拼板機高頻信號源的研制

閆召臣　趙晨　田恒杰　李玉廷

【摘 要】拼板機高頻信號源的第一級為信號發生電路，采用晶體振蕩器作振蕩元件，配以外圍元件，產生的高頻信號經信號放大電路及功率放大電路進行放大，可供功率輸出電路作為信號源使用。經研究小組設計制作及多次測試，不斷改進電路結構和參數，取得了良好的效果，并對功率輸出電路做了初步設計。

【關鍵詞】拼板機；高頻信號源；高速運放；功率放大

【Abstract】The first stage of the high frequency signal source of the butt joint machine is the signal generating circuit， and the crystal oscillator is used with the peripheral components， and the high frequency signal is amplified by the signal amplifying circuit and the power amplifier circuit. Through the research group design and manufacture and many tests， the circuit structure and parameters of continuous improvement， achieved good results， and the power output circuit to do a preliminary design.

【Key words】Butt joint machine； High frequency signal source； High speed operational amplifier； Power amplifier

0 引言

在工業上，高頻信號源有很多應用，比如木材加工中用的高頻拼板機，就是采用高頻介質加熱將木條膠合成規定尺寸的板材，它需要一個大功率高頻信號源。高頻拼板機是人造實木板生產線上的一個關鍵設備，是利用上、下壓板做工作電容器，利用高頻電場對介質（木板）進行極化加熱，介質產生的熱量與電場強度的平方成正比，與頻率成正比。將板條涂膠鋪板后放在上、下壓板之間壓緊，接通高頻高壓信號源，木板中的膠比水分產生熱量大[1]，可在數十秒內干膠，拼板完成，生產效率很高。此設備的關鍵部分是高頻信號源，現市場產品均采用自激振蕩器產生高頻高壓信號，需要根據木板厚度調節匹配電容器及信號反饋電感器，調到合適參數操作復雜，而且頻率變化范圍寬、頻率不穩定，會對通訊及其他設備造成干擾。若采用外部振蕩器產生高頻信號，對信號進行放大后，再進行功率放大，將高頻電壓信號加到壓板上加熱，頻率非常穩定，加熱效果好。可以設定幾個頻點，如6.78MHz、13.56MHz、27.12MHz……，這些頻點都是國際上通用的介質加熱用的頻點，不會對通訊造成干擾。當木材厚度不同時，可以用轉換開關調到合適的頻點上，操作簡便。

1 項目研究內容和擬解決的關鍵問題

本項目主要做以下內容的研究：

1.1 高頻信號發生器電路設計與制作

本部分電路是整個裝置的關鍵，產生的信號要穩定、具有較好的波形，關鍵是避免寄生振蕩、頻率保持穩定。

1.2 高頻信號放大器電路設計與制作

信號發生電路所產生的信號很弱，不足以推動較大功率的放大電路，所以要選用合適器件，并具有較大的帶寬，關鍵是核心器件的外圍元件參數的確定。

1.3 功率放大級電路設計與制作

將信號進一步放大，以使其有較大的功率、較高的電壓，從而可以推動功率輸出級電路，此電路的設計關鍵是參數計算、工作點設定。

1.4 功率輸出電路設計

此電路關鍵是參數計算和電子管的選型。

2 方案論證與電路設計

2.1 研究方法

（1）該研究項目有3名成員，均為2012級電氣工程及其自動化專業的學生，各成員進行分工合作，除平時按照分工各自研究外，每周至少一次召集研究小組成員進行交流、討論，以便把握研究進度；（2）根據研究內容及時搜集相關資料、擬定研究方案；（3）分析研究并設計信號源各部分電路；（4）選定信號源所用元器件、設計制作PCB板及焊接元器件；（5）反復調試并找出電路最佳參數，確定最終路電路結構和元件參數（圖1）。

圖1 高頻信號源原理框圖

2.2 電路設計

根據擬定的設計方案，逐步設計具體的電路，并畫出工作原理圖。現在有不同版本的畫圖軟件在使用，從最早的protel 99、protel DXP2004到功能比較全的Altium Designer 15，可以根據具體情況選用，畫原理圖先要制作元件符號庫，當然也可以找現成的庫安裝，比較省事，用上述軟件畫圖的好處是很容易轉換為PCB圖，便于加工電路板。本項目電路分四部分設計，可以逐個畫出單元圖，便于核對，將來做好PCB板后也便于測試。

2.3 電路工作原理

圖2為原理圖，用方框把整個圖分成四部分：P1信號發生電路、P2信號放大電路、P3功率放大電路、P4功率輸出電路。

P1信號發生電路：本級設置三個晶振，可以產生三個不同頻率的信號，用S1實現切換。根據需要也可以設置更多晶振，本電路可以適用12MHz-40MHz所有頻點。無源晶振被電路中的同頻諧波激發振蕩[2]，信號經T1放大，再經C5耦合在T2得到緩沖，目的是增強帶負載能力。C2、C3為反饋電容，R1、R2為偏置電阻，C1、C4、C6、C8為濾波電容，R3為射極電阻，R6為源極接入電阻，R5為前級負載電阻，RP1為輸出調節電阻，可以調節信號大小，C7為輸出隔直電容。

P2信號放大電路：本級采用高速運放為核心器件，采用反向輸入，R7為輸入電阻，R9為反饋電阻，R8為平衡電阻，設計放大倍數為7.5，C9、C10、C11、C12為電源濾波電容，C13為輸出隔直電容。

P3功率放大電路：該級T3、T4、T5選用耐高壓、高頻大功率三極管，截止頻率100MHz以上，RP2、R10、RP3為偏置電阻，其中RP3為雙聯可調電阻，C15為交流旁路電容，C14、C16為輸出隔直電容，R11、R12為射極接入電阻，L2為空心線圈，D1、D2可防止交越失真。

P4功率輸出電路：本級以大功率電子管為核心元件，L3、L4為阻流圈，C17為隔直電容，L5為負載匹配電感，C18為旁路電容，C19為工作電容器、CP1為負載匹配調節電容。

圖2中，TP1-TP5為信號測試點。

圖2 高頻信號源原理圖

說明：原先畫的為單元圖，不便在這里表達，本圖使用VISIO重畫的.

3 元器件選取

表1 元器件表

元件選取是否恰當，決定制作的成敗。本設計的關鍵是第一級電路，能否產生理想的信號非常重要，第一級電路采用分立元件設計制作，主要是晶振和三極管的選取，晶振選用優質無源的，頻率穩定度可達到±0.1ppm[3]，三極管要選用截止頻率高、耐壓高、電流放大系數高的。第二級電路是將第一級的輸出信號進行放大，由于第一級輸出信號很弱，只有幾十至上百毫伏，第二級要求輸入電流極小，所以采用高速運放配以外圍元件設計制作，關鍵是運放的選用，需要高帶寬、低噪聲，本級電路選用AD8045ADRZ，其增益帶寬積可達1GHz，具有輸入信號小、輸出噪聲低的優點。

第三級電路采用分立元件，需選用高頻大功率三極管。最后一級根據實際需要選擇合適的大功率電子管，由于最后一級需要加數千伏高壓，功率數千瓦至數十千瓦，需要配升壓變壓器，最后一級造價達數萬元，出于經費限制和安全考慮，所以只做了電路設計。

4 裝置制作與調試

在畫好工作原理圖基礎上，當所有元件選購齊全后，就可以根據元件尺寸及插腳布局制作PCB封裝庫，并將原理圖轉化為PCB圖，因本設計只需制作雙層板，所以畫PCB圖需要的時間不是很多，對PCB板制作，可以在校內制作，也可以外出加工（圖3）。

圖3 PCB板和已焊接元件的測試板

待PCB加工完成后，焊接好元件，然后進行測試。對于本設計制作主要關心信號波形的好壞、頻率穩定性、信號強弱，所以采用示波器觀察。每一級電路都要經過多次調試，主要器件確定后，主要是外圍電路所用元件參數之間的配合問題，雖然電路元件參數已經計算，但實際和計算總有出入，要不斷調整元件參數，經反復多次才可以達到目的，電路也要不斷改進，在本研究中多次制作了印刷電路板（圖4）。

圖4 經過信號放大電路后的波形

5 總結

經過一年多的時間，反復對所做電路板進行測試，電路經多次修改，元件參數不斷調整，達到了設計要求，并制作出一部樣機，所有電路板置于機箱內，并在機箱面板設置儀表指示、相關調節按鈕，便于操作使用，得到了很好的實際鍛煉，研究能力得到了很大提升。

【參考文獻】

[1]劉雅清.淺談高頻介質加熱機的原理與維修[J].林業科技情報，2011，45（3）：64-65.

[2]康華光，陳大欽.電子技術基礎（模擬部分，第四版）[M].北京：高等教育出版社，2003，8.

[3]管世波，李東王，艷林.高頻石英晶體測試系統信號源設計[J].電子測量與儀器學報，2007，21（6）：104-108.

[責任編輯：王楠]