Problemas con el contador de 4 bits al portar a PCB

Necesito ayuda o tal vez una explicación sobre un problema en particular que estoy experimentando al transferir un circuito pequeño y relativamente simple de una placa de pruebas a una PCB. El circuito es para un proyecto escolar utilizado para recibir pulsos infrarrojos que llegan a una frecuencia de 4 Hz. El circuito está compuesto por unos 5 o 6 circuitos integrados lógicos, funciona perfectamente en una placa de pruebas. Sin embargo, tan pronto como transpongo este circuito a una PCB, ocurre un problema. He aislado mi problema en un solo IC que es un contador binario de 4 bits 74LS93.

Decidí intentar reproducir el problema con la menor cantidad de componentes posible y resultó ser bastante fácil. Simplemente configuré un temporizador IC 555 en una configuración astable para generar una onda cuadrada con una frecuencia de 4 Hz (para simular la entrada de la señal) y alimenté la salida directamente a la entrada del contador:

esquemático

simular este circuito : esquema creado con CircuitLab

Nuevamente, este circuito se comporta como debería en una placa de prueba; el contador cuenta con cada flanco descendente de cada pulso que recibe desde 0000 hasta 1111 y luego se restablece a 0000. Ahora, el problema cuando transpongo este pequeño circuito a una PCB aparece en QA, el bit menos significativo, o más bien, el primer Flip-Flop del contador. Parece como si el contador contara tanto los flancos ascendentes como los descendentes.

La buena noticia es que puedo solucionar este problema agregando un límite de 100 nF entre VCC de mi contador y GND. Lo examiné con un osciloscopio en la imagen de abajo. A la izquierda de la línea media, se puede ver el comportamiento del contador sin cap y, a la derecha, el contador 'fijo' con cap entre VCC y GND. (El amarillo es la señal de entrada, el azul es QA. No se preocupe por las fluctuaciones de entrada cuando estaba alimentando con mi Arduino, lo mismo ocurre cuando uso una fuente de voltaje constante).

ingrese la descripción de la imagen aquí

La mala noticia es que cuando vuelvo a montar el circuito completo en una PCB, el problema vuelve a aparecer. He intentado poner límites de desacoplamiento en cada IC, parece ayudar, pero la salida es consistentemente... bueno, impredecible. A veces cuenta como debería, pero la mayoría de las veces es aleatorio. Sé que las placas de prueba pueden actuar como condensadores muy pequeños en algunos puntos, pero me cuesta entender y descubrir cuál es el origen de mi problema aquí.

Sé que puede parecer básico, pero disculpe, ya que he buscado y no estoy seguro de qué buscar, también soy un novato en electrónica en general. ¡Cualquier cosa ayudaría!

No creo que sea el desacoplamiento. ¿Puedes verificar que no tienes cortos en tu PCB?
¿Se supone que "4.12V" que se muestra en el alcance es una señal lógica de 5V? ¿Están caídos sus rieles de suministro? ¿Puede publicar un esquema completo o al menos un par de fotos claras de cada lado de la PCB?
Entonces, ¿qué cree que está causando esa pequeña reducción de voltaje en QA en el flanco ascendente del reloj? Eso no se ve bien.
Mostrarnos una foto de alcance y luego decir que debemos ignorar el poder caído es confuso y no muy útil. Danos una foto de alcance decente para que podamos juzgar qué se puede ignorar y qué no. Tengo la sensación de que su 555 está perturbando la fuente de alimentación.
@TomL. Verificaré dos veces la soldadura en la PCB y publicaré una imagen si es posible. Dado que es lo único que pude comprobar por mí mismo, lo había hecho a fondo sin encontrar fallas y todavía tenía el problema, así que descarté la posibilidad de que fuera eso. Lo siento, no mencioné eso. Gracias por su aporte.
@JoeHass, volveré a verificar con el alcance tan pronto como pueda, sé que parece que hay muchos problemas con lo que tengo actualmente y que los rieles de alimentación están caídos, consideré correcto publicar esa imagen al principio porque era el único que tenía por ahora y el mismo comportamiento aparece usando una fuente regulada más robusta. Creí que mi problema tal vez podría estar relacionado con algún 'fenómeno común' o 'error' ya que soy uno de los muchos en mi clase a los que les ocurre esto. Gracias por su tiempo. Volveré lo antes posible.
Intente medir la resistencia entre las 4 señales de salida y los rieles de su fuente de alimentación. Esos 4.1V definitivamente no son por falta de desacoplamiento.

Respuestas (2)

A primera vista, esto parece ser un problema de energía. Parece que su fuente de alimentación de "5 V" cae a menos de 4 V en funcionamiento.

  • Quizás la fuente de alimentación es inadecuada. Por lo tanto, alimente su circuito desde alguna otra verruga de pared u otra fuente de alimentación que pueda suministrar al menos 10 veces más energía de la que cree que necesita (al menos 10 veces más corriente a 5V). (Otra posible explicación: tal vez los cables, conectores y trazas entre su fuente de alimentación y la GND del chip y los pines de alimentación tengan demasiada resistencia, así que reemplácelos con cables más gruesos y conectores menos oxidados).

  • No importa cuán buena sea la verruga de la pared, no puede hacer nada con respecto a la inductancia en los cables entre la verruga de la pared y su PCB. Esa inductancia crea una impedancia significativamente mayor de lo que podría sugerir la medición de la resistencia de esos cables. Necesita un condensador de "capacitancia a granel" en su placa. Hay formas de calcular cuánto necesita, pero muchas personas simplemente agregan un capacitor de 1000 uF en su primer prototipo, generalmente excesivo, pero no vale la pena intentar averiguar cuánto menos "necesitamos". "Técnicas de desacoplamiento de suministro lógico" , "Guía general de diseño de PCB" , "Reglas de diseño de capacitancia de desacoplamiento" , "

  • No importa cuán bueno sea un capacitor a granel, no puede hacer nada con respecto a la inductancia en las trazas entre ese capacitor y cada IC. Esa inductancia crea una impedancia significativamente mayor de lo que podría sugerir la medición de la resistencia de esos rastros. Coloque un condensador de desacoplamiento de 100 nF a través de la GND y el pin de alimentación de cada IC. "Explicación de los condensadores de desacoplamiento, o si le gusta, entonces no debería dejar que suene así" , "¿Qué es un condensador de desacoplamiento y cómo sé si necesito uno?" , "Desacoplamiento por ejemplo" , etc.

Desafortunadamente, estos 3 problemas son extremadamente frecuentes y causan todo tipo de comportamientos extraños y que no funcionan del todo bien.

(¿Cómo agregamos "desacoplamiento y capacitancia masiva" a las preguntas frecuentes del sitio de ingeniería eléctrica?)

Enseñé un curso de mecatrónica durante algunos años y varios estudiantes vieron problemas al migrar de la placa de pruebas a la PCB. La mayoría de los problemas se solucionaron agregando capacitancia.

Lo que probablemente suceda es que su placa de pruebas tenga bastante capacitancia parásita debido a la forma en que se construyen las pistas en la placa. Como resultado, la placa de prueba puede ser más indulgente para los circuitos de principiantes. Lo contrario también es cierto, la placa de prueba matará los circuitos avanzados de alta velocidad.

Siempre es una buena práctica colocar un límite de 100 nF entre VCC y GND lo más cerca posible del IC. Desea un bucle lo más pequeño posible, ya que un bucle más grande crea inductancia. Trate de mantener la tapa del mismo lado que el IC, las vías introducirán inductancia. Finalmente, el tamaño del paquete también cuenta, intente usar una tapa físicamente pequeña. Observa que algunas tapas están etiquetadas con ESL bajo y pueden tener sus huellas en los lados largos del chip, todo en nombre de proporcionar una fuente de voltaje limpia a su IC.

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