Assessing Fundamentals of Analog-to-Digital Conversion Using Virtual Experiments in Electrical Engineering

• Elisabete Galeazzo ^[1] ; Rodrigo Anjos de Souza ^[1] ; Henrique E. Maldonado Peres ^[1] ; Maurício O. Pérez Lisboa ^[1] ; Wesley Beccaro ^[1] ; Leopoldo R. Yoshioka ^[1]
  1. [1] Universidade de São Paulo

     Universidade de São Paulo

     Brasil

     
• Localización: Revista Iberoamericana de Tecnologías del Aprendizaje: IEEE-RITA, ISSN 1932-8540, Vol. 20, Vol. 1, 2025, págs. 152-159
• Idioma: inglés
• Títulos paralelos:
  • Avaliacão dos Fundamentos da Conversão Analógico-Digital Utilizando Experimentos Virtuais na Engenharia Elétrica
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• Resumen
  • English

    Analog-to-digital (AD) conversion is a widely covered topic in Electrical and Electronic Engineering undergraduate programs. To enhance the effectiveness of learning and to engage students in this subject, hands-on activities, such as laboratory experiments, are essential bridging theory and practice. However, it has been observed that many students experience difficulties in learning this topic. One of the reasons is the students’ lack of practical skills in carrying out experimental hardware assemblies and handling instruments. Furthermore, note that the high cost of laboratory teaching infrastructure limits the availability of a sufficient quantity of materials and hardware equipment, especially when it is necessary to accommodate numerous students in practical activities simultaneously. To address these challenges, this study proposes a user-friendly Virtual Instrument (VI) developed in LabVIEW® to enhance the understanding and learning of AD conversion concepts. The VI allows users to select different signal types and configure the AD converter parameters, so the resulting effect of these modifications can be immediately viewed on the student computer screen. Due to its versatility, the computational tool has been applied to Electrical Engineering students at the Escola Politécnica of the Universidade de São Paulo (EPUSP) since 2020. It was first implemented during the social isolation caused by the COVID-19 pandemic and later incorporated into the Electrical Instrumentation course as an additional resource for in-person classes. To evaluate the effectiveness of the VI, an analysis was conducted with 59 students — 29 who exclusively performed the AD conversion experiment using the VI and 30 who used traditional electronics bench infrastructure. The first group achieved a mean grade of 8.78, compared to a mean grade of 7.53 for the control group, which used the laboratory infrastructure. These findings suggest that students using the VI statistically outperformed their counterparts, with an average grade improvement of 16.6%. Therefore, we consider our approach a valuable complementary resource for teaching fundamental AD conversion concepts, with potential for application in other areas of engineering, such as in telecommunications, embedded systems, signal processing, among others.

  • português

    A conversão analógico-digital (A/D) é um tema central nos cursos de graduacão em Engenharia Elétrica e Eletrónica. Para tornar o aprendizado mais eficaz e engajar os estudantes nesse conteudo, atividades práticas, experimentos laboratoriais, são fundamentais para consolidacão do conhecimento teórico. No entanto, observa-se que muitos estudantes enfrentam dificuldades para compreender os princípios da conversão A/D. Uma das razões é a falta de habilidades práticas dos alunos para realizar montagens experimentais utilizando componentes físicos. Outro obstáculo é operar corretamente os instrumentos de medicão. Além disso, o alto custo da infraestrutura de laboratórios de eletrónica e eletricidade limita a disponibilidade de materiais e equipamentos. Esse fato é agravado quando há grande número de alunos participando simultaneamente das atividades práticas. Visando superar esses desafios, este estudo propõe um Instrumento Virtual (VI) desenvolvido em LabVIEW®, com interface amigável, visando facilitar a assimilacão dos conceitos envolvidos na conversão A/D. O VI permite ao usu´ ario selecionar diferentes tipos de sinais e configurar os parˆ ametros do conversor A/D, possibilitando visualizar imediatamente os resultados dessas alteracões na tela do computador. Por sua versatilidade, o VI tem sido utilizado desde 2020 pelos estudantes de Engenharia Elétrica da Escola Politécnica da Universidade de São Paulo (EPUSP). A solucão foi inicialmente implementada durante o per´ ıodo de isolamento social causado pela pandemia da COVID-19 e, posteriormente, incorporada como recurso adicional nas aulas presenciais do curso de Instrumentacão Elétrica. Para avaliar a eficácia do VI, foi realizada uma análise com 59 estudantes — sendo 29 que realizaram exclusivamente o experimento de conversão A/D utilizando o VI e 30 que utilizaram a infraestrutura tradicional de bancada de eletrónica. O primeiro grupo obteve uma média de 8,78, enquanto o grupo de controle, que utilizou a infraestrutura laboratorial, obteve uma média de 7,53. Esses resultados indicam que os estudantes que utilizaram o VI apresentaram desempenho estatisticamente mais elevado, com rendimento superior nas notas de 16,6% em comparacão com o grupo de controle. Portanto, consideramos nossa proposta um recurso complementar valioso para o ensino de conceitos fundamentais de conversão A/D, com potencial de aplicacão em outras ´ areas da engenharia, como telecomunicacões, sistemas embarcados e processamento de sinais.