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Aprendizaje Activo de la Electrónica
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
1
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
Aprendizaje Activo de Electrónica 3
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
Aprendizaje Activo de Electrónica 4
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:
Aprendizaje Activo de Electrónica 5
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
Aprendizaje Activo de Electrónica 6
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].
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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
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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.
Aprendizaje Activo de Electrónica 9
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?
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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
medianamente
Mucho o en
Poco o nada
extremo
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
Acción
Opinión de alumnos
Mucho o en extremo
medianamente
Poco o nada
Acción
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.
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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.
Aprendizaje Activo de Electrónica 12
ANEXO II. Práctica típica del tipo QE
E-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
S
Vzero=
0.65 V
Vi
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:
Inverting
Vol
Summing
Inverting
taje follower
1
LM-741
2 (Vn-)
-
3 (Vp+)
+
[Vee, Negative bias] 4
Figure 1: IC-Pin diagram of the LM-741
Amplifier to
8
7 [positive bias, Vcc]
6 [Output, Vo]
5
Aprendizaje Activo de Electrónica 13
ANEXO II: Plataforma experimental para desarrollo de QE´s
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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:
f =
1
1 R= 1 =
= 497Ω
2πfC (2π )(3.2k )(.1μ )
2πRC
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 using a summing amplifier, with a desired gain
of -1. To accomplish that requirement we let all the resistors 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 limited 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 calculations were made according to:
ω0 =
1
1
1
=
= 99.4Ω
R=
2πfC (2π )(16k )(.1μ )
RC ω0 = 2πf
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Circuit Schematic & Simulation:
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Aprendizaje Activo de Electrónica 17
Comparative tables:
Theoretic:
Measurements
F1
F2
Fo
Hz
3.2k
32k
3.2k
Measurements
F1
F2
Fo
Hz
2.8k
26k
2.75k
Measurements
F1
F2
Fo
Hz
3.143k
31.15k
3.17k
Experimental:
Simulation:
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.
Aprendizaje Activo de Electrónica 18
ANEXO IV: Prácticas usando MG: Informe realizado por un alumno de CIA
Electronic 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 can include a large amount 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 create and simulate the practice circuit.
UNIX and Windows are somehow similar, both of them use windows to separate different tasks,
they use similar menu interfaces and also both have a similar directory structures. Moving
around this new operating system wasn’t that hard.
Once I used Design Architect and AccuSim, I found out that the interfaces are quite
similar to other simulation environments (Pspice, Workbench, Multisim). The biggest difference
and great advantage that Mentor Graphics has over other simulators is the large amount of
libraries (components) and the variety of analysis that it can perform (DC, AC, transient,
frequency analyses).
Practice #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:
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Up to this point the simulation wasn’t required, I practiced by placing diverse
components, and changing its attributes (Resistors values and Tags).
Practice #2 required more work; first of all I had to capture a more complex circuit,
afterward I had to 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 shows 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.