M30800FCFP芯片的应用和特点

M30800FCFP芯片是瑞萨M16C/60/80系列MCU产品之一，100引脚QFP塑封。有11个P端口（88线I/O口），是32/16位混合微控制器，主时钟频率典型值为20/24MHz，副时钟典型值为5kHz，具有主时钟停振检测功能；供电电压为4～5.5V，输入电源电流为45mA，有电源电压检测功能；有多个A-D、D-A转换通道，和6路PWM脉冲输出端口。M30800FCFP引脚图如图8-4所示。

（1）供电引脚（见图8-5）

MCU器件一般采用5V单电源供电，但对MCU内部电路而言，是分为数字电路电源和模拟电路电源两个系列供电的，如M30800FCFP芯片，即分为Vcc、Vss数字电路供电和AVcc、AVss模拟电路供电两部分。模拟电路的5V供电由99、96脚（模拟电源输入引脚）引入，用于A-D转换器等模拟信号处理电路的供电；Vcc、Vss数字电路的5V供电，分别由16、14和62、64脚（数字电路电源输入引脚）引入，用于其他数字信号处理电路。

图8-4 VFD-B型22kW变频器MCU芯片（M30800FCFP）引脚图

图8-5 M30800FCFP芯片的供电电压和供电引脚图

模拟信号处理电路的电压幅度较小，工作频率较低，抗干扰能力较弱；数字电路的门限电平和工作频率较高，抗干扰性能较强。将模拟电路的供电与数字电路的供电分开，可以减轻两种信号之间所产生的串扰，所以，微控制器的电源引脚一般有模拟和数字两种，并且可能有4个以上的引脚数量，这是微控制器供电的特点之一。每路供电电源的正、负端是相邻和靠近的，如14、16脚和62、64脚，检测时要注意引脚的排列规律。

因而对微控制器供电电源和供电引脚电压状态的检测成为一个重要检修内容。微控制器对供电电源的稳定性有一定要求，检测供电电压值一般应在额定值的±5%以内，过高或过低都会引起微控制器工作失常，另外，微控制器通常有电源电压监测功能，在供电异常时会自动进入系统复位状态。

（2）晶振引脚

微控制器的有序工作需要按一定固定的时间节拍进行，产生相应的定时信号和控制信号，而且各部分和各控制信号之间要满足一定的时间顺序。通常由微控制器内部振荡器和外接晶振元件产生一个振荡信号，又称为振荡时钟或时钟信号，内部各电路所需的时间基准不一的频率信号则由该时钟信号分频取得。

1）时钟发生电路的电路形式。

①主时钟振荡电路。由时钟信号输入、输出引脚（内为高增益放大器）XIN（X1）、XOUT（X2）与外接晶振元件构成振荡器，向内部时钟电路提供时钟信号，一般MCU的时钟信号频率为4～24MHz。

②副时钟振荡电路。副时钟振荡电路中，部分微控制器电路有应用，振荡频率较低（如5kHz）。如M30800FCFP芯片电路，即采用主、副时钟两种振荡电路。采用副时钟振荡电路一般是出于：

a降低功耗的考虑。通常，系统运行频率越高，电源功耗也就越大。若在不需要高速运行的情况下（如待机状态），停掉主时钟，只运行副时钟，可降低功耗，减小芯片发热延长使用寿命。

b主、副时钟各完成不同的工作任务，如副时钟用于为定时器、计数器的时间基准信号。

c因某种原因，导致主时钟工作不正常（如受强干扰而停振），而副时钟仍能起到正常工作的监控作用，可以检测主时钟的工作状态，并据需要能重新启动主时钟电路运行。

d可以由程序切换主、副时钟的运行。

③微控制器内部振荡器。一些微控制器具有内部副时钟电路，如1MHz的时钟信号发生器，一般在主时钟停止振荡时，暂时起到取代主时钟的作用，系统复位后（主时钟已经工作后）停止振荡。

2）实际的时钟电路。

主时钟振荡频率为20MHz，副时钟电路的振荡频率为50kHz，图8-6b所示电路中，给出了MCU晶振引脚的信号电压和测试波形图。

图8-6 M30800FCFP芯片的时钟电路及测量波形

3）晶振电路的测量方法（以图8-6电路为例）。

时钟电路的振荡频率为晶振元件的标称频率值。测量MCU晶振引脚的电压值，也可判断是否处于振荡或停振状态。

①用示波器测量振荡波形。MCU晶振引脚的振荡波形为标准正弦波电压波形。但因示波器带宽的限制，一般测量10MHz左右振荡频率的波形时，显示为正弦波，测量较高频率的振荡波形时，显示为三角形尖波。采用宽带（如100MHz）示波器，测量的波形更接近正弦波。

低带宽示波器探头有一定的等效电容值，测量MCU的时钟信号输入端，探头电容会造成对反馈信号电压的分压（衰减），引起电路停振。但测量时钟信号输出端，因信号幅度较高和等效阻抗较低，不会对振荡产生太大影响，可以测到振荡波形。时钟信号输出端的信号电压幅度（峰值电压以V_P-P标示），一般应达到供电电压的70%以上，5V供电时，测输出端电压幅度应为4V以上。

②用数字频率计，由时钟引脚测量信号频率。

③对晶振电压的检测。用数字万用表的直流电档，可以测量晶振引脚的信号电压值，测量晶振信号输入脚时，也容量造成电路停振，使信号电压消失。

处于正常振荡状态时，时钟输出脚电压值约为（稍低于）供电电压的一半，一般为2.3V左右；时钟信号输入端，因C1、C2电容分压的缘故，信号电压值低于输出端，如1.2V左右。注意：所测电压并非为固定值，因C1、C2电容的取值不同，和MCU内部电路的差异，时钟信号输入、输出脚的电压值有的相差大，有的相差小，如图8-6电路，两引脚的电压值就非常接近。

时钟信号输入、输出脚的电压值，若为0V或+5V，或两脚电压都为0V或5V，说明电路已处于停振状态。

4）时钟电路的故障表现。

时钟是MCU系统的“心跳”发生器，停振时，系统无法满足正常工作条件，程序运行处于停滞状态。操作显示面板显示“-----”、“88888”或无显示，操作面板按键无反应。如果进一步细致检查，会发现MCU的自检动作无法完成，如主板的系统（故障）状态指示灯一直点亮，充电继电器无动作信号等。

5）晶振元件的电气参数、损坏现象和检测方法。

晶振元件的全称为石英晶体谐振器，材料是一种压电晶体。石英晶片之所以能用于振荡电路（谐振）是基于它的压电效应，若在晶片的两个极板间加一电场，会使晶体产生机械变形；反之，若在极板间施加机械力，又会在相应的方向上产生电场，这种现象称为压电效应。如在极板间所加的是交变电压，就会产生机械变形振动，同时机械变形振动又会产生交变电场。一般来说，这种机械振动的振幅是比较小的，其振动频率则是很稳定的。但当外加交变电压的频率与晶片的固有频率（决定于晶片的尺寸）相等时，机械振动的幅度将急剧增加，这种现象称为压电谐振，因此石英晶体又称为石英晶体谐振器。其特点是频率稳定度很高。

在应用中晶振等效为一个电感，在晶振的两端并联上合适的电容它就会组成LC并联谐振电路。这个并联谐振电路加到一个负反馈电路中就可以构成正弦波振荡电路，由于晶振等效为电感的频率范围很窄，所以即使其他元器件的参数变化很大，这个振荡器的频率也不会有很大的变化。晶振有一个重要的参数，那就是负载电容值，选择与负载电容值相等的并联电容，就可以得到晶振标称的谐振频率。

晶振元件的主要电气参数如下：

①晶振的频率值，与晶体盒尺寸和振动模式有关。尺寸越小，所获得的最低频率越高。4～40MHz频率以内的应用最多。

②频差，规定工作范围与频率允许偏差。在一定温度范围内的频差一般为±20×10^-6。

③负载电容量。一般由说明书给出参考值（如15pF）。

④适用温度范围。如-40～80℃。

晶振元件的损坏原因如下：

①受强烈振动损坏。石英晶体谐振器由芯片、支架、外壳、电极组成。晶体片较脆弱，易受振动而损坏。时钟电路处于停振状态。

②受潮后产生漏电阻，或振荡阻力增强。时钟电路处于停振或不易起振、易停振状态。有时用电烙铁加热引脚时起振，或在引脚施加干扰信号时起振，但出现随机性停振现象。

③因老化原因，造成频率漂移，或不容易起振和易于停振；频率偏移较大时，变频器易报“Err”错误故障。

晶振元件的检测方法：

①用指针式万用表的×10k档，测两引脚之间的电阻值，应为无穷大。如测出一定的电阻值，说明已产生漏电损坏。

②用电容表测两引脚之间的电容值，一般为几皮法至几十皮法之间。元件的标称频率值高，所测电容值就小。若测量电容量为数百皮法以上或电容值为0，元件损坏。

③摇动法。手拿晶振，放耳边摇动，细听有无细微的“哗啦”声，若有，说明内部晶片受振动碎裂。

④用简易振荡电路测试晶振的好坏，如图8-7所示。

所测晶振与电路构成振荡器，晶振元件是好的，测电路起振，LED点亮。如配合频率计或示波器，则可以进一步测试振荡频率与波形。

晶振元件的代换：

晶振在电路中的符号是以“X”、“G”、“Z”等字母标注的，元件本体上一般直接用印字标注出频率值，如标注为20.0F6C或20M，说明频率标称值为20MHz。封装形式有直插和贴片封装两路，MCU主板电路中以后者应用为多。代换时做到封装形式、标称频率值两者的严格一致。

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图8-7 晶振测试的简易电路

（3）复位脚

MCU在初始上电期间或在工作中因干扰而使程序失控，或工作中程序处于死循环“卡死”状态时，都需要进行复位操作，才能使MCU的中央处理器（CPU）及其他功能部件，都恢复到一个确定的初始状态，并从程序的初始执行点重新开始工作。强制复位时，是使MCU现在的工作全部停止后，又从零起步，开始新的工作阶段。

1）MCU的复位控制方式。

有硬件复位1、硬件复位2（低电压检测复位）、软件复位、看门狗定时器复位和振荡停止检测复位等数种复位控制方式。

①硬件复位1。是通过RST或引脚产生的复位动作。在接通电源时，电源电压有一个由0V上升至满足工作条件电压值的过程，在电源稳定后，由复位电路向RST或引脚输入一个“暂态”的复位电平信号，主时钟电路开始工作，初始化引脚（使相关I/O口为无输出状态）；复位信号消失后，CPU和SFR开始初始化，并由复位向量指定的地址开始执行程序。电源稳定状态（待机或运行中），RST或引脚输入复位信号时，可即时对系统产生强制复位动作。硬件复位电路如图8-8a和b所示电路，只在接通电源时产生复位信号。

图8-8 微控制器的时钟振荡等效电路

②硬件复位2（低电压检测复位）。

a.通过内置在MCU内部的电压检测电路产生复位信号。内部电压检测电路检测Vdd、Vss引脚的电压值低于设定阈值时，产生复位信号，直至电源电压正常后，重新运行程序。b.通过外置电路，对MCU供电电源电压进行检测，低于设定阈值时，向RST或引脚输送复位信号。图8-8d所示电路兼具上电复位和低电压检测复位两种功能。

③软件复位。由程序向专用寄存器写入特定数据的方法，实现上电后的软件复位。图8-8c所示电路，即采用软件复位的电路实例。MCU的复位端直接和Vdd供电端短接，省去了硬件复位电路。

④看门狗定时器复位。由专用定时器对程序运行时间进行监控，当程序“跑飞”或处于死循环状态时，看门狗定时器失去清零信号，定时时间到时会发送系统复位信号，这也是软件复位方法之一。

用外部定时器电路，取用MCU输出的清零信号，当MCU程序运行异常、不能正常向外部发送清零信号（喂狗信号）时，定时器（定时时间到后）向MCU输入复位控制信号，是硬件看门狗复位电路之一。有此机型采用将硬件看门狗、复位电路及MCU外挂E²PROM组成的集成器件，完成对MCU的复位、程序运行监控和存储用户程序等多种控制功能。

⑤振荡停止检测复位。如果检测到主时钟振荡电路停止工作，开始初始化引脚、MCU和SFR，停止运行，也是由MCU内部电路所实施的检测和复位控制。

综上所述，几乎每种形式的复位控制方式都有软、硬件电路之分，对于软件复位电路的问题，检修者几乎是无从着手进行检测和修复的。实际的硬件电路，只涉及硬件复位1和硬件复位2（低电平检测）两种形式的复位控制方式。

2）复位电路的4种电路形式。

①常见简单复位电路图8-8a、b所示电路是典型的硬件复位电路，在上电时输出复位信号。复位控制引脚有RST（有时标注为TRST，或RESET）低电平复位和高电平复位两种控制方式，RST标注字母上方加横线的，表示为低电平复位方式。

a低电平复位电路图8-8a所示电路是一个RC积分（定时）电路。在上电瞬间，因电容C1两端的电位不能突变，引脚为（瞬态）低电平，MCU开始复位动作；随后R1提供C1的充电电流，逐渐在C1上建立起充电电压，当C1电压上升5V（常态）高电平后，复位过程结束，程序执行开始。

一般要求复位低电平出现的时间不小于10ms，或不小于20个时钟周期。由此可确定R1、C1的取值。

二极管D1并联在R1两端，提供电容C1的放电通路。当系统瞬时掉电时，D1可对C1存储电荷快速泄放，避免瞬间掉电后电源正常时，C1两端仍保持高电平，复位失效。

b高电平复位电路图8-8b所示电路也是一个RC积分（定时）电路。上电瞬间，C1“形同短路”，向引脚输送一个5V高电平信号。R1提供C1的充电电流，当C1充电结束（充电电流为零）后，R1两端电位差为0V，引脚变为常态低电平，复位过程结束。

②上电复位和电源电压检测电路。图8-8d所示电路系采用专用芯片（电源电压监视与复位IC）U1，可在上电、掉电时输出一个低电平的复位脉冲信号，使系统执行复位操作。正常工作中，监视MCU供电电源电压的变化，电压偏离正常范围达一定值时，自动输出复位控制信号。选取R1、R2的比值，可确定欠电压动作阈值。

VFD-B型22kW变频器MCU芯片（M30800FCFP）的实际复位电路如图8-9所示。

图8-9 M30800FCFP芯片的复位（与VREF基准电压）电路

3）复位电路的故障判断和检修要点。

复位信号是MCU上电后接收的第一个“系统起动”信号，该信号异常时，系统即处于不能唤醒的“休眠”状态，其故障表现同晶振损坏时钟停振后有些相似，故障的细节表现更为突出，如操作面板显示器处于“全黑”状态，无显示，上电过程中的“系统状态指示灯”也无闪烁点亮过程。

检修要点：

①检测MCU的复位端的静态电压，低电平复位有效端的静态电压应为高电平。若检测为低电平时，先排除外部复位电路的故障原因，若属MCU内部电路故障，需更换MCU芯片。

②可用强制复位法判断MCU外部复位电路是否正常。对低电平复位有效端（标注为RST，测量静态电位应为高电平），可以人为将MCU的复位端与电源地短接一下（瞬时短接再断开），相当于向MCU送入一个低电平的复位信号，此时MCU系统若恢复正常（操作显示面板上的显示内容变化、系统状态指示灯产生闪烁、端子电路继电器产生吸合声、面板可进行相关操作等），说明系统异常是由MCU外部复位电路损坏所致；对高电平复位有效端（标注为RST，测量静态电位为高电平），可以用导线或金属镊子瞬时将MCU的复位端与供电正端（如+5V端）短接一下，如MCU系统能正常运行，说明MCU外部复位电路异常。

③采用复合功能（如低电压检测、硬件看门狗、复位功能）芯片的复位电路损坏后，如原配件购买困难，可用简易RC复位电路取代，应急修复。如图8-8d所示电路中的芯片损坏，可用图8-8b所示电路取代。

微控制器系统的各部分电路是在CPU的统一指挥下协调工作的，芯片内部庞大的运算器、计数器、存储单元等数字单元电路是按一定的时钟节拍同步工作的。而上电时，需从程序首端开始执行，需要一个复位控制动作（如执行计数器、寄存器清零等），因而电源、时钟、复位三者是微控制器正常工作必需的三要素。对MCU的电源、时钟、复位引脚电压的检测，是判断MCU有没有投入正常工作的第一位判断。

（4）控制端子信号引脚（见图8-10）

图8-10 M30800FCFP芯片的控制端子信号引脚

变频器的操作控制信号大多来自于控制端子。此外，控制端子还输出变频器的工作状态信号。控制端子以压线端子方式安置于MCU主板电路的下侧，方便外接控制电路，实现对变频器的控制。控制端子的输入、输出信号，一般经光耦合器隔离（模拟信号经运算放大器传输），直接输入MCU的相关引脚（或由MCU的引脚输出）。

数字信号输入端集中于55～63、85～87脚的P0、P3I/O口，系开关量信号，电路静态时由+5V上拉电阻引入+5V高电平，信号生效时变为0V低电平。全部引脚只有0、1两个电平状态，易于检测；数字信号输出引脚，工作状态同输入引脚，个别传输脉冲信号的引脚，静态为+5V高电平，动态为脉冲电压，测量直流值一般为2.5V；模拟量输入、输出引脚，其输入、输出信号类别取决于参数设置和外电路的物理量变化，一般在这些引脚测到的0～5V以内的模拟电压，且与变频器的工作状态相关。

（5）晶闸管导通和散热风扇运行控制信号引脚（见图8-11）

这是两个比较重要的由MCU芯片引脚输出的控制信号，只有0、1两个电平状态，其中晶闸管导通信号具有“系统状态信号”特征——当MCU的工作条件具备，检测无故障信号存在，储能电容充电过程已经结束，具备待机运行的条件以后，晶闸管导通信号由+5V高电平变为0V。因而检测此信号变化，可判断MCU系统的运行状态。

（6）电流、电压、温度检测信号输入引脚（见图8-12）

电流、电压、温度检测信号由电流互感器、开关变压器二次绕组、温度传感器取得后，经前级运算放大器、电压比较器处理后，分为模拟与开关量两类信号，进入MCU的芯片引脚，其模拟量信号，静态一般为0V或2.5V（直流偏置），动态（空载时仍保持静态电压值）带载后，模拟信号的电压范围约为1～4V以内。

图8-11 晶闸管导通和散热风扇运行控制信号引脚

图8-12 M30800FCFP芯片的电流、电压、温度检测信号输入引脚

其开关量信号，正常状态下，一般为+5V高电平，故障报警状态，变为0V低电平。

这部分引脚的信号电平状态决定着MCU系统能否具备正常运行的条件，MCU芯片在上电自检过程中，若发现图8-12引脚有故障信号存在，则给出相关报警，并拒绝运行操作。

（7）逆变脉冲输出引脚（见图8-13）

在正常状态下，变频器接收起动信号后，MCU芯片的6个PWM脉冲输出引脚，即输出6路逆变脉冲信号，送往后级驱动电路。

这6个引脚的静态电压一般为0V或+5V高电平，其静态电平的高、低取决于该引脚外接电路（或上拉、下拉电阻的接法），在脉冲输出状态，直流信号电压约为2.5V。检测其电平值的显著变化，能准确判断脉冲信号的有无。

图8-13 M30800FCFP芯片的逆变脉冲输出引脚

以上引脚，MCU的电源、时钟、复位引脚的电平状态，电流、电压、温度检测信号输入的相关引脚，其静态电平的正常与否，与MCU芯片能否投入正常工作大有关系是比较关键的检测引脚。