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Zur Generierung von Verhaltensmodellen für gemischt analog/digitale Schaltungen auf Basis der Theorie dynamischer Systeme

Rosenberger, Ralf :
Zur Generierung von Verhaltensmodellen für gemischt analog/digitale Schaltungen auf Basis der Theorie dynamischer Systeme.
[Online-Edition]
TU Darmstadt
[Ph.D. Thesis], (2002)

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Item Type: Ph.D. Thesis
Title: Zur Generierung von Verhaltensmodellen für gemischt analog/digitale Schaltungen auf Basis der Theorie dynamischer Systeme
Language: German
Abstract:

Das virtuelle Zeitalter begann mit Flugsimulatoren. Sie ermöglichten es, Testflüge durchzuführen - ohne Risiko für Mensch und Maschine. Die Computer basierte Simulation ist heute eine Schlüsseltechnologie, auch bei der Entwicklung elektronischer Schaltkreise. Die Simulation von gemischt analog/digitalen Schaltkreisen erfordert exakte und effiziente Modelle. Diese Arbeit stellt eine Methodik zur Erzeugung dieser Modelle im Bottom-Up Entwurf vor, d.h. ausgehend von einer Repräsentation der Schaltung auf einer unteren Abstraktionsebene (z.B. Spice-Netzliste) wird ein Verhaltensmodell erzeugt, welches die vom Entwickler definierten Anforderungen an die Genauigkeit (maximal erlaubter Fehler) einhält und welches Effekte höherer Ordnung implizit berücksichtigt. Bei der Entwicklung dieser Methodik standen die folgenden Ziele im Mittelpunkt: Bereitstellung von Verhaltensmodellen nichtlinearer dynamischer Schaltungen für Simulationen im Zeitbereich. Automatische Generierung der Verhaltensmodelle ohne tiefergehende Kenntnis der Schaltungsdetails. Hohe Wiederverwendbarkeit der Modelle und Abdeckung der möglichen Betriebsbereiche. Berücksichtigung charakteristischer Eigenschaften höherer Ordnung der Schaltung. Einfache Integration der Methodik in die Simulator Umgebung beliebiger Hardwarebeschreibungssprachen einschließlich VHDL-AMS. Effiziente Ausführung mit bestimmten Aussagen zum Fehler des Modells. Skalierbarkeit der Modelle zur Verwendung auf den Abstraktionsebenen "Verhalten" und "Funktional". Die Methodik ist als erweiterter Formalismus für kombinierte Modelle direkt aus der Systemtheorieabgeleitet. Das zugrunde liegende Konzept ist ein DESS&DEVS (Differential Equation Specified System with Discrete Event Specified System), das auch in anderen Disziplinen auftritt. In der vorliegenden Arbeit wurde das formale Modell auf Standard-Simulatoren, inkl. VHDL-AMS, abgebildet und so in der Praxis einsetzbar. Bisherige Arbeiten setzten auf abstrakte proprietäre Simulatorkonzepte. Die Methodik unterstützt direkt das Mixed-Signal Modeling. In einem Modell können analoge und digitale Signale zusammen auftreten und gesetzt werden. Die allgemein übliche Trennung in einanaloges und ein digitales (VHDL) Modell mit einer Schnittstelle zwischen den unterschiedlichen Simulatoren fällt weg. Über diese Vorteile hinaus weisen die Modelle einen Geschwindigkeitszuwachs der Größenordnung10^2 gegenüber der strukturellen Beschreibung des Funktionsblocks auf. Die Methodik erlaubt Aussagen zur Genauigkeit des Modells - bei der Modellerstellung können Anforderungen an die Genauigkeit spezifiziert werden, die das Modell garantiert einhält. Das neue Konzept wird durch unterschiedlich komplexe Beispiele ausführlich demonstriert. Anhand eines linearen Filters wird die Methodik zunächst anschaulich dargestellt. Das nächste Schaltungsbeispiel, ein Operationsverstärker, zeigt, daß die Methodik auf nichtlineare Funktionsblöcke ohne weiteres direkt angewandt werden kann. Als umfangreicheres Beispiel dient ein A/D-Wandler, der zudem die Verwendung eines Modells für eine gemischt analog/digitale Schaltung in der VHDL-AMS Simulationsumgebung zeigt. Abstrahierend von der konkreten Anwendung zur Modellierung analoger Schaltungen ist die Methodik universell verwendbar zur Modellierung technischer Systeme. Ihr Einsatz in allen Bereichen der Mechanik, wie zum Beispiel Hydraulik oder Thermodynamik, ist möglich. Der Grund hierfür ist, daß reale Systeme - egal aus welchem Bereich - den selben Systemgesetzen unterliegen und ähnliche Verhaltensmuster zeigen, obwohl sie physikalisch völlig unterschiedlich sind.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
The virtual age started with flight simulators. They enabled test flights without risk for man and machines. Today, computer based simulation is a key technology, among other disciplines in the development of electronic circuits. The simulation of mixed analog/digital circuits requires accurate and efficient models. This work presents a methodology for the generation of these models in the Bottom Up design process, i.e., based on a circuit representation at a low level of abstraction (e.g., Spice Netlist), a behavioral model is generated. The model keeps to the requests defined by the developer in terms of accuracy (max. error permitted) and implicitly considers circuit effects of higher order. Developing this methodology, the following targets were in the focal point: Supplying behavioural models of nonlinear dynamic circuits for simulations in the time domain. Automatic model generation without the modellers deep knowledge of circuit details. High reusability of the models while covering all possible ranges of operation. Considering circuit characteristics of higher order. Simple integration of the methodology into commonly used simulator environments including VHDL AMS. Efficient execution with certain predicates for the error of the model. Scaling the models for use on the levels of abstraction "behavior" and "function". The methodology is derived directly from systems theory-as an extended formalism for combined models. The basis concept is a DESS&DEVS (Differential Equation Specified System with Discrete Event Specified System), which also occurs in other engineering disciplines. In this work, the formal model was mapped on standard simulators, inclusive VHDL AMS. Examples show applications in practice - past work in this field set up on abstract simulator concepts. The proposed methodology directly supports mixed signal modeling. In one model, both analog and digital signals can occur and can be set. The usual separation into an-analog and a digital (VHDL) part with an interface between different simulators is omitted. Beyond these advantages the models indicate a speedup of the order 10^2 in relation to the underlying structural description of the functional block. The methodology permits predicates for the accuracy of the model – the modeller requests certain accuracies during model generation, which the model guaranties. The new methodology is demonstrated in detailled examples of different complexity. At first, a model of a simple linear filter circuit is used to depict the model generation process and to compare the model to different well known modelling approaches. The next example, an operational amplifier, shows that the methodology can be applied to nonlinear blocks as well. An A/D converter serves as a more extensive example. The converter is a particular mixed analog/digital circuit and is modelled in the VHDL AMS simulation environment. In this example, both analog quantities and digital signals occur in one model. Abstracting of the concrete application in modelling mixed signal circuits, the methodology is widely applicable for the model generation of technical systems. Possible areas of application cover all areas of mechanics, like for instance hydraulics or thermodynamics. The reason for this is the fact that real systems – no matter from which area - obey to the same system laws and show similar patterns of behavior, although they are physically completely different.English
Uncontrolled Keywords: mathematical model, electroc circuits, simulation, VHDL-AMS, mixed-signal modelling, sytstems theory, computer simulation
Alternative keywords:
Alternative keywordsLanguage
mathematical model, electroc circuits, simulation, VHDL-AMS, mixed-signal modelling, sytstems theory, computer simulationEnglish
Classification DDC: 000 Allgemeines, Informatik, Informationswissenschaft > 004 Informatik
Divisions: Fachbereich Informatik
Date Deposited: 17 Oct 2008 09:21
Last Modified: 09 Dec 2012 09:20
Official URL: http://elib.tu-darmstadt.de/diss/000192
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-1928
License: Simple publication rights for ULB
Referees: Huss, Prof. Dr.- S. A. and Antreich, Prof. Dr.- K.
Advisors: Huss, Prof. Dr.- S. A.
Refereed: 18 October 2001
URI: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/192
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