Am ales acest tem avnd n vedere modernizarea procesului de predare/nvare n nvmntul preuniversitar, cu aplicaii directe ctre disciplinele tehnice

Laboratorul de electronic ntr-o singur platform educaional

- Placa de test Electronics Explorer board - drd. ing. Todor Vlad TomasColegiul Tehnic de Comunicaii Augustin Maior din Cluj-Napoca

prof. dr. ing. Mircea Dbcan

Universitatea Tehnic din Cluj-NapocaAa cum spune i numele, tema aleas are n vedere exploatarea resurselor unui laborator de electronic complet, cu tot ce conine acesta (aparate de msur, surse de semnal, osciloscoape, etc.) ce este construit n jurul unei plci de test. Aceast plac de test se numete Electronics Explorer board pe suportul creia este integrat toat aparatura necesar unui laborator de electronic. Ea folosete resurse materiale minime (economie de spaiu i bani) i ofer n schimb o abordare complet diferit a aplicaiilor ce se efectueaz n cadrul laboratoarelor de electronic. Defapt este un laborator de electronic virtual i foarte mobil. Un alt aspect, care nu trebuie neglijat, este integrarea calculatorului n acest nou abordare, n momentul actual cam totul fcndu-se asistat de calculator. Din punct de vedere tehnic, aceast plac rspunde deodat mai multor cerine: osciloscop cu 4 canale de 40Mhz;

voltmetru cu 4 canale;

2 tensiuni de referin programabile;

generator de semnale cu 2 canale;

trei surse de alimentare, 2 dintre ele fiind programabile;

analizor logic cu 32 de canale;

32 de intrri/ieiri digitale (ntreruptoare, push-button, LED-uri etc).

Toate aceste aplicaii se implementeaz cu ajutorul unui soft specific (WaveForms) care se instaleaz pe un calculator, ce nu necesit resurse deosebite. Pentru simularea comportamentului acestor aplicaii se folosete tehnologie FPGA i se folosete o interfa digital foarte prietenoas cu utilizatorul i simplu de folosit, avnd cunotine de baz n domeniul electronicii. Datele simulrilor i a experimentelor se pot salva foarte simplu ntr-o baz de date sub form de fiiere text sau imagine, ce poate fi folosit ulterior la evaluarea lor. Schemele se realizeaz relativ simplu, prin implantarea pieselor electronice pe placa de test i conectarea lor cu ajutorul unor fire de legtur la sursele de alimentare i la aparatele de msur integrate pe plac.n cadrul Colegiului Tehnic de Comunicaii Augustin Maior am decis s ncep un studiu n ceea ce privete eficiena predrii orelor de laborator cu ajutorul acestei noi plci de test, n paralel cu metodele clasice. Avnd ca reper dou clase de liceu (a IX-a i a X-a) la care predau dou materii (Tehnologie general electronic i Msurri electrice), dup un semestru am putut s strng o serie de date iniiale cu care s-mi formez o idee asupra impactului pe care l are o astfel de plac n procesul de predare i nvare, asupra complexitii informaiilor necesare n cadrul fiecrui laborator, dar i asupra evoluiei competenelor tehnice ale elevilor. Astfel, n continuare v voi prezenta configuraia plcii de test, una dintre interfeele softului Waveforms i o lucrare de laborator adaptat la obiectivele urmrite anterior. Placa de test Electronics Explorer board

(EEboard)

n imaginea de mai jos este prezentat structura plcii de test, cu principalele ei module. Desigur c toate acestea nu pot fi implementate dect cu ajutorul unui soft propriu i a unui calculator sau a unui laptop, care nu necesit resurse hardware deosebite. Folosind o conexiune USB, se asigur rspunsul n timp real a instrumentelor de msur i a surselor de semnal de pe plac.

Particulariti tehnice:

cele dou plci de test pentru montaje sunt de tipul breadboard. Ele nu sunt conectate electric de celelalte instrumente din jurul lor i nici ntre ele. Sunt pur i simplu lipite de placa de textolit sub care este proiectat tot creierul sistemului.

conectorul USB face legtura dintre partea hardware i cea software instalat n prealabil pe un calculator sau laptop. Softul se numete WaveForms, nu necesit resurse pretenioase i se instaleaz gratuit de pe site-ul productorului:

http://www.digilentinc.com/Products/Detail.cfm?NavPath=2,66,849&Prod=WAVEFORMSSoftul Waveforms

Cu ajutorul acestui soft se creeaz virtual toate instrumentele necesare unui laborator de electronic: aparate de msur, osciloscoape, surse de tensiune i generatoare de tensiune. Aa cum e prezentat mai sus, placa de test EEboard, cu module i blocuri, tot aa se structureaz i softul Waveforms. Pentru nceput se prezint doar aplicaiile pe care le vom folosi la realizarea montajelor simple. Dup instalarea softului de pe site-ul productorului, se pornete aplicaia Waveforms. Dac nu este conectat nici o plac EEboard pe portul USB al laptopului sau computerului va porni automat varianta demo. Mai jos este prezent fereastra aplicaiei ce gestioneaz resursele modulelor Analog i Power.

Exerciiul 1

Folosind schema electric de mai jos, realizai montajul pe placa de test EEboard la care s conectai o surs de tensiune de 6V i 400mA, dup care msurai cderile de tensiune n diferite puncte ale montajului.

Rezolvare

Pentru schema electric de mai sus, la montajul propus pe placa de test, avem nevoie de dou fire de legtur, colorate n acest caz n verde. Deoarece vom folosi resursele modulelor Analog i Power, montajele le vom face n apropierea acestora. n continuare vom conecta dou fire de alimentare la capetele montajului (coloana 25 i coloana 33), de la sursa de tensiune pozitiv VP+ vom conecta firul de alimentare pozitiv (rou), iar de la sursa de tensiune negativ VP- vom conecta firul de mas (albastru). De la sursele de alimentare firele se pot conecta n oricare dintre cele ase guri delimitate de banda verde ngroat. Dup cum se observ, cele dou surse de alimentare sunt desprite de cte o coloan a dou guri, ce nu sunt conectate nicieri i care sunt delimitate de bara verde subire i de sgeata de deasupra, pentru a evita conexiunile accidentale ce pot duce la scurtcircuite.

Dup ce am fcut montajul, trecem la setarea surselor de tensiune n softul Waveforms. nainte de a porni softul, trebuie conectat placa de test prin cablul USB la calculator sau laptop. La pornirea softului, acesta va detecta placa i nu va mai trece n modul Demo. Apoi setm sursa de tensiune pozitiv VP+ la 6V i 400mA i o afim pe grafic, ca n figura de mai jos. Sursa de tensiune negativ rmne nesetat i neselectat, ea avnd rolul de mas.

Pe graficul din figura 8 se vizualizeaz toate aceste trei msurtori efectuate n decursul a unui minut. Se observ cum semnalul msurat de voltmetrul 4 n Cazul 1 msoar 0V. Apoi trece la nivelul de 6V, msurnd tensiunea din Cazul 2. Dup cteva secunde semnalul trece brusc n 0V apoi revine la 1,2V, msurnd tensiunea din Cazul 3. Semnalul afiat are un astfel de comportament din cauza deconectrii firului de la terminalul lui R1 i mutrii fizice a acestuia la terminalele lui R1 i R2. Timpul ct firul a fost n aer pn l-am conectat din nou la plac se poate observa pe grafic prin exact aceast cdere a semnalului n 0V (n aer voltmetrul nu msoar nimic). Apoi, la reconexiunea pe plac, semnalul trece din 0V n 1,2V.

n zona de selecie a semnalelor se observ c este selectat pentru vizualizare semnalul Vmtr1 (voltmetru 1), iar la Value apare 1,2V adic exact ultima msurtoare care se efectueaz i care apare i pe grafic privind de la dreapta la stnga.

Exerciiu n clas

Realizai schema electric de mai jos pe placa EEboard, msurai cderile de tensiune n punctele cheie i explicai valorile vizualizate, dup modelul de mai nainte.

Concluziin urma observaiilor fcute timp de un semestru privind evoluia celor dou clase, am constatat c n prim faz materialul predat n cadrul orelor de laborator trebuie structurat n trei mari capitole: placa de test EEboard, softul Waveforms i curricula corespunztoare materiei predate. Cele trei capitole trebuie prezentate, pe ct este posibil, n paralel pentru a nu aprea lacune n informaiile asimilate pe parcurs. De exemplu, dac ntr-un laborator se prezint o component electronic, n cadrul urmtorului laborator s se prezinte particulariti ale plcii de test i o mic aplicaie cu componenta prezentat n laboratorul trecut, cu ajutorul creia elevii s-i nsueasc att deprinderile lucrului cu placa de test ct i cunotinele referitoare la componenta studiat anterior. Apoi se trece la studierea softului Waveforms, ce trebuie corelat n finalul laboratorului cu o aplicaie ce folosete att placa de test ct i o component electronic. Astfel ciclul se repet, crescnd mereu complexitatea aplicaiilor.n prim faz vor aprea unele dificulti n ceea ce privete ritmul predrii, mai ales n cazul clasei a IX-a. Din testele iniiale date la nceputul semestrului, a putea spune c doar 20% dintre ei aveau cunotine de baz sau generale despre electronic. La clasa a X-a lucrurile deja stau altfel, iar n urma testelor iniiale 70% dintre ei aveau cunotinele elementare necesare abordrii acestei noi metode de predare. ns dup un semestru pot spune c dificultile adaptrii elevilor cu noile resurse se pot depi, n continuare putndu-se parcurge curricula fr probleme. Unul dintre neajunsurile ntmpinate n acest demers a fost elaborarea materialului de curs. Deocamdat pe site-ul productorului acestei platforme educaionale exist un material de studiu, dar care nu se poate folosi n cadrul unui laborator de electronic din ciclul liceal. Astfel, n cadrul acestei cercetri ce se va ntinde pe o perioad de cel puin doi ani de zile, voi ncerca s elaborez un ndrumtor de laborator care s acopere cerinele celor dou materii urmrite, dar care s i valorifice la maximum dotrile acestei plci de test. Defapt doresc s propun o nou metod de lucru cu ajutorul creia elevul s deprind lucrul cu electronica, luat n ansamblu ei, pornind de la cele mai elementare gesturi: a lua piesa n mn, a studia-o individual, apoi a asambla-o ntr-un sistem conceput de el, a testa singur acel sistem, a putea s-i aduc mbuntiri/transformri n orice moment i n final a trage singur concluzii edificatoare. Marea problem a circuitelor deja asamblate (prezente n multe laboratoare de electronic sub form de module) e c ele sunt inabordabile n ceea ce privete interaciunea direct. Bineneles c se pot face mici ajustri (reglare de poteniometre, nchiderea/deschiderea unor ntreruptoare, conectarea/deconectarea unor jumperi etc.) dar practic structura lor de baz nu se poate modifica n nici un fel, componentele fiind lipite pe cablajul imprimat. Ori n cazul plcii-laborator propus de mine, elevul va avea libertatea de a-i gndi propria schem, de a o testa n orice fel dorete, chiar i de a putea grei montajele fr s-i fac probleme prea mari n privina integritii plcii de test...Scopul final al acestei cercetri este elaborarea unui nou sistem de nvare, care s poat fi la ndemna oricui vrea sa studieze i s neleag bazele electronicii analogice i digitale, prin prezentarea unui studiu comparativ-evaluativ ntre o metod de predare tradiional i una foarte modern.

R1

Fig. Msurarea tensiunii n Cazul 1.

Din graficul din figura 4 se poate observa cum semnalul trece din valoarea 0V n cea de 6V n monentul cnd am conectat firul de legtur maro. Astfel verificare fcut, trecem la urmtoarea etap, adic s msurm tensiunea montajului nostru n diferite puncte. n Cazul 1 deconectm captul firului maro de la VP+ i vom ncerca s msurm n punctul de conexiune al rezistoarelor R2 i R3, dar defapt vom msura punctul de mas (VP- nesetat i oprit), care e ntotdeauna 0V. n figura 8 se observ rezultatul msurtorii, n prima parte a graficului.

n Cazul 2, dac vom ncerca s msurm n punctul de conexiune al R1 i R3 defapt vom msura tensiunea de alimentare pozitiv (VP+ setat la 6V).

n Cazul 3, conectm firul maro la rezistorul de 22k ca n figura 7. Nu trebuie s ne ngrijoreze acest fir care trece peste firul albastru i peste rezistorul de 1k, atta timp ct el este izolat i nu face contact electric cu ele. Practic el este conectat pe coloana pe care se conecteaz R1 i R2. Voltmetrul 4 va msura tensiunea din acel punct spre mas, adic numai tensiunea de pe rezistorul R2 (1,2V).

R2

R3

R1

Fig 5. Msurarea tensiunii n Cazul 1.

Fig 4. Msurarea tensiunii VP+ cu voltmetrul 4 i afiarea pe grafic.

Dup aceste setri, prima dat verificm dac am obinut aceast valoare pe placa de test. Pentru asta conectm un fir de legtur (firul maro) ntre VP+ i Vmtr (voltmetrul 4 de exemplu). Dup conectare, vom afia pe grafic i semnalul msurat de voltmetrul 4. Pentru a putea citi corect datele de pe grafic, vom debifa rubrica Plot a semnalului VP+, lasndu-o bifat pentru semnalul Vmtr4, dup cum se poate observa n figura 4.

R2

R3

R1

Fig 1. Schema electric , cu dou rezistoare n paralel i ambele n serie cu al treilea.

Rezistorul de 1k

Rezistorul de 22k

Rezistorul de 4,7k

Fig 3. Zonele ce sunt setate pentru a obine 6V i 400mA.

R2

R3

R1

Fig 2. Montajul 1 cu firele de alimentare.

Fig 6. Msurarea tensiunii n Cazul 2.

Fig 7. Msurarea tensiunii n Cazul 3.

NOTA: Aceast lucrare a beneficiat de suport financiar prin proiectul " Creterea calitii studiilor doctorale n tiine inginereti pentru sprijinirea dezvoltrii societii bazate pe cunoatere", contract: POSDRU/107/1.5/S/78534, proiect cofinanat din Fondul Social European prin Programul Operaional Sectorial Dezvoltarea Resurselor Umane 2007-2013.

1 generator de semnale cu 2 canale

1 voltmetru cu 4 canale

2 surse de tensiune de referin

3 surse de tensiune

1 osciloscop cu 4 canale

1 conector

pentru alimentare

1 switch de pornire

1 conector

USB

2 plci de test pentru montaje

Fig 9. Schema electric cu dou rezistoare n serie i ambele n paralel cu al treilea.

Fig 8. Graficul cu cele trei msurtori. Cazul 1 Cazul 2 Cazul 3

32 de intrri/ieiri digitale

Placa de test EEboard

Zona 8 a graficului pentru vizualizarea amplitudinii i perioadei semnalelor.

Zona 7 a semnalelor ce vor fi vizualizate pe grafic.

Zona 6 a celor patru voltmetre

Zona 4 a celor dou tensiuni fixe

Zona 5 de reglare a tensiunilor de referin

Zona3 de reglare a sursei de tensiune negativ

Zona 2 de reglare a

sursei de tensiune pozitiv

Zona 1 de pornire/oprire a surselor de tensiune