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UNIVERSIDAD DE ZARAGOZA ESCUELA UNIVERSITARIA DE INGENIERÍATÉCNICA INDUSTRIAL Simulador Web de Circuitos con Amplificadores Operacionales PROYECTO FIN DE CARRERA DE INGENIERÍA TÉCNICA INDUSTRIAL Especialidad Electrónica Septiembre de 2013 AUTOR: Oscar Fustero Zapata DIRECTOR DEL PROYECTO: Jesús Navarro Artigas Área de Tecnología Electrónica 0 ÍNDICE DE CONTENIDOS Capítulo 1: Introducción y Entorno. 1 1.1 Visión general. 1 1.2 Bases, desarrollo y objetivos del proyecto. 2 1.3 Java y compatibilidad. 4 1.4 Entorno elegido. 7 Capítulo 2: Applets, Java y requisitos 8 2.1 ¿Por qué applets? 8 2.2 ¿Qué es un applet? 10 2.3 Estructura de un applet. 11 2.4 Applets y librerías Java. 12 2.5 Proceso de ejecución de un applet por un explorador web. 13 2.6 Requisitos mínimos del Sistema. 14 2.7 Configuración de Java y navegadores en Windows. 15 Capítulo 3: Etapas, interfaz y manual de usuario. 16 3.1 Etapas implementadas 16 3.2 Interfaz. Simulación Dinámica Comparativa 18 3.3 Explicación de la Interfaz. Manual de usuario 20 3.3.1 Ventana de simulación dinámica 21 3.3.2 Ventana de simulación estática 22 3.3.3 Área de introducción de datos 23 3.4 Etapas con interfaz especial 28 3.4.1 Etapas logarítmica y antilogarítmica 28 3.4.2 Etapas oscilador en puente de Wien y de retardo de fase 29 3.4.3 Circuito 3 29 Capítulo 4: Conclusiones 31 Capitulo 5: Contenido del Cd Adjunto y Archivos del Proyecto 32 Bibliografía. 33 1 1 INTRODUCCIÓN 1.1 VISIÓN GENERAL Hoy en día, en la sociedad española en la que vivimos, cada vez es mas frecuente, ver ir niños al colegio con un móvil inteligente en la mano. Juegan, se divierten, se comunican e interactúan con otros niños que al igual que ellos poseen otro móvil, con sistemas cada vez más inteligentes. Conformen crecen se convierten en adolescentes y aparecen en su vida otros dispositivos, PDA, Consolas de juegos, el ordenador de sobremesa en casa o la pizarra Electrónica en el colegio. Sus progenitores hacen uso de ellos, sus profesores hacen uso de ellos, la sociedad hace uso de ellos. Se acostumbran a vivir rodeados de todos estos dispositivos, e interactúan y los comprenden, muchas veces incluso mejor que sus mayores. Posteriormente llegan a la Universidad, en este caso a la de Zaragoza y aparece el portátil. Con él pueden coger apuntes digitalmente en clase, tienen acceso al Anillo Docente Digital de la Universidad de Zaragoza, donde pueden ver apuntes de cualquier asignatura que esté disponible. Y tienen acceso, mediante la wifi, a toda la basta información que significa acceder a Internet. Actualmente, cuando entras en una biblioteca de la universidad de Zaragoza, gran cantidad de estudiantes lo hacen delante de un portátil. Y el uso de papel y lápiz, que es fundamental para ciertos aprendizajes, disminuye cada año que pasa. Lo sustituyen programas como Word para textos, Excel para gráficas y cálculos, PowerPoint para presentaciones y por su puesto los Navegadores, las webs e Internet. Estas nuevas herramientas traen grandes ventajas en cuanto a la cantidad de información que es accesible, pero también algunos inconvenientes, pues la facilidad con la que se obtiene todo, les hace a veces, de acuerdo con mi experiencia personal, profundizar poco en esos conocimientos y despreciar en algunos casos aquellos magníficos libros y autores con los que yo aprendí durante la carrera. Sin embargo, el barco ya zarpó y es imparable. Y yo he querido subirme a él, ponerme en el lugar del alumno de hoy en día, y hacer mi aportación aceptando la propuesta del director de este proyecto fin de carrera. Una aportación totalmente orientada a la docencia, teniendo en cuenta los medios actuales en uso, con un enfoque de aprendizaje rápido y directo, libre de profundidades conceptuales. 2 1.2 BASES, DESARROLLO Y OBJETIVOS DEL PROYECTO. Se trataba de desarrollar un simulador de circuitos electrónicos con amplificadores operacionales, que sirviera como complemento docente, en la asignatura de Electrónica Analógica, impartida en el grado de Tecnologías y Servicios de Telecomunicación de la Universidad de Zaragoza por el Director del Proyecto, Don Jesús Navarro Artigas. Con este proyecto se pretende dotar, por parte del profesor al alumno, de una herramienta de aprendizaje dinámica y visual con la que se ilustran los comportamientos de diferentes etapas y circuitos vistos en dicha asignatura. De esta manera, ciertos conceptos de la asignatura que podrían resultar un tanto abstractos, pueden entenderse de una manera más sencilla mediante las aplicaciones gráficas que se han desarrollado. La idea principal de este proyecto es que el alumno, una vez presentados los desarrollos conceptuales en clase, pueda asimilarlos de una manera más rápida mediante las diferentes simulaciones que proporcionan los applets desarrollados. El simulador debía estar adaptado a la asignatura, pero también al nuevo perfil del alumno. Sencillo y de aprendizaje rápido. Además debía ser posible utilizarlo desde cualquier de los dispositivos electrónicos que he mencionado. Había que buscar el elemento más común en todos ellos. Y lo hay: todos pueden acceder a internet, todos tienen un navegador y casi todos pueden correr aplicaciones basadas en java desde el navegador. Por tanto el simulador debía ser un simulador web basado en Java. Sin embargo, crear un simulador desde cero era tarea ingente para un proyecto fin de carrera llevado a cabo por un solo alumno. Por lo que se partió de dos softwares ya desarrollados, y a los cuales debo mi gratitud: - El primero es un proyecto ya desarrollado para esta asignatura, por Jorge Mañas Gregorio, exalumno de la universidad de Zaragoza, en el que se emulaban de forma estática las diferentes etapas con amplificadores analógicos, y que debido a su antigüedad, o mejor dicho a la velocidad con que se dan los cambios en informática, había dejado de funcionar, principalmente por la gran cantidad de código obsoleto. Este proyecto estuvo dirigido por Don Jesús Navarro Artigas y la propiedad intelectual es compartida por ambos. Habiendo sido entregado como proyecto final de carrera en la Universidad de Zaragoza. 3 - El segundo es un proyecto desarrollado inicialmente por Paul Falstad, matemático de carrera y programador por afición. Y consiste en un simulador de circuitos dinámico, con una matemática bastante compleja, basado en java, con una capacidad limitada de simulación, modelos de componentes electrónicos simples, y un código bastante farragoso y caótico, debido a las numerosas incursiones y aportaciones que otros colaboradores y estudiantes han hecho. El proyecto esta publicado en su página web, y los requisitos para su uso comprenden la posible modificación y redistribución del código siempre y cuando no sea para propósito comercial, como lo es en este caso. Partiendo pues de estos dos softwares y estando los dos realizados bajo Java y con el uso de Applets. El lenguaje y el medio sobre el cual trabajar quedó definido. Así pues, el simulador web se ha construido agrupando cuatro premisas: estas dos partes de programación, sincronizadas con los apuntes de la mencionada asignatura de Electrónica Analógica, y por último enfocando el simulador al alumno actual. Trabajo sin ninguna duda amplio y muy dificultoso, debido principalmente a la amplitud del lenguaje java y la extrema diferencia de forma de programar de uno y otro autor. La mayor dificultad y más de la mitad del tiempo y esfuerzo empleado ha venido de entender y comprender las aproximadamente 20.000 líneas de código programadas por Jorge Mañas y las 12.000 de Paul Falstad, que por otro lado son de un nivel matemático muy grande. En la parte de Mañas, se ha realizado un gran trabajo actualizando gran número de líneas y código que ya no funcionaban, por estar obsoletas. Se han quitado las imágenes estáticas y se han sustituido por la simulación dinámica del circuito. Para ello se han añadido unas 3000 líneas más necesarias para unificar el simulador. En la parte de Falstad, se han recortado unas 5000 líneas de código no necesarias para este simulador y se han cambiado la mayoría de las restantes, excepto las que se refieren al núcleo matemático de computación del simulador. Se ha traducido al español y comentado la mayoría del código restante, para que pueda ser rehusado fácilmente. Y se han cambiado varias librerías correspondientes a modelos de componentes electrónicos: Diodo, fuente de voltaje, resistencia, terminal de voltaje, amplificador operacional, transistor, etc., además de algunas librerías para la carga y descarga de los circuitos. Y en especial se ha regenerado y cambiado la representación gráfica de todo el simulador, para cumplir con esa cuarta premisa de ser sencilla al alumno de hoy. Otro objetivo de este proyecto era que se pudiera ejecutar en servidor, para evitar la dependencia de la capacidad de computación del ordenador cliente. Esto se ha conseguido 4 por el hecho de estar programado en java pero con el código en forma de applets. En capítulos siguientes me extenderé más sobre las cualidades de un applet. Y, más que un objetivo, un deseo mutuo del autor y el director del proyecto, era que fuera gratuito y de fácil alcance para el alumno de la Universidad de Zaragoza. En especial, quería ayudar al alumno con insuficientes recursos como para poder comprar un simulador comercial. El simulador aquí desarrollado es gratuito y se colgará en el anillo docente digital de forma que los alumnos puedan a acceder a el fácilmente. Además podrá ser cambiado y mejorado por otros alumnos que lo deseen, con sólo solicitarlo al autor o el director de este proyecto, ya que los derechos de autor sobre los resultados del mismo pertenecen, indistintamente, tanto al autor como al director del mismo. Por otro lado el simulador no permite una emulación compleja como la de otros simuladores comerciales como Pspice, Ni Multasen o EletroWin. Sin embargo no era un objetivo de este proyecto hacer una simulación exhaustiva. 1.3 JAVA Y COMPATIBILIDAD Java se originó cuando algunas personas de Sun Microsystems trataban de desarrollar un lenguaje nuevo adecuado para programar aparatos caseros orientados a información. Después se reorientó el lenguaje hacia la World Wide Web. Aunque Java toma prestadas muchas ideas y algo de la sintaxis de C y C++, es un lenguaje nuevo orientado a objetos, incompatible con ambos. La idea principal de usar Java para páginas Web interactivas es que una página Web puede apuntar a un programa Java pequeño, llamado applet (que podría traducirse como "aplicacioncita"). Cuando el visualizador llega a ella, el applet se “baja” a la máquina cliente y se ejecuta ahí de una manera segura. Debe ser estructuralmente imposible que el applet lea o escriba archivos que no está autorizado a acceder. Debe también ser imposible que el applet introduzca virus o cause algún otro daño. Por estas razones, y para lograr transportabilidad entre máquinas, los applets se compilan para crear un código de bytes después de escribirse y depurarse. Son estos programas en código de bytes a los que apuntan las páginas Web. Antes de entrar en detalles del lenguaje Java, vale la pena decir algunas palabras sobre la utilidad del sistema Java y las razones por las que la gente quiere incluir applets Java en sus páginas Web. 5 Por una parte, los applets permiten que las páginas Web se vuelvan interactivas. Otra razón para ejecutarlos en la máquina cliente es que hace posible la adición de animación y sonido a las páginas Web sin tener que llamar a visualizadores externos. Como el applet se ejecuta localmente, aun si se está interpretando, puede escribir en cualquier parte de la pantalla de la manera que quiera y a muy alta velocidad. El sistema Java tiene tres partes: 1. Un compilador de Java a código de bytes. 2. Un visualizador que entiende applets. 3. Un intérprete de código de bytes. Un programa en Java consiste en uno o más paquetes, cada uno de los cuales contiene algunas definiciones de clases. Los paquetes pueden accederse remotamente a través de una red, por lo que aquellos destinados para ser usados por mucha gente deben tener nombres únicos. Una definición de clase es una plantilla para producir ejemplares de objetos, cada uno de los cuales contiene las mismas variables de estado y los mismos métodos que todos los otros ejemplares de objetos de su clase. Sin embargo, los valores de las variables de estado de los diferentes objetos son independientes. Las clases, por tanto, son como moldes para hacer piezas: no son las piezas realmente, pero sirven para producir piezas estructuralmente idénticas, produciendo cada molde de piezas una forma diferente de pieza. Una vez producidas, las piezas (objetos) son independientes entre sí. Además del lenguaje básico, los diseñadores de Java definieron e implementaron unas 200 clases con la versión inicial, que han ido ampliando con el paso del tiempo. Los métodos contenidos en estas clases forman una especie de entorno estándar para los creadores de programas Java. Las clases están escritas en Java, por lo que son transportables a todas las plataformas y sistemas operativos. Estas clases se agrupan en paquetes de tamaño desigual, cada uno de los cuales se enfoca hacia algún tema central. Los applets que necesiten un paquete en particular pueden incluirlo usando el enunciado import de Java. Los métodos contenidos pueden usarse según se requiera. Este mecanismo reemplaza la necesidad de incluir archivos de cabecera propia del lenguaje C. También reemplaza la necesidad de bibliotecas, puesto que los paquetes se cargan dinámicamente durante la ejecución al ser invocados. 6 Se enuncian brevemente estos paquetes: • java.lang -> para funciones del lenguaje. • java.util -> para utilidades adicionales. • java.io -> para manejo de ficheros. • java.text -> para formato de texto especializado. • java.awt -> para diseño gráfico e interfaz de usuario. • java.awt.event -> para gestionar eventos • javax.swing -> nuevo diseño de GUI (Graphical User Interface). • java.net -> para comunicaciones. • java.applet -> contiene parte de la maquinaria básica de los applets. En el presente proyecto, principalmente se hace uso de los paquetes java.applet, java.awt, java.awt.event y javax.swing. A pesar de usar librerías standard de java, y de la política que tanto la compañía Sun Microsystems, fundadora del lenguaje Java, como de Oracle nueva propietaria, consistente en maximizar la compatibilidad entre todas las versiones de java, he tenido que tener especial cuidado de no usar propiedades métodos y objetos de dichas librerías que aun están disponibles pero que están obsoletos o van a ser obsoletos, tal como declara el IDE NetBeans en su ayuda contextual al programar con Java y la página web de Oracle sobre Java. De hecho, como ya he comentado, el proyecto realizado por Jorge Mañas, utilizado en parte para realizar la parte estática de este simulador, había dejado de funcionar, y la razón principal es que algunos de los métodos y eventos de los objetos utilizados estaban obsoletos. La parte de código usado proveniente del simulador de Paul Falstad, funcionaba correctamente, sin embargo también existían deficiencias y métodos obsolescentes que se han corregido. Así pues usando los foros de programación, la ayuda de Oracle sobre el lenguaje Java y la ayuda contextual del IDE NetBeans se han eliminado y sustituido estos métodos, eventos y propiedades. Con el fin de mantener la compatibilidad y la vida útil de este proyecto durante el máximo tiempo posible. Algunos de los métodos y eventos que con más frecuencia han aparecido y han sido actualizados son: 7 java.awt.Dialog.show() -> setVisible(boolean) java.awt.Component.resize(int, int) -> setSize(int, int) java.awt.Dialog.hide() -> setVisible(boolean) javax.swing.AbstractButton.setLabel(String) -> setText(text) cast the intenger y doubles redundantes -> se eliminaron java.awt.Component.move(int, int) -> setLocation(int, int). java.awt.Component.handleEvent(Event) -> processEvent(AWTEvent). java.awt.Component.show() -> setVisible(boolean) java.awt.Scrollbar.setLineIncrement(int) -> setUnitIncrement(int). java.awt.CheckboxGroup.setCurrent(Checkbox)->setSelectedCheckbox(Checkbox) java.awt.Component.reshape(int, int, int, int) -> setBounds(int, int, int, int). java.awt.TextArea.replaceText(String, int, int) -> replaceRange(String, int, int). java.awt.Container.preferredSize() -> getPreferredSize(). java.awt.Container.insets() -> getInsets(). java.awt.Component.bounds() -> getBounds(). java.awt.Container.countComponents() -> getComponentCount(). java.awt.Menu.countItems() -> getItemCount(). java.awt.MenuItem.disable() -> setEnabled(boolean). java.awt.Component.disable() -> setEnabled(boolean). java.awt.MenuItem.enable() -> setEnabled(boolean). java.awt.Component.enable() -> setEnabled(boolean). 1.4 ENTORNO ELEGIDO Dentro de un tema concreto, un applet puede estar limitado a un solo concepto, o puede tratar varios conceptos relacionados. La selección de un tema apropiado para un applet y una buena práctica son extremadamente importantes. Al ser una herramienta visual para el aprendizaje, el aspecto del interfaz de usuario de la aplicación es importante. Un mal diseño del GUI (Graphical User Interface) puede llevarnos a un applet que no sea muy útil a pesar del gran esfuerzo realizado en su desarrollo. El GUI del applet se puede desarrollar por separado del resto del programa, haciendo uso de las ventajas de la programación orientada a objetos de Java. Para el GUI también podemos utilizar una herramienta de desarrollo visual. 14 2.6 REQUISITOS MÍNIMOS DEL SISTEMA Los requisitos técnicos mínimos para visualizar correctamente los applets en un equipo son los siguientes: 1-Disponer de un navegador web. El simulador ha sido probado con las versiones mínimas de los siguientes navegadores: -Internet Explorer 4.0 -Mozilla Firefox 5.0 -Google Chrome 6.0 Y también ha sido verificado y funciona con las últimas versiones de: - Google Chrome versión 29.0.1547.62. Puede descargarlo aquí: https://www.google.com/intl/es/chrome/browser/ Puede descargar otras versiones de Google Chrome en: http://es.oldversion.com/windows/google-chrome/ - Internet Explorer versión 10.0.9200.16660. Puede descargarlo aquí: http://windows.microsoft.com/es-ES/internet-explorer/download-ie Puede descargar otras versiones de Internet Explorer en: http://es.oldversion.com/windows/internet-explorer/ - Mozilla Firefox versión 22.0. Puede descargarlo aquí: http://www.mozilla.org/es-ES/firefox/new/#download-fx Puede descargar otras versiones de Mozilla Firefox: https://ftp.mozilla.org/pub/mozilla.org/firefox/releases/ 2Un monitor que permita una resolución mínima de 600x800, aunque la aplicación está optimizada para la resolución 1024x768. Y puede funcionar a mayores resoluciones. 3El procesador mínimo con el que ha sido probado y funciona correctamente fue un procesador Intel Pentium 500Mhz con 1GBytes de RAM. También ha sido probado con portátiles de gama media. Y con un AMD A10-5800 APU con 8GBytes de RAM. Por supuesto, la parte dinámica depende del procesador para poder dar una respuesta correcta, 15 pero principalmente esta dependencia se relaciona con la frecuencia de las ondas simuladas. Por lo que en caso de tener un procesador pequeño se recomienda simular a bajas frecuencias, y jugar con la barra de deslizamiento Simulación. Que permite ajustar la velocidad de cálculo y representación de la parte dinámica de la simulación. 4Se ha trabajado principalmente con el sistema operativo Windows 7, pero se ha probado en Windows xp y en Windows Vista, y funciona. Durante el desarrollo y prueba del simulador no se han experimentado conflictos que hagan colgarse al sistema operativo, pero sí a algunos navegadores en ciertas condiciones extremas: -Si abre la aplicación en ordenadores con poca capacidad de computación, o ejecuta el simulador introduciendo valores de frecuencia muy altos, puede encontrar desde que el redibujo del applet dinámico parpadea por que no se puede dibujar a tanta velocidad, pasando por que su navegador se ralentiza y llegando hasta tal punto que deberá reiniciar el navegador. -Si abre varias ventanas del mismo simulador, simulando a la vez varios circuitos, dependiendo de la capacidad de su procesador y del navegador, o se ralentizará, o llegará un momento en que el circuito simulado no se cargará. Reinicie su navegador y cargue el circuito que desee. 5Por ultimo, pero lo más importante, es disponer de un ordenador con una máquina virtual de Java instalada. Se ha verificado el simulador con la versión de Java 6.0, y se ha optimizado el simulador con la última versión disponible Java 7.0.25. 2.7 CONFIGURACIÓN DE JAVA Y NAVEGADORES EN WINDOWS. No pasa un segundo en el mundo sin que internet crezca y se expanda. Conforme se produce esta expansión, siempre hay personas o agrupaciones de hackers que desean aprovecharse. Crean amenazas como virus y phishing. Por esto es conveniente tener tanto la versión de java como los navegadores actualizados. Sin embargo a veces a las compañías les resulta difícil mantener la compatibilidad entre proteger su ordenador de estas amenazas y permitirles total flexibilidad para la ejecución de cualquier programa en su propio ordenador. Por esto, al abrir la página web con alguna de las etapas de este simulador, esté atento a las diferentes señales que su navegador le dará: 16 -Si no aparece el simulador, y ni siquiera un cuadro delimitador, lo más probable es que tenga usted un conflicto con anteriores versiones de java. Le recomiendo desinstalar todas las versiones de java. Puede hacerlo desde el panel de control de su ordenador, vaya al administrador de aplicaciones o programas y desinstale java. Reinicie su ordenador e instale únicamente la última versión. -Si en su navegador aparece una barra amarilla en la parte superior o un aviso sobre vulnerabilidad de seguridad. Lea atentamente estos avisos, haga click sobre ellos, y elija permitir a la aplicación ejecutarse. Pues está ejecutando una aplicación segura. -Si su navegador intenta cargar el simulador y aparece un cuadro con un error en rojo, la configuración de su navegador y de java está establecida en un nivel demasiado restrictivo. Vaya a panel de control, haga click sobre el icono JAVA, y en la pestaña seguridad baje el nivel de seguridad a medio. Haga click en aplicar y reinicie su navegador. También es importante, especialmente en Mozilla Firefox, que tenga usted instalado el plugin de Java y que además lo seleccione como activo. Puede explorar las opciones de seguridad de su navegador, y busque en especial los permisos sobre plugins como JAVA. Actívelos. Por último le recomiendo que, una vez que haya terminado de aprender con el simulador, reestablezca su nivel de seguridad al nivel alto, para estar a salvo de posibles ataques de otras aplicaciones que funcione sobre Java y que vengan de internet. 3 ETAPAS, INTERFAZ Y MANUAL DE USUARIO. 3.1 ETAPAS IMPLEMENTADAS He dividido las 28 etapas implementadas con amplificadores operacionales en cuatro grupos: 1) Etapas en las cuales los amplificadores operacionales están configurados con realimentación negativa: a) Etapa amplificadora inversora. b) Etapa amplificadora no inversora. 17 c) Etapa amplificadora sumadora. d) Etapa amplificadora restadora. e) Etapa integradora. f) Etapa derivadora. g) Amplificador de instrumentación. h) Amplificador en puente. i) Conversor V/I. j) Conversor I/V. k) Etapa logarítmica. l) Etapa anti logarítmica. m) Rectificador de precisión. 2) Etapas en las cuales los amplificadores operacionales están configurados sin realimentación: a) Comparador de Nivel. b) Comparador de Ventana. 3) Etapas en las cuales los amplificadores operacionales están configurados con realimentación positiva: a) Comparador con Histéresis. b) Comparador con Histéresis Inversor. c) Astable. d) Monoestable e) Generador de Onda Triangular f) Generador de Barrido g) Conversor Tensión-Frecuencia. h) Oscilador en Puente de Wien. i) Oscilador de Retardo de Fase. 4) Etapas didácticas en las cuales los amplificadores operacionales se presentan en diferentes configuraciones y el alumno debe, analizarlas y averiguar qué tipo de comportamiento tendrán. Pudiendo posteriormente simularlas comprobando si dedujo correctamente su respuesta. 18 a) Circuito 1. b) Circuito 2. c) Circuito 3. d) Circuito 4. Al abrir cada una de las etapas, éstas aparecen dibujadas en la ventana del simulador dinámico, con todos sus componentes electrónicos, por lo que podemos aprender sus componentes y conexiones en dicha pantalla. Así mismo se dibujan mediante etiquetas de texto las fórmulas mas importantes para el análisis de cada etapa. Sin embargo, el simulador está creado para ser un una herramienta complementaria a la docencia, por lo que se recomienda para profundizar en el conocimiento de cada una de las etapas y de sus peculiaridades, leer el libro “Electrónica Analógica” de Don Jesús Navarro Artigas, que se encuentra disponible en la biblioteca Hypatia, u otros similares. 3.2 INTERFAZ, SIMULACIÓN DINÁMICA COMPARATIVA. El objetivo de todos las simulaciones es ilustrar de manera gráfica el funcionamiento de las diferentes etapas, de manera que el usuario, mediante la introducción de una serie de datos, valores de tensión/es de entrada, valores de componentes (resistencias, condensadores, etc…), puede observar en una pantalla, a modo de osciloscopio, la evolución estática de entradas y salidas, y la evolución dinámica de entradas y salidas de manera gráfica y no analítica. De esta forma se están dando dos informaciones de cada etapa, que son complementarias, y que sustituyen a la información total dinámica y analítica de la etapa, que normalmente incluyen todos los simuladores complejos y comerciales. Es decir, se está dividiendo la tarea de estudio y aprendizaje en dos partes más simples. Además se está añadiendo un concepto nuevo en la forma de aprendizaje de estas etapas, que proviene tanto de la contrastada experiencia docente del director del proyecto como de la propia experiencia docente del autor, y de los cursillos realizados por este último sobre métodos de estudios, memoria, audiencia y concentración, siguiendo el “Método Ilvem” cuyos autores son los hermanos Arnaldo y Horacio Alberto Krell. Una de las bases de este método es aumentar el número de conexiones neuronales que nuestro cerebro realiza al aprender, y para hacer esto tratan de que el cerebro cree más relaciones comparativas de todo tipo. Así pues, no se ha realizado una representación dinámica analítica profunda como es 19 común en los simuladores tradicionales y comerciales, sino que se ha realizado una representación dinámica comparativa, mediante códigos de colores y movimiento y pocos datos analíticos. Este método puede parecer un concepto muy novedoso o simple como para funcionar, pero no lo es, ya que se creó en 1974 y es tremendamente eficaz a pesar de su sencillez, existiendo escuelas de dicho método en 24 países del mundo y 3 continentes. Para que nos hagamos una idea de cómo funciona pondré un ejemplo: Un estudiante realiza un resumen, o esquema de cualquier materia. Aunque tenga poca idea, lo subdivirá en partes, pero al separar en partes sin darse cuenta esta creando relaciones comparativas entre ellas, necesarias para separar las partes. Si alguien con experiencia le enseña, seguro que añade diferentes estilos de subrayados, crea zonas y probablemente señala diferencias, creando más relaciones entre las diferentes partes del esquema, que así resulta más eficaz. Por último, un buen profesor, introduciendo el uso de colores y pequeños dibujos, lo convertirá en un esquema más fácil de recordar y que perdurará en la memoria más tiempo. Al establecer relaciones adicionales, usando esta vez el color como herramienta. Por fin, gracias a las nuevas tecnologías, hoy en día es posible hacer un esquema, que además de separaciones, diferentes tipos de letra, subrayados y colores, incluya animaciones, es decir movimiento. Y éste es un recurso definitivo para el aprendizaje rápido, como en mi experiencia docente he podido comprobar. El alumno de hoy en comparación con el de hace quince o veinte años, nace en un mundo rodeado de tecnología, y los programadores de ésta saben de la gran importancia del color y del movimiento, su capacidad de atraer la atención del consumidor, ya que están creando relaciones en su mente que perdurarán más que un simple texto llano o un dibujo estático, dada la dominante visual en el procesado de la información, propia de los humanos. He querido explayarme en este concepto tan simple pero tan importante, pues para mi tiene suma importancia, en realidad es “mi granito de arena” de contribución a la mejora del aprendizaje del alumno. Y además es la actualización real de uno de los objetivos del proyecto, la sencillez y el aprendizaje rápido, que los estudiantes demandan en este momento. También he creado una interfaz gráfica semejante para todas las etapas, se trata de repetir conceptos de una a otra, es decir, la distribución de sus componentes como, por ejemplo, campos de texto para la introducción de valores, etiquetas, botones simples y de selección, pantalla de salida de simulación, es similar en todas ellas. Es decir se trata de que una vez observada una, sea fácil intuir el funcionamiento de las restantes. Y por lo 20 tanto el simulador resulte sencillo. 3.3 EXPLICACION DE LA INTERFAZ, MANUAL DE USO. En la interfaz se observan tres partes claramente diferenciadas, que son comunes a todos los applets que simulan las etapas: (Figura 1). Figura 1. -Una ventana de simulación dinámica, arriba y a la izquierda. Y a su derecha 3 botones y 3 deslizadores, para manejar la simulación dinámica (figura 2). -Una ventana de simulación estática (osciloscopio) arriba a la derecha. Y debajo botones y deslizadores para regularla (figura 3). -Un Área de introducción de datos: se sitúa debajo de la ventana de simulación dinámica, con campos de texto, botones y deslizadores, que sirven para introducir y seleccionar los valores de diferentes características del circuito, como resistencia, capacidad, tensiones de entrada y alimentación, amplitudes y frecuencias (figura 4). 21 3.3.1 Ventana de simulación dinámica: Para controlar la representación de la simulación llevada a cabo, se cuentas con los siguientes botones/deslizadores (figura 2): Figura 2. -Botón “Encender/Apagar”: Activa o desactiva el cálculo de corrientes y tensiones en el circuito. -Botón “Intensidad Off/On+/On-“: Permite ver o no las intensidades del circuito, representadas como protones que avanzan (+) en el sentido de la corriente de forma convencional, o como electrones (-) que avanzan en sentido no convencional. -Botón “Voltaje/Potencia/Off”: Permite ver o no la representación del Voltaje o la Potencia, sobre los elementos. El color rojo significa un voltaje positivo, el negro voltaje nulo y el color cian un voltaje negativo. Si hablamos de potencias, el rojo significa potencia consumida, el negro potencia nula y el cian potencia entregada. -Deslizador “V.Simulación”: Permite incrementar o decrementar la velocidad de cálculo y representación del simulador. Si las frecuencias introducidas son muy altas, será 22 difícil apreciar los cambios en el circuito; moviendo hacia la izquierda el deslizador se podrán apreciar mejor. -Deslizador “V.Intensidad”: Cuando se ha seleccionado la representación de las intensidades permite incrementar o decrementar la velocidad con que los protones o electrones se mueven. Si se mueven demasiado rápido, desplazando el deslizador hacia la izquierda, disminuye su velocidad. -Deslizador “Cambio de Color”: Al representar el voltaje o la potencia, los diferentes valores son representados con una escala de 250 colores que va del rojo al cian, pasando por el negro. Si no se ve ningún color es necesario mover el deslizador hacia la derecha, y si sólo se ve rojo negro y cian hay que mover el deslizador hacia la izquierda. De esta forma se podrán apreciar variaciones en voltaje y potencia y comparar los diferentes elementos. 3.3.2 Ventana de simulación estática: Como podrás ver, se parece mucho a un osciloscopio.(Figura 3) Figura 3. 23 Tiene dos ejes, en el eje horizontal se representa el tiempo y en el eje vertical la tensión o intensidad. Debajo de el, hay 2 tipos de botones. Unos están dedicados a cambiar la escala de voltaje de representación del osciloscopio y otros a cambiar la escala de tiempo del osciloscopio. También hay un deslizador que permite ajustar la escala de tiempo con mayor sensibilidad. En todos los casos se ha pretendido que las simulaciones estáticas sean un reflejo fiel o una buena aproximación de lo que ocurre en un laboratorio cuando se observa el funcionamiento de estas etapas en el osciloscopio. 3.3.3 Área de introducción de datos: Está área se adapta a cada circuito. Sin embargo hay un botón, el más importante del simulador, que permanece fijo, es el botón “Simular” (Figura 4). Al apretarlo, y si todos los valores han sido correctamente introducidos, aparecerán las simulación dinámica y estática del circuito. Cada vez que se cambien los valores de los campos de texto, deberá apretarse el botón “Simular” para introducir los cambios tanto en el simulador estático como en el dinámico. Figura 4. 30 valores de R1, R2, R3, R4, V1 y V2, dado que estas regiones son cambiantes según los valores de las resistencias introducidas (Figura 11). Figura 11 Se han dispuesto varios campos de texto donde se muestra, cuando se pulsa el botón simular, el valor numérico de la función de transferencia para cada zona en la que puede trabajar el circuito. También en otros campos de texto se muestra la relación entre V1 y V2 sobre las fronteras entre regiones. Como en todos los circuitos de ejercicio, pulsando el botón de “Solución” se accederá a la ventana donde se da una explicación del comportamiento del circuito. 31 4 CONCLUSIONES El diseñar e implementar una herramienta informática destinada a poner en práctica los conocimientos teóricos adquiridos en la asignatura de Electrónica Analógica por parte de sus alumnos, ha resultado un claro reto para el autor de este proyecto. No sólo porque su realización ha supuesto poner en práctica de una manera novedosa los conocimientos adquiridos durante la carrera cursada, sino porque que además le ha obligado a situarse en la perspectiva del usuario final, es decir del alumno que va a aprender con la herramienta desarrollada. Por ello desde la primera etapa, en la que se estudió el problema planteado, se pensó en agilizar y facilitar el proceso de aprendizaje del alumno en dicha asignatura. Tras la finalización del proyecto aquí presentado, es factible comprobar que los objetivos inicialmente formulados, convenientemente tenidos en cuenta durante todo el desarrollo del mismo, se han cumplido de manera favorable, y mas que satisfactoria, consiguiendo de esta forma una aplicación amena, de uso fácil y totalmente práctica que enfrenta al alumno con los problemas planteados en la asignatura, permitiendo su interacción con los mismos y su rápida asimilación. 32 5 CONTENIDOS DEL CD ADJUNTO Y ORGANIZACIÓN DEL PROYECTO Dado que el propósito de la memoria no es la de dar una descripción profunda del código fuente, ni se pretende realizar un curso de programación, no se incluye código fuente dentro del presente texto. Seria de proceder dejar el código fuente para un Anexo, sin embargo, la aplicación ha terminado conteniendo 166.000 palabras y 37.000 líneas de código que en la letra Times New Roman tamaño 12, y con un tamaño A4 de hoja, ocuparían aproximadamente 925 páginas. Así pues, para reducir gasto en papel y el volumen físico del proyecto, se entrega todo el código de la , en este cd, dentro de una carpeta nombrada “Código Fuente” que a su vez contiene archivos en formato pdf de cada una de las clases Java implementadas. El manual de Usuario se ha incluido en la memoria, pero además, desde el enlace “Instrucciones de manejo” de la pagina web principal de arranque del proyecto, se puede acceder a una versión reducida, para que el alumno no necesite recurrir a la lectura completa de la memoria. También se ha incluido en la página web principal, abajo a la izquierda, un link a una pequeña guía para resolver problemas con java y los navegadores, que ha sido descrita con mayor amplitud en el punto 2.7 de esta memoria. Se entregan dos versiones del proyecto, una versión para servidor de menor peso en KBytes, dentro de la carpeta “Versión Servidor del Simulador”, y otra versión con mayor peso en KBytes para ejecutar la aplicación en cliente, dentro de la carpeta “Versión Cliente del Simulador”. En ambas versiones, la forma de arrancar el proyecto es haciendo click sobre el archivo “SimuladorAO.html”, que contiene enlaces a todas las etapas simuladas. También se puede arrancar cada una de las etapas individualmente, desde dentro de la carpeta “Proyecto Applets”, haciendo click sobre cada uno de los archivos HTML que contiene. Este cd incluye también una copia de la memoria del proyecto. 33 6 BIBLIOGRAFÍA Además de las direcciones web que han sido principales para la ejecución de este proyecto, quiero mencionar también el apoyo recibido de diferentes foros de programación en java, gracias a los cuales me he ahorrado gran cantidad de tiempo y esfuerzo al resolverme problemas que las guías standard no aclaran. [1] Java SE 7 API and developer guide Documentation. http://docs.oracle.com/javase/search.html [2] Información sobre Java. http://es.wikipedia.org/wiki/Applet_Java [3] Electrónica Analógica Jesús Navarro Artigas, Textos docentes de la universidad de Zaragoza. [4] Proyecto final de carrera de la universidad de Zaragoza “Herramienta informática de apoyo a la docencia en Electrónica Analógica basada en aplicaciones web. De Jorge Mañas Gregorio. [5] Página web de Paul Falstad http://www.falstad.com [6] Método de estudio, memoria, audiencia y concentración. Instituto de técnicas de estudio ILVEM. ISBN 129.740 [7] El Entorno de Programación de Fuente Abierto NetBeans. http://es.scribd.com/doc/967380/Tutorial-Netbeans [8] La clase Graphics, Métodos Generales http://tabasco.torreingenieria.unam.mx/gch/Curso%20de%20Java%20CD/Docu mentos/froufe/parte15/cap15-5.html [9] Apuntes de amplificadores operacionales de Pablo Morcello: http://www.ing.unlp.edu.ar/electrotecnia/tcieye/Apuntes/Amplificadores%20op eracionales%20_%20Rev2011.pdf [10] Como programar un applet. Guía básica. http://www.sc.ehu.es/sbweb/fisica/cursoJava/applets/intro/primero.htm [11] Painting in AWT and SWING. http://www.oracle.com/technetwork/java/painting [12] Book: Electronic Circuit and System Simulation Methods Lawrence T.Pillage, Ronald A. Rohrer, Chandramouli Visveshwariah