變頻器CPU主板電路之一

——CPU的基本電路

圖1：松下VFO 220V 0.4kW變頻器CPU主板電路之一：CPU的基本電路

    在對(duì)CPU電路的檢修中，有人提出過(guò)CPU工作的三要素。三要素：供電電源，提供時(shí)鐘脈沖的晶振電路、上電瞬間提供復(fù)位脈沖的復(fù)位電路。三要素提供了CPU正常工作最基本的三大條件，三要素的具備，說(shuō)明不管其它外圍電路是否正常，但CPU本身（內(nèi)部程序）可以運(yùn)行了，可以干一些，比如開(kāi)機(jī)自檢，相應(yīng)的故障報(bào)警等的活兒了。

   此后，陸續(xù)有人提出，CPU工作的第四要素：CPU的按鍵電路、I/O口指令輸入電路等；CPU工作的五要素，如外掛存儲(chǔ)器的工作狀態(tài)，由此延伸出CPU正常工作的六要素、七要素，乃至八要素。如以系統(tǒng)眼光來(lái)看，任一個(gè)故障環(huán)節(jié)的出現(xiàn)，都會(huì)使CPU的工作過(guò)程嵌定于某一狀態(tài)下，阻斷了正常運(yùn)行的進(jìn)程，則滿足CPU——CPU主板正常工作的要素，又何止幾十種！

    從變頻器本身的工作特點(diǎn)出發(fā)，從滿足檢修的條件來(lái)看，圖1電路，包括了CPU供電電源電路、晶振電路、復(fù)位電路、操作顯示面板的按鍵操作電路、顯示電路——工作狀態(tài)和參數(shù)值的顯示電路，應(yīng)該可以稱之為CPU的基本工作電路了。

    供電電路：

CPU的供電電源為直流5V，由變頻器的開(kāi)關(guān)電源電路供給，具有較好的穩(wěn)定度。但本電路，是由開(kāi)關(guān)電源來(lái)的直流電源，再經(jīng)穩(wěn)壓電路處理，才進(jìn)入CPU供電引腳的。CPU本身對(duì)供電的要求也較為苛刻，要求供電在+5V±5%以內(nèi)，偏高或偏低都會(huì)造成工作失常。為避免數(shù)字與模擬信號(hào)的相互串?dāng)_，往往將兩種電路的供電電源獨(dú)立引入，CPU內(nèi)部數(shù)字電路供電端一般標(biāo)注為VDD（正供電端）、VSS（負(fù)供電端），模擬電路的供電端一般標(biāo)注為Vcc（正供電端）、GND（負(fù)供電端），因而CPU的供電腳不會(huì)是兩個(gè)腳，再加上CPU的一些端子直接接入+5V或供電地端，實(shí)際接入供電的引腳，有的多達(dá)十幾個(gè)。本電路IC1的21、53腳為（數(shù)字）供電的正電源端，30、50腳為（數(shù)字）供電負(fù)端。而58、67為模擬電路供電正端，標(biāo)注為AVcc、AVss，加“A”字表明為模擬供電電源引入端。

    復(fù)位電路：

    所謂復(fù)位，是指對(duì)CPU的初始化操作，清除內(nèi)部程序計(jì)數(shù)器、指令寄存器內(nèi)容，以便為CPU轉(zhuǎn)入正常工作，做好準(zhǔn)備。復(fù)位也是一個(gè)上電過(guò)程的確認(rèn)，說(shuō)明供電條件已經(jīng)建立。早期的變頻器產(chǎn)品，還具有手動(dòng)復(fù)位功能，除對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行初始化以外，當(dāng)程序運(yùn)行出錯(cuò)或操作錯(cuò)誤使程序運(yùn)行被“卡死”——程序進(jìn)行死循環(huán)時(shí)，為解除此種狀態(tài)，也需實(shí)施復(fù)位操作，以重新啟動(dòng)程序運(yùn)行。

復(fù)位電壓：上電瞬間為低電平，經(jīng)μs級(jí)延時(shí)后，上升為+5V高電平，可認(rèn)為上電瞬間的一個(gè)低脈沖電壓信號(hào)；當(dāng)需用高電平復(fù)位信號(hào)時(shí)，則上電瞬間為高電平，經(jīng)μs級(jí)延時(shí)后，恢復(fù)為0V低電平，可認(rèn)為上電瞬間的一個(gè)高脈沖電壓信號(hào)。

電路圖中CPU的48腳為復(fù)位脈沖引入腳，工作方式為上電自動(dòng)復(fù)位，復(fù)位信號(hào)是低電平復(fù)位信號(hào)有效。當(dāng)此端子標(biāo)注字母RES（或RETST）上方不帶橫杠時(shí)，為高電平復(fù)位信號(hào)有效。本機(jī)電路，則為低電平復(fù)位信號(hào)有效。

    本電路CPU的穩(wěn)壓供電和低電平復(fù)位脈沖的提供均由五線端元件78LR05提供。五線端78L05是一個(gè)帶復(fù)位信號(hào)輸出端的5V電壓的穩(wěn)壓IC，輸出兩路5V電壓，第一路提供+5V供電電源，第二路由內(nèi)部延時(shí)電路提供一個(gè)經(jīng)延時(shí)的5V電壓信號(hào)，輸入到CPU的48復(fù)位腳。

    復(fù)位電路的常見(jiàn)形式還有以下幾種：

圖2 復(fù)位電路的其它電路形式

    上圖（1）、（2）電路為低電平復(fù)位脈沖形成電路。（1）電路為R、C延時(shí)電路，在上電瞬間，因電容C兩端電位不能突變，C上正端電壓由零逐漸升高，經(jīng)20μs延時(shí)后到達(dá)+5V高電平。當(dāng)此充電電壓升高到一定值時(shí)，CPU進(jìn)入程序復(fù)位狀態(tài)，開(kāi)始寄存器清零，系統(tǒng)自檢等工作；（2）電路利用三極管Q1的導(dǎo)通延時(shí)，來(lái)提供上電期間的一個(gè)低電平的復(fù)位信號(hào)輸入。因+5V電源輸出端接有大容量的濾波電容，因電容的充電造成+5V形成的延遲。上電期間，+5V電壓逐漸建立，在未達(dá)到4V以上時(shí)，穩(wěn)壓二極管DW呈開(kāi)路狀態(tài)，三極管Q1因無(wú)基極偏流通路而截止，CPU復(fù)位端為R3引入的低電平；當(dāng)電壓上升到4V以上時(shí)，DW擊穿導(dǎo)通，形成Q1的基極偏流，Q1飽合導(dǎo)通，將復(fù)位端引入+5V高電平，復(fù)位過(guò)程結(jié)束。

    上圖（3）、（4）電路為高電平復(fù)位脈沖形成電路。（3）電路出為R、C延時(shí)電路，上電瞬間，C的充電電流使RST輸入端產(chǎn)生一個(gè)高電平電壓跳變，隨充電過(guò)程的進(jìn)行，RST端子上電壓逐漸降低，約20μs后，RST復(fù)位信號(hào)輸入端變?yōu)镺V地電平，復(fù)位過(guò)程結(jié)束；（4）電路，在（3）電路的基礎(chǔ)上，增加了SW、R2手動(dòng)復(fù)位電路，在變頻器運(yùn)行過(guò)程中，若因某種原因出現(xiàn)故障鎖定或“程序死機(jī)”現(xiàn)象時(shí)，可按動(dòng)一次SW按鍵，實(shí)施人工強(qiáng)制復(fù)位。

    晶振電路：

    晶振電路用于產(chǎn)生CPU工作所需的時(shí)鐘脈沖。CPU本身為一個(gè)同步時(shí)序電路，電路應(yīng)在時(shí)鐘信號(hào)控制下按時(shí)序進(jìn)行工作，猶如部隊(duì)行軍，須按口令進(jìn)行才能不亂套。在CPU晶振引腳內(nèi)部，有一個(gè)高增益放大器，與外接晶振元件一起，構(gòu)成了一個(gè)振蕩器電路，產(chǎn)生振蕩信號(hào)，再經(jīng)分頻后作為時(shí)鐘信號(hào)。晶振引腳一般標(biāo)注為XTAL1（X1）、XTAL2（X2），外接晶振元件和兩只小容量電路。早期產(chǎn)品有外接陶瓷諧振器的，后期產(chǎn)品則大多采用晶振元件。晶振選用為4 MHz、6 MHz、12MHz、16MHz、20MHz振蕩頻率的，隨CPU工作速度的不同，而不同。以采用16MHz的為多。兩只小容量瓷片電容的取值一般為30PF或22PF。

    CPU外接晶振電路的常見(jiàn)形式：

圖3 晶振電路的其它電路形式

    因CPU型號(hào)的不同和振蕩元件的差異，CPU外接晶振電路也有所不同。另，極少數(shù)變頻器產(chǎn)品，采用雙CPU控制，由專用時(shí)鐘信號(hào)發(fā)生器，直接輸出振蕩信號(hào)給CPU，如圖7-3（3）電路。

    CPU的外存儲(chǔ)器電路：

    與CPU的43、54、55、56腳相連的為外接存儲(chǔ)器（L56R 245W）8腳IC元件。四路信號(hào)的傳輸均為低電平有效模式。55、56腳為讀寫選通信號(hào)，另兩腳則傳輸串行數(shù)據(jù)信號(hào)和時(shí)鐘脈沖信號(hào)。

CPU內(nèi)部已設(shè)置有只讀存儲(chǔ)器ROM，這種存儲(chǔ)器數(shù)據(jù)是固定的，用來(lái)存放工廠程序，出廠時(shí)已固化在ROM中。此類程序無(wú)法改寫，但斷電也不會(huì)消失；CPU內(nèi)部還有另一類存儲(chǔ)器，稱為隨機(jī)存儲(chǔ)器RAM，這類存儲(chǔ)器可讀可寫，但斷電后數(shù)據(jù)即行消失。RAM用于處理一些“暫時(shí)應(yīng)用”的數(shù)據(jù)，用于運(yùn)行中的數(shù)據(jù)暫存，數(shù)據(jù)的寫入和讀出。以上兩類存儲(chǔ)器又可稱為“內(nèi)存”。第三類存儲(chǔ)器，為EEPROM電可編程讀寫存儲(chǔ)器，當(dāng)電源掉電后，可保存數(shù)據(jù)，同時(shí)又可用電擦除改寫內(nèi)部?jī)?nèi)容。該類存儲(chǔ)器又稱為外部存儲(chǔ)器，用于存入用戶控制程序，如控制參數(shù)的更改與儲(chǔ)存。變頻器CPU電路中常用EEPROM存儲(chǔ)器，一般為8腳貼片封裝，5V單電源供電。

操作顯示面板電路：

圖1右側(cè)電路即為操作面板的顯示電路，右下側(cè)為按鍵信號(hào)輸入電路，按鍵電路接成矩陣電路，對(duì)按鍵信號(hào)的讀取一般采用循環(huán)掃描方式，以判斷是哪個(gè)按鍵按下。按鍵電路，除供用戶用作參數(shù)修改和設(shè)置外，還可實(shí)現(xiàn)與控制端子一樣的功能——用于變頻器的啟、停操作，故障復(fù)位操作等。右上側(cè)電路為顯示電路，小功率和經(jīng)濟(jì)型機(jī)型，操作顯示面板多采用本電路。而在通用機(jī)型中，操作顯示面板，內(nèi)含CPU控制，作為一個(gè)獨(dú)立器件，與CPU進(jìn)行三線式通訊。

顯示電路：LED1、LED2、LED3三只數(shù)碼顯示器為共陽(yáng)極接線方式，采用動(dòng)態(tài)掃描的方法進(jìn)行顯示。LED顯示器由7個(gè)發(fā)光二極管組成，也稱為七段LED顯示器。此外，還有一只圓點(diǎn)型發(fā)光二極管，供顯示小數(shù)點(diǎn)。CPU的內(nèi)部驅(qū)動(dòng)電路，輸出脈沖式工作電流，對(duì)顯示器的發(fā)光實(shí)施段控和位控。數(shù)碼顯示器直接由CPU引腳驅(qū)動(dòng)，無(wú)外置驅(qū)動(dòng)電路。