700.861 (23W) Basic Lab: Digital Circuits

Wintersemester 2023/24

Registration deadline has expired.

First course session
03.10.2023 08:00 - 10:00 B04.1.02 On Campus
... no further dates known

Overview

Lecturer
Course title german Basic Lab: Digital Circuits
Type Course (continuous assessment course )
Course model Attendance-based course
Hours per Week 2.0
ECTS credits 2.0
Registrations 7
Organisational unit
Language of instruction Englisch
Course begins on 03.10.2023
eLearning Go to Moodle course

Time and place

List of events is loading...

Course Information

Intended learning outcomes

Im Allgemeinen

Nach der Erfindung des Transistors stieg die Komplexität beim Entwurf von Schaltungen, insbesondere von digitalen Schaltungen, enorm an.Um den Entwurf und das Testen von Schaltungen zu vereinfachen, wurden Hardware-Beschreibungssprachen (HDLs) entwickelt.
Eine HDL (z. B. VHDL oder Verilog) ist eine Programmiersprache, mit der ein Ingenieur die Struktur und das Verhalten von elektronischen Schaltungen definieren kann.
Mit Hilfe einer HDL kann eine Schaltung analysiert, simuliert und in tatsächliche Hardware synthetisiert werden!

Heutzutage werden HDLs für den Entwurf von Schaltungen für FPGAs (Field-Programmable Gate Array) und ASICs (Application-Specific Integrated Circuit) verwendet.

Lernergebnis

Lernergebnis für diesen Kurs:

  • Verständnis der grundlegenden Konzepte von HDL und insbesondere VHDL.
  • Erlernen des Entwerfens, der Simulation und der Synthese von digitalen Schaltungen auf Hardware, dem Altera DE2-115 Development and Education Board.

Soft-skills:

  • Problemlösung
  • Fehlersuche
  • Selbstständigkeit
  • Planung
  • Einhaltung von Fristen

Teaching methodology

Aktives Lernen in Form von Projektarbeiten.

Course content

Der Kurs bereitet die wesentlichen Konzepte des Entwurfs von digitalen Schaltungen vor. Darauf aufbauend werden in diesem Labor kombinatorische und sequentielle Schaltungen entworfen, simuliert und implementiert.Als Entwicklungsumgebungen werden Questa/ModelSim und Quartus eingesetzt.

Ziel des Labors ist es, dass jeder Studierende einen funktionierenden Taschenrechner entwirft, der Addition, Subtraktion, Multiplikation und Division unterstützt.Der Rechner soll Operanden von einer Tastatur erhalten und das Endergebnis auf dem FPGA-Board anzeigen.

Die Arbeit ist in 3 Assignments über das akademische Semester verteilt. Auf dem Weg zu ihrem Taschenrechner sollen die Studierenden verschiedene Schaltungen implementieren, wie z.B.:

  • Register
  • Steuerungen für LED- und 7-Segment-Anzeigen
  • Empfang von Eingaben von Schaltern und Tastern sowie Entwicklung von Treibern für den Empfang von Eingaben von einer PS/2-TastaturArithmetische
  • Logikeinheit und die zentrale Logik des Taschenrechners
  • Um ihre Lösung zu verifizieren, werden die Studierenden ihre Taschenrechner auf ihre individuellen FPGA-Boards laden und den korrekten Betrieb überprüfen

Prior knowledge expected

  • Kenntnisse in einer beliebigen Programmiersprache
  • Kenntnisse im Entwurf von digitalen Schaltungen

Literature

Effective Coding with VHDL, PRINCIPLES AND BEST PRACTICE, Ricardo Jasinski (Available in the library of the university)

Intended learning outcomes

In General

After the invention of the transistor the complexity in designing circuits and especially digital ones rose tremendously.
In order to simplify the designing and testing of circuits, Hardware Description Languages (HDLs) were created.
An HDL (e.g., VHDL or Verilog) is a programming language that allows an engineer to define the structure and behavior of electronic circuits.
With the help of an HDL a circuit can be analyzed simulated and synthesized into actual hardware!

Today HDLs are used to design circuits for Field-Programmable Gate Array (FPGA) and Application-Specific Integrated Circuit (ASIC) boards.

Learning outcome of this course

The  learning outcomes of the course are:

  • Understanding the fundamental concepts of HDL and more specifically VHDL.
  • Learn to design simulate as well as synthesize digital circuits on actual hardware the Altera DE2-115 Development and Education Board

Soft-skills:

  • Problem-solving
  • Troubleshooting
  • Independence
  • Planning
  • Meeting deadlines

Teaching methodology

Active learning in the form of project works.

Course content

The course prepares the essential concepts of the design of digital circuits.
Based on this, combinatorial and sequential circuits are designed, simulated and implemented in this laboratory.
Questa/ModelSim and Quartus are used as development environments.

The goal of the lab is for every student to design a functioning calculator that supports addition, substraction, multiplication and division.
The calculator should receive operands from a keyboard and display the final result on the FPGA board.

The work is divided into 3 assignments over the academic semester. On the road to create their calculator, the students are called to implement various circuits like:

  • Registers
  • LED and 7-segment display controllers
  • Receive inputs from switches, push-buttons are well as develop the drivers for obtaining inputs from a ps/2 keyboard
  • Arithmetic Logic Unit and the Central logic of the calculator.

To verify their solution, the students are going to load their calculators onto their individual FPGA boards and verify proper operation.

Prior knowledge expected

  • Knowledge of any programming language
  • knowledge in design of digital circuits

Literature

Effective Coding with VHDL, PRINCIPLES AND BEST PRACTICE, Ricardo Jasinski (Available in the library of the university)

Examination information

Im Fall von online durchgeführten Prüfungen sind die Standards zu beachten, die die technischen Geräte der Studierenden erfüllen müssen, um an diesen Prüfungen teilnehmen zu können.

Examination methodology

  • Laborberichte, 
  • Abschluss-Demo mit Diskussion, 
  • Schriftliche Prüfung oder optionale Aufgabe

Examination topic(s)

Die Prüfungsthemen umfassen:

  • Projektergebnisse
  • VHDL-Grundlagen
  • Grundlagen des digitalen Schaltungsentwurfs

*Ein Studierender, der die Aufgaben erfolgreich abgeschlossen hat, ist mehr als qualifiziert, in der Prüfung zu glänzen.

Assessment criteria / Standards of assessment for examinations

In diesem Praktikum wird die Fähigkeit einer Person bewertet, die gestellten Aufgaben zu lösen und tatsächlich in VHDL zu programmieren.Daher besteht die Endnote aus :

  • 70% aus dem Durchschnitt der Laborberichte und
  • 30% aus dem schriftlichen Abschlusstest ODER einer optionalen Aufgabe

Examination methodology

  • Laboratory reports,
  • Closing demo with discussion,
  •  Written exam or optional assignment

Examination topic(s)

The exam topics include:

  • Project results
  • VHDL basics
  •  Basics of digital circuit design

*a student that has completed the the assignments successfully is more that qualified to excel in the test

Assessment criteria / Standards of assessment for examinations

In this lab we value the ability of a person to solve presented problems and actually program in VHDL.
Therefore the final grade consists of :

  • 70% on the average of the lab reports and
  •  30% on the Final written test OR optional assignment

Grading scheme

Grade / Grade grading scheme

Position in the curriculum

  • Bachelor's degree programme Information and Communications Engineering (SKZ: 289, Version: 22W.1)
    • Subject: Grundlagenlabor Informationstechnik (Compulsory elective)
      • 10a Ausgewählte 5 Laborübungen aus den angebotenen Grundlagenlaborübungen der Informationstechnik (zu jeweils 2 ECTS-AP) ( 0.0h KS / 10.0 ECTS)
        • 700.861 Basic Lab: Digital Circuits (2.0h KS / 2.0 ECTS)
          Absolvierung im 3., 4., 5., 6. Semester empfohlen
  • Bachelor's degree programme Robotics and Artificial Intelligence (SKZ: 295, Version: 22W.1)
    • Subject: Labs Robotics and AI (Compulsory elective)
      • 7.1 Wahl von Laborübungen aus dem Angebot der Informationstechnik, sowie zu Robotics ( 0.0h KS / 12.0 ECTS)
        • 700.861 Basic Lab: Digital Circuits (2.0h KS / 2.0 ECTS)

Equivalent courses for counting the examination attempts

Wintersemester 2024/25
  • 700.005 KS Basic Lab: Digital Circuits (2.0h / 2.0ECTS)
Wintersemester 2023/24
  • 700.005 KS Basic Lab: Digital Circuits (2.0h / 2.0ECTS)
Wintersemester 2022/23
  • 700.005 KS Basic Lab: Digital Circuits (2.0h / 2.0ECTS)
Wintersemester 2021/22
  • 700.005 KS Grundlagenlabor: Digitale Schaltungen (2.0h / 2.0ECTS)
Sommersemester 2021
  • 700.005 KU Grundlagenlabor: Pervasive Computing (2.0h / 2.0ECTS)
Wintersemester 2018/19
  • 700.005 KS Grundlagenlabor: Pervasive Computing (2.0h / 2.0ECTS)
Wintersemester 2017/18
  • 700.005 KS Grundlagenlabor: Pervasive Computing (2.0h / 2.0ECTS)
Wintersemester 2016/17
  • 700.005 KS Grundlagenlabor: Pervasive Computing (2.0h / 2.0ECTS)
Wintersemester 2015/16
  • 700.005 KS Grundlagenlabor: Pervasive Computing (2.0h / 2.0ECTS)
Wintersemester 2014/15
  • 700.005 KU Grundlagenlabor: Pervasive Computing (2.0h / 2.0ECTS)
Wintersemester 2013/14
  • 700.005 KU Grundlagenlabor: Pervasive Computing (2.0h / 2.0ECTS)
Wintersemester 2012/13
  • 700.005 KU Grundlagenlabor: Pervasive Computing (2.0h / 2.0ECTS)
Wintersemester 2011/12
  • 700.005 KU Grundlagenlabor: Pervasive Computing (2.0h / 2.0ECTS)