LABORATORIOS: ¿COMPRENDER O APRENDER A DISEÑAR? ALGUNAS PROPUESTAS

LABORATORIOS: ¿COMPRENDER O APRENDER A DISEÑAR?
ALGUNAS PROPUESTAS
Gerardo Aranguren Aramendía y Luis Antonio López Nozal
Universidad del País Vasco. [email protected]
RESUMEN
En la enseñanza de la electrónica las prácticas de laboratorio son una herramienta fundamental. Pero es
conveniente plantearnos muy bien cuáles son los objetivos del aprendizaje: comprender y comprobar lo
enseñado o capacitar para el diseño de nuevas aplicaciones.
En este documento se presenta la trayectoria seguida dentro de la asignatura Laboratorio de Sistemas
Digitales para tratar de sacar el mayor partido a las prácticas de laboratorio. Las propuestas planteadas
están avaladas por varios años de experiencia y tratan de estimar cuales son las herramientas más útiles
para lograr el aprendizaje.
Para el nuevo Espacio Europeo de Enseñanza Superior debemos hacer propuestas donde el estudiante
aprenda con su trabajo.
1. INTRODUCCIÓN
A la hora de diseñar las prácticas a realizar en un laboratorio de electrónica, muchas veces
nos hemos planteado cuales son los objetivos fundamentales: afianzar los conocimientos
comprobando lo expuesto en la teoría, desarrollar destrezas mediante la realización de
medidas o ensayos, fomentar la creatividad diseñando nuevos circuitos, ...
Sin duda todos estos objetivos son válidos y dependen del curso o nivel en que se
imparte el laboratorio. En los primeros cursos las prácticas suelen perseguir objetivos
relacionados con la comprensión o la destreza: se trata de que los alumnos aprendan de
nuestras enseñanzas y se familiaricen con la instrumentación. A medida que los alumnos van
teniendo mayores conocimientos tratamos de realizar prácticas con un mayor contenido de
diseño: los alumnos aprenden poniendo en práctica sus conocimientos.
En las prácticas de circuitos o sistemas con contenidos de diseño solemos encontrar
una serie de limitaciones que nos impiden hacer lo que consideramos “modelo ideal”: escaso
número de horas de laboratorio disponibles, recursos reducidos, exceso de alumnos,
capacidad de los alumnos para diseñar el mismo circuito que sus compañeros, dificultad para
montar circuitos complejos, etc.
En una comunicación del primer Congreso TAEE [1] se aportaban algunas ideas que
permitían esquivar parte de estas limitaciones. Por aquella época en nuestra Escuela nos
estábamos planteando el diseño de diversos laboratorios y entre ellos el Laboratorio de
Sistemas Digitales. Realizamos el diseño del laboratorio reflejado en dos comunicaciones a
Congresos TAEE [2 y 3]. Pero los profesores nunca nos conformamos con lo que tenemos y
siempre tratamos de mejorarlo.
Durante los dos últimos cursos hemos probado el nuevo método que exponemos a
continuación. Además hemos introducido algunas mejoras importantes para el próximo curso.
Este método lo hemos aplicado al diseño de sistemas con microcontrolador, pero se puede
trasladar a todos los laboratorios de diseño de circuitos o sistemas.
1
2. METODOLOGÍA DEPENDIENTE DEL EQUIPAMIENTO
Parafraseando un conocido refrán podemos comentar: “Dime que equipo tienes y te diré que
práctica haces”. Nuestras prácticas en muchas ocasiones están condicionadas por la
disponibilidad de los equipos de laboratorio. Esto no es un inconveniente si los equipos son
adecuados y suficientes. Pero en ocasiones determinados equipos nos encauzan en una
metodología didáctica que lleva a limitar la capacidad de aprendizaje de los futuros titulados
y la suplanta por la adquisición de capacidades para utilizar un determinado equipo.
Fijándonos en los equipos disponibles en un laboratorio de diseño podemos ver, aparte
de la instrumentación:
- Ordenadores. Son de gran ayuda para el diseño, pero si se convierten en
herramienta exclusiva del proceso de diseño sirven para simular circuitos que
jamás pasan a construirse, quedando incompleto el aprendizaje.
- Entrenadores. Sirven para enseñar de manera cómoda distintas facetas: circuitos,
programación, etc. En general son caros y pueden tener el inconveniente de que se
aprende más a utilizar el equipo que a diseñar circuitos electrónicos.
- Tarjetas de montaje (protoboard). Son válidas para circuitos elementales, pero a
medida que crece la complejidad del circuito crece la capacidad de la tarjeta para
comportarse en contra de nuestros intereses.
- Diseño libre sobre circuito impreso normalizado. Durante varios cursos hemos
probado con gran éxito dar una gran libertad de diseño a los alumnos y pedirles
que realicen sus montajes sobre circuitos impresos genéricos y con la única
limitación de utilizar determinados circuitos integrados objetos del aprendizaje, en
concreto microcontroladores.
3. DISEÑO LIBRE CON CIRCUITO IMPRESO NORMALIZADO
En las prácticas de diseño libre los alumnos deben idear una aplicación, diseñar el circuito,
seleccionar los componentes, adquirirlos, montar el circuito, programarlo y probarlo. Es decir,
recorren todas las fases de generación de un circuito electrónico y, en principio, aprenden el
proceso completo.
Además, la posibilidad de trasladar el aprendizaje fuera del laboratorio viene a
fomentar una afición presente en la mayor parte de nuestros alumnos. Bastantes de los
alumnos construyen circuitos que están por encima de lo exigido para obtener la mayor
calificación en la asignatura. Conseguimos unos conocimientos afianzados, un proceso
agradable y un buen aprendizaje con un costo económico reducido.
Por el contrario también hemos de señalar algunos inconvenientes de este modelo:
- Los alumnos deben dedicar mucho tiempo para montar el circuito.
- La gran extensión de la práctica obliga a dedicar todo el cuatrimestre a un único
diseño.
- La habilidad y dedicación de los alumnos son dispares por lo que es difícil
establecer un ritmo uniforme en el desarrollo de la asignatura.
- Las herramientas de comprobación, instrumentación, sólo se encuentran en el
laboratorio.
4. DISEÑO LIBRE CON CIRCUITO IMPRESO ESPECIFICO
2
Ante estos problemas se nos ocurrió realizar una pequeña variante: facilitar la realización de
la parte menos creativa de la asignatura. Con esa finalidad diseñamos un circuito impreso con
los componentes fundamentales del circuito más una zona para introducir los componentes
específicos de cada diseño. El diagrama de bloques de este circuito se puede ver en la figura 1
y las fotos del circuito impreso en la figura 2.
Conector y driver
RS232
Conector DC y varios posibles
circuitos de alimentación
Microcontrolador (varias
posibilidades), condensadores de desacoplo y
circuitos de reloj y reset
Conector para LCD
Conector para Teclado
matricial
Zona de prototipo
Figura 1. Diagrama de bloques del circuito impreso para
prácticas con microcontroladores
Figura 2. Vista de la cara de componentes del circuito impreso para
prácticas de diseño de Sistemas con Microcontrolador.
Con este modelo de prácticas los alumnos deben realizar el mismo proceso desde la
concepción de la aplicación hasta la puesta a punto. Pero la fase de montaje se ve facilitada
3
por estar rutada la parte principal del circuito. Esto viene a reducir unas dos semanas el
tiempo de realización de la práctica.
Además se evita cometer errores de montaje en la parte básica del circuito, se
consigue una mayor homogeneidad en el desarrollo de las primeras clases y mejores
resultados finales. En la figura 3 se puede ver el circuito montado por unos alumnos.
Este modelo de práctica libre asistida reduce en gran medida los inconvenientes del
modelo anterior y sigue manteniendo un precio asequible para el alumno.
Figura 3. Fotografía de una práctica montada.
5. DISEÑO LIBRE A PARTIR DE CIRCUITO BASICO
Por último presentamos una nueva propuesta que se puede extender a numerosas prácticas de
laboratorios de electrónica.
Proporcionar al estudiante un circuito muy elemental de un sistema con
microcontrolador, con un diagrama de bloques muy similar al presentado en la figura 1, con
un esquemáico como el presentado en la figura 4, y toda la documentación necesaria. Este
circuito tiene los componentes montados, dos conectores para añadir los elementos más
habituales, teclado matricial y LCD, y conectores para continuar el diseño en una protoboard
o en un circuito impreso normalizado donde se pueden montar el resto de componentes del
diseño: teclas, sensores, displays, alarmas, etc.
Este circuito montado parece que está muy cerca de los entrenadores, pero a diferencia
de estos sólo incluye la parte elemental, básica para realizar unas primeras sesiones de
prácticas sencillas y permitir que todos los alumnos puedan seguir su desarrollo desde el
principio. El costo es de unos 6 Euros muy por debajo del costo de los entrenadores
comerciales.
Las ventajas sobre el sistema anterior son evidentes:
- Desde las primeras clase los alumnos disponen del sistema completo y se pueden
plantear prácticas elementales.
- Se reduce drásticamente el tiempo y los errores de montaje.
4
VCC
1
VI
2
C1
0.33u
VO
3
R1
470
C2
0.1u
13
8
11
10
C4
0.1u
D2
1
3
4
5
2
6
C5
0.1u
LED
U3
R1IN
R2IN
T1IN
T2IN
VCC
PC6
C+
C1C2+
C2V+
V-
R1OUT
R2OUT
T1OUT
T2OUT
12
9
14
7
PC7
VB1
5
9
4
8
3
7
2
6
1
MAX232ACSE
VCC
15
1
GF1B
GND
2
2
1
D1
VCC
VCC
U2
LM7805
GND
0.1u
VCC12
J1
RCA JACK
16
C3
C6
C7
0.1u
0.1u
PB7
PB6
VCC
SW1
15p
PA0
PA1
PA2
PA3
PA4
PA5
30
12
13
33
34
31
19
20
21
22
23
24
PE0
PE1
PE2
25
26
27
PC0
PC1
PC2
PC3
32
35
36
37
Y1
4MHz
RESET
C8
15p
ISP
R3
220 1/2W
PA[0..5]
VCC12
J4
1
2
3
4
5
6
7
8
9
VCC12
GND
VCC
PA0
PA1
PA2
PA3
PA4
PA5
VCC
VDD
VDD
18
C9
MCLR/Vpp
OSC1/CLKIN
NC1
NC2
NC3
NC4
OSC2/CLKOUT
RA0/AN0
RA1/AN1
RA2/AN2/Vref RA3/AN3/Vref +
RA4/TOCKI
RA5/AN4/SS
RE0/RD/AN5
RE1/WR/AN6
RE2/CS/AN7
RB7/PGD
RB6/PGC
RB5
RB4
RB3/PGM
RB2
RB1
RB0/INT
RD7/PSP7
RD6/PSP6
RD5/PSP5
RD4/PSP4
RD3/PSP3
RD2/PSP2
RD1/PSP1
RD0/PSP0
RC0/T1OSO/T1CKI RC7/RX/DT
RC1/T1OSI/CCP2 RC6/TX/CK
RC2/CCP1
RC5/SDO
RC3/SCK/SCL RC4/SDI/SDA
Vss
Vss
1
2
3
4
5
6
7
8
16F877A
1
2
3
4
5
6
7
8
PB3 R9 220
PB4 R6 220
PB5
R7 220
PB6
PB7
28
7
U1
J2
J6
PB0
PB1
PB2
R5
220
17
16
15
14
11
10
9
8
PB5
PB4
PB3
PB2
PB1
PB0
5
4
3
2
41
40
39
38
PD7
PD6
PD5
PD4
PD3
PD2
PD1
PD0
PD[0..7]
1
44
43
42
PC7
PC6
PC5
PC4
VCC
PB[0..7]
TECLADO(PB)
VCC
J3
PD7
PD6
PD5
PD4
PD3
PD2
PD1
PD0
PE2
PE1
PE0
VCN
VCC
GND
14
13
12
11
10
9
8
7
6
5
4
3
2
1
C10
0.1u
R8
20K
2
PUERTO A
PE[0..2]
PC[0..7]
PC0
PC1
PC2
PC3
PC4
PC5
PC6
PC7
GND
C11
0.1u
VCC
PANTALLA(PD,PE)
29
6
VCC
R4
220
J5
1
2
3
4
5
6
7
8
9
1
R2
10K
SUB-D 9
3
VCC
PUERTO C
Figura 5. Esquemático del circuito básico para diseño con microcontrolador.
-
El prototipo básico no sufre alteraciones por lo que se puede reutilizar en distintos
diseños.
- Se mantiene la creatividad del alumno que debe realizar el diseño de la aplicación
y parte del circuito.
- Es fácilmente transportable y no requiere apenas instrumentación lo que facilita el
trabajo fuera del laboratorio.
- Explota la afición de los alumnos a crear sus propios diseños incrementando su
aprendizaje.
La propuesta se puede hacer extensible a muchas asignaturas de electrónica donde el
objetivo sea aprender a diseñar circuitos: analógicos, digitales, de instrumentación, de
comunicaciones, etc.
Por ejemplo, disponiendo en un circuito impreso un Dispositivo Lógico Programable
con su alimentación y un circuito para el reloj más una zona para conectar otros circuitos se
pueden realizar numerosas prácticas de diseño digital.
Colocando en un circuito impreso una serie de amplificadores operacionales se pueden
construir generadores de señal, amplificadores de sensores, etc.
Coordinando la compatibilidad entre todas estas prácticas se puede dotar a los
alumnos de un conjunto de prácticas que les permitan tener su propio laboratorio en casa
utilizando únicamente un ordenador y herramientas básicas. Pueden construirse fuentes de
alimentación, generadores de señal, sensores con acondicionamiento e interface digital,
instrumentación virtual, etc.
5
También pueden servir unas prácticas como interfaces para otras. Por ejemplo: un
sistema de sensores digitales puede visualizarse a través de un circuito basado en
microcontrolador y permitir de esa forma realizar un voltímetro.
En todos los casos se pide a los alumnos que diseñen sus propios circuitos, distintos
para cada alumno.
6. CONCLUSIONES
Se han presentado propuestas de prácticas de laboratorio de electrónica, donde el alumno
comienza con el diseño de la aplicación y concluye con las pruebas de los prototipos.
Este tipo de prácticas atraviesa todas las fases del proceso de aprendizaje, se
aprovecha y suscita el interés de los alumnos y requiere un equipamiento mínimo.
Nos proponemos para el futuro llegar a construir un sistema de prácticas semejante
para distintas asignaturas y dotarlas de la compatibilidad necesaria para que puedan
interactuar entre ellas. Esta metodología deberá contar con las siguientes características:
- Abarcar el mayor número posible de asignaturas y prácticas.
- Mantener una normalización entre las prácticas.
- Utilizar equipos que requieran un aprendizaje mínimo.
- Buscar la creatividad del alumno o, la interacción del alumno con los equipos.
- Utilizar componentes reales en alguna fase del diseño.
- Idear algún procedimiento de equipar a los alumnos con instrumentación de bajo
coste o instrumentación virtual que les permita trasladar el aprendizaje fuera de las
aulas.
Con el fin de conseguir la mayor difusión se invita a todos los interesados a debatir
estas ideas y colaborar en el desarrollo de los equipos.
7. AGRADECIMIENTO
El desarrollo de este trabajo ha sido subvencionado por la Universidad del País Vasco, ref.
9/UPV 00147.345-13475/2001.
8. BIBLIOGRAFÍA
[1] A. Santos, E.I. Boemo, J. Faura y A. Vilallonga, “Microcontroladores: un laboratorio a distancia”, I
Congreso de Tecnologías Aplicadas a la Enseñanza de la Electrónica, Universidad Politécnica de Madrid,
Madrid, pp. 421-428, 1994.
[2] G. Aranguren y L.A.L. Nozal, “Prácticas con microcontroladores PIC”, II Congreso de Tecnologías
Aplicadas a la Enseñanza de la Electrónica, Universidad de Sevilla, Sevilla, Volumen II, pp. 50-55, 1996.
[3] J. Jiménez y G. Aranguren, “Microcontroladores PIC en el laboratorio de Sistemas Digitales”, IV Congreso
de Tecnologías Aplicadas a la Enseñanza de la Electrónica, Universidad Autónoma de Barcelona, Barcelona,
Volumen II, pp. 487-490, 2000.
6