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)
Modulverantwortliche/r: Klaus Helmreich, Jürgen Frickel
Lehrende:
Klaus Helmreich, Jürgen Frickel
Startsemester: |
WS 2020/2021 | Dauer: |
2 Semester | Turnus: |
jährlich (WS) |
Präsenzzeit: |
60 Std. | Eigenstudium: |
90 Std. | Sprache: |
Deutsch |
Lehrveranstaltungen:
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Modellierung und Simulation von Schaltungen und Systemen (WS 2020/2021)
(Vorlesung, 2 SWS, Klaus Helmreich, Mo, 16:15 - 17:45, HF-Technik: SR 5.14; Online-Angebot. Details Absatz *Voraussetzungen / Organisatorisches*)
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Modellierung und Simulation von Schaltungen und Systemen Übung (WS 2020/2021 - optional)
(Übung, 2 SWS, Klaus Helmreich et al., Online-Angebot. Details Absatz *Voraussetzungen / Organisatorisches*)
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Hardware-Beschreibungssprache VHDL (WS 2020/2021)
(Vorlesung mit Übung, 2 SWS, Jürgen Frickel, Mo, 10:15 - 11:45, Zoom-Meeting; Livestrean über Zoom / Videoaufzeichnung)
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Hardware-Beschreibungssprache VHDL (SS 2021)
(Vorlesung mit Übung, 2 SWS, Jürgen Frickel, Di, 8:15 - 9:45, Zoom-Meeting)
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:
Die Studierenden arbeiten an den folgenden Fachkompetenzen:
Die Studierenden können Begriffe und Definitionen einer Hardware-Beschreibungssprache (hier VHDL) darlegen.
Die Studierenden verstehen den Zusammenhang bzw. die Transformation zwischen einer Hardware-Struktur und deren Abbildung in einer Hardware-Beschreibungssprache in beiden Richtungen.
Die Studierenden klassifizieren ein gewünschtes Systemverhalten, strukturieren dieses in Teilmodule, und realisieren die Teilmodule bzw. das System in der Hardware-Beschreibungssprache.
Die Studierenden schätzen VHDL-Modelle bezüglich des quantitativen und qualitativen Hardware-Aufwandes ein, überprüfen diese gegen vorliegende Randbedingungen (constraints), und vergleichen sie mit alternativen Lösungen.
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 Studierenden stärken ihre Fähigkeit, vorliegende Aufgabenstellungen in Gruppenarbeit gemeinsam zu lösen.
Modellierung und Simulation von Schaltungen und Systemen:
Die Studierenden arbeiten an den folgenden Fachkompetenzen