¿Por qué hay un cortocircuito entre mi VCC y GND en este circuito?

Question

Estoy realizando un proyecto donde estoy utilizando una placa FPGA que se conecta a un circuito que diseñé. Tiene un cuádruple comparador (LM339N), unos cuantos resistores y un LDR; dos sensores de distancia (GP2Y0A51SK0F) están conectados al mismo por cables, y el circuito recibe su voltaje de la placa FPGA (DE0-Nano, 4.80V). Los comparadores también son alimentados por los 4.80V de la placa.

Este es el esquemático:

Como puedes ver, la salida de cada sensor de distancia (este sensor solo tiene 3 pines, no pude ocultar el cuarto) va a un comparador. La idea era convertir el sensor de distancia en un sensor de proximidad y emitir un '0' cuando detectara algo a una cierta distancia. La FPGA recibe entonces ese '0' y actúa. Algo similar con el LDR.

Puedo confirmar que todo funcionó cuando utilicé dos fuentes de voltaje diferentes al probar esto - una siendo 5V que va al sensor de distancia y otra de 3.3V que va a los comparadores. Tanto el 3.3V como el 5V provenían de una fuente de alimentación de corriente continua.

Ahora, estoy utilizando la DE0-Nano para suministrar energía, siendo la única fuente un pin de 4.8V y un pin de GND. Como puedes ver en el esquemático, todo tiene una sola fuente de alimentación.

Mi problema - las cosas no están funcionando con los sensores de distancia; Al intentar medir el voltaje en la salida de cada uno de los sensores, solo obtengo 0V, por lo que obviamente los comparadores tampoco emiten nada. Estoy utilizando un multímetro para intentar verificar cuál es el problema, y cuando intenté verificar cortocircuitos (con un modo llamado continuidad, creo), uno de los siguientes podría ocurrir (o ambos):

1. Un corto entre VCC y GND, pero no hay conexión física entre ellos, lo verifiqué con el modo de resistencia.
2. Un corto entre los pines VCC y GND del LM339N

1 y 2 nunca ocurrirán al mismo tiempo.

3. Un corto entre una de las salidas de los comparadores (U1 o U2) y VCC. Cuando esto sucede, los resistores pull-up de 3K también se cortocircuitan.

Como mencioné, no hay conexión física entre VCC y GND, por lo que asumo que el corto que el multímetro está detectando se debe a que los pines tienen el mismo potencial. ¿Es posible que los resistores pull-up sean demasiado pequeños y por eso ocurre este problema? ¿Es posible que haya dañado los sensores de distancia?

Gracias por tu ayuda, he estado probando esto durante días e intentando averiguar cuál es el problema.

Edición - aquí hay algunas capturas de pantalla del osciloscopio:

1. Este es el pin de alimentación:

2. Este es el pin de alimentación, ampliado:

3. Esta es la salida del sensor:

La salida permanece así sin importar qué, así que parece que realmente no está funcionando. Tal vez la amplitud esté aumentando, pero no creo que importe (también podría ser el otro sensor y no recuerdo).

Esas capturas de pantalla son de solo un sensor: el otro muestra resultados diferentes, pero al verificar su salida, ninguno parece responder realmente.

Answer 1

Has caído en una trampa clásica del problema XY1. Sin embargo, gracias por mencionar brevemente el problema original, ya que eso hace que la situación general sea más fácil de entender.

Tienes un problema genuino ("X"):

las cosas no están funcionando con los sensores de distancia.

Eso no es suficiente detalle para ayudarte con el problema real, pero volveré a eso. Estás teniendo problemas para interpretar los resultados de una prueba de multímetro (desafortunadamente inapropiada), y eso es sobre lo que estabas preguntando ("Y").

Sin embargo, "Y" es el problema equivocado en el que deberías estar invirtiendo tu tiempo, porque obtener una respuesta para eso no te ayudará a resolver el problema original "X". Como confirmación, a continuación está la respuesta a tu pregunta "Y" (sobre los aparentes cortocircuitos que mediste) pero no ayuda a resolver el problema real "X" (sobre los sensores, cuando están alimentados por el DE0-Nano):

Estoy usando un multímetro para intentar verificar cuál es el problema, y cuando intenté verificar los cortocircuitos (con un modo llamado continuidad, creo), pueda que ocurra uno de los siguientes [...]

Usar un multímetro típico de esa manera en una placa con ICs, generalmente conducirá a muchos falsos positivos de aparentes cortocircuitos mostrados en el medidor. Esto se debe a los diodos de protección ESD (y otras estructuras de protección ESD) dentro de la mayoría de los ICs, que pueden conducir durante esa prueba de "continuidad".

Así que deja de bajar por este agujero de conejo y retrocede unos pasos :-) Esto es lo que sugiero:

• Vuelve a tu configuración anterior que dices que funcionaba, es decir, una fuente de alimentación externa separada para las secciones de 3.3V y 5V. Espero (y espero) que esto funcione de nuevo. Esto confirmaría que tu hardware no tiene "cortocircuitos".

  Sospecho que la capacitancia de salida adicional y/o una capacidad de corriente más alta de esa fuente de alimentación de CC separada (en comparación con la salida de energía del DE0-Nano), es por qué esa configuración funcionó: ver siguiente punto.

• Nota que algunos sensores de distancia Sharp tienen requisitos de energía inusuales. Específicamente pulsan sus LEDs infrarrojos a corrientes relativamente altas, durante periodos cortos. Debido a esas corrientes altas, son conocidos por necesitar mucha capacitancia de desacople cerca de los sensores, especialmente si la fuente de alimentación es débil o tiene mucha inductancia (por ejemplo, cables largos/delgados, etc.). La hoja de datos de tu sensor menciona una corriente de suministro promedio (12mA a 22mA) ¡pero no una corriente máxima!

  Por lo tanto, usa un osciloscopio en el PIN de alimentación del sensor para ver la forma de onda, y es posible que veas que cae por debajo del voltage de alimentación mínimo aceptable para el sensor (por ejemplo, en caídas breves, cuando el LED infrarrojo interno se pulsa) debido a los factores que mencioné anteriormente. Es de esperar que se requieran condensadores de desacople como mínimo. Esa puede ser parte o toda la razón por la que "las cosas no funcionan con los sensores de distancia" cuando están alimentados desde el DE0-Nano.

• Si aún tienes problemas con los sensores solamente cuando están alimentados desde el DE0-Nano, entonces concéntrate en eso y solicita más ayuda para la solución de problemas. Muestra algunas fotos de tu configuración, explica cualquier restricción, utiliza cables de alimentación cortos, espera que se te pida que proporciones capturas de pantalla del osciloscopio, y es probable que también necesites proporcionar información sobre el DE0-Nano y la potencia que puede suministrar.

• Consulta estas páginas para obtener ejemplos de información sobre esos sensores Sharp y la necesidad de desacoplar la alimentación adicional cerca del sensor; algunos sugieren también agregar un filtro paso bajo en la señal de salida en sí, aunque dudo que el ripple de la señal de salida sea tu problema actual:

  Cómo mejorar los sensores Sharp GP2Dxxx

  Prueba de sensor GP2D12: Tramas de osciloscopio, capacitores y resultados del sensor de distancia

  Sensores de distancia Sharp

  y algunas otras preguntas relevantes de Electrical Engineering Stack Exchange:

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1 Hay varias definiciones ligeramente diferentes del problema XY, así que he vinculado a una búsqueda en Google arriba, para lectores que quieran aprender más. La terminología que uso es:

"X [es] el problema subyacente y Y la pregunta o solicitud expuesta"

que está adaptada de aquí.