aprendizaje activo de electrónica para los alumnos de …dtie).j.gomezr... · este curso prepara...

Aprendizaje Activo de la Electrónica 1

Reunión de Intercambio de Experiencias en Educación

Aprendizaje activo de Electrónica para los alumnos de la clase de Circuitos Integrados.

Graciano Dieck Assad

José I. Gómez Quiñones M.C.

Ing. Ricardo Sotelo Mora

Instituto Tecnológico de Estudios Superiores de Monterrey, Campus Monterrey

Aprendizaje Activo de Electrónica 2

Abstract

Se propone una estrategia para lograr el Aprendizaje Activo de la Electrónica,

favoreciendo, el uso de un simulador computacional profesional, como paquete básico de diseño

profesional y experimentos rápidos, teóricos para reforzar los principios teóricos de la clase, así

como los principios de construcción y operación de circuitos electrónicos. Se diseñaron un

conjunto de prácticas y una serie de experimentos rápidos para apoyar el entendimiento de los

conceptos teóricos vistos en la sesión presencial. Se discute el método y los resultados que

muestra que los estudiantes consideran al Aprendizaje Activo de la Electrónica como un vínculo

importante entre teoría y práctica que hace que se muestren más participativos y motivados en el

proceso de entendimiento de los conceptos de la electrónica.

Palabras Clave

Electrónica, Aprendizaje Activo, Simulación de Circuitos Electrónicos.

Introducción

Desde hace un año se han implementado dos esquemas importantes de aprendizaje

activo: simulaciones computacionales usando un paquete profesional de simulación de circuitos

electrónicos y experimentos rápidos para reforzar y demostrar los principios teóricos explicados

en la sesión presencial. El objetivo de ambos esquemas es buscar que el alumno comprenda los

principios teóricos de la clase usando prácticas de simulación computacional y de construcción y

operación de los circuitos electrónicos. Esto intenta conectar el estudio de la electrónica con la

práctica de la profesión de la ingeniería electrónica [1,2].

Para ello se generaron 5 experimentos rápidos y se desarrollaron 4 prácticas de

simulación computacional basadas en Mentor Graphics (MG) y elaboradas también para los

cursos previos de Electrónica I y II. Se desarrolló también una encuesta para proporcionar al


instructor una retroalimentación referente a las prácticas y experiencias de los alumnos. A

continuación se explican los elementos del aprendizaje activo así como resultados obtenidos.

Método

Circuitos integrados analógicos (CIA) fue seleccionada para estudiar los efectos del

aprendizaje activo en los alumnos ya que es un curso terminal para la secuencia de electrónica

analógica y además porque integra las bases para la liga de este tema con los temas de

electrónica digital. El curso es tomado por los alumnos de la carrera de IEC (6 sem) [3,4,5]. Para

la nueva carrera de ITE, este curso será substituido por el curso de Electrónica Aplicada (6 sem).

Además, es posible que algunos alumnos de la carrera ITIC pudieran optar por tomar esta

materia como optativa de acentuación.

Este curso prepara al alumno para su laboratorio de diseño electrónico. Su tema

primordial es el diseño de circuitos usando amplificadores operacionales y otros circuitos

integrados analógicos de alta integración. Todo ello para implementar dispositivos de alta

función electrónica como filtros activos, convertidores A-D y D-A, Acondicionadores

electrónicos, Multiplicadores, Osciladores, Multivibradores y amplificadores de alto rendimiento

[3,4,5].

El equipo y material usado para desarrollar las prácticas es el siguiente:

1. Simulaciones usando el paquete de MG [6]. Estaciones de trabajo Sun (Ultra 5 o Sunblade

1500) [7,8] corriendo el paquete MG con: Design Manager para manejo de contenedores de

datos y archivos de diseño, Design Architect para capturas esquemáticas de circuitos

electrónicos y Accusim II para análisis y diseño de circuitos electrónicos análogos.

2. Experimentos rápidos QE (“Quick Experiments”) para refuerzo experimental. Tablilla

prototipo blanca de tiras horizontales y verticales para prototipos de circuitos electrónicos de


16 x 5 cm. Dos baterías de 9 V para proveer voltajes de entre +8 V y -8 V en los circuitos.

Cuatro amplificadores operacionales en CI (“Thru hole” de 8 pines) del tipo LM741.

Multímetro de bolsillo, resistencias, capacitores, LED´s, potenciómetros y conexiones de

diferentes valores y tamaños. El anexo II muestra un diagrama de los elementos usados en los

experimentos QE´s.

Resultados

Se realizó una encuesta entre los alumnos que tomaron el curso durante el semestre de

Enero-Mayo del 2005. La encuesta y las tablas de resultados se encuentran al final de este

documento en la sección Anexos, los resultados en cuanto a la opinión de los alumnos:

1. La participación de los alumnos es contundente (91.3%), logran comprender mejor los

conceptos teóricos sobre amplificadores operacionales (91.3%), conectan la teoría con la

práctica (87%), y finalmente casi en forma unánime (87%+13%) sugieren dar seguimiento y

continuar con las prácticas del tipo QE para la clase de Circuitos Integrados Analógicos.

2. El refuerzo de los alumnos hacia los conceptos fundamentales del curso se logra en forma

significativa a través de las QEs si consideramos que un 95.7% (87+8.7) de los alumnos

sienten que ya sea medianamente o mucho se da un refuerzo práctico del material visto en

clase. Finalmente se muestra que para más de la mitad del grupo, 52.2%, el primer contacto

con circuitos integrados se había dado ya en ocasiones anteriores y no en este curso. También

observamos que más del 30% de los alumnos consideran que los experimentos de QE fueron

su primer contacto con circuitos integrados lineales. Esto significa que debemos de hacer más

actividades prácticas de este tipo en cursos previos.

Sobre las actividades de simulación de circuitos electrónicos usando MG, los resultados

en cuanto a la opinión de los alumnos:


1. La participación de los alumnos es significativa, 82.6% (65.2+17.4), pero es necesario hacer

un esfuerzo adicional para que la gran mayoría de los alumnos realice completamente las

prácticas. Aquí podemos decir que la ausencia de participación (17.4%) puede haberse

producido debido a que estas prácticas no se inician durante el tiempo de la clase, sino que se

encargan como trabajo fuera del salón de clase en un salón de estaciones de trabajo y

dedicado para este propósito.

2. El refuerzo y apoyo para la comprensión del material se da significativamente con más del

77% (47.8+30.4 y 56.5+21.75), cosa que contribuye substancialmente a que el alumno vea en

el simulador una herramienta de análisis y diseño de circuitos electrónicos para la solución de

problemas en la ingeniería. Lo que tenemos que procurar es que ese otro grupo, arriba del

20% (21.8 y 21.75), pueda aprovechar estos ejercicios para lograr avanzar en el uso de

técnicas computacionales para predecir el comportamientos de los circuitos electrónicos

analizados o diseñados inicialmente con papel y pluma.

3. En cuanto al primer contacto, los resultados muestran una división tanto hacia los que ya han

tenido experiencia con un simulador profesional (47.8%) como a los que nunca han tenido

esta experiencia (43.5%). Creemos que en este sentido, debemos de promover en forma más

intensa el uso de simuladores de circuitos electrónicos en cursos previos a CIA. Sobre el

entendimiento en el uso del simulador, si el 52.2% del grupo (más de la mitad) percibe que

las 4 prácticas les ayudó a comprender el uso de MG en cuanto a la plataforma de diseño

análogo, creemos que el trabajo y seguimiento realizado en el curso ha sido bastante bueno.

Tenemos que recordar que el primer contacto de un alumno o ingeniero con un paquete tan

complicado como MG suele ser intimidante por algunas complicaciones que se dan en el

manejo de los contenedores de datos y otros detalles. De nuevo creemos que si el inicio de


los conceptos como “Falcon Framework” de MG [6] y otros detalles como manejo de

archivos en UNIX [7,8] se puede dar en cursos previos, podríamos pensar en que ese 26% de

alumnos que no entendieron el uso del simulador, habrían tenido mejores resultados en este

curso.

4. Finalmente, la sugerencia de aproximadamente el 70% (69.6%) de los alumnos en continuar

con las prácticas de MG [5], nos da la confianza de que la iniciación del aprendizaje activo

usando los simuladores de circuitos electrónicos de MG esta más que garantizada. Esto

ayudará a que nuestros alumnos tengan bases sólidas en cuanto al uso e interpretación de

herramientas profesionales para diseño de circuitos electrónicos.

Discusión y Conclusiones

El aprendizaje activo de la electrónica produce resultados muy satisfactorios en el curso

de Circuitos Integrados Analógicos (CIA) que consolida la secuencia de electrónica analógica

[3,4,5] para estudiante de ingeniería electrónica (IEC e ITE) en el ITESM campus Monterrey.

Los resultados más alentadores son la participación de los alumnos, la conexión de la teoría con

la práctica y la comprensión de los conceptos teóricos de la clase. En todos ellos más del 75% de

los alumnos participa, conecta y comprende desde medianamente hasta totalmente usando las

prácticas QEs [5] o las que involucran el paquete MG [6].

Ya que hay alumnos no interactuaron ya sea con un simulador o con un circuito integrado

antes del 6° semestre, se pretende que muchas de estas actividades de aprendizaje se puedan

incorporar en cursos previos como Electrónica, Electrónica I o Electrónica II. Una vez que estas

actividades se puedan sembrar en cursos previos, podemos cosechar resultados en CIA a través

de prácticas mucho más avanzadas y con circuitos electrónicos más complicados [3].


Finalmente, creemos necesario que las prácticas ya sea QEs o MGs se inicien en el salón

de clase para integrarlas al programa de actividades de la clase e indicar la importancia que estas

tienen para la consecución de las metas y objetivos del curso. Es importante aclarar que para la

impartición de cursos de electrónica debe existir siempre ese ingrediente teórico-práctico para

conectar los conceptos abstractos de los dispositivos electrónicos con la herramienta de

simulación para resolver los modelos en forma más precisa y para lograr medir y comparar los

dispositivos reales con los cálculos de pluma y papel.

Capitalización

Se recomienda ampliamente el uso de esta metodología en cursos del área de Electrónica

en todos los niveles, de acuerdo a los resultados de las encuestas, los estudiantes se muestran

muy motivados a realizar los QEs [5] y a continuar con las prácticas de MGs, además consideran

estas dos alternativas como instrumentos que facilitan la comprensión de los temas propios del

curso. Un curso de electrónica avanzada con un simulador profesional que cuenta con librerías

exhaustivas de dispositivos electrónicos, otorga al alumno la posibilidad de crear sistemas

electrónicos de excelente nivel y con desempeños comparables y aplicables al mundo real.

Recomendaciones

Para lograr buenos resultados en el Aprendizaje Activo de la Electrónica se hacen las

siguientes recomendaciones:

• Capacitación por parte de los instructores o profesores del área de electrónica en

el uso de un simulador computacional.

• Realización de un conjunto de experimentos que relacionen los temas del curso,

QEs y MGs, donde se engloben los aspectos teóricos, prácticos y de simulación

para ser aplicados en el curso que se está impartiendo (tanto los QEs como los


MGs están a disposición de los instructores interesados en implementar esta

metodología).

Referencias

[1] J. Zull, The art of Changing the brain, Editorial Stylus, Sterling Virginia, 2002

[2] B. L. Erickson, D. W. Strommer, Teaching college freshmen, Jossey-Bass. S. Francisco

1991.

[3] S. Franco, Design with operacional amplifiers and analog integrated circuits, McGraw Hill,

3rd edition, 2002.

[4] P. Allen and D. Holberg, CMOS analog circuit design, Oxford, 2nd. Edition 2002.

[5] G. Dieck Assad, Analog Integrated Circuits, Course Blackboard database, Fall 2004 and

Spring 2005, ITESM campus Monterrey, 2005.

[6] Mentor Graphics Corporation, Tutoriales para el Falcon Framework Environment, Práctica 1:

Captura de diseños analógicos, ITESM campus Monterrey, 2001.

[7] P. Walter, Manual de administración del sistema Solaris, McGraw Hill, España 2002.

[8] P. Walter, Manual de referencia del sistema Solaris 9, McGraw Hill, España 2003.


ANEXO I. Encuesta y tablas de resultados La muestra fue de 23 alumnos quienes contestaron las siguientes preguntas:

A. Preguntas relacionadas con actividades experimentales del tipo QE.

a. ¿Participaste activamente en las actividades QE?

b. ¿Sobre las QEs, te ayudaron a reforzar los conceptos teóricos estudiados en clase?

c. ¿Sobre las QEs, te ayudaron a comprender la operación práctica de los dispositivos

electrónicos?

d. ¿Fueron las actividades QE tu primer contacto con circuitos integrados?

e. ¿Crees que las actividades QEs te permiten conectar los conceptos teóricos con la

realidad?

f. ¿Sugieres continuar con este tipo de actividades en este y otros cursos de electrónica?

B. Preguntas relacionadas con actividades de simulación usando Mentor Graphics.

a. ¿Participaste activamente en las prácticas de simulación usando MG?

b. ¿Sobre MG, te ayudaron las simulaciones en reforzar los conceptos teóricos

estudiados en clase?

c. ¿Sobre MG, te ayudaron las simulaciones a comprender la operación práctica de los

dispositivos electrónicos?

d. ¿Fueron las simulaciones con MG tu primer contacto con paquetes profesionales de

simulación de circuitos electrónicos?

e. ¿Crees que las prácticas de MG te ayudaron a comprender el uso del simulador de

circuitos electrónicos?


f. ¿Recomiendas continuar con este tipo de actividades de simulación en este y otros

cursos de electrónicos?

Las siguientes dos tablas resumen los resultados de las encuestas:

Tabla 1: Sobre las actividades experimentales del tipo QE

Opinión de alumnos Acción Mucho o en

extremo medianamente Poco o nada

Participó 91.3% 8.7% 0 Reforzó 87% 8.7% 4.3% Comprendió 91.3% 8.7% 0 Primer contacto 34.8% 13% 52.2% Conectó 87% 13% 0 Sugiere continuar 87% 13% 0

Nota: el tamaño de la muestra es 23 alumnos tomando la clase E-M 2005 Tabla 2: Sobre las actividades de simulación con MG

Opinión de alumnos Acción Mucho o en extremo medianamente Poco o nada Participó 65.2% 17.4% 17.4% Reforzó 47.8% 30.4% 21.8% Comprendió 56.5% 21.75% 21.75% Primer contacto 47.8% 8.7% 43.5% Usó de simulador 52.2% 21.7% 26.1% Sugiere continuar 69.6% 30.4% 0

Nota: el tamaño de la muestra es 23 alumnos tomando la clase E-M 2005

Para el curso de CIA se programaron y efectuaron las siguientes prácticas de simulación

usando el sistema de Mentor Graphics (MG) y QE (“Quick Experiments”)

1. Introducción a UNIX y Design Manager

2. Captura esquemática usando Design Arquitect.

3. Análisis de frecuencia y transitorio de un filtro activo usando amplificadores operacionales

4. Análisis de un Macromodelo de un amplificador con retroalimentación de corriente (CFA)

para determinar la respuesta a la frecuencia de la configuración.


5. QE-01. Aplicaciones elementales de los amplificadores operacionales (“Zero and Span

Circuits”)

6. QE-02. Aplicaciones de la retroalimentación negativa (“The Instrumentation Amplifier”)

7. QE-03. Conversión V-I y I-V (“A V-I and I-V floating current loop conversion”)

8. QE-04. Filtros activos y osciladores (“Sallen Key low pass filters and Wein bridge

oscillators”)

El anexo II del artículo describe una de las prácticas QE que mencionamos arriba. La

práctica está en inglés debido a que el grupo de CIA ha sido impartido en inglés desde hace ya

dos años.


ANEXO II. Práctica típica del tipo QEE-863: ANALOG INTEGRATED CIRCUITS: QUICK EXPERIMENT SESSIONS

QE-01: Elementary Op Amp Applications, date:___________________ Team names:________________,__________________,_______________ NOTE: Results of this experiment must be reported in Discussion Board

ZERO AND SPAN CIRCUITS

Zero and span circuits are one of the fundamental applications used in electronic instrumentation to normalize signals coming from transducers and sensor devices. The interfacing process from variable sensing devices to the dynamic range voltage of A-D converters require of precise devices that could be calibrated using a zero control pot and a gain control pot. The following quick experiment will help in visualizing this elementary operation.

Design, build, calibrate and test a zero and span device to perform the following conversion:

V

o

Vzero=

0.65 V Vi

S

Use the LM741 chip as shown below. To generate the offset use the 100 K potentiometer with R2/R1 ratio of 1/10 to increase the sensitivity of the zero calibration. For Vi use a DC varying source obtained with the 50 K potentiometer. Finally, use a configuration as follows:

1 LM-741 8 2 (Vn-) - 7 [positive bias, Vcc] 3 (Vp+) + 6 [Output, Vo] [Vee, Negative bias] 4 5

Inverting

Summing

Vol

taje follower

Inverting

Amplifier to

Figure 1: IC-Pin diagram of the LM-741


ANEXO II: Plataforma experimental para desarrollo de QE´s


ANEXO III: Práctica QE-04, informe realizado por un alumno de CIA

Circuit description:

In this quick experiment, we represented a telecommunication system. We used two wein bridge oscillators, one is supposed to be de signal we are sending in our channel, and the other one is the noise added to the signal. So, First of all we designed the wein bridge for 3.2kHz ( channel signal) and 32khz (noise signal). After having the two signals we added both signals with a summing amplifier.

In the output of the summing amplifier we discovered that our original signal was

distorted, it was because of the addition of the noise signal. In order to recover the original signal we used a Sallen Key Low pass filter with a cut-off frequency of 16kHz, where the noise was eliminated.

The process we followed: First we designed the wein bridge oscillator with an approximate frequency of 3.2kHz,

as shown in the schematic. The calculations were made using the next equations:

RCf

π21

= Ω=== 497)1)(.2.3)(2(

12

1μππ kfC

R

Then we compared the desired frequency with the experimental frequency using an

oscilloscope, the obtained value was 2.8kHz. For the second wein bridge oscillator we used the same circuit, the only difference was that we changed the capacitor value by a magnitude of ten. So, the expected value was 32kHz and experimentally we obtained 26kHz.

The next step was to add both signals us ing amplifier, with a desired gain

of -1. To accomplish that requirement we let all the res stors to have the same value. In the output using an oscilloscope we saw that the signal of 2.8 kHz was distorted. The output signal is useless unless it is noise free. The solution to this, was to employ a SallenKey Low pass second order filter with a cut-off frequency at 16Khz. Due to the lim d resistor and capacitor values, the closest cut-off frequency we obtained was 15.91Hz. Finally, at the output of the filter we discovered our original –noise free– signal. The calculation ade according to:

RC1

0 =ω fω π20 ====

)1)(.16)(2(1

21

μππ kfCR

ing a summi

ite

s were m

Ω4.99


Circuit Schematic & Sim

ulation:


Comparative tables: Theoretic:

Measurements Hz F1 3.2k F2 32k Fo 3.2k

Experimental:

Measurements Hz F1 2.8k F2 26k Fo 2.75k

Simulation:

Measurements Hz F1 3.143k F2 31.15k Fo 3.17k

Conclusions: This practice was particularly useful because we could see and test multiples approaches

to the operational amplifier. We built two oscillators with different frequency, a summing device and a low pass filter, all using the same operational amplifier. We were able to observe the limits of the operational amplifier when we use it like an osilator, because we saw on the oscilloscope that the signal coming out the oscillator was not perfectly like a sine wave, the output signal was limited by the operational amplifier.

I think that in the future the use of operational amplifier would be necessary, so it’s very

handy to know the uses and limits of the common operational amplifier.


ANEXO IV: Prácticas usando MG: Informe realizado por un alumno de CIA

engineers are very often facing problems that involve the analysis of a complex circuit. For those specific cases where human analysis is too tedious and time taking, we employ computers. Computers large am of parameters and produce more accurate results.

Some powerful tools employed in circuit analysis are: Design Architect (used to build

circuits and AccuSim (used to simulate those circuits). Both of them are utilizes included in Mentor Graphics–. Mentor Graphics is also known as Falcon Framework and it runs under UNIX. I had to learn the basics of UNIX in order to cre and simulate the practice circuit. UNIX and Windows are somehow sim us dows to separate different tasks, they use similar menu interfaces and also both have a ar directory structures. Moving around this new operating system wasn’t that hard.

Design Architect and AccuSim, I found out that the interfaces are quite similar lation environ orkbench, Multisim). The biggest difference and great advantage that Mentor lators is the large amount of libraries (components) and the v ty of analysis that erform (DC, AC, transient, frequency analyses).

ractice #1 required to build a circuit using Design architect, building the circuit wasn’t

very difficult, the components were found easily. The figure below shows the screen:

Electronic

can include a ount

)

ate ilar, both of them e win

simil

Once I used to other simu ments (Pspice, W

Graphics has over other simuit can parie

P


Up to this point the simulation wasn’t required, I practiced by placing diverse components, and changing its attributes (Resistors values and Tags).

accomplish several analyses, such as: Frequency response, and time response. Also I changed the model components and made topological changes to the circuit. The next figure s

Practice #2 required more work; first of all I had to capture a more complex circuit,

afterward I had to

hows the Frequency response analysis.

At this point, I employed a useful feature included in most simulators: A cursor which

shows the values for Voltage magnitude and Phase magnitude at the corresponding frequency value.

Finally, I can conclude that these practices were very instructive; I learned the basics of

an operating system which I had never used before. Also I got familiarized with a very powerful Design and Simulation program that hopefully in the future will facilitate any system analysis.

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