Visie van InnovationLab

Transcriptie

1

2 Inhoud Visie van InnovationLab... 3 Achtergrondinformatie... 4 Materiaal uitleg, voorbereiding en opbouw van de dag... 7 Gedetailleerde toelichting bij de modules Module 1: Biopotentiaal Module 2: Analoog naar digitaal Module 3: Elektro-oculografie Module 4: Programmeren Module 5: Cryptografie Afsluiten van de dag Evaluatieformulier leerkracht Pagina 2

3 Visie van InnovationLab Met het project InnovationLab wil de faculteit ingenieurswetenschappen van de KU Leuven leerlingen van de derde graad middelbaar onderwijs warm maken voor wetenschap en technologie, dit door het uitvoeren van leuke wetenschappelijke uitdagingen. Leerkrachten kunnen daartoe experimenteerkoffers met het nodige materiaal en omkaderende informatie kosteloos uitlenen voor een leuke project dag op school. Op deze manier hopen we een zo ruim mogelijk leerlingenpubliek te overtuigen dat wetenschap en technologie nuttig is voor de maatschappij en erg tof kan zijn. Om leerlingen te tonen dat wetenschap en techniek niet saai hoeft te zijn, biedt InnovationLab twee interactieve projecten aan, namelijk project Ooggestuurde Interface en project Energieopslag. Het project Ooggestuurde Interface, dat in deze bundel wordt omschreven, is ontwikkeld voor leerlingen met interesse voor wetenschap en wiskunde in de derde graad S.O. Het thema Ooggestuurde interface vertrekt vanuit een maatschappelijk kader, en wil leerlingen laten proeven van fysica, wiskunde en informatica op een leuke en ontspannen manier. Als opwarmer voorzien we een inleidend filmpje. Deze film vertrekt vanuit een maatschappelijke problematiek: Verschillende maatschappelijke uitdagingen zullen op ons afkomen in de 21 e eeuw. Om deze uitdagingen op een ingenieuze manier aan te pakken, heeft de maatschappij gemotiveerde en creatieve wetenschappers en ingenieurs nodig. Vandaag zullen de leerlingen zelf deze rol op zich nemen. Concreet worden de leerlingen in de film uitgedaagd om mensen die niet in staat zijn om handen of benen te gebruiken, toch te laten communiceren met de wereld rondom hen. Mensen zullen in staat zijn om instructies over te brengen naar een computer door enkel te bewegen met hun ogen. In dit project willen wij dat de leerlingen zich een beetje ingenieur voelen, zodat ze gemotiveerd zijn om mee te werken aan die betere wereld van morgen. Na de film gaan de leerlingen onmiddellijk aan de slag. Zij doorlopen 5 modules waarin zij geheel zelfstandig informatie verwerken, en module per module hierrond gaan experimenteren. Zij doorlopen diverse wetenschappelijke vakgebieden (beginnend bij biologie, gevolgd door wiskunde en fysica), spelen met de EOG-scope, en leren programmeren in Scratch. Tot slot volgt nog een wiskundige uitdaging rond cryptografie. Elk van de 5 modules bestaat uit info blaadjes, waarin zij de nodige achtergrondinformatie verwerven, gevolgd door de experiment bladen, waarin ze nadien daadwerkelijk gaan bouwen, programmeren, experimenteren. We sluiten de dag af met een tweede (en korter) filmpje, waarin de leerlingen wordt opgeroepen te blijven meedenken, mee-ontwerpen en Lab meebouwen aan deze uitdagingen van de toekomst. Wij hopen uw leerlingen een interessante, maar vooral leuke dag aan te kunnen bieden. Pagina 3

4 Achtergrondinformatie 1. Maatschappelijke schets van het Ooggestuurde Interface project Deze maatschappelijke context schets wordt voor de leerlingen visueel voorgesteld door middel van het InnovationLab filmpje. Het is de bedoeling dat deze film getoond wordt aan het begin van de dag. Deze dient als motivatie naar de leerlingen toe en schetst voor hen het maatschappelijk probleem dat ze doorheen deze dag zullen aanpakken. Daarnaast geeft het filmpje ook kort een overzicht van andere uitdagingen van de 21 e eeuw en hoe technologie / techniek / wetenschappen / wiskunde ook daar hulp kan bieden. Hieronder gaan we hier kort dieper op in, en geven we enkele interessante referenties mee, mocht u dit op een ander moment in meer detail willen behandelen. Maatschappelijke context: In onze 21 e eeuw worden we geconfronteerd met de grootste uitdagingen ooit: de kosten van vergrijzing en welvaartsziekten dreigen uit de hand te lopen; in 2050 hebben 9 miljard mensen duurzame energie en water nodig; we moeten onze mobiliteit garanderen ondanks schaarste aan betaalbare brandstoffen en onze welvaart behouden in een vlakke wereld, waarin het economisch zwaartepunt verschuift naar het Oosten. Verscheidene websites geven meer uitleg over deze grand challenges van de 21 e eeuw: Man.doc euw/ Anderzijds biedt deze eeuw ook gigantisch veel opportuniteiten. We zien nog steeds een exponentiële explosie aan nieuwe technologieën, waarbij opvalt dat de vooruitgang vooral komt uit het samensmelten van ICT- technologie met biotechnologie, en recenter met nanotechnologie. In elk van de vernoemde uitdagingen kan technologie aangewend worden om het probleem te voorkomen, of minstens de gevolgen ervan te milderen. Enkele voorbeelden die aangehaald worden in het filmpje zijn: Geo-engineering: kunstmatige wolken en spiegels tackelen klimaatverandering: o Vliegende auto s tegen het fileprobleem: o Fabrieken en wegen onder de grond: o denk maar aan de ideeën rond de overkapping van de Antwerpse ring, of eensoortgelijk project in Madrid, Spanje: Boerderij van de toekomst: boerderijtorens: o

5 Leven buiten onze planeet: mogelijk maken van leven op Mars: o Enkel door creatieve wetenschappers en ingenieurs de komende decennia te laten samenwerken met verscheidene maatschappelijke partners, zullen out-of-the-box innovatieve, maar realistische oplossingen kunnen bedacht en gerealiseerd worden. Cruciaal is hierbij om te steunen op een goede basis van wiskunde, wetenschappen en techniek (STEM-vakken). Het is belangrijk dat leelingen inzien dat zulke STEM-vakken dus een zeer sterke maatschappelijke relevantie hebben, en effectief bijdragen tot een betere wereld. Dit wil InnovationLab duidelijk maken aan de hand van een zeer specifiek project. Technologie in de gezondheidszorg Eén van de uitdagingen waar bij uitstek technologie ter hulp kan snellen, en dit momenteel ook al doet, is de betaalbare gezondheidszorg. Mensen leven steeds langer. Het is dan ook één van de voornaamste uitdagingen van de 21e eeuw om iedereen op een betaalbare manier van een goede levenskwaliteit te laten genieten. Veel wordt verwacht van nieuwe technologieën die toelaten om vanop afstand patiënten op te volgen, gehandicapten hun zelfstandigheid terug te geven, en ouderen in staat stellen om langer in hun eigen huis te wonen. Mooie voorbeelden met enkele interessante filmpjes zijn o.a.: Telesurgery laat dokters toe om vanop afstand patienten in moeilijk toegankelijke gebieden te opereren. Microsoft s visie op technologie in de gezondheidszorg: o Imec s draagbare ECG monitor: o Een cel-sorteerder voor snelle kanker detectie: o De uitdaging van dit project! In het EOG project zoemen we in op 1 bepaald aspect van deze technologie voor de gezondheidzorg, en ervaren de leerlingen hoe ze haar, via technologie die ze zelf ontwerpen, kunnen helpen. Concreet is er een meisje, Sofie, dat ALS heeft ( Sofie was vroeger heel sociaal, zat op Facebook, sprak af met vriendinnen en schilderde prachtige schilderijen. Maar, nu kan ze haar ledematen niet meer gecontroleerd bewegen. Sofie zit dan ook gekluisterd aan een rolstoel, en kan haar rolstoel of PC niet meer besturen. Ze wil echter graag haar favoriete computer spelletjes blijven spelen, schilderijen maken, via Facebook in contact blijven met al haar vrienden, en zelf op stap kunnen met haar rolstoel. Kan jij als ingenieur voor één dag zelf iets bedenken, ontwerpen en bouwen om Sofie te helpen? Dit gaan de leerlingen realiseren door gebruik te maken van oogbewegingen. Zoals vele ALS patiënten, kan Sofie namelijk wel nog haar ogenbewegingen controleren. De leerlingen gaan iets maken dat automatisch deze oogbewegingen van Sofie uitleest, en deze doorgeeft aan de computer. Pagina 5

6 Met zo een toestelletje zal Sofie via haar ogen: Een computermuis kunnen bewegen, en zo op de PC kunnen schilderen, of Facebook gebruiken. Haar rolstoel kunnen besturen... We gaan hierbij geen gebruik maken van camera-beelden van Sofie s gezicht (het zou moeilijk en stigmatiserend zijn om steeds een camera op Sofie te richten), maar wel van kleine elektrodes die we rond de ogen van Sofie plakken. Deze elektrodes kunnen een elektrisch signaaltje meten dat aangeeft dat Sofie haar ogen beweegt. Hoe dan wel? Dat zal je in de loop van deze dag stap voor stap ontdekken! Veel plezier! Pagina 6

7 Voorbereiding en uitleg materiaal Wij verwacten dat per school minstens één van de deelnemende leerkrachten de InnovationLab bijscholing volgt. Hier wordt de inhoud van de verschillende modules toegelicht, wordt het gebruik van het materiaal uitgelegd en worden tips gegeven om de leerlingen te begeleiden. Op die manier bent u al vertrouwd met het project. Het is aan te raden om bij de ontvangst van de InnovationLab koffer ook zelf nog eens rustig door het materiaal en de modules te gaan. Deze leerkrachtenhandleiding kan u hierbij helpen. We onderlijnen hieronder de zaken die vóór de start van de projectddag zelf gedaan dienen te worden. PC klas + Koffer: Materiaal uitleg, voorbereiding en opbouw van de dag Voor de uitvoering van dit project is een computerlokaal noodzakelijk. Hierbij is er één PC nodig per groepje leerlingen (idealiter 2 leerlingen per groepje), plus een extra PC voor de server in module 5. Op deze PC dienen vooraf een aantal bestanden gekopieerd te worden, zoals hieronder zal worden toegelicht (zie USB stick ). Er zijn microfoons voorzien in de koffer voor computers zonder microfoon. Computers moeten voorzien zijn van Windows (versie XP of recenter) en een internetaansluiting. Idealiter beschikt u ook over een projectiemogelijkheid, zodat u de projectfilmpjes in hetzelfde lokaal kan afspelen. Indien dit niet mogelijk is, start u de projectdag in een ander lokaal met projectie-faciliteiten. Het nodige materiaal voor het uitvoeren van alle modules vindt u in de InnovationLab koffer. Het is aangeraden bij ontvangst te controleren dat de koffer compleet is. Dit kan door middel van de bijgeleverde inventaris. Het enige materiaal dat niet in de InnovationLab koffer terug is te vinden, zijn multi-meters (liefst 1 multi-meter per 2 á 4 leerlingen). Deze dienen door de school zelf voorzien te worden. Het is raadzaam om uw multimeters te testen alvorens ze aan de leerlingen te geven. De koffer ziet er uit als volgt: Pagina 7

8 Het is de bedoeling dat elk groepje van 2 personen (maximaal 14 groepjes per koffer) 1 klein bakje krijgt. De grote bak rechtsonder in beeld is bedoeld voor de leerkracht. Elk klein bakje bevat: o Voor module 1: 2 ovale plexiplaatjes waarop een batterijhouder is gemonteerd 2 batterijen o Voor module 2: Een USB-analoog-naar-digitaal-omzetter bordje (USB-ADC, langwerpig bordje). Een black box (klein zwart plaatje met draaiknoppen) Een grijze platte verbindingskabel o Voor module 3: Een EOG bord (groter zwart bord), met daarop een versterker Gekleurde verbindingsdraadjes 4 grijze ronde verbindingskabels met elektrodes De grotere bak voor de leerkracht bevat: o Reserveonderdelen in geval van defect (elektrodes, kabels, USB-ADC, EOG bord) o Weerstanden (nodig in module 3) o Tube met gel voor op de elektrodes (nodig in module 3) o Stickers om de elektrodes op de huid te bevestigen (nodig in module 3) o Een USB-server stick Opruimen op het eind van de projectdag Wanneer het materiaal op het eind van de projectdag terug in de koffer moet, vragen wij enkel dat u de elektrodes goed reinigt, opdat de aangebrachte gel (die later opdroogt) niet tussen het grijze binnenste en het blauwe buitenste plaatje komt te zitten. Dit kan door de elektrodes te wassen onder een dunne straal stromend water (beter niet lang laten weken in een waterbad) en nadien af te drogen. Alle andere materialen mag u terug in de bakjes steken zoals ze door de leerlingen zijn gebruikt, zonder dit terug te demonteren. Wij zorgen zelf voor het terug op orde zetten van de koffers. Luidsprekers Voor module 2 is het belangijk dat de luidsprekers van de gebruikte PC s goed ingesteld worden. De instructies hiervoor staan in het begin van het experimentblad van de module analoog naar digitaal. Dit kan best vooraf in orde gebracht worden. De instructies zijn: Klik met je rechter muisknop op de luidspreker in de taakbalk, klik op opname toestellen. Dubbel klik op de actieve microfoon. Het venster van de microfoon opties opent zich nu. Klik dan op het tabblad levels en schuif de schuifbalk van microphone boost naar 0,0 db. Klik op ok en nog eens op ok. Leerlingendocumentatie, software en USB sticks: Alle nodige materiaal voor de uitvoering van de projectdag wordt aangereikt via de website van InnovationLab, en via 1 USB stick (server USB) Pagina 8

9 Meer specifiek bevat de documentatie: Informatie voor leerkrachten Infobundel Leerkrachten InnovationLab Ooggestuurde interface o Leerkrachten-handleiding Oplossingen Scratch oefeningen o Oplossingen van Module 4 en 5 Presentatie van bijscholing Prezi van bijscholing (module 4) Filmpjes Filmpje waarin InnovationLab wordt voorgesteld (366MB) o Kan gebruikt worden om de leerlingen op voorhand warm te maken, of bv. op een opendeurdag van de school. Filmpje als start van het EOG project (187MB) o Te tonen aan leerlingen aan het begin van de projectdag, als kadering. Filmpje als einde van het EOG project (28MB) o Te tonen aan leerlingen op einde van de projectdag. Software en teksten nodig op de projectdag zelf Inhoud USB stick voor leerlingen (62MB). Dit bevat: o Alle info-blaadjes en experiment-blaadjes voor de leerlingen o De EOG software o De Scratch opgaven voor module 4 en 5 ==> Deze volledige map mag op de leerlingen-pc's gekopieerd worden (bv op bureaublad). Kaartjes Cryptografie o Te gebruiken door de leerlingen in Module 5 o Dit print je best af, zodat elk groepje leerlingen 1 kaartje kan krijgen. De USB-server stick die zich in de koffer bevindt wordt enkel gebruikt in module 5 (cryptografie). Met behulp van deze stick kan de leerkracht de server, nodig voor het uitvoeren van module 5, initialiseren. Het is aangeraden dit reeds te testen voor de projectdag samen met de ICT verantwoordelijke. De instructies voor het klaarmaken van de server zijn: 1. Voorzie een extra PC in de computerklas, die de server zal worden. Er kan geen groepje leerlingen aan deze PC werken. 2. Set de PC, die als server zal dienen, af. Steek vervolgens de server-usb in een USB-poort van deze PC 3. Zorg dat de PC opstart vanop de USB stick door tijdens het opstarten F1, F2, F12 of Delete ingedrukt te houden en dan de optie USB-HDD te kiezen. Raadpleeg de handleiding van uw PC als u een andere toets dan een van deze vier moet intikken om vanop USB te starten. Pagina 9

10 4. De PC start nu op vanop de USB-stick onder Xubuntu (Linux), en bepaalt zelf zijn Internetadres en start automatisch de server op. (Dit kan een paar minuten duren.) 5. Op het scherm verschijnt vervolgens het IP adres van de server, in de vorm x.y.z.u. Dit adres moet later aan de leerlingen gegeven worden en ingegeven worden bij elk van de clients, zoals aangegeven in de documentatie van module [Indien u deze stappen doorloopt als test voorafgaand aan de projectdag, kan u op volgende wijze testen op alles correct werkt:] 7. Plaats USB stick 1 in een andere PC, waarop Windows draait. (Deze PC moet dus niet herstart worden.) Kopieer de informatie voor leerlingen en leerkrachten naar een plaats op de PC. 8. Start de applicatie EOG_software/EOG starter 9. In de EOG starter applicatie, start Scratch (tweede knop). In Scratch, open het bestand Crypto_software/crypto-1-rolstoel 10. In de EOG starter applicatie, start client (derde knop). Er verschijnt een zwart scherm (command window) met lijnen tekst. Na een korte tijd moet de volgende tekst verschijnen: INFO Connecting to Scratch INFO Connected 1. Netwerk a.b.c.d gebruiken? 2. Adres invullen? 3. Adres uit tekstbestand gebruiken? Kies 2. Er verschijnt: Adres gevolgd door poort? (bv. ) Voer het adres in. Er moet verschijnen: Serveradres is juist, veel speelplezier 11. Klik in Scratch op het groene vlagje rechts boven. Probeer of de rolstoel beweegt als u op de pijltjestoetsen drukt. Opmerkingen: 1. Na de activiteit mag de server PC gewoon afgezet worden met de power knop. 2. Wanneer de server PC opnieuw opgestart wordt, is het mogelijk dat zijn IPadres wijzigt. Voer bij de clients steeds het recentste IPadres van de server in. Wat te doen indien het niet lukt om de server en de client te laten werken op uw school? Contacteer ons (ruim op voorhand). Wij hebben zelf een server, met beperkte capaciteit, die gebruikt kan worden in noodgevallen. De multimeter In diverse modules moeten de leerlingen gebruik maken van een multimeter om spanningen en stromen te meten. Deze worden niet door InnovationLab voorzien, en dient de school zelf ter beschikking te stellen (idealiter 1 per 2 á 4 leerlingen). Onderstaande info kan helpen bij het uitleggen van het gebruik van een multimeter. Men zet de multimeter aan door op de gele knop rechtsboven te drukken (dit kan verschillen afhankelijk van het type multimeter) Pagina 10

11 Om spanning te meten met een multimeter moet deze parallel geschakeld worden. Onderstaande figuur toont hoe de spanning over een weerstand gemeten wordt. De multimeter wordt met de draaiknop op stand V DC gezet (of V ). Dit is de stand om gelijkspanning te meten. De rode kabel wordt met de V ingang verbonden en de zwarte met de COM ingang. Daarna worden de pinnen van de meetkabels gecontacteerd met de punten waartussen spanning gemeten dient te worden. De multimeter staat nu parallel geschakeld aan het te meten circuit, en de waarde op de display van de multimeter is de spanning die over dit circuit staat. Om stroom door een circuit te meten moet de multimeter in serie met het circuit geplaatst worden. De stroom moet immers door de multimeter lopen. De opstelling wordt getoond in nevenstaande figuur. De zwarte kabel wordt verbonden met de COM ingang en de rode met de 10 A of 400 ma ingang. De draaiknop wordt op ma of A geplaatst. Om de multimeter in DC mode te zetten moet (bij sommige multimeters) de gele knop ingedrukt worden. Begin steeds met de grootste schaalverdeling om de zekeringen in het toestel niet stuk te maken. Om weerstand te meten met een multimeter moet deze parallel geschakeld worden. De figuur toont hoe je dit doet: draai de draaiknop naar de stand Ω en verbind de kabels aan beide zijden van de weerstand met de COM ingang en de rode Ω ingang. Pagina 11

12 Wij bevelen aan om de multimeter voor gebruik te testen. Dit kan u doen als volgt: plaats een weerstand van 100 Ω of groter (terug te vinden in de InnovationLab koffer) in serie met een AAbatterij zoals in bovenstaande figuur. Meet de stroom op de ma en op de A-schaal. Indien er geen stroom gemeten wordt (waarde = 0 op de multimeter) op één van beide meetschalen, dan is er een zekering van de multimeter stuk. Er zijn aparte zekeringen voor de ma en de A-schaal. Vervang de kapotte zekering en test de multimeter opnieuw. Pagina 12

13 Opbouw van de projectdag De projectdag zelf start met een inleidende film die de maatschappelijke context weergeeft voor het ooggestuurd project. U vindt deze terug op documentatie USB stick. Daarna beginnen de leerlingen met het experimenteergedeelte dat bestaat uit 5 modules. De modules moeten één voor één doorlopen worden, dus beginnend bij module 1 (biopotentiaal) en eindigend bij module 5 (cryptografie). Er wordt geadviseerd de leerlingen in groepjes van 2 personen te laten samenwerken. De tijd die nodig is om de experimenten van één module te doorlopen varieert per module en wordt geschat op iets meer dan 1 lesuur per module. Zo vermoeden wij dat, afhankelijk van de schooluren en pauzes, het mogelijk moet zijn om module 1, 2 en 3 door de leerlingen te laten verwerken in de voormiddag, en modules 4 en 5 in de namiddag kunnen uitgevoerd worden (module 5 bestaat uit 2 delen en neemt meer tijd in beslag dan module 4). Men kan dit project ook uitvoeren op 2 halve dagen, hetgeen het minder zwaar maakt voor de leerlingen, maar de volgorde van de modules moet steeds gerespecteerd worden. Het is de bedoeling dat de leerlingen zelf leren ingenieuren. Ingenieuren betekent in eerste instantie kennis verwerven, en die nadien interactief toepassen. Wij laten hen dus per module de nodige info opdoen en vragen dat de leerlingen zo zelfstandig mogelijk het info blaadje doornemen. Nadien kunnen zij telkens starten met het experimenteer gedeelte. De aangeboden modules zijn: Module 1: Biopotentialen Module 2: Van analoog naar digitaal Module 3: Elektro-oculografie Module 4: Programmeren Module 5: Cryptografie Deel 1: Identificatie Deel 2: Veilige paswoorden Ter aflsuiting van de dag is een tweede filmpje voorzien. Het is daarom aangeraden alle bezigheden een 15-tal minuutjes voor het einde van de dag te staken. Dat geeft u voldoende tijd om de leerlingen kort te laten opruimen, om samen nog eens over het project te praten, en om de afsluitende film te bekijken. We apprecieren het ook steeds als u en/of uw leerlingen de tijd nemen om het evaluatie-formulier (te vinden achteraan deze bundel) in te vullen en aan ons terug te bezorgen op InnovationLab@kuleuven.be. Zo kunnen wij het project blijven verbeteren. Bedankt! Pagina 13

14 Gedetailleerde toelichting bij de modules Elke module is voorzien van 2 delen documentatie voor de leerlingen: de infoblaadjes en de experimenteerblaadjes. Deze documentatie is beknopt maar bevat voldoende informatie om de module vlot uit te voeren. In de experimenteermodules zijn soms vragen verwerkt, deze zijn nodig om de leerling aan het denken te zetten over de inhoud van de modules. De antwoorden van deze vragen vindt u in deze handleiding bij de bespreking van elke module terug. Extra informatie voor de leerkrachten over de beoogde leerdoelen en de praktische uitwerking wordt hieronder per module weergegeven. Tevens staan er vermeldingen van de meest voorkomende vragen en dwalingen van leerlingen, en hoe hierop best te reageren. Waar nodig bevat de bespreking van de modules ook extra informatie die de leerkracht kan gebruiken ter ondersteuning. Het is belangrijk dat de leerlingen steeds eerst het info blad doornemen, en pas daarna starten met het experiment gedeelte. Het info blad bevat namelijk de nodige informatie om het experimentgedeelte goed te kunnen uitvoeren en begrijpen. Enthousiaste leerlingen nemen soms te weinig tijd om het info blad grondig door te nemen en willen zo vlug mogelijk aan de slag gaan. Als leerkracht kan u hier een oogje in het zeil houden. Voor enkele modules hebben wij ook een apart vragenblad en antwoordblad voorzien. Deze vragen zijn extra : deze blaadjes kunnen gebruikt worden voor leerlingen die sneller de modules doorlopen en een extra uitdaging of doordenkertje wel zien zitten. Maar ze kunnen ook zonder problemen over geslagen worden. Op die manier kan de leerkracht differentiëren naargelang het niveau van de leerlingen, of de groepjes op een gelijk tijdschema zetten bij het overschakelen naar een volgende module. De antwoordblaadjes zijn bedoeld voor de leerkracht om de leerlingen bij deze vragen te helpen indien zij de juiste antwoorden niet vinden. Pagina 14

15 Module 1: Biopotentiaal We starten bij het menselijk oog. Het info blad geeft uitleg over de werking van het oog. De leerlingen leren dat er tussen de 2 oogkamers een stabiel elektrisch veld ligt, en dat het oog een bewegende elektrostatische dipool is waarvan de potentiaal meetbaar is. Concreet wil dit zegen dat de voorkant van ons oog op een iets hogere spanning ligt dan de achterkant van ons oog (1milli-Volt verschil). Als ons oog beweegt, verschuift deze spanning heen en weer, en dit kan gemeten worden. Deze spanningswaarden zijn echter heel klein en kunnen met een gewone multimeter niet gemeten worden. Hier komen we later op terug. Om de leerlingen daadwerkelijk te laten inzien wat het effect is van het bewegen van de ogen, laten we ze een model van het oog nabouwen in het experimentgedeelte. In de koffers bevinden zich in elk leerlingen-bakje plexiplaatjes, batterijen, weerstanden en geleidende verbindingsdraadjes. De leerlingen maken aan de hand van de blaadjes de opstelling zoals weergegeven op de foto. De baterijen stellen hier het spanningverschil tussen voor en achterkant van het oog voor. De weerstanden representeren het geleidend pad door de huid, waarlangs stroom terug vloeit naar de achterkant van het oog. De gele kabel onderaan is het weefsel in ons hoofd, dat de achterkant van onze ogen op gelijke potentiaal houdt. Zorg ervoor dat alle draadjes goed contact maken met de batterijhouders. Dit kan door de ijzerdraadjes er een paar keer rond te draaien. De weerstanden onderling verbinden we ook door de ijzerdraadjes te laten verstrengelen en te twisten. Om na te gaan wat er gebeurt als we rechtdoor kijken, plaatsen we de meetpunten van de voltmeter symmetrisch aan de zijkant van beide ogen (2 weerstanden onder en 2 weerstanden boven het aanhechtingspunt). Je meet nu 0 Volt. Pagina 15

16 Deze waarde kan berekend worden met de formule van de weerstandsdeling: Voog1 = 100 kω kω 100 kω kω kω kω 1,5 V = 0,75 V Voog2 = 100 kω kω 100 kω kω kω kω 1,5 V = 0,75 V Gemeten spanning over beide ogen = V oog1 - V oog2 = 0,75 V 0,75 V = 0 V Wanneer de ogen naar links gedraaid worden over een hoek van 45, meten we links achter de eerste weerstand, en rechts achter de derde (zie foto), en krijgen we de volgende berekeningen: V oog1 = 100 kω kω kω 100 kω kω kω kω 1,5 V = 1,125 V V oog2 = 100 kω 100 kω kω kω kω 1,5 V = 0,375 V Gemeten spanning over beide ogen = V oog2 - V oog1 = 0,375 V - 1,125 V = - 0,75 V Draaien van de ogen naar rechts over een hoek van 45, meten we links achter de derde weerstand, en rechts achter de eerste (zie foto), en krijgen we de volgende berekeningen: V oog1 = 100 kω 100 kω kω kω kω 1,5 V = 0,375 V V oog2 = 100 kω kω kω 100 kω kω kω kω 1,5 V = 1,125 V Gemeten spanning over beide ogen = V oog2 - V oog1 = 1,125 V - 0,375 V = + 0,75 V Pagina 16

17 De leerlingen vullen de waarden in in de tabel, en kunnen de gemeten waarden vergelijken met de berekende waarden. De spanning tussen de ogen is in werkelijkheid veel (wel duizend maal) kleiner is dan wat we hier meten. Hier komen we in module 3 op terug. Uiteindelijk willen we deze signalen niet gaan opmeten met een multimeter, maar met een computer. Hiervoor dienen we echter eerst inzicht te krijgen in het verschil tussen analoge en digitale signalen. We gaan over naar module 2, waar we uitleggen hoe je van een analoog signaal naar een digitaal signaal gaat. Vragen en antwoorden Afhankelijk van de richting, het leerjaar, of gewoon de handigheid van de leerling zelf kan het voorkomen dat sommige leerlingen sneller klaar zijn dan anderen. Deze leerlingen kunnen zich buigen over de extra vragen, zo houden zij hun aandacht bij het project. Tevens is het voor de leerkracht leuker als de tijdsindeling per module kan gevolgd worden voor de hele groep samen. De antwoorden op de extra vragen vindt u hier: Waarom bouwen we weerstanden aan de buitenzijden van de plaatjes? Wat stellen ze voor in ons lichaam? Zouden ze hetzelfde zijn bij elke mens? Maakt dit uit? De weerstanden aan de buitenzijde van de plaatjes zijn een nabootsing van de wand van het oog zelf. Deze weerstand verschilt van mens tot mens. We meten echter niet de grootte van de weerstand van het oog maar de spanningsverandering bij rotatie van het oog, die enkel afhangt van een relatieve weerstandsdeling. Dit heeft dus geen belang. Ook aan de andere kant van het plaatje (tussen de twee ogen) staan soortgelijke weerstanden. Deze zijn in ons experiment weggelaten, omdat we hier niet dienden te meten met de voltmeter. Niet alle mensen kijken steeds mooi rechtuit, wat geïllustreerd wordt door onderstaande afbeelding. Welke waarde krijg je op je voltmeter als beide ogen over eenzelfde hoek naar binnen gedraaid worden? Als je beide ogen over eenzelfde hoek naar binnen draait krijgt je de waarde 0 op je voltmeter. Welke spanningsveranderingen lees je af op de voltmeter bij een verticale beweging van de ogen (elektroden blijven aan de zijkant van het oog)? Als je de ogen naar omhoog en omlaag beweegt terwijl de elektroden op dezelfde plaats blijven verandert de positie van de dipool t.o.v. de elektrodes niet. Er zijn dus geen veranderingen in aflezingen op de voltmeter. Pagina 17

18 In werkelijkheid meet de dipool van ons oog geen 1,5V (zoals een batterij), maar slechts een 0,5 mv. Wat verandert dit aan het experiment? Kunnen we de oogbeweging nog registreren met de voltmeter? De waarden zijn te klein om nog met een voltmeter gemeten te worden. We zouden metingen moeten kunnen doen in de orde van micro-volts. Bijvoorbeeld als we een uitwijking willen kunnen meten met een resolutie van +-10, dan dienen we met een nauwkeurigheid van 0,5mV*10/180 * 2= 55 microvolt te kunnen meten. We hebben dus nauwkeuriger apparatuur nodig. Pagina 18

19 Module 2: Analoog naar digitaal In deze module leren de leerlingen het verschil tussen een analoog en een digitaal signaal en leggen we uit hoe een analoog signaal omgezet wordt naar een digitaal signaal. Ze gaan ook praktisch aan de slag met behulp van het programma eog-scope om de belangrijke parameters voor de omzetting van analoog naar digitaal te onderzoeken. Infoblad In de eerste module hebben we spanning gemeten. Spanning is een analoog signaal. Andere voorbeelden van analoge signalen zijn snelheid, druk, geluid. Alle fysische grootheden die we kennen zijn analoge signalen. Een analoog signaal is steeds een continu signaal, dat binnen bepaalde grenzen (minima en maxima) alle mogelijke waarden kan aannemen. Bij het aflezen van een analoog signaal kunnen echter benaderingen optreden, denk maar aan een aflezing tussen 2 maatstrepen. Een digitaal signaal is een discreet signaal. Dit wil zeggen dat het slechts een beperkte set van mogelijke waarden kan aannemen. Voorbeeld: natuurlijke getallen zijn discreet, reële getallen zijn continu. Bovendien kan een digitaal signaal enkel van waarde veranderen op welbepaalde discrete tijdstippen. Om de overgang van analoog naar digitaal uit te leggen illustreren we dit met geluid. Wat is analoog geluid? Elk geluid dat we waarnemen is intrinsiek een analoog geluid. Het praten, ruisen van de wind in de bladeren, een blaffende hond, enz. veroorzaken analoog geluid. Ons oor registreert dit analoge geluid en stuurt dit door naar onze hersenen. In dit hele proces blijft het geluid analoog' en wordt het niet gedigitaliseerd. Digitaal geluid Om analoog geluid te verwerken of op te slaan in een computer moet dit geluid eerst gedigitalliseerd worden. Dit wil zeggen dat het moet vertaald worden naar de toegelaten set van discrete waarden. Deze waarden worden typisch voorgesteld door binaire getallen, bestaande uit een reeks 1 -en en 0 -en. Door een reeks 1 -en en 0 -en achter elkaar te plaatsen en gebruik te maken van bepaalde regels kan een computer zo informatie opslaan. Als het geluid is opgeslagen en we willen het terug afspelen, zal de computer de binaire informatie versturen naar de geluidskaart van de luidspreker. De geluidskaart zal de binaire getallen terug omzetten naar een (analoog) elektrisch signaal, dat verstuurd wordt naar de luidspreker. Pagina 19

20 Hoe zetten we analoog geluid om in digitaal geluid? De kleinste eenheid van informatie waarmee onze computer werkt is één bit. Een bit staat aan (1) of uit (0). Verschillende bits samen, vormen een binair getal. Computers zijn heel snel in het verwerken van grote groepen binaire getallen. 2 bits kunnen 4 verschillende toestanden weergeven, namelijk 00, 01, 10 en 11. Zij kunnen dus vier mogelijke discrete waarden weergeven. Met 3 bits kunnen we 8 verschillende toestanden weergeven, en met 4 bits 16. Een groep van 8 bits noemt men een byte. Met 1 byte krijgen we dus 2 8 of 256 mogelijkheden. In het algemeen kunnen met N bits, 2 N binaire getallen weergegeven worden. Deze N bits wordt resolutie van de analoog naar digitaal omzetter genoemd. Naarmate we meer bits (of bytes) gebruiken, kan de computer een groter aantal discrete waarden voorstellen en gebruiken. De omzetting van analoog naar digitaal kan grafisch geïllustreerd worden aan de hand van een sinusoïdaal analoog signaal, zoals op de figuren hieronder wordt weergegeven. Deze figuur vertrekt van een analoog signaal (blauwe lijn). Wanneer we het analoge signaal willen digitaliseren, dienen we het eerst te bemonsteren. Dit betekent dat we op regelmatige tijdstippen dit signaal opmeten (dit wordt weergegeven door de rode bolletjes), waarna die waarde afgerond wordt naar het dichtstbijzijnde discrete niveau (dit wordt weergegeven door de zwarte pijlen). Het resultaat is een digitaal signaal (rode volle lijn). Voor een resolutie van 2 bits kunnen we 2 2 of 4 niveaus (namelijk 00, 01, 10 en 11) gebruiken om aan te geven wat ongeveer de waarde van het analoge signaal is. De rode lijn geeft het gedigitaliseerde signaal weer. We zien dat met 2 bits de opgemeten en gedigitaliseerde golf niet goed op de originele golfvorm lijkt. Voor een resolutie van 3 bits (dus 2 3 = 8 niveaus: 000, 001, 010, 011, 100, 101, 110 en 111) krijgen we onderstaande grafiek. Pagina 20

21 De nauwkeurigheid (resolutie) waarmee de sinus benaderd wordt door middel van de binaire niveaus ligt al een stuk hoger. We laten de leerlingen dit zelf ontdekken in het experimentgedeelte. Experimentblad Het experimentblad start met enkele korte richtlijnen om de actieve microfoon uit te schakelen. Dit is nodig om het experiment in de EOG scope goed uit te kunnen voeren. We openen het programma eogscope. Dit gebeurt als volgt: - Open in de folder EOG_project de subfolder EOGsoftware - Dubbel klik op eog - Klik op eogscope Het programma heeft 3 verschillende modes: de golfvorm, de audio modus en de Eog dongle modus. We gaan elk van deze modes onderzoeken in een experiment. Het is van belang dat de leerlingen de informatie bij Instellingen in de experimentblaadjes goed lezen om te begrijpen wat er gebeurt. We plaatsen deze hier nog eens: Bij bits kan je instellen met hoeveel bits de bovenvermelde analoge signalen gedigitaliseerd dienen te worden. Met de twee zoom knoppen kan je de grafiek inzoomen, dit zowel op de horizontale als op de verticale as. Met de twee schuif knoppen kan je de grafiek opschuiven, dit zowel op de horizontale als op de verticale as. Pagina 21

22 De blauwe curve geeft steeds het analoge geluidsignaal, de rode curve geeft het gedigitaliseerd signaal van het analoge geluidsignaal. Experiment 1 De scope wordt ingesteld op de golfvorm functie. In eerste instantie krijg je 2 gelijke grafieken te zien. De scope geeft identieke panelen naast elkaar weer, zodat het eenvoudiger is om het effect van verschillende instellingen met elkaar te vergelijken. Op de horizontale as staat de Tijd in seconden. Door de horizontale zoom functie te gebruiken kan je op deze as inzoomen. Door de horizontale schuif functie te gebruiken verschuif je op deze as, zonder in te zoomen. Op de verticale as staat links analoge waarde, tussen 0 en 5. Dit is een arbitraire as, dus staat er geen eenheid vermeld. Aan de rechterkant staat digitale waarde als discrete getallen voorgesteld door gehele getallen. De waardes op deze rechtse digitale as zullen veranderen afhankelijk van de bitsinstellingen. Wanneer de digitalisering instellen op 1 bit, krijgen we op de rechtse as 2 niveaus te zien, nl. 0 en 1 (2 1 =2); wanneer we instellen op 2 bits krijgen we 4 niveaus, nl. 0, 1, 2 en 3 (2 2 =4); 3 bits levert 8 niveaus (2 3 =8), enz. Dit werd reeds uitgelegd in het info blad. Het is dus belangrijk dat leerlingen steeds het info blad grondig doornemen. Op beide verticale assen kan je terug inzoomen en schuiven. Let wel: Je kan niet schuiven als de verticale as reeds volledig is uitgezoomd (zoomknop op de verticale as staat onderaan). Om dus verticaal te kunnen schuiven moet je de zoomknop eerst naar boven verplaatsen. Wanneer je op de middelste afspeelknop klikt, hoor je het originele geluid van de golfvorm (dit is een analoog signaal), in dit geval een la. Door op de knoppen en te klikken, krijg je het overeenkomstige digitale signaal te horen, afhankelijk van het aantal ingestelde bits. Het aantal bits is ingesteld op 1 bit als startpositie. Bij 1 bit lijkt het rode digitale signaal nog niet op het blauwe analoge signaal. Wanneer het digitale geluid afgespeeld wordt geeft dit daarom een hard ruizig geluid, dat niet op het analoge geluid lijkt. Nu moet het aantal bits gewijzigd worden. Dit kan zowel op kanaal 1 als op kanaal 2, zodat de invloed van de instellingen voor bits goed kan vergeleken worden op de 2 scopes naast elkaar. Men ziet dat: Als het aantal bits stijgt, het rode digitale signaal steeds beter het blauwe analoge signaal benadert. Als het aantal bits stijgt, je op kanaal 1 en kanaal 2 een geluid te horen krijgt dat steeds beter lijkt op het oorspronkelijke analoge geluid. Vragen en antwoorden: 1. Verandert de kwaliteit van het analoge signaal als je het aantal bits wijzigt? Neen, want dit is het vooraf opgenomen signaal dat niet verandert door de digitale instellingen. 2. Verandert de kwaliteit van het digitale signaal als je het aantal bits wijzigt? Ja, hoe hoger het aantal bits hoe meer het signaal op het origineel lijkt. Pagina 22

23 3. Heeft het zin om tot 10 bits te gaan voor het digitale signaal? Je hoort en ziet een duidelijke verbetering tot 6 bits, daarna worden de verschillen klein. Experiment 2 In dit experiment gaan we zelf geluid opnemen, bekijken en herbeluisteren. We gebruiken daarvoor de audio mode van de eog-scope. Eerst nemen we geluid op. Dit kan door op de middelste opname knop te klikken en iets in te spreken. De opnametijd staat ingesteld op 2 seconden, maar kan verhoogd worden indien je dit wilt. Het is belangrijk dat een groot deel van het verticale gebied gebruikt wordt (tussen 0 en 5 op de verticale as), zonder dat de microfoon overstuurd wordt (niet te veel in de buurt van de 5). Je kan diverse keren opnieuw opnemen indien nodig. Een goede opname kan er als volgt uitzien: Vervolgens wijzigen we het aantal bits links en rechts. Zo kunnen we bijvoorbeeld de linkerscope instellen op 3 bits en de rechter op 7 bits. We krijgen de volgende weergave: Pagina 23

24 Door op de play knoppen van het digitale signaal te klikken (zowel links als rechts) horen we duidelijk het verschil wanneer het aantal bits is veranderd. Wanneer we op de play knop van het analoge signaal klikken horen we terug het origineel opgenomen signaal. Zo kunnen we het gedigitaliseerde signaal goed vergelijken met het opgenomen analoge signaal. We zien ook een verschil op de grafieken: bij 3 bits overlapt het rode gedigitaliseerde signaal het blauwe analoge signaal veel minder dan bij 7 bits. Vragen en antwoorden: 1. Vanaf hoeveel bits hoor je geen verschil meer tussen het analoge en digitale signaal? Vanaf 8 bits kan je nog moeilijk verschil horen. 2. Zie je op de grafiek nog een verschil tussen het analoge en digitale signaal? Gebruik zowel de horizontale als de verticale zoom! Wanneer je inzoomt kan je goed het verschil zien. Op onderstaande figuur zijn zowel voor de linkse als voor de rechtse scope de zoom en schuif instellingen hetzelfde gemaakt. Selecteer een deel uit de grafiek dat goed binnen het bereik van de grafiek valt, dan is het effect van het aantal bits zeer duidelijk. Je ziet dat bij 3 bits het rode signaal minder goed past op het blauwe signaal, en dat dit bij 7 bits reeds veel beter is. Pagina 24

25 Experiment 3 In dit experiment gaan we na wat het verschil is tussen het digitaliseren van een groot en een klein signaal, of in ons geval: wanneer we zacht of hard praten. We gebruiken nog steeds de audio functie. Zorg er eerst voor dat de zoom niveaus van beide scopes gelijk staan (zowel verticaal als horizontaal). Stel het aantal bits in op 3, dit zowel voor de linker als voor de rechter scope. Gebruik de rode opname knoppen onder elke scope en spreek eerst zacht in bij de eerste scope (gebruik ) en nadien hard bij de tweede scope (gebruik ). Je kan natuurlijk ook eerst hard praten en dan zacht. Zorg wel weer dat de microfoon niet overstuurd wordt (niet te veel in de buurt van de 5). Een voorbeeld van een dergelijke opname zie je hieronder. De linkse scope geeft de zachte opname weer, de rechtse de harde. Pagina 25

26 Gebruik de play knop om beide signalen af te spelen op 3 bits resolutie. Vergelijk het analoge signaal met het digitale signaal bij K1, en idem bij K2. Vragen en antwoorden: 1. Wat stel je visueel vast m.b.t. de grootte (amplitude) van beide signalen? De amplitude van het luidste signaal is het grootst. 2. Hoor je bij het afspelen een verschil in kwaliteit tussen beide (hard of zacht) digitale signalen? De kwaliteit van het luidste digitale signaal is het best (zie hieronder voor de verklaring hiervan). 3. Voor het zachte signaal op kanaal K1: hoeveel digitale waardes gebruikt het signaal? Kijk naar het digitale signaal en tel op de rechter as. Laat de grafiek volledig uitgezoomd staan. Dit signaal gebruikt 4 digitale niveaus (zie figuur hieronder voor toelichting) 4. Doe hetzelfde voor het luide signaal op kanaal K2. Hier tellen we 8 digitale niveaus (zie figuur hieronder voor toelichting). Pagina 26

27 Het antwoord op vraag 3 en 4 wordt geïllustreerd in onderstaande figuur: Het rode digitale signaal van K1 wordt weergegeven door 4 niveaus Het rode digitale signaal van K2 wordt weergegeven door de zwarte pijlen. We tellen 8 niveaus. Besluit: een kleiner signaal (zachter praten in ons experiment) gebruikt minder digitale waardes dan een groter signaal (luider praten). Een klein analoog signaal omzetten naar een digitaal signaal levert dus een kwalitatief minder goed digitaal signaal op dan een groot analoog signaal. Dit is waarom we in vraag 2 concludeerden dat het luide signaal de beste geluidskwaliteit gaf. De spanningen gemeten rond het oog zijn zeer, zeer klein. Ook hier zouden we lijden onder hetzelfde kwaliteitsverlies als bij het zachte signaal hierboven. Om dit op te lossen gaan we dit signaal versterken. Dit zal aan bod komen in module 3. Als voorloper voor deze module 3, om dit nog beter te begrijpen, voeren we eerst nog experiment 4 uit. Experiment 4 We verbinden de black box met de USB-analoog-naar-digitaal-omzetter (USB-ADC) door middel van de platte grijze kabel. Steek de ADC in de computer. Pagina 27

28 Selecteer de functie EogDongle in de scope. In de scope verschijnt onderaan (in groen) eog dongle verbonden. Als de USB niet herkend wordt, moet de EOG scope even gesloten worden (kruisje rechtsboven aanklikken) en heropend. De uitdaging van dit experiment is dat de leerlingen zelf moeten zien te achterhalen wat de black box doet, en waarvoor de knoppen erop dienen. Druk om dit uit te vinden op de play knop van K1, van K2 of beide. Probeer de knoppen van de black box uit om te ontdekken waar knop A voor staat en waar knop B voor dient. Het is van belang om rustig aan de knoppen te draaien, en even geduld te hebben tot de scope reageert. Je kan ook beter 1 knop met de keer uittesten, en niet beide tegelijkertijd. Hieronder zie je terug een voorbeeld van een opname. De black box genereert een analoog signaal tussen 0 en 5 Volt. Met knop A wijzigt men de amplitude, met knop B de frequentie. Opdrachten 1. Zet K1 op 10 bits gevoeligheid (staat normaal zo ingesteld) en druk op play onder K1. Dit is een goede benadering van het signaal dat de black box genereert. Gebruik de A knop van de black box om het signaal op K1 maximaal te maken tot 5 Volt. Speel dan met het aantal bits op K2 (druk ook daar op play) om te kijken hoeveel bits je nodig hebt om een waarheidsgetrouw signaal weer te geven op de rechtse scope. Tip: je kan dit beter zien als je knop B wat opendraait. Onderstaande figuur toont wat je ziet met de rechtse scope is ingesteld op 2 bits. Het signaal lijkt nog niet op dat van de linker scope. Pas vanaf 4 bits krijg je een goede benadering (tweede figuur). Pagina 28

29 2. Gebruik de A knop van de black box om het signaal op K1 te beperken tot 2 Volt. Speel nu opnieuw met het aantal bits op K2 om te kijken hoeveel bits je nodig hebt om een waarheidsgetrouw signaal weer te geven op de rechtse scope. Je ziet dat je nu 5 bits nodig hebt om op de rechtste scope een waarheidsgetrouw signaal te krijgen. Dit is meer dan in de eerste test, aangezien we nu een zwakker signaal hebben. Pagina 29

30 3. Gebruik nogmaals de A knop om het signaal op K1 te beperken tot 0,5 Volt. Speel nog eens met het aantal bits op K2, onderzoek opnieuw bij hoeveel bits je het signaal goed benadert. Bovenstaande illustratie geeft weer dat 5 bits niet volstaan. We hebben een 7-tal bits nodig, zie onderstaande figuur. Pagina 30

31 Vragen en antwoorden 1. Hoe verandert het aantal bits dat je nodig hebt om een waarheidsgetrouw signaal weer te geven voor een signaal van 5Volt, 2Volt, respectievelijk 0.5Volt? Naarmate het analoge signaal kleiner wordt hebt je steeds meer bits nodig 2. Ons oog produceert een signaal van ongeveer 1 mv. Hoeveel bits denk je nodig te hebben? Resolutie = bbbbbbbbbbbb AAAAAA aaaaaaaaaaaa nnnnnnnnnnnnnn AAAAAA Onze ADC heeft een analoog bereik van 5 Volt of 5000 mv. We hebben minstens 1 niveau per millivolt nodig om het signaal te kunnen detecteren. Resolutie 1 mv = bbbbbbbbbbbb AAAAAA aaaaaaaaaaaa nnnnnnnnnnnnnn AAAAAA of aantal niveaus ADC = bbbbbbbbbbbb AAAAAA rrrrrrrrrrrrrrrrrr 1 mmmm aantal niveaus ADC = 2 #bits ADC dus 2 #bits ADC = bbbbbbbbbbbb AAAAAA rrrrrrrrrrrrrrrrrr 1 mmmm = 5000 mmmm 1 mmmm #bits ADC = log = log / log 10 2 = 12,3 bits We hebben dus minstens 13 bits nodig. 3. Onze ADC is beperkt tot 10 bits. Wat moet je doen? We moeten ons signaal versterken, zodat het minder zwak is als het aan de analoog-digitaalconverter aangeboden wordt. Onze 10 bits ADC heeft een analoog bereik van 5 Volt. Een digitaal signaal van 10 bits (het maximum van onze ADC) komt overeen met 2 10 (of 1024) digitale niveaus. Voor ons analoge signaal tellen we dus een stapgrootte van 5 Volt / 1024 of ongeveer 5 millivolt/niveau. De spanningswaarden die we kunnen meten rond het oog liggen rond 1 millivolt. We kunnen een dergelijk signaal dus niet weergeven, en zullen dit vooraf moeten versterken. We gaan over naar module 3, waar we ons eigen elektrisch circuit bouwen om een signaal te versterken Pagina 31

32 Module 3: Elektro-oculografie In deze module bouwen de leerlingen zelf een elektrisch circuit dat het signaal van de ogen zal versterken. Deze versterking is nodig, opdat het signaal groot genoeg zou worden, zodat de computer het kan verwerken. Daarvoor moeten de leerlingen eerst goed begrijpen hoe een versterker werkt. Dit wordt uitgelegd in het info blad. Deze info hebben ze nodig om nadien het circuit voor de versterker daadwerkelijk op te bouwen. Het is dus zeer belangrijk dat de leerlingen voldoende aandacht besteden aan het info blad. Na het bouwen van het circuit wordt het bord gekoppeld aan de USB-ADC module (die we in de PC steken) en gebruiken ze opnieuw de EOG scope software van module 2 om het signaal te bekijken op de PC. Aan het einde van deze module kunnen ze effectief de elektrodes rond de ogen plaatsen en daadwerkelijk het effect van de eigen oogbewegingen zien op de computer. Dit komt vaak met de nodige euforie! Infoblad Waarom versterking? We starten met uit te leggen aan de leerlingen waarom we ons signaal moeten versterken: Onze computer kan enkel digiale signalen uitlezen. Het doet dit door middel van de 10-bit ADC in de USB module (die we in module 2 introduceerden). Deze 10-bits ADC heeft een bereik van 5 Volt. Zoals we vorige module zagen, komt een digitaal signaal van 10 bits (het maximum van onze ADC) overeen met 2 10 (of 1024) digitale niveaus. De minimale resolutie waarmee we dus naar ons oogsignaal kunnen kijken met de computer is dus 5 Volt / 1024 of ongeveer 5 millivolt. De spanningswaarden die ons oog genereert liggen echter rond de 1 millivolt. We kunnen een dergelijk signaal dus niet (nauwkeurig) meten, en zullen dit moeten versterken om het nadien met voldoende resolutie (nauwkeurigheid) te kunnen weergeven op de PC. Werking versterker? We leggen vervolgens de werking van een versterker uit. De versterker die wij zullen gebruiken is een differentiële versterker, wat wil zeggen dat het verschil tussen zijn twee ingangen wordt versterkt. Deze twee ingangen zijn de twee elektroden die we naast onze ogen plakken. Om het effect van een links-rechts beweging van de ogen te meten wordt bij de uitvoering van het experiment een elektrode geplaatst aan beide kanten van de ogen. De signalen van deze elektrodes zijn inkomende signalen, V - IN en V + IN Pagina 32

33 De versterker moet nu het gemeten potentiaalverschil tussen V - IN en V + IN versterken. Dat versterken is eigenlijk hetzelfde als de waarde vermenigvuldigen met een bepaalde factor G. G is dan de versterkings-factor, die we zelf kunnen instellen. In onderstaande grafiek wordt de ingang, het potentiaalverschil tussen V - IN en V + IN, weergegeven door de linkse groene en rode pijlen. V o=(v + IN - V - IN)*G De middelste grafiek geeft het verloop van dit verschilsignaal weer (groene curve). De uitgang, op de rechtse grafiek, is dan dit verschilsignaal, opgeblazen met een versterkingsfactor G (hier G=4). Dit signaal komt uit de versterker naar buiten via V O. V O staat voor V out of uitgaand signaal. Opdat de versterker zou kunnen werken moet hij gevoed worden (vanuit een batterij, of vanuit de PC in ons geval) door verbonden te worden met de grond en de voeding. Dit gebeurt via de grondpin V- en de voedingspin V+. De grondspanning is 0 Volt en de voedingsspanning is 5 Volt. Tenslotte moet de versterker ook een referentiespanning meekrijgen, ten opzichte waarvan hij de uitgang zal positioneren. Deze is in ons geval 2,5 Volt. De leerlingen zullen in de experimenteermodule m.b.v. draadjes zelf deze verbindingen moeten maken. Hoeveel dit signaal versterkt wordt (de versterkingsfactor G), kan ingesteld worden door een weerstand. De keuze van de weerstand bepaalt dus de hoeveelheid versterking. Omgekeerd, door de gepaste weerstand te kiezen kunnen we zelf de versterking bepalen. De leerlingen zullen zelf de versterkingsfactor moeten berekenen en de weerstand moeten kiezen. Dit doen ze in het experimentgedeelte. Experimentblad In het experimentgedeelte bouwen de leerlingen de schakeling om de versterker te verbinden met de oog-elektrodes en met de PC. We laten hen eerst grondig de verschillende onderdelen (EOG bord en versterker) bekijken. Pagina 33