesen (Master of Science) | Ingenieurwissenschaftliche Studienrichtungen | Studienrichtung Informations- und Kommunikationssysteme | 2.+3. Wahlpflichtmodul | Modellierung und Simulation von Schaltungen und Systemen / Hardware-Beschreibungssprache VHDL)
Dieses Modul ist daneben auch in den Studienfächern "Wirtschaftsingenieurwesen (Bachelor of Science)" verwendbar. Details
Studien-/Prüfungsleistungen:
Hardware-Beschreibungssprache VHDL (Prüfungsnummer: 67501)
(englischer Titel: VHDL Hardware Description Language)
- Prüfungsleistung, mündliche Prüfung, Dauer (in Minuten): 30, benotet
- Anteil an der Berechnung der Modulnote: 50.0 %
- Erstablegung: WS 2016/2017, 1. Wdh.: SS 2017
1. Prüfer: | Jürgen Frickel |
- Termin: 12.04.2017, 14:00 Uhr, Ort: H 8 TechF
Termin: 10.10.2017, 08:00 Uhr, Ort: H 8 TechF
Termin: 28.03.2018, 14:00 Uhr, Ort: H 8 TechF
Termin: 16.07.2018, 11:00 Uhr, Ort: H 9 TechF
Modellierung und Simulation von Schaltungen und Systemen (Prüfungsnummer: 39121)
(englischer Titel: Modelling and Simulation of Circuits and Systems)
- Prüfungsleistung, mündliche Prüfung, Dauer (in Minuten): 30, benotet
- Anteil an der Berechnung der Modulnote: 50.0 %
- Prüfungssprache: Deutsch
- Erstablegung: WS 2016/2017, 1. Wdh.: SS 2017
1. Prüfer: | Klaus Helmreich |
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